JP2019021418A - Controller and control method of nonaqueous electrolyte secondary battery, nonaqueous electrolyte secondary battery system having the controller, and method for manufacturing nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

Controller and control method of nonaqueous electrolyte secondary battery, nonaqueous electrolyte secondary battery system having the controller, and method for manufacturing nonaqueous electrolyte secondary battery Download PDF

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Abstract

To provide means for suppressing the worsening of the cycle durability of a high-capacity and high-density nonaqueous electrolyte secondary battery which uses a solid solution positive electrode active material having a predetermined structure and a silicon-containing negative electrode active material.SOLUTION: In an embodiment of the present invention, in an activation process (a process for causing re-organization of a crystal structure by performing a charging process on a power-generating element) when manufacturing a high-capacity and high-density nonaqueous electrolyte secondary battery which uses a solid solution positive electrode active material and a silicon-containing negative electrode active material, the charging process is controlled so that a value of SOC of the power-generating element does not exceed an upper limit of SOC previously set from the relation between SOC of the power-generating element and a gas generation amount. In another embodiment of the invention, when using a high-capacity and high-density nonaqueous electrolyte secondary battery which uses a solid solution positive electrode active material and a silicon-containing negative electrode active material, the charge/discharge of a power-generating element is controlled so that the value of SOC of the power-generating element does not exceed an upper limit of SOC previously set from the relation between SOC of the power-generating element and a gas generation amount.SELECTED DRAWING: Figure 3B

Description

本発明は、非水電解質二次電池の制御装置および制御方法、当該制御装置を有する非水電解質二次電池システム、並びに非水電解質二次電池の製造方法に関する。本発明に係る非水電解質二次電池は、例えば、電気自動車、燃料電池車およびハイブリッド電気自動車等の車両のモータ等の駆動用電源や補助電源に用いられる。   The present invention relates to a control device and a control method for a nonaqueous electrolyte secondary battery, a nonaqueous electrolyte secondary battery system having the control device, and a method for manufacturing a nonaqueous electrolyte secondary battery. The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is used, for example, as a driving power source or auxiliary power source for motors of vehicles such as electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid electric vehicles.

近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの電気デバイスの開発が盛んに行われている。   In recent years, in order to cope with global warming, reduction of the amount of carbon dioxide is eagerly desired. In the automobile industry, there is a great expectation for reducing carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV). Electric devices such as secondary batteries for motor drive that hold the key to their practical application. Is being actively developed.

モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。従って、全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。   As a secondary battery for driving a motor, it is required to have extremely high output characteristics and high energy as compared with a consumer lithium ion secondary battery used in a mobile phone, a notebook personal computer or the like. Therefore, lithium ion secondary batteries having the highest theoretical energy among all the batteries are attracting attention, and are currently being developed rapidly.

リチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが、電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。   Generally, a lithium ion secondary battery includes a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to both surfaces of a positive electrode current collector using a binder, and a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to both surfaces of a negative electrode current collector using a binder. However, it has the structure connected through an electrolyte layer and accommodated in a battery case.

従来、リチウムイオン二次電池の負極には充放電サイクルの寿命やコスト面で有利な炭素・黒鉛系材料が用いられてきた。しかし、炭素・黒鉛系の負極材料ではリチウムイオンの黒鉛結晶中への吸蔵・放出により充放電がなされるため、最大リチウム導入化合物であるLiCから得られる理論容量372mAh/g以上の充放電容量が得られないという欠点がある。このため、炭素・黒鉛系負極材料で車両用途の実用化レベルを満足する容量、エネルギー密度を得るのは困難である。 Conventionally, carbon / graphite-based materials that are advantageous in terms of charge / discharge cycle life and cost have been used for negative electrodes of lithium ion secondary batteries. However, since carbon / graphite-based negative electrode materials are charged / discharged by occlusion / release of lithium ions into / from graphite crystals, the charge / discharge capacity of the theoretical capacity 372 mAh / g or more obtained from LiC 6 which is the maximum lithium-introduced compound. There is a disadvantage that cannot be obtained. For this reason, it is difficult to obtain a capacity and energy density that satisfy the practical use level of the vehicle application with the carbon / graphite negative electrode material.

これに対し、Liと化合物を形成するSiO(0<x<2)材料や、ケイ素を含有する合金系材料などのケイ素含有負極活物質を用いた電池は、従来の炭素・黒鉛系負極材料と比較しエネルギー密度が向上するため、車両用途における負極材料として期待されている。例えば、SiOで表される化学組成を有するケイ素酸化物は、微視的にみると、Si(単結晶のナノ粒子)と非晶質(アモルファス)SiOとが相分離して存在する。 In contrast, a battery using a silicon-containing negative electrode active material such as a SiO x (0 <x <2) material that forms a compound with Li or an alloy-based material containing silicon is a conventional carbon / graphite negative electrode material. Therefore, it is expected as a negative electrode material for vehicle use. For example, in a silicon oxide having a chemical composition represented by SiO x , when viewed microscopically, Si (single crystal nanoparticles) and amorphous SiO 2 exist in phase separation.

一方、正極材料の高エネルギー密度化への取り組みとして、層状化合物であるxLiMnO−(1−x)LiMe’O(式中、Me’は、Co、Mn、Ni、Cr等を表す)の固溶体を正極活物質として用いることが試みられている。この固溶体正極活物質は、Liの一部が遷移金属に置き換わっており、Li過剰な結晶構造を有している。そして、当該固溶体正極活物質に対して高電圧充電を行うと、結晶構造の再編成(層状構造(LiMnO)からスピネル構造(LiMn)への変化)による活性化が起こることで高容量化が達成されうる。 On the other hand, as an effort to increase the energy density of the positive electrode material, xLi 2 MnO 3- (1-x) LiMe′O 2 (wherein Me ′ represents Co, Mn, Ni, Cr, etc.) as a layered compound Attempts have been made to use a solid solution as a positive electrode active material. In this solid solution positive electrode active material, a part of Li is replaced by a transition metal and has a Li-excess crystal structure. When high-voltage charging is performed on the solid solution positive electrode active material, activation due to reorganization of the crystal structure (change from a layered structure (Li 2 MnO 3 ) to a spinel structure (LiMn 2 O 4 )) occurs. High capacity can be achieved.

しかしながら、このような固溶体正極活物質においては、充電時に結晶構造の変化に伴う酸素ガスの放出が起こり、実際にリチウムイオン二次電池の正極活物質として用いたときの酸素ガスによる電池の膨れが問題となっている。また、酸素ガスが発生すると、充分な充放電特性が発揮できないという問題もある。   However, in such a solid solution positive electrode active material, oxygen gas is released due to a change in crystal structure during charging, and the battery is swollen by oxygen gas when actually used as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery. It is a problem. Further, when oxygen gas is generated, there is a problem that sufficient charge / discharge characteristics cannot be exhibited.

このような問題に対して、特許文献1に記載の技術が提案されている。具体的に、特許文献1に記載の技術は、xLiMnO−(1−x)LiMnCoNi(式中、0.2≦x≦0.5、0.3≦a≦0.5、0.1≦b≦0.3、0.3≦c≦0.5、a+b+c=1である)で表される固溶体の表面の少なくとも一部を、Mn、CoおよびNi以外の遷移金属の酸化物または酸化物リチウム塩により被覆するというものである。これにより、充電時における酸素ガスの発生が抑制された、高容量の固溶体正極活物質が提供されるとされている。 For such a problem, a technique described in Patent Document 1 has been proposed. Specifically, the technique described in Patent Document 1 is such that xLi 2 MnO 3 — (1-x) LiMn a Co b Ni C O 2 (where 0.2 ≦ x ≦ 0.5, 0.3 ≦ a ≦ 0.5, 0.1 ≦ b ≦ 0.3, 0.3 ≦ c ≦ 0.5, a + b + c = 1), at least part of the surface of the solid solution other than Mn, Co, and Ni These are coated with an oxide of a transition metal or a lithium salt of an oxide. Thus, a high-capacity solid solution positive electrode active material in which generation of oxygen gas during charging is suppressed is provided.

特開2012−129166号公報JP 2012-129166 A

容量の小さい電池においては、特許文献1に記載の技術によって充電時における酸素ガスの発生の影響をある程度緩和することで、放電容量の低下を抑制することが一応可能である。しかしながら、本発明者らがさらに検討を進めたところ、例えば電気自動車等の駆動用電源として用いられうる、高容量かつ高密度(電池容量あたりの電池体積が小さい)の電池においては、充電時に酸素ガスが発生するとサイクル回数の増加に伴って放電容量が低下する(サイクル耐久性が低下する)ことが判明した。   In a battery with a small capacity, it is possible to suppress a decrease in discharge capacity by mitigating the influence of the generation of oxygen gas during charging to some extent by the technique described in Patent Document 1. However, as a result of further investigation by the present inventors, for example, in a battery having a high capacity and high density (small battery volume per battery capacity) that can be used as a driving power source for an electric vehicle or the like, oxygen is charged during charging. It has been found that when gas is generated, the discharge capacity decreases (cycle durability decreases) as the number of cycles increases.

そこで本発明は、固溶体正極活物質およびケイ素含有負極活物質を用いた高容量かつ高密度の非水電解質二次電池のサイクル耐久性の低下を抑制しうる手段を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a means capable of suppressing a decrease in cycle durability of a high-capacity and high-density nonaqueous electrolyte secondary battery using a solid solution positive electrode active material and a silicon-containing negative electrode active material.

本発明の一形態では固溶体正極活物質およびケイ素含有負極活物質を用いた高容量かつ高密度の非水電解質二次電池を製造する際の活性化処理(活性化すべき固溶体正極活物質を含有する発電要素に対して充電処理を施すことにより結晶構造の再編成を起こす処理)において、発電要素の充電状態の値が、当該発電要素の充電状態とガス発生量との関係から予め設定された充電状態の上限値を超えないように上記充電処理を制御することで、上記課題を解決する。   In one embodiment of the present invention, an activation treatment (containing a solid solution positive electrode active material to be activated) is produced when manufacturing a high-capacity and high-density nonaqueous electrolyte secondary battery using a solid solution positive electrode active material and a silicon-containing negative electrode active material. In the process of causing restructuring of the crystal structure by performing a charging process on the power generation element), the value of the charge state of the power generation element is set in advance from the relationship between the charge state of the power generation element and the amount of gas generated The said subject is solved by controlling the said charging process so that the upper limit of a state may not be exceeded.

また、本発明の他の形態では、固溶体正極活物質およびケイ素含有負極活物質を用いた高容量かつ高密度の非水電解質二次電池を使用する際に、発電要素の充電状態の値が、当該発電要素の充電状態とガス発生量との関係から予め設定された充電状態の上限値を超えないように当該発電要素の充放電を制御することで、上記課題を解決する。   In another embodiment of the present invention, when using a high-capacity and high-density non-aqueous electrolyte secondary battery using a solid solution positive electrode active material and a silicon-containing negative electrode active material, the value of the state of charge of the power generation element is: The above problem is solved by controlling charging / discharging of the power generation element so as not to exceed the preset upper limit value of the charging state from the relationship between the charging state of the power generation element and the amount of gas generated.

本発明においては、固溶体正極活物質およびケイ素含有負極活物質を用いた高容量かつ高密度の非水電解質二次電池について、ガス発生量が少ない充電状態となるように制御して電池を製造または使用する。このため、ガス発生に起因する負極の酸化による容量低下やA/C比の不均衡が防止され、当該電池のサイクル耐久性の低下を抑制することができる。   In the present invention, a high-capacity and high-density nonaqueous electrolyte secondary battery using a solid solution positive electrode active material and a silicon-containing negative electrode active material is manufactured so as to be in a charged state with a small amount of gas generation or use. For this reason, the capacity | capacitance fall by the oxidation of the negative electrode resulting from gas generation and the imbalance of A / C ratio are prevented, and the fall of the cycle durability of the said battery can be suppressed.

本発明に係る製造方法によって製造され、本発明に係る制御方法および制御装置の制御対象である非水電解質二次電池の一例である、扁平型の(双極型でない)非水電解質二次電池を示す平面図である。A flat (non-bipolar) non-aqueous electrolyte secondary battery, which is an example of a non-aqueous electrolyte secondary battery that is manufactured by the manufacturing method according to the present invention and is a control target of the control method and control device according to the present invention, FIG. 図1のIIA−IIA線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the IIA-IIA line | wire of FIG. 図1のIIB−IIB線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the IIB-IIB line | wire of FIG. 本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の製造方法のうち、特に活性化処理を実施するための制御装置を含む構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure containing the control apparatus for implementing especially an activation process among the manufacturing methods of the nonaqueous electrolyte secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention. 図3Aの制御装置(の特に記憶部)に記憶される充電状態の上限値を設定する根拠となる充電状態(正極容量)と、正極電位(●)および酸素ガス発生量(○)との関係の一例を示す図である。The relationship between the charge state (positive electrode capacity), which is the basis for setting the upper limit value of the charge state stored in the control device (particularly the storage unit) of FIG. 3A, the positive electrode potential (●), and the oxygen gas generation amount (◯) It is a figure which shows an example. 本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池を搭載した電気自動車を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the electric vehicle carrying the nonaqueous electrolyte secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention. 実施例3および比較例3について、サイクル耐久性試験の各サイクルにおける放電容量をプロットしたグラフである。5 is a graph plotting discharge capacities in each cycle of a cycle durability test for Example 3 and Comparative Example 3. FIG. 「電池の定格容量に対する電池体積(電池外装体まで含めた電池の投影面積と電池の厚みとの積)の比の値が10cm/Ah以下であり、かつ、前記定格容量が3Ah以上である電池」ではない電池を用いて図5Aと同様の比較実験(サイクル耐久性試験)を行った場合の、サイクル耐久性試験の各サイクルにおける放電容量をプロットしたグラフである。“The value of the ratio of the battery volume (the product of the projected area of the battery including the battery outer casing and the thickness of the battery) to the rated capacity of the battery is 10 cm 3 / Ah or less, and the rated capacity is 3 Ah or more. It is the graph which plotted the discharge capacity in each cycle of a cycle durability test when the same comparative experiment (cycle durability test) as FIG. 5A was performed using a battery other than “battery”.

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明するが、本発明は、以下の形態のみに制限されない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。   Hereinafter, although the form for implementing this invention is demonstrated in detail, this invention is not restrict | limited only to the following forms. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from actual ratios.

本発明は、活性化された固溶体正極活物質を含有する正極と、ケイ素含有負極活物質を含有する負極と、前記正極と前記負極との間に介在する非水電解質を含む電解質層と、を備える発電要素を有する非水電解質二次電池の製造方法、並びに制御方法および制御装置に関する。   The present invention includes a positive electrode containing an activated solid solution positive electrode active material, a negative electrode containing a silicon-containing negative electrode active material, and an electrolyte layer containing a non-aqueous electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode. The present invention relates to a method for manufacturing a nonaqueous electrolyte secondary battery having a power generation element, a control method, and a control device.

《非水電解質二次電池の構成例》
図1は、本発明に係る製造方法によって製造され、本発明に係る制御方法および制御装置の制御対象である非水電解質二次電池の一例である、扁平型の(双極型でない)非水電解質二次電池(以下、単に「積層型電池」とも称する)を示す平面図である。図2Aは、図1のIIA−IIA線に沿う断面図である。図2Bは、図1のIIB−IIB線に沿う断面図である。非水電解質二次電池(積層型電池)10としては、たとえば、リチウムイオン二次電池などのリチウム系二次電池などが挙げられる。ただし、以下に示す非水電解質二次電池は、本発明に係る製造方法によって製造され、本発明に係る制御方法および制御装置の制御対象である非水電解質二次電池の一例であって、これ以外の構造を有する非水電解質二次電池も本発明の技術的範囲に含まれる。
<Configuration example of non-aqueous electrolyte secondary battery>
FIG. 1 shows a flat (non-bipolar) non-aqueous electrolyte that is an example of a non-aqueous electrolyte secondary battery that is manufactured by the manufacturing method according to the present invention and is a control target of the control method and control apparatus according to the present invention. It is a top view which shows a secondary battery (henceforth only a "stacked battery"). 2A is a cross-sectional view taken along line IIA-IIA in FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line IIB-IIB in FIG. Examples of the nonaqueous electrolyte secondary battery (stacked battery) 10 include a lithium secondary battery such as a lithium ion secondary battery. However, the nonaqueous electrolyte secondary battery shown below is an example of a nonaqueous electrolyte secondary battery that is manufactured by the manufacturing method according to the present invention and is a control target of the control method and the control device according to the present invention. Nonaqueous electrolyte secondary batteries having a structure other than the above are also included in the technical scope of the present invention.

図1に示すように、本実施形態の積層型電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、外装体である電池外装体29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極と、電解質層17と、負極とを積層した構成を有している。正極は、正極集電体12の両面に正極活物質層15が配置された構造を有する。負極は、負極集電体11の両面に負極活物質層13が配置された構造を有する。具体的には、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、電解質層17を介して対向するようにして、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型電池10は、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。   As shown in FIG. 1, the stacked battery 10 of the present embodiment has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a battery exterior body 29 that is an exterior body. Have. Here, the power generation element 21 has a configuration in which a positive electrode, an electrolyte layer 17, and a negative electrode are stacked. The positive electrode has a structure in which the positive electrode active material layers 15 are disposed on both surfaces of the positive electrode current collector 12. The negative electrode has a structure in which the negative electrode active material layer 13 is disposed on both surfaces of the negative electrode current collector 11. Specifically, the negative electrode, the electrolyte layer, and the positive electrode are laminated in this order so that one positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13 adjacent thereto face each other with the electrolyte layer 17 therebetween. . Thereby, the adjacent positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode constitute one unit cell layer 19. Therefore, it can be said that the stacked battery 10 shown in FIG. 1 has a configuration in which a plurality of single battery layers 19 are stacked and electrically connected in parallel.

なお、発電要素21の両最外層に位置する最外層負極集電体には、いずれも片面のみに負極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図1とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層正極集電体が位置するようにし、該最外層正極集電体の片面または両面に正極活物質層が配置されているようにしてもよい。   In addition, although the negative electrode active material layer 13 is arrange | positioned only in the single side | surface at all the outermost layer negative electrode collectors located in both outermost layers of the electric power generation element 21, an active material layer may be provided in both surfaces. That is, instead of using a current collector dedicated to the outermost layer provided with an active material layer only on one side, a current collector having an active material layer on both sides may be used as it is as an outermost current collector. Further, by reversing the arrangement of the positive electrode and the negative electrode as compared with FIG. 1, the outermost positive electrode current collector is positioned on both outermost layers of the power generation element 21, and the outermost positive electrode current collector is disposed on one or both surfaces of the outermost layer positive electrode current collector. A positive electrode active material layer may be disposed.

正極集電体12および負極集電体11には、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板27および負極集電板25がそれぞれ取り付けられ、電池外装体29の端部に挟まれるようにして電池外装体29の外部に導出される構造を有している。正極集電板27および負極集電板25はそれぞれ、必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体12および負極集電体11に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。   The positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 are respectively attached with a positive electrode current collector plate 27 and a negative electrode current collector plate 25 that are electrically connected to the respective electrodes (positive electrode and negative electrode), and are sandwiched between end portions of the battery exterior body 29. In this way, it has a structure that is led out of the battery exterior body 29. The positive electrode current collector 27 and the negative electrode current collector 25 are ultrasonically welded to the positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 of each electrode, respectively, via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown) as necessary. Or resistance welding or the like.

また、図2Bに示すように、本実施形態の積層型電池10には、参照電極(リチウム金属参照電極)31が設けられている。参照電極31は、当該参照電極31の電位に対するこの積層型電池10の正極の電位を検出するためのものであり、正極活物質層15(または負極活物質層13)との間でリチウムイオンの移動が行われうるものである。換言すれば、正極と負極との間におけるイオン伝導性が確保されていることが必要である。そのため、本実施形態の参照電極31は、正極活物質層15と負極活物質層13とに挟まれ、充放電時にリチウムイオンの移動が行われる電解質層(本実施形態においてはセパレータ17の中)に設けられている。なお、参照電極31には参照電極リード33が接続され、さらに参照電極タブ35として積層型電池10(具体的には、電池外装体29)の外部に取り出されている。   Further, as shown in FIG. 2B, the stacked battery 10 of the present embodiment is provided with a reference electrode (lithium metal reference electrode) 31. The reference electrode 31 is for detecting the potential of the positive electrode of the stacked battery 10 with respect to the potential of the reference electrode 31, and the lithium ion is connected to the positive electrode active material layer 15 (or the negative electrode active material layer 13). It can be moved. In other words, it is necessary to ensure ionic conductivity between the positive electrode and the negative electrode. For this reason, the reference electrode 31 of the present embodiment is sandwiched between the positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13, and the electrolyte layer in which lithium ions move during charge / discharge (in the separator 17 in the present embodiment). Is provided. Note that a reference electrode lead 33 is connected to the reference electrode 31, and is further taken out as a reference electrode tab 35 to the outside of the stacked battery 10 (specifically, the battery outer package 29).

[正極活物質層]
正極活物質層は、放電時にリチウムイオン等のイオンを吸蔵し、充電時にリチウムイオン等のイオンを放出できる正極活物質を含む。ここで、上述したように、本発明に係る非水電解質二次電池は、いわゆる高容量かつ高密度の電池である。このような高容量の電池を構成するため、本実施形態の正極活物質層は、活性化された固溶体正極活物質を含有する。固溶体正極活物質は、層状構造部位と、所定の電位範囲における充電または充放電を行うことによりスピネル構造に変化する部位(層状構造のLiMnO)とを有する。ここで、当該固溶体正極活物質の具体的な構成について特に制限はないが、好ましくは固溶体リチウム含有遷移金属酸化物からなるものである。また、固溶体正極活物質は、より好ましくは、下記化学式(1):
Li[NiCoMn[Li]]O ・・・(1)
式中、Liはリチウム、Niはニッケル、Coはコバルト、Mnはマンガン、Oは酸素を示し、zは原子価を満足する酸素数を表し、a、b、cおよびdは、0<a<0.94、0≦b<0.94、0<c<0.94、0.05≦d≦0.8、a+b+c=1の関係を満足する、
で表される組成を有する固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を基本構造として有するものであることが好ましい。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material capable of occluding ions such as lithium ions during discharge and releasing ions such as lithium ions during charging. Here, as described above, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is a so-called high capacity and high density battery. In order to constitute such a high capacity battery, the positive electrode active material layer of the present embodiment contains an activated solid solution positive electrode active material. The solid solution positive electrode active material has a layered structure portion and a portion (layered structure Li 2 MnO 3 ) that changes to a spinel structure by charging or charging / discharging in a predetermined potential range. Here, although there is no restriction | limiting in particular about the specific structure of the said solid solution positive electrode active material, Preferably it consists of a solid solution lithium containing transition metal oxide. The solid solution positive electrode active material is more preferably the following chemical formula (1):
Li [Ni a Co b Mn c [Li] d ] O z (1)
In the formula, Li represents lithium, Ni represents nickel, Co represents cobalt, Mn represents manganese, O represents oxygen, z represents the number of oxygens satisfying the valence, and a, b, c and d are 0 <a < 0.94, 0 ≦ b <0.94, 0 <c <0.94, 0.05 ≦ d ≦ 0.8, a + b + c = 1 is satisfied,
It is preferable that it has as a basic structure the solid solution lithium containing transition metal oxide which has a composition represented by these.

このような固溶体正極活物質(好ましくは、固溶体リチウム含有遷移金属酸化物)をリチウムイオン二次電池の正極活物質として用いた場合、高い放電容量および容量維持率を実現することが可能となる。特に、後述する活性化処理により当該固溶体正極活物質における層状構造のLiMnOをスピネル構造のLiMnに変化させることで、非常に高い放電容量を実現することができる。その結果、車両の駆動電源用や補助電源用のリチウムイオン二次電池として好適に利用できる。このほかにも、家庭用や携帯機器用のリチウムイオン二次電池にも十分に適用可能である。 When such a solid solution positive electrode active material (preferably, a solid solution lithium-containing transition metal oxide) is used as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery, it is possible to achieve a high discharge capacity and capacity retention rate. In particular, a very high discharge capacity can be realized by changing Li 2 MnO 3 having a layered structure in the solid solution positive electrode active material into LiMn 2 O 4 having a spinel structure by an activation treatment described later. As a result, it can be suitably used as a lithium-ion secondary battery for vehicle drive power or auxiliary power. In addition to this, the present invention can be sufficiently applied to lithium ion secondary batteries for home use and portable devices.

式(1)において、Liはリチウム、Niはニッケル、Coはコバルト、Mnはマンガン、Oは酸素を示し、zは原子価を満足する酸素数を表し、a、b、cおよびdは、0<a<0.94、0≦b<0.94、0<c<0.94、0.05≦d≦0.8、a+b+c=1の関係を満足するものである。これにより、固溶体の構造は十分に安定であるという利点がある。なお、zで表される酸素数は「原子価を満足する」ものであるが、この「原子価を満足する」酸素数zは、化学式(1)で表される組成を有する固溶体リチウム含有遷移金属酸化物がLiMnOとLiMe’Oとをx:1−x(xは0<x<1)のモル比で含有する固溶体であるとしたときに、z=2+xを満足する値として求めることが可能である。また、この場合において、d=xとなる。 In the formula (1), Li represents lithium, Ni represents nickel, Co represents cobalt, Mn represents manganese, O represents oxygen, z represents the number of oxygens satisfying the valence, and a, b, c and d are 0. <A <0.94, 0 ≦ b <0.94, 0 <c <0.94, 0.05 ≦ d ≦ 0.8, and a + b + c = 1 are satisfied. This has the advantage that the structure of the solid solution is sufficiently stable. Note that the oxygen number represented by z is “satisfying valence”, but this “satisfying valence” oxygen number z is a solid solution lithium-containing transition having a composition represented by chemical formula (1). When the metal oxide is a solid solution containing Li 2 MnO 3 and LiMe′O 2 at a molar ratio of x: 1−x (x is 0 <x <1), a value satisfying z = 2 + x Can be obtained as In this case, d = x.

なお、本実施形態の固溶体リチウム含有遷移金属酸化物は、組成式(1)において、a、bおよびcが、0<a<0.9、0≦b<0.9、0<c<0.9の関係を満足するものであることが好ましく、0<a<0.87、0≦b<0.87、0<c<0.87の関係を満足するものであることがより好ましい。また、本実施形態の固溶体リチウム含有遷移金属酸化物は、活性化処理における発電要素の充電状態の上限値を定めたとしてもエネルギー密度の観点から優位性を確保できる組成として、組成式(1)において、dが、0.1≦d≦0.8の関係を満足するものであることが好ましく、0.2≦d≦0.7の関係を満足するものであることがより好ましく、0.2≦d≦0.6の関係を満足するものであることがさらに好ましい。言い換えれば、上述した組成式(1)におけるリチウム組成(1+dで表される)は、好ましくは1.1〜1.8であり、より好ましくは1.2〜1.7であり、さらに好ましくは1.2〜1.6である。   In the solid solution lithium-containing transition metal oxide of the present embodiment, in the composition formula (1), a, b and c are 0 <a <0.9, 0 ≦ b <0.9, 0 <c <0. .9, preferably 0 <a <0.87, 0 ≦ b <0.87, and 0 <c <0.87. Further, the solid solution lithium-containing transition metal oxide of the present embodiment has a composition formula (1) as a composition that can ensure superiority from the viewpoint of energy density even if the upper limit value of the state of charge of the power generation element in the activation treatment is determined. In this case, d preferably satisfies the relationship of 0.1 ≦ d ≦ 0.8, more preferably satisfies the relationship of 0.2 ≦ d ≦ 0.7. More preferably, the relationship 2 ≦ d ≦ 0.6 is satisfied. In other words, the lithium composition (represented by 1 + d) in the composition formula (1) described above is preferably 1.1 to 1.8, more preferably 1.2 to 1.7, and still more preferably. 1.2 to 1.6.

上述した固溶体正極活物質は、それ自体が正極活物質として用いられてもよいし、固溶体正極活物質が、固溶体正極活物質(好ましくは化学式(1)で表される組成を有する固溶体リチウム含有遷移金属酸化物)を由来とするものであることが確認できる程度に適宜改変されて用いられてもよい。ここで、固溶体正極活物質の改変の形態として、例えば以下の(A)〜(C)の3つの形態が例示される。   The solid solution positive electrode active material described above may itself be used as a positive electrode active material, or the solid solution positive electrode active material has a solid solution positive electrode active material (preferably a solid solution lithium-containing transition having a composition represented by the chemical formula (1). The metal oxide may be appropriately modified and used to such an extent that it can be confirmed to be derived from the metal oxide). Here, as the modification of the solid solution positive electrode active material, for example, the following three forms (A) to (C) are exemplified.

(A)上述した固溶体正極活物質(好ましくは化学式(1)で表される組成を有する固溶体リチウム含有遷移金属酸化物)の粒子表面に、Al、Zr、Ti、Nb、B、S、Sn、W、MoおよびVからなる群から選択される1種または2種以上の元素Mが存在する形態(この際、当該元素Mの存在量(a+b+c=1としたときの原子組成モル比)を[M]としたときに0.002≦[M]/[a+b+c]≦0.05を満たす量で存在することが好ましい);
(B)上述した固溶体正極活物質の粒子表面に、Al、ZrおよびTiからなる群から選択される金属の酸化物または複合酸化物からなる被覆層が形成される形態(この際、被覆後の固溶体正極活物質における前記酸化物または複合酸化物の含有量は酸化物換算で0.1〜3.0重量%であることが好ましい);並びに、
(C)上述した固溶体正極活物質に含まれるMn原子がTi、ZrおよびNbからなる群から選択される少なくとも1種によって置換されてなる形態。
(A) Al, Zr, Ti, Nb, B, S, Sn, on the particle surface of the solid solution positive electrode active material (preferably a solid solution lithium-containing transition metal oxide having a composition represented by chemical formula (1)) described above. The form in which one or more elements M selected from the group consisting of W, Mo and V are present (in this case, the abundance of the element M (atomic composition molar ratio when a + b + c = 1)) is [ M] is preferably present in an amount satisfying 0.002 ≦ [M] / [a + b + c] ≦ 0.05);
(B) A form in which a coating layer made of a metal oxide or composite oxide selected from the group consisting of Al, Zr and Ti is formed on the particle surface of the solid solution positive electrode active material described above (in this case, after coating) The content of the oxide or composite oxide in the solid solution positive electrode active material is preferably 0.1 to 3.0% by weight in terms of oxide);
(C) A form in which Mn atoms contained in the above-described solid solution positive electrode active material are substituted with at least one selected from the group consisting of Ti, Zr and Nb.

また、正極活物質層は、上記所定の固溶体正極活物質以外の正極活物質をさらに含んでもよい。かような正極活物質の例としては、リチウムと遷移金属との複合酸化物、遷移金属酸化物、遷移金属硫化物、PbO、AgO、またはNiOOHなどが好ましく挙げられ、これらは単独でもまたは2種以上混合しても用いることができる。 The positive electrode active material layer may further include a positive electrode active material other than the predetermined solid solution positive electrode active material. Examples of such a positive electrode active material preferably include a composite oxide of lithium and a transition metal, a transition metal oxide, a transition metal sulfide, PbO 2 , AgO, or NiOOH. Even if it mixes seeds or more, it can be used.

前記リチウムと遷移金属との複合酸化物の例としては、LiMnO、LiMn、LiMnOなどのLi−Mn系複合酸化物、LiCoOなどのLi−Co系複合酸化物、LiNiO、Li(Ni−Co−Mn)OなどのLi−Ni系複合酸化物、LiFeOなどのLi−Fe系複合酸化物、LiFePOなどのリチウムと遷移金属との複合リン酸化合物、またはリチウムと遷移金属との複合硫酸化合物などが好ましく挙げられる。前記遷移金属酸化物の例としては、V、MnO、VMoO、またはMoOなどが好ましく挙げられる。前記遷移金属硫化物の例としては、TiSまたはMoSなどが好ましく挙げられる。これら正極活物質は、単独でもまたは2種以上混合しても用いることができる。 Examples of the composite oxide of lithium and transition metal include Li-Mn composite oxides such as LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , and Li 2 MnO 3 , Li—Co composite oxides such as LiCoO 2 , and LiNiO. 2 , Li—Ni-based composite oxides such as Li (Ni—Co—Mn) O 2 , Li—Fe-based composite oxides such as LiFeO 2 , composite phosphate compounds of lithium and transition metals such as LiFePO 4 , or Preferable examples include a composite sulfuric acid compound of lithium and a transition metal. Preferred examples of the transition metal oxide include V 2 O 5 , MnO 2 , V 2 MoO 8 , and MoO 3 . Preferred examples of the transition metal sulfide include TiS 2 and MoS 2 . These positive electrode active materials can be used alone or in admixture of two or more.

正極活物質層は、目的に応じて上記の任意成分(界面活性剤、導電助剤、バインダ、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩など)を含むことができる。   Depending on the purpose, the positive electrode active material layer may include any of the above-described optional components (surfactant, conductive additive, binder, electrolyte (polymer matrix, ion conductive polymer, electrolytic solution, etc.), lithium salt for increasing ion conductivity, etc. ) Can be included.

正極活物質層に用いられる任意成分のバインダとしては、疎水性であれば、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。   The optional binder used for the positive electrode active material layer is not particularly limited as long as it is hydrophobic, and examples thereof include the following materials.

ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(水素原子が他のハロゲン元素にて置換された化合物を含む)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。   Polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride (PVDF) (including compounds in which hydrogen atoms are substituted with other halogen elements), polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polybutene, polyether nitrile, polytetrafluoroethylene, Polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene / butadiene rubber (SBR), ethylene / propylene / diene copolymer, styrene / butadiene / styrene block copolymer and hydrogenated products thereof , Thermoplastic polymers such as styrene / isoprene / styrene block copolymer and hydrogenated products thereof, tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene -Perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride Fluorine resins such as (PVF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene fluorine rubber (VDF-HFP fluorine rubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene fluorine rubber (VDF-HFP-TFE fluorine rubber) ), Vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-based fluororubber (VDF-PFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-P) P-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluorine rubber (VDF-PFMVE-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluorine rubber (VDF-CTFE) Vinylidene fluoride-based fluororubber such as fluororubber) and epoxy resin. Among these, polyimide, styrene / butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable.

これらの好適なバインダは、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位に安定であり活物質層に使用が可能となる。これらのバインダは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。なお、これらバインダは、製造過程では、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)など、バインダが可溶な有機溶媒に溶解させたものを使用することもできる。   These suitable binders are excellent in heat resistance, have a very wide potential window, are stable at the positive electrode potential, and can be used for the active material layer. These binders may be used independently and may use 2 or more types together. In addition, these binders can also use what was melt | dissolved in the organic solvent in which binders are soluble, such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), in a manufacture process.

前記界面活性剤としては、公知のカチオン性界面活性剤、アニオン性界面活性剤、両性界面活性剤を使用することができる。   As the surfactant, known cationic surfactants, anionic surfactants, and amphoteric surfactants can be used.

前記導電助剤とは、活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。正極活物質層が導電助剤を含むと、正極活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。   The said conductive support agent means the additive mix | blended in order to improve the electroconductivity of an active material layer. Examples of the conductive aid include carbon materials such as carbon black such as acetylene black and carbon fibers. When the positive electrode active material layer contains a conductive additive, an electronic network inside the positive electrode active material layer is effectively formed, which can contribute to the improvement of the output characteristics of the battery.

前記電解質としては、電解質塩(リチウム塩)が好ましく、具体的には、Li(CSON、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO等が挙げられる。 The electrolyte is preferably an electrolyte salt (lithium salt), specifically, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like. It is done.

前記イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。   Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers.

また、本発明において、正極活物質層に含まれうる、導電助剤、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などのその他の添加剤の配合比は、特に限定されない。それらの配合比は、非水電解質二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。   In the present invention, other additives such as a conductive additive, electrolyte (polymer matrix, ion conductive polymer, electrolytic solution, etc.), lithium salt for improving ion conductivity, and the like, which can be included in the positive electrode active material layer. The blending ratio is not particularly limited. Those blending ratios can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about non-aqueous electrolyte secondary batteries.

[負極活物質層]
負極活物質層は、放電時にリチウムイオン等のイオンを放出し、充電時にリチウムイオン等のイオンを吸蔵できる負極活物質を含む。ここで、上述したように、本発明に係る非水電解質二次電池は、いわゆる高容量かつ高密度の電池である。このような高容量の電池を構成するため、本実施形態の負極活物質層は、ケイ素含有負極活物質を必須に含む。かようなケイ素含有負極活物質の具体的な形態について特に制限はないが、特に好ましくは、SiOxまたはケイ素含有合金(これらをまとめて「Si材料」とも称する)を必須に含むことが好ましく、特に高容量の負極を構成できるという観点から、ケイ素含有合金を必須に含むことがより好ましい。また、他の好ましい実施形態では、Si材料を炭素材料とともに含むことがより好ましく、ケイ素含有合金を炭素材料とともに含むことがさらに好ましい。以下では、好ましいケイ素含有負極活物質であるSi材料と、好ましく併用される炭素材料について、より詳細に説明する。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material that releases ions such as lithium ions during discharging and can store ions such as lithium ions during charging. Here, as described above, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is a so-called high capacity and high density battery. In order to constitute such a high-capacity battery, the negative electrode active material layer of the present embodiment essentially contains a silicon-containing negative electrode active material. The specific form of such a silicon-containing negative electrode active material is not particularly limited, but particularly preferably preferably contains SiOx or a silicon-containing alloy (these are also collectively referred to as “Si material”). From the viewpoint that a high-capacity negative electrode can be formed, it is more preferable that a silicon-containing alloy is essential. Moreover, in other preferable embodiment, it is more preferable that Si material is included with a carbon material, and it is further more preferable that a silicon containing alloy is included with a carbon material. Hereinafter, the Si material that is a preferable silicon-containing negative electrode active material and the carbon material that is preferably used in combination will be described in more detail.

本明細書中、Si材料とは、アモルファスSiO粒子とSi粒子との混合体であるSiOx(xはSiの原子価を満足する酸素数を表す)およびケイ素含有合金を意味する。これらのうちの1種のみがSi材料として用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。以下、これらのSi材料について詳細に説明する。 In this specification, the Si material means SiOx (x represents the number of oxygen satisfying the valence of Si) and a silicon-containing alloy which are a mixture of amorphous SiO 2 particles and Si particles. Only 1 type of these may be used as Si material, and 2 or more types may be used together. Hereinafter, these Si materials will be described in detail.

(SiOx)
SiOxは、アモルファスSiO粒子とSi粒子との混合体であり、xはSiの原子価を満足する酸素数を表す。xの具体的な値について特に制限はなく、適宜設定されうる。
(SiOx)
SiOx is a mixture of amorphous SiO 2 particles and Si particles, and x represents the number of oxygen satisfying the valence of Si. There is no restriction | limiting in particular about the specific value of x, It can set suitably.

また、上記SiOxは、機械的表面融合処理によってSiOx粒子の表面が導電性物質で被覆されてなる導電性SiOx粒子であってもよい。かような構成とすることにより、SiOx粒子内のSiがリチウムイオンの脱離および挿入をしやすくなり、活物質における反応がよりスムーズに進行することができるようになる。この場合、導電性SiOx粒子における導電性物質の含有量は1〜30重量%であることが好ましく、2〜20重量%であることがより好ましい。   The SiOx may be conductive SiOx particles in which the surface of the SiOx particles is coated with a conductive substance by a mechanical surface fusion process. With such a configuration, Si in the SiOx particles can easily desorb and insert lithium ions, and the reaction in the active material can proceed more smoothly. In this case, the content of the conductive substance in the conductive SiOx particles is preferably 1 to 30% by weight, and more preferably 2 to 20% by weight.

上記SiOxの平均粒子径は、既存の負極活物質層13に含まれる負極活物質の平均粒子径と同程度であればよく、特に制限されない。高出力化の観点からは、好ましくは1〜20μmの範囲であればよい。ただし、上記範囲に何ら制限されるものではなく、本実施形態の作用効果を有効に発現できるものであれば、上記範囲を外れていてもよいことは言うまでもない。なお、本明細書において「平均粒子径」は、レーザ回折法によって得られる体積基準のメジアン径(D50)をいうものとする。また、SiOxの形状としては、特に制限はなく、球状、楕円状、円柱状、多角柱状、鱗片状、不定形などでありうる。   The average particle diameter of the SiOx may be about the same as the average particle diameter of the negative electrode active material included in the existing negative electrode active material layer 13 and is not particularly limited. From the viewpoint of increasing the output, it is preferably in the range of 1 to 20 μm. However, it is not limited at all to the above range, and it goes without saying that it may be outside the above range as long as the effects of the present embodiment can be effectively expressed. In the present specification, the “average particle diameter” refers to a volume-based median diameter (D50) obtained by a laser diffraction method. The shape of SiOx is not particularly limited, and may be spherical, elliptical, cylindrical, polygonal, scaly, indeterminate, or the like.

xの値は蛍光X線分析により求めることができる。例えば、O−Kα線を用いた蛍光X線分析でのファンダメンタルパラメータ法を用いて求めることができる。蛍光X線分析には、例えば、株式会社リガク製RIX3000を用いることができる。蛍光X線分析の条件としては、例えば、ターゲットにロジウム(Rh)を用い、管電圧50kV、管電流50mAとすればよい。ここで得られるx値は、基板上の測定領域で検出されるO−Kα線の強度から算出されるため、測定領域の平均値となる。   The value of x can be determined by fluorescent X-ray analysis. For example, it can be determined using a fundamental parameter method in fluorescent X-ray analysis using O-Kα rays. For the fluorescent X-ray analysis, for example, RIX3000 manufactured by Rigaku Corporation can be used. As conditions for the fluorescent X-ray analysis, for example, rhodium (Rh) may be used as a target, the tube voltage may be 50 kV, and the tube current may be 50 mA. Since the x value obtained here is calculated from the intensity of the O-Kα ray detected in the measurement region on the substrate, it is an average value of the measurement region.

(ケイ素含有合金)
ケイ素含有合金は、ケイ素を含有する他の金属との合金であれば特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。ここでは、ケイ素含有合金の好ましい実施形態として、SiTiGe、SiTiZn、SiTiSn、SiSnAl、SiSn、SiSn、SiZn、SiZnSn、SiZnAl、SiZn、SiAlおよびSiAlNb(式中、Aは、不可避不純物である。さらに、x、y、z、およびaは、重量%の値を表し、0<x<100、0<y<100、0<z<100、および0≦a<0.5であり、x+y+z+a=100である)が挙げられる。これらのケイ素含有合金を負極活物質として用いることで、所定の第1添加元素および所定の第2添加元素を適切に選択することによって、Li合金化の際に、アモルファス−結晶の相転移を抑制してサイクル寿命を向上させることができる。また、これによって、従来の負極活物質、例えば炭素系負極活物質よりも高容量のものとなる。
(Silicon-containing alloy)
The silicon-containing alloy is not particularly limited as long as it is an alloy with another metal containing silicon, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to. Here, as preferred embodiments of the silicon-containing alloy, Si x Ti y Ge z A a , Si x Ti y Zn z A a , Si x Ti y Sn z A a , Si x Sn y Al z A a , and Si x Sn y V z A a , Si x Sn y C z A a , Si x Zn y V z A a , Si x Zn y Sn z A a , Si x Zn y Al z A a , Si x Zn y C zA a, Si x Al y C z a a and Si x Al y Nb z a a ( wherein, a is unavoidable impurities. further, x, y, z, and a represent the value of weight%, 0 <x <100, 0 <y <100, 0 <z <100, and 0 ≦ a <0.5, and x + y + z + a = 100). By using these silicon-containing alloys as the negative electrode active material, by appropriately selecting the predetermined first additive element and the predetermined second additive element, the phase transition of amorphous-crystal is suppressed during Li alloying. Thus, the cycle life can be improved. This also makes the capacity higher than that of a conventional negative electrode active material, for example, a carbon-based negative electrode active material.

(炭素材料)
本発明に用いられうる炭素材料は、特に制限されないが、天然黒鉛、人造黒鉛等の高結晶性カーボンである黒鉛(グラファイト);ソフトカーボン、ハードカーボン等の低結晶性カーボン;ケッチェンブラック(登録商標)、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック;フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンフィブリル等の炭素材料が挙げられる。これらのうち、黒鉛を用いることが好ましい。炭素材料の形状としては、特に制限はなく、球状、楕円状、円柱状、多角柱状、鱗片状、不定形などでありうる。
(Carbon material)
The carbon material that can be used in the present invention is not particularly limited, but is graphite (graphite) that is highly crystalline carbon such as natural graphite or artificial graphite; low crystalline carbon such as soft carbon or hard carbon; ketjen black (registered) Trademark), acetylene black, channel black, lamp black, oil furnace black, thermal black, and other carbon blacks; and carbon materials such as fullerene, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanohorns, and carbon fibrils. Of these, graphite is preferably used. There is no restriction | limiting in particular as a shape of a carbon material, A spherical shape, an ellipse shape, a column shape, a polygonal column shape, a scale shape, an indefinite shape etc. may be sufficient.

また、炭素材料の平均粒子径としては、特に制限されないが、5〜25μmであることが好ましく、5〜10μmであることがより好ましい。この際、上述のSiOxとの平均粒子径との比率については、炭素材料の平均粒子径は、SiOxの平均粒子径と同一であっても、異なっていてもよいが、異なることが好ましい。特に、前記SiOxの平均粒子径が、前記炭素材料の平均粒子径よりも小さいことがより好ましい。炭素材料の平均粒子径がSiOxの平均粒子径よりも相対的に大きいと、均一に炭素材料の粒子が配置され、当該炭素材料の粒子間にSiOxが配置した構成を有するため、負極活物質層内においてSiOxが均一に配置されうる。   The average particle diameter of the carbon material is not particularly limited, but is preferably 5 to 25 μm, and more preferably 5 to 10 μm. Under the present circumstances, about the ratio with the above-mentioned average particle diameter with SiOx, the average particle diameter of a carbon material may be the same as that of SiOx, or may differ, but it is preferable that it differs. In particular, the average particle size of the SiOx is more preferably smaller than the average particle size of the carbon material. When the average particle diameter of the carbon material is relatively larger than the average particle diameter of SiOx, the carbon material particles are uniformly arranged, and the structure is such that SiOx is arranged between the carbon material particles. The SiOx can be uniformly arranged inside.

炭素材料の平均粒子径とSiOxの平均粒子径との粒子径の比(SiOxの平均粒子径/炭素材料の平均粒子径)は、1/250〜1未満であることが好ましく、1/100〜1/4であることがより好ましい。   The ratio of the average particle diameter of the carbon material to the average particle diameter of SiOx (the average particle diameter of SiOx / the average particle diameter of the carbon material) is preferably 1/250 to less than 1 and preferably 1/100 to More preferably, it is 1/4.

本実施形態では、負極活物質として、上記ケイ素含有負極活物質が用いられることにより、好ましくは上記Si材料が用いられることにより、さらに好ましくは上記ケイ素含有合金が用いられることにより、より高いサイクル耐久性を示しつつ、かつ、初期容量も高くバランスよい特性を示すことができる。また、これらのケイ素含有負極活物質が炭素材料と併用されることによっても、これらの特性を向上させることができる。   In the present embodiment, the use of the silicon-containing negative electrode active material as the negative electrode active material, preferably the use of the Si material, and more preferably the use of the silicon-containing alloy further increases cycle durability. In addition, it is possible to show a balanced property with high initial capacity. Moreover, these characteristics can also be improved by using these silicon-containing negative electrode active materials in combination with a carbon material.

場合によっては、上述したケイ素含有負極活物質以外の負極活物質が併用されてもよい。併用可能な負極活物質としては、例えば、リチウム−遷移金属複合酸化物(例えば、LiTi12)、金属材料、リチウム合金系負極材料などが挙げられる。これ以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 In some cases, a negative electrode active material other than the silicon-containing negative electrode active material described above may be used in combination. Examples of the negative electrode active material that can be used in combination include lithium-transition metal composite oxides (for example, Li 4 Ti 5 O 12 ), metal materials, lithium alloy negative electrode materials, and the like. Of course, other negative electrode active materials may be used.

負極活物質層は上記所定の負極活物質を含み、必要に応じて、界面活性剤、導電助剤、バインダ、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などのその他の添加剤をさらに含む。界面活性剤、導電助剤、バインダ、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などのその他の添加剤については、上記正極活物質層の欄で述べたものと同様である。   The negative electrode active material layer contains the above-described predetermined negative electrode active material, and if necessary, in order to increase the surfactant, conductive assistant, binder, electrolyte (polymer matrix, ion conductive polymer, electrolyte, etc.), and ionic conductivity. In addition, other additives such as lithium salts of For other additives such as surfactants, conductive assistants, binders, electrolytes (polymer matrix, ion conductive polymers, electrolytes, etc.), lithium salts for enhancing ion conductivity, the above-mentioned column of the positive electrode active material layer This is the same as described in.

[電解質層]
電解質層は、電解質を含む層であり、通常、セパレータに電解液が含浸されてなる構成を有する。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer is a layer containing an electrolyte, and usually has a configuration in which a separator is impregnated with an electrolytic solution.

(セパレータ)
セパレータは、電解質を保持して正極と負極との間のリチウムイオン伝導性を確保する機能、および正極と負極との間の隔壁としての機能を有する。
(Separator)
The separator has a function of holding an electrolyte and ensuring lithium ion conductivity between the positive electrode and the negative electrode, and a function as a partition wall between the positive electrode and the negative electrode.

セパレータの形態としては、例えば、上記電解質を吸収保持するポリマーや繊維からなる多孔性シートのセパレータや不織布セパレータ等を挙げることができる。   Examples of the separator include a porous sheet separator or a nonwoven fabric separator made of a polymer or fiber that absorbs and holds the electrolyte.

これらセパレータを構成する素材としては、微多孔質セパレータか不織布セパレータかに関わらず、有機電解液と親和性があり、これに対して膨潤しうるものであることが好ましい。このような素材としては、特に限定されないが、例えば、セルロース、ポリエチレングリコール、またはPVDF−HFPを主骨格とする素材が挙げられる。電解液によって膨潤することにより空孔が広がり、イオン伝導度を損なうことなく、分解生成物による閉塞を抑制することができる。また、これらの膨潤しうる素材を主骨格とするセパレータの平均空孔径は、0.5μm以上であることが望ましい。このような空孔径であれば、分解生成物によって空孔が閉塞しにくく、イオンの移動が阻害されにくいためサイクル特性を改善することができる。   Regardless of whether the separator is a microporous separator or a nonwoven fabric separator, it is preferable that the material has affinity with the organic electrolyte and can swell. Such a material is not particularly limited, and examples thereof include materials having cellulose, polyethylene glycol, or PVDF-HFP as a main skeleton. By swelling with the electrolytic solution, vacancies are widened, and clogging by decomposition products can be suppressed without impairing ionic conductivity. Moreover, it is desirable that the average pore diameter of the separator having such a swellable material as the main skeleton is 0.5 μm or more. With such a hole diameter, the holes are not easily blocked by the decomposition product, and the movement of ions is not easily inhibited, so that the cycle characteristics can be improved.

セパレータに使用できる他の素材としては、ポリマーないし繊維からなる多孔性シートのセパレータであれば、例えば、微多孔質(微多孔膜)を用いることができる。該ポリマーないし繊維からなる多孔性シートの具体的な形態としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン;これらを複数積層した積層体(例えば、PP/PE/PPの3層構造をした積層体など)、ポリイミド、アラミド、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(PVdF−HFP)等の炭化水素系樹脂、ガラス繊維などからなる微多孔質(微多孔膜)セパレータが挙げられる。   As another material that can be used for the separator, for example, a microporous (microporous film) can be used as long as the separator is a porous sheet made of polymer or fiber. Specific examples of the porous sheet made of the polymer or fiber include polyolefins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); a laminate in which a plurality of these are laminated (for example, three layers of PP / PE / PP) And a microporous (microporous membrane) separator made of a hydrocarbon resin such as polyimide, aramid, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), glass fiber, and the like.

微多孔質(微多孔膜)セパレータの厚みとして、使用用途により異なることから一義的に規定することはできない。1例を示せば、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動(HEV)、燃料電池自動車(FCV)などのモータ駆動用二次電池などの用途においては、単層あるいは多層で4〜60μmであることが望ましい。   The thickness of the microporous (microporous membrane) separator cannot be uniquely defined because it varies depending on the intended use. For example, in applications such as secondary batteries for driving motors such as electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and fuel cell vehicles (FCV), it is 4 to 60 μm in a single layer or multiple layers. Is desirable.

不織布セパレータに使用する素材としては、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル;PP、PEなどのポリオレフィン;ポリイミド、アラミドなどを用いることができ、これらを単独または混合して用いてもよい。   As a material used for the nonwoven fabric separator, cotton, rayon, acetate, nylon, polyester; polyolefin such as PP and PE; polyimide, aramid, etc. can be used, and these may be used alone or in combination.

また、不織布のかさ密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性が得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。さらに、不織布セパレータの厚さは、電解質層と同じであればよく、好ましくは5〜200μmであり、特に好ましくは10〜100μmである。   The bulk density of the nonwoven fabric is not particularly limited as long as sufficient battery characteristics can be obtained by the impregnated polymer gel electrolyte. Furthermore, the thickness of the nonwoven fabric separator may be the same as that of the electrolyte layer, preferably 5 to 200 μm, particularly preferably 10 to 100 μm.

(電解質)
セパレータに浸潤する電解質としては、特に制限されないが、液体電解質またはゲルポリマー電解質が用いられる。ゲルポリマー電解質を用いることにより、電極間距離の安定化が図られ、分極の発生が抑制され、耐久性(サイクル特性)が向上する。
(Electrolytes)
The electrolyte that infiltrates the separator is not particularly limited, but a liquid electrolyte or a gel polymer electrolyte is used. By using the gel polymer electrolyte, the distance between the electrodes is stabilized, the occurrence of polarization is suppressed, and the durability (cycle characteristics) is improved.

液体電解質は、リチウムイオンのキャリヤーとしての機能を有する。電解液層を構成する液体電解質は、可塑剤である有機溶媒に支持塩であるリチウム塩が溶解した形態を有する。用いられる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート等のカーボネート類が例示され、これらは2種類以上を混合して用いてもよい。また、リチウム塩としては、Li(CFSON、Li(CSON、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiCFSO等の電極の活物質層に添加されうる化合物が同様に採用されうる。液体電解質は、上述した成分以外の添加剤をさらに含んでもよい。かような化合物の具体例としては、例えば、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、ジフェニルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、1,2−ジビニルエチレンカーボネート、1−メチル−1−ビニルエチレンカーボネート、1−メチル−2−ビニルエチレンカーボネート、1−エチル−1−ビニルエチレンカーボネート、1−エチル−2−ビニルエチレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、ビニルオキシメチルエチレンカーボネート、アリルオキシメチルエチレンカーボネート、アクリルオキシメチルエチレンカーボネート、メタクリルオキシメチルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、プロパルギルエチレンカーボネート、エチニルオキシメチルエチレンカーボネート、プロパルギルオキシエチレンカーボネート、メチレンエチレンカーボネート、1,1−ジメチル−2−メチレンエチレンカーボネートなどが挙げられる。なかでも、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートが好ましく、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートがより好ましい。これらの環式炭酸エステルは、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 The liquid electrolyte functions as a lithium ion carrier. The liquid electrolyte constituting the electrolytic solution layer has a form in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent as a plasticizer. Examples of the organic solvent to be used include carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate, and the like. You may mix and use. As the lithium salt, Li (CF 3 SO 2) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF such 6, LiCF 3 SO 3 A compound that can be added to the active material layer of the electrode can be similarly employed. The liquid electrolyte may further contain additives other than the components described above. Specific examples of such compounds include, for example, vinylene carbonate, methyl vinylene carbonate, dimethyl vinylene carbonate, phenyl vinylene carbonate, diphenyl vinylene carbonate, ethyl vinylene carbonate, diethyl vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, 1,2-divinyl ethylene carbonate. 1-methyl-1-vinylethylene carbonate, 1-methyl-2-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-1-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-2-vinylethylene carbonate, vinylvinylene carbonate, allylethylene carbonate, vinyl Oxymethyl ethylene carbonate, allyloxymethyl ethylene carbonate, acryloxymethyl ethylene carbonate, methacrylate Oxy methylethylene carbonate, ethynyl ethylene carbonate, propargyl carbonate, ethynyloxy methylethylene carbonate, propargyloxy ethylene carbonate, methylene carbonate, etc. 1,1-dimethyl-2-methylene-ethylene carbonate. Among these, vinylene carbonate, methyl vinylene carbonate, and vinyl ethylene carbonate are preferable, and vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate are more preferable. These cyclic carbonates may be used alone or in combination of two or more.

ゲルポリマー電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマー(ホストポリマー)に、上記の液体電解質が注入されてなる構成を有する。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、各層間のイオン伝導性を遮断することが容易になる点で優れている。マトリックスポリマー(ホストポリマー)として用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(PVdF−HEP)、ポリ(メチルメタクリレート(PMMA)およびこれらの共重合体等が挙げられる。   The gel polymer electrolyte has a configuration in which the liquid electrolyte is injected into a matrix polymer (host polymer) made of an ion conductive polymer. Using a gel polymer electrolyte as the electrolyte is superior in that the fluidity of the electrolyte is lost and it is easy to block the ion conductivity between the layers. Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer (host polymer) include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyethylene glycol (PEG), polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene ( PVdF-HEP), poly (methyl methacrylate (PMMA), and copolymers thereof.

ゲル電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。   The matrix polymer of gel electrolyte can express excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed.

[集電体]
集電体を構成する材料に特に制限はないが、好適には金属が用いられる。
[Current collector]
There is no particular limitation on the material constituting the current collector, but a metal is preferably used.

具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅、その他合金等などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、またはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅が好ましい。   Specifically, examples of the metal include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, copper, and other alloys. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plating material of a combination of these metals can be preferably used. Moreover, the foil by which aluminum is coat | covered on the metal surface may be sufficient. Of these, aluminum, stainless steel, and copper are preferable from the viewpoints of electronic conductivity and battery operating potential.

集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。例えば、高エネルギー密度が要求される大型の電池に用いられるのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。集電体の厚さについても特に制限はない。集電体の厚さは、通常は1〜100μm程度である。   The size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. For example, if it is used for a large battery that requires a high energy density, a current collector having a large area is used. There is no particular limitation on the thickness of the current collector. The thickness of the current collector is usually about 1 to 100 μm.

[正極集電板および負極集電板]
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板27と負極集電板25とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
[Positive electrode current collector and negative electrode current collector]
The material which comprises a current collector plate (25, 27) is not restrict | limited in particular, The well-known highly electroconductive material conventionally used as a current collector plate for lithium ion secondary batteries can be used. As a constituent material of the current collector plate, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable. From the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferable, and aluminum is particularly preferable. In addition, the same material may be used for the positive electrode current collecting plate 27 and the negative electrode current collecting plate 25, and different materials may be used.

[正極リードおよび負極リード]
また、図示は省略するが、集電体と集電板との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
[Positive lead and negative lead]
Although not shown, the current collector and the current collector plate may be electrically connected via a positive electrode lead or a negative electrode lead. As a constituent material of the positive electrode and the negative electrode lead, materials used in known lithium ion secondary batteries can be similarly employed. In addition, heat-shrinkable heat-shrinkable parts are removed from the exterior so that they do not affect products (for example, automobile parts, especially electronic devices) by touching peripheral devices or wiring and causing leakage. It is preferable to coat with a tube or the like.

[参照電極]
参照電極31を構成する材料としては、例えば、Li金属やSn−Li合金などが挙げられる。本実施形態の参照電極31は、参照電極端子リード33の先端部分に参照電極31を構成する材料をコーティングしたり、貼り付けたりすることによって形成してもよい。参照電極31をコーティングする形態では、参照電極端子リード33となるニッケルの細線の先端部に錫をめっきし、これをリチウム電解液中で還元してLiメッキした参照電極31として使用する形態などが例示できるが、これらに制限されるものではない。また、参照電極31は、高精度に電位を計測しうるだけの大きさがあればよく、電池反応に影響がないようにできるだけ小さなものを正極活物質層15と負極活物質層13との間に置くことが好ましい。
[Reference electrode]
Examples of the material constituting the reference electrode 31 include Li metal and Sn—Li alloy. The reference electrode 31 of the present embodiment may be formed by coating or pasting the material constituting the reference electrode 31 on the tip portion of the reference electrode terminal lead 33. In a form in which the reference electrode 31 is coated, there is a form in which tin is plated on the tip of a nickel thin wire that becomes the reference electrode terminal lead 33 and this is reduced in a lithium electrolyte and used as the Li-plated reference electrode 31. Although it can illustrate, it is not restrict | limited to these. The reference electrode 31 only needs to be large enough to measure the potential with high accuracy. The smallest possible reference electrode 31 between the positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13 so as not to affect the battery reaction. It is preferable to put in.

参照電極端子リード33は、参照電極31と参照電極タブ35とを結ぶものである。そのため、正極活物質層15および負極活物質層13から電子的に絶縁されている必要があり、参照電極端子リード33の一部も、正極活物質層15および負極活物質層13から電子的に絶縁された電解質層(セパレータ17)内部に設置されうる。なお、参照電極端子リード33は、参照電極31として機能させるものではなく、参照電極31の電位を外部に取り出す端子リードとして機能すればよい。以上のことから、参照電極端子リード33を構成する材料としては、例えば、Ni金属、ステンレス、Fe金属などが挙げられる。   The reference electrode terminal lead 33 connects the reference electrode 31 and the reference electrode tab 35. Therefore, it is necessary to be electrically insulated from the positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13, and a part of the reference electrode terminal lead 33 is electronically separated from the positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13. It can be placed inside an insulated electrolyte layer (separator 17). Note that the reference electrode terminal lead 33 does not function as the reference electrode 31 but may function as a terminal lead for extracting the potential of the reference electrode 31 to the outside. From the above, examples of the material constituting the reference electrode terminal lead 33 include Ni metal, stainless steel, and Fe metal.

参照電極タブ35は、電池外装体29を構成するラミネートシートの間で接合され、積層型電池10の外部に取り出した構造とされている。かかる構造とすることで、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止することができる。特に、電気自動車用の電池システムに用いる場合、外部からの衝撃により電池外部に取り出されている参照電極タブ33の部分が破断しない程度に、一定の厚さを有することが好ましい。参照電極タブ35としては、電極集電板27、25と同じ材料、厚さのものを、必要に応じて所定の幅にカットして用いることができる。参照電極タブ35を構成する材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。また参照電極タブ35の積層型電池10の外部への取り出しは、図1に示すように電極集電板27、25と異なる辺から取り出してもよいし、同じ辺から取り出してもよい。   The reference electrode tab 35 is bonded between the laminate sheets constituting the battery exterior body 29 and is taken out of the stacked battery 10. With such a structure, it is possible to prevent external impact and environmental degradation during use. In particular, when used in a battery system for an electric vehicle, it is preferable to have a certain thickness so that the portion of the reference electrode tab 33 taken out of the battery by an external impact is not broken. As the reference electrode tab 35, the same material and thickness as the electrode current collector plates 27 and 25 can be cut into a predetermined width as necessary. As a material which comprises the reference electrode tab 35, metal materials, such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), these alloys, are preferable, for example. Further, the reference electrode tab 35 may be taken out of the stacked battery 10 from the side different from the electrode current collector plates 27 and 25 as shown in FIG. 1 or from the same side.

[電池外装体]
電池外装体29としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができ、所望の電解液層厚みへと調整容易であることから、外装体はアルミネートラミネートがより好ましい。
[Battery exterior]
As the battery outer case 29, a known metal can case can be used, and a bag-like case using a laminate film containing aluminum that can cover the power generation element can be used. For example, a laminate film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order can be used as the laminate film, but the laminate film is not limited thereto. A laminate film is desirable from the viewpoint that it is excellent in high output and cooling performance, and can be suitably used for a battery for large equipment for EV and HEV. Moreover, since the group pressure to the electric power generation element applied from the outside can be adjusted easily and it is easy to adjust to the desired electrolyte layer thickness, the exterior body is more preferably an aluminate laminate.

[セルサイズ]
図1並びに図2Aおよび図2Bに示すように、積層型電池10は、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極集電板27および負極集電板25が引き出されている。発電要素21は、積層型電池10の電池外装体29によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素21は、正極集電板27および負極集電板25を外部に引き出した状態で密封されている。
[Cell size]
As shown in FIG. 1 and FIGS. 2A and 2B, the laminated battery 10 has a rectangular flat shape, and a positive current collector 27 and a negative current collector for taking out power from both sides thereof. The plate 25 is pulled out. The power generation element 21 is wrapped by a battery outer body 29 of the stacked battery 10, and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element 21 is in a state in which the positive electrode current collector plate 27 and the negative electrode current collector plate 25 are pulled out to the outside. It is sealed with.

発電要素を外装体で覆った電池構造体は、昨今、自動車用途などにおいては、大型化された電池が求められていることから負極活物質層が矩形状(長方形状)であり、当該長方形の短辺の長さが100mm以上であることが好ましい。かような大型の電池は、車両用途に用いることができる。ここで、負極活物質層の短辺の長さとは、各電極の中で最も長さが短い辺を指す。電池構造体の短辺の長さの上限は特に限定されるものではないが、通常400mm以下である。さらに、矩形状の電極のアスペクト比は1〜3であることが好ましく、1〜2であることがより好ましい。なお、電極のアスペクト比は矩形状の正極活物質層の縦横比として定義される。アスペクト比をかような範囲とすることで、充電時に発生したガスが面方向に均一に排出されることが可能となるため、好ましい。その結果、長期間使用した場合のサイクル耐久性(放電容量維持率)を向上させることができる。   The battery structure in which the power generation element is covered with an exterior body has recently been demanded for a large-sized battery in automobile applications and the like, and therefore the negative electrode active material layer has a rectangular shape (rectangular shape). The length of the short side is preferably 100 mm or more. Such a large battery can be used for vehicle applications. Here, the length of the short side of the negative electrode active material layer refers to the side having the shortest length among the electrodes. The upper limit of the length of the short side of the battery structure is not particularly limited, but is usually 400 mm or less. Furthermore, the aspect ratio of the rectangular electrode is preferably 1 to 3, and more preferably 1 to 2. The electrode aspect ratio is defined as the aspect ratio of the rectangular positive electrode active material layer. It is preferable to set the aspect ratio in such a range because the gas generated during charging can be discharged uniformly in the surface direction. As a result, cycle durability (discharge capacity maintenance rate) when used for a long period of time can be improved.

また、電極の物理的な大きさの観点とは異なる、高エネルギー密度電池の観点として、本発明に係る非水電解質二次電池においては、電池体積や電池容量の関係から電池が高密度のものであることが規定されている。具体的に、本発明に係る非水電解質二次電池において、定格容量に対する電池体積(電池外装体まで含めた電池の投影面積と電池の厚みとの積)の比の値は、10cm/Ah以下である。また、本発明に係る非水電解質二次電池の定格容量は3Ah以上である。この大型化電池は、単位体積当たりの電池容量が大きく、言い換えれば、単位容量当たりの電池体積(定格容量に対する電池体積の比)が小さく(10cm/Ah以下)、かつ電池容量(定格容量)が大きい(3Ah以上)ものとして規定している。 Further, as a viewpoint of a high energy density battery different from the viewpoint of the physical size of the electrode, in the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, the battery has a high density due to the relationship between the battery volume and the battery capacity. It is stipulated that Specifically, in the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, the value of the ratio of the battery volume (product of the projected area of the battery including the battery outer package and the thickness of the battery) to the rated capacity is 10 cm 3 / Ah. It is as follows. The rated capacity of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is 3 Ah or more. This large battery has a large battery capacity per unit volume, in other words, a small battery volume per unit capacity (ratio of battery volume to rated capacity) (10 cm 3 / Ah or less) and a battery capacity (rated capacity). Is defined as having a large value (3 Ah or more).

定格容量に対する電池体積(電池外装体まで含めた電池の投影面積と厚みとの積)の比の値が10cm/Ahを超える場合には、上述したように、そもそも本発明が解決すべき課題が生じないため、その解決手段を適用する必要もないといえる。また、定格容量が3Ah未満の場合には、容量が小さいために本発明の解決課題が生じないほか、大型化電池とするには不十分である。 When the value of the ratio of the battery volume to the rated capacity (the product of the projected area and thickness of the battery including the battery outer casing) exceeds 10 cm 3 / Ah, as described above, the problem to be solved by the present invention is essentially the above. Therefore, it can be said that there is no need to apply the solution. Further, when the rated capacity is less than 3 Ah, the capacity is small, so that the problem to be solved by the present invention does not occur, and it is insufficient for a large-sized battery.

上記定格容量に対する電池体積(電池外装体まで含めた電池の投影面積と厚みとの積)の比の値の上限は、好ましくは8cm/Ah以下である。一方、定格容量に対する電池体積(電池外装体まで含めた電池の投影面積と厚みとの積)の比の値の下限は特に制限されるものではないが、2cm/Ah以上であればよく、好ましくは3cm/Ah以上である。また、定格容量は、好ましくは5Ah以上であり、より好ましくは10Ah以上、さらに好ましくは15Ah以上、特に好ましくは20Ah以上、なかでも好ましくは25Ah以上である。このように高容量かつ高密度の電池とされて初めて、固溶体正極活物質から酸素ガスの発生に起因して、非水電解質二次電池のサイクル耐久性の低下という問題が顕在化するのである。一方、従来の民生型電池のような、上記のように高容量かつ高密度ではない電池においては、固溶体正極活物質から酸素ガスが発生したとしても、これに伴う非水電解質二次電池のサイクル耐久性の低下はみられない。 The upper limit of the ratio of the battery volume (product of the projected area and thickness of the battery including the battery outer package) to the rated capacity is preferably 8 cm 3 / Ah or less. On the other hand, the lower limit of the ratio of the battery volume to the rated capacity (the product of the projected area and thickness of the battery including the battery outer package) is not particularly limited, but may be 2 cm 3 / Ah or more, Preferably, it is 3 cm 3 / Ah or more. The rated capacity is preferably 5 Ah or more, more preferably 10 Ah or more, further preferably 15 Ah or more, particularly preferably 20 Ah or more, and particularly preferably 25 Ah or more. Only when the battery has such a high capacity and high density, the problem of a decrease in the cycle durability of the nonaqueous electrolyte secondary battery becomes obvious due to the generation of oxygen gas from the solid solution positive electrode active material. On the other hand, in a battery having a high capacity and a low density as described above, such as a conventional consumer battery, even if oxygen gas is generated from the solid solution positive electrode active material, the cycle of the nonaqueous electrolyte secondary battery associated therewith There is no decrease in durability.

非水電解質二次電池の定格容量は、以下により求められる。   The rated capacity of the nonaqueous electrolyte secondary battery is obtained as follows.

(定格容量の測定方法)
定格容量は、試験用電池について、電解液を注入した後で、10時間程度放置し、その後、温度25℃、3.0Vから4.15Vの電圧範囲で、次の手順1〜5によって測定される。
(Measurement method of rated capacity)
The rated capacity of the test battery is measured by the following procedures 1 to 5 at a temperature of 25 ° C. and a voltage range of 3.0 V to 4.15 V after injecting the electrolytic solution and then standing for about 10 hours. The

手順1:0.1Cの定電流充電にて4.15Vに到達した後、5分間休止する。   Procedure 1: After reaching 4.15 V with a constant current charge of 0.1 C, pause for 5 minutes.

手順2:手順1の後、定電圧充電にて1.5時間充電し、5分間休止する。   Procedure 2: After Procedure 1, charge for 1.5 hours by constant voltage charging and rest for 5 minutes.

手順3:0.1Cの定電流放電によって3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10秒間休止する。   Procedure 3: After reaching 3.0 V by constant current discharge of 0.1 C, discharge at constant voltage discharge for 2 hours, and then rest for 10 seconds.

手順4:0.1Cの定電流充電によって4.1Vに到達後、定電圧充電にて2.5時間充電し、その後、10秒間休止する。   Procedure 4: After reaching 4.1V by constant current charging at 0.1 C, charge for 2.5 hours by constant voltage charging, and then rest for 10 seconds.

手順5:0.1Cの定電流放電によって3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10秒間停止する。   Procedure 5: After reaching 3.0 V by 0.1 C constant current discharge, discharge by constant voltage discharge for 2 hours, and then stop for 10 seconds.

定格容量:手順5における定電流放電から定電圧放電に至る放電における放電容量(CCCV放電容量)を定格容量とする。   Rated capacity: The discharge capacity (CCCV discharge capacity) in the discharge from the constant current discharge to the constant voltage discharge in the procedure 5 is defined as the rated capacity.

電池体積は、電池外装体まで含めた電池の投影面積と厚みとの積により求める。このうち、電池外装体まで含めた電池の投影面積に関しては、正面、背面、右側面、左側面、平面、底面の6つの電池の投影面積が得られるが、このうちの最大の電池の投影面積を用いればよく、通常は、電池を平板上に最も安定した状態に置いた際の平面または底面の電池の投影面積である。また、電池外装体まで含めた電池の厚みは、満充電時の厚みを測定するものとする。また、電池外装体まで含めた電池の厚みは、測定箇所によるばらつきを考慮し、8か所以上を測定し、これらを平均した値とする。例えば、後述する実施例では、発電要素の2本の対角線をそれぞれ5等分した点(計9点)またはその近傍で電池外装体まで含めた電池の厚みを測定し、これらを平均した値とした。   The battery volume is determined by the product of the projected area and thickness of the battery including the battery outer package. Among these, regarding the projected area of the battery including the battery outer casing, the projected area of the six batteries of the front, back, right side, left side, plane, and bottom can be obtained. Usually, this is the projected area of the battery on the flat or bottom surface when the battery is placed in the most stable state on the flat plate. Moreover, the thickness of the battery including the battery outer package is measured at the time of full charge. In addition, the thickness of the battery including the battery outer package is measured at eight or more locations in consideration of variations depending on the measurement locations, and is averaged. For example, in the examples to be described later, the thickness of the battery including the battery outer casing is measured at a point where the two diagonal lines of the power generation element are divided into 5 parts (9 points in total) or in the vicinity thereof, did.

《非水電解質二次電池の製造方法》
本発明の一形態は、非水電解質二次電池の製造方法に関する。ここで、本形態に係る非水電解質二次電池の製造方法においては、上記固溶体正極活物質およびケイ素含有負極活物質を用いた高容量かつ高密度の非水電解質二次電池を製造する際に、活性化すべき固溶体正極活物質を含有する発電要素に対して活性化処理(充電処理)を施す。この活性化処理(充電処理)により、上記固溶体正極活物質の結晶構造の再編成(層状構造(LiMnO)からスピネル構造(LiMn)への変化)が起こり、それによって固溶体正極活物質の高容量化が達成されうる。このように、活性化処理を経て高容量化された固溶体正極活物質を、本明細書においては「活性化された固溶体正極活物質」と称する。なお、活性化処理を行う前までの製造工程については、非水電解質二次電池の製造に関する従来公知の知見が適宜参照されうる。
<< Method for Manufacturing Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery >>
One embodiment of the present invention relates to a method for manufacturing a nonaqueous electrolyte secondary battery. Here, in the method for manufacturing a non-aqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment, when manufacturing a high-capacity and high-density non-aqueous electrolyte secondary battery using the solid solution positive electrode active material and the silicon-containing negative electrode active material. The power generation element containing the solid solution positive electrode active material to be activated is subjected to an activation process (charging process). This activation treatment (charging treatment) causes reorganization of the solid solution cathode active material (change from a layered structure (Li 2 MnO 3 ) to a spinel structure (LiMn 2 O 4 )), thereby causing a solid solution cathode High capacity of the active material can be achieved. Thus, the solid solution positive electrode active material whose capacity has been increased through the activation treatment is referred to as an “activated solid solution positive electrode active material” in the present specification. In addition, about the manufacturing process before performing an activation process, the conventionally well-known knowledge regarding manufacture of a nonaqueous electrolyte secondary battery can be referred suitably.

本形態に係る非水電解質二次電池の製造方法において、固溶体正極活物質の活性化処理を行うには、セルを構成した後、活性化すべき固溶体正極活物質を含有する発電要素に対して充電処理(または充放電処理)を施せばよい。この際、結晶構造の再編成を生じさせるのに必要な具体的な条件(結晶構造の再編成が生じるのに必要な発電要素の充電状態の下限値など)については、従来公知の知見が適宜参照されうる。一例として、当該充電処理により充電される発電要素における正極の最高電位が、リチウム金属対極に対して4.3V以上となるような充電状態まで、充電処理(または充放電処理)を施すことが挙げられる。なお、「活性化すべき固溶体正極活物質」は、活性化処理によって結晶構造の再編成の余地のある固溶体正極活物質であれば特に制限はなく、まったく活性化処理を施されていない活物質であってもよいし、既に多少の活性化処理を施された活物質であってもよい。   In the method for manufacturing a non-aqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment, in order to perform the activation treatment of the solid solution positive electrode active material, after the cell is configured, the power generation element containing the solid solution positive electrode active material to be activated is charged. What is necessary is just to give a process (or charging / discharging process). At this time, as for specific conditions necessary to cause reorganization of the crystal structure (such as the lower limit value of the charging state of the power generation element necessary for the reorganization of the crystal structure), conventionally known knowledge is appropriately used. Reference can be made. As an example, the charging process (or charging / discharging process) is performed until the maximum potential of the positive electrode in the power generation element charged by the charging process is 4.3 V or more with respect to the lithium metal counter electrode. It is done. The “solid solution cathode active material to be activated” is not particularly limited as long as it is a solid solution cathode active material that has room for reorganization of the crystal structure by the activation treatment, and is an active material that has not been activated at all. It may be an active material that has already been subjected to some activation treatment.

ここで、本発明者らは、上述したような固溶体正極活物質を正極に用いた非水電解質二次電池について検討を行ったところ、新たな課題を知得した。すなわち、高容量かつ高密度(電池容量あたりの電池体積が小さい)の電池にこのような固溶体正極活物質を適用すると、当該正極活物質からの酸素ガス発生に起因して、サイクル耐久性が低下する場合があることが判明したのである。   Here, the present inventors have studied a non-aqueous electrolyte secondary battery using the solid solution positive electrode active material as described above for the positive electrode, and have found a new problem. That is, when such a solid solution positive electrode active material is applied to a battery having a high capacity and a high density (small battery volume per battery capacity), cycle durability is reduced due to generation of oxygen gas from the positive electrode active material. It turns out that there is a case to do.

このような課題を解決することを目的として、本発明者らは鋭意検討を行った。その結果、活性化処理における充電処理(または充放電処理)における充電状態の上限値を規定し、当該上限値を超えないように発電要素に対して充電処理(活性化処理)を施すことで上記課題が解決されうることを見出した。なお、従来技術においては、酸素ガスが発生するのが高充電状態領域に存在するとの認識はなかった。このため、固溶体正極活物質を可能な限り高容量化するという観点から、酸素ガスが発生する上限値の充電状態を超えて活性化処理を施すことが一般的であった。本発明者らが知得した上記解決手段は、従来技術におけるこのような常識に反するものである。すなわち、本形態に係る非水電解質二次電池の製造方法では、前記活性化処理において、発電要素の充電状態の値が当該発電要素の充電状態とガス発生量との関係から予め設定された充電状態の上限値を超えないように、活性化処理における充電処理(または充放電処理)を制御する。このような制御を行うことで、固溶体正極活物質からの酸素ガスの発生に起因する負極の酸化が防止される。その結果、処理の充放電容量を多少犠牲にしたとしても、負極の酸化に起因する容量低下やA/C比の不均衡が防止され、最終的には電池のサイクル耐久性の低下を抑制することができるのである。なかでも、好ましい実施形態においては、前記活性化処理において、発電要素の充電状態の値が上記所定の上限値に到達した場合に、当該活性化処理における充電処理を終了させる。このような構成とすることにより、酸素ガスの発生を最小限に抑制しつつ、可能な限り高容量を発現できるように活性化処理を施すことが可能となる。   In order to solve such problems, the present inventors have conducted intensive studies. As a result, the upper limit value of the state of charge in the charging process (or charge / discharge process) in the activation process is defined, and the charging process (activation process) is performed on the power generation element so as not to exceed the upper limit value. We found that the problem could be solved. In the prior art, there has been no recognition that oxygen gas is generated in the high charge state region. For this reason, from the viewpoint of increasing the capacity of the solid solution positive electrode active material as much as possible, it has been common to perform the activation treatment beyond the charged state of the upper limit value at which oxygen gas is generated. The above-mentioned solution means obtained by the present inventors is contrary to such common sense in the prior art. That is, in the method for manufacturing a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment, in the activation process, the value of the charging state of the power generation element is set in advance from the relationship between the charging state of the power generation element and the amount of gas generated. The charging process (or charging / discharging process) in the activation process is controlled so as not to exceed the upper limit value of the state. By performing such control, oxidation of the negative electrode due to generation of oxygen gas from the solid solution positive electrode active material is prevented. As a result, even if the charge / discharge capacity of the treatment is somewhat sacrificed, the capacity decrease and the A / C ratio imbalance caused by the oxidation of the negative electrode are prevented, and finally the decrease in the cycle durability of the battery is suppressed. It can be done. In particular, in a preferred embodiment, when the value of the charging state of the power generation element reaches the predetermined upper limit value in the activation process, the charging process in the activation process is terminated. By adopting such a configuration, it is possible to perform an activation process so that the generation of oxygen gas can be suppressed to a minimum and a capacity as high as possible can be expressed.

図3Aは、本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の製造方法のうち、特に活性化処理を実施するための制御装置を含む構成を示すブロック図である。図3Bは、図3Aの制御装置(の特に記憶部)に記憶される充電状態の上限値を設定する根拠となる充電状態(正極容量)と、正極電位(●)および酸素ガス発生量(○)との関係の一例を示す図である。   FIG. 3A is a block diagram showing a configuration including a control device for performing an activation process, among other methods of manufacturing a nonaqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment of the present invention. FIG. 3B shows the state of charge (positive electrode capacity), the positive electrode potential (●), and the amount of oxygen gas generated (◯) as a basis for setting the upper limit value of the state of charge stored in the control device (particularly the storage unit) of FIG. FIG.

本実施形態に係る非水電解質二次電池の制御装置は、図3Aに示すように、上述した積層型電池10(活性化すべき固溶体正極活物質を含有する発電要素を備える)に含まれる固溶体正極活物質に対して活性化処理を施す際に充電装置200を制御する。そして、この制御装置は、充電装置200を制御するための構成として、制御部100と、電流センサ110と、電圧センサ120と、を備える。   As shown in FIG. 3A, the control device for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment includes a solid solution positive electrode included in the above-described stacked battery 10 (including a power generation element containing a solid solution positive electrode active material to be activated). When the activation process is performed on the active material, the charging device 200 is controlled. And this control apparatus is provided with the control part 100, the current sensor 110, and the voltage sensor 120 as a structure for controlling the charging device 200. FIG.

本実施形態に係る制御部100は、充電装置200を制御することにより、積層型電池10を構成する発電要素21の活性化処理における充電処理(または充放電処理)を制御する。制御部100は、CPUまたはMPU等の制御ユニットと、ROM、RAM等の記憶部とを有している。制御部100は、電流センサ110により検出される積層型電池10に流れる充放電電流(=発電要素21に流れる充放電電流)や、電圧センサ120により検出される積層型電池10の端子電圧(=発電要素21の端子電圧)に基づいて、発電要素21の充電および放電の制御や発電要素21の充電状態、具体的にはSOC値(State of Charge)の算出を行う。本実施形態において、制御部100は、次に説明する活性化処理を含む積層型電池10の製造方法を実行するために、積層型電池10に流れる電流(発電要素21に流れる電流)を電流センサ110で検出する。また、制御部100は、積層型電池10の端子電圧(=発電要素21の端子電圧)を電圧センサ120で検出する。   The control unit 100 according to the present embodiment controls a charging process (or a charging / discharging process) in an activation process of the power generating element 21 constituting the stacked battery 10 by controlling the charging device 200. The control unit 100 includes a control unit such as a CPU or MPU, and a storage unit such as a ROM or a RAM. The control unit 100 is configured to charge / discharge current flowing through the stacked battery 10 detected by the current sensor 110 (= charge / discharge current flowing through the power generation element 21) or terminal voltage of the stacked battery 10 detected by the voltage sensor 120 (= Based on the terminal voltage of the power generation element 21, the charging and discharging of the power generation element 21 are controlled and the charge state of the power generation element 21, specifically, the SOC value (State of Charge) is calculated. In the present embodiment, the control unit 100 uses a current sensor to measure the current flowing through the stacked battery 10 (current flowing through the power generating element 21) in order to execute the manufacturing method of the stacked battery 10 including the activation process described below. Detect at 110. In addition, the control unit 100 detects the terminal voltage of the stacked battery 10 (= terminal voltage of the power generation element 21) with the voltage sensor 120.

本実施形態に係る制御部100が有する記憶部(図示せず)には、発電要素21を充電する際の充電状態の上限値が予め記憶される。制御部100は、この上限値を超えないように活性化処理(充電処理または充放電処理)を実行する。   A storage unit (not shown) included in the control unit 100 according to the present embodiment stores in advance an upper limit value of a charging state when charging the power generation element 21. The control unit 100 executes an activation process (charging process or charging / discharging process) so as not to exceed the upper limit value.

ここで、充電状態の上限値は以下のようにして設定される。すなわち、具体的な例は実施例の項で詳述するが、本発明者らが検証したところ、積層型電池10の充電状態(=発電要素21の充電状態(正極容量))と酸素ガス発生量との関係は、図3Bの○印で示したグラフのようになる。つまり、種々の容量に充電したリチウムイオン二次電池について酸素ガス発生量を確認すると、正極容量Cを境界にして酸素ガスの発生量が急激に増加する。一方、積層型電池10の充電状態(=発電要素21の充電状態(正極容量))と正極電位(リチウム金属対極に対する電位)との関係は、図3Bの●印で示したグラフのようになる。したがって、充電状態(正極容量)−酸素ガス発生量のグラフにおいて酸素ガスの発生量が急激に増加する充電状態(正極容量C)に相当する正極電位EMAXを充電状態の上限値として設定し、活性化処理のための充電処理または充放電処理において正極電位Eが上限値EMAXを超えないようにすれば、発電要素21の正極を構成する固溶体正極活物質からの酸素ガスの発生を防止することができる。その結果、酸素ガスの発生に起因するサイクル耐久性の低下を効果的に防止することが可能となる。なお、本発明の制御を実施するための発電要素(正極容量)の上限値は、用いられる固溶体正極活物質の種類や配合量、各活物質層に含まれるその他の材料や配合量など、種々の要因によって変動しうる。しかしながら、図3Bに示すような予備検討を行っておくことで、本発明の制御を実施するための発電要素(正極容量)の上限値を帰納的に求めることが可能である。この上限値(酸素ガスの発生量が急激に増加する充電状態(正極容量C)に相当する正極電位EMAX)は、例えば、図3Bに示す正極容量−ガス発生量のグラフにおいて、その微分係数(容量をCとし、ガス発生量をAとしたときのΔA/ΔCについてのΔC→0の極限値)が200以上となる点における正極容量をC1とし、それに対応する正極電位をEMAXとすることにより決定することができる。 Here, the upper limit value of the state of charge is set as follows. That is, a specific example will be described in detail in the section of the embodiment, but when the present inventors have verified, the state of charge of the stacked battery 10 (= the state of charge of the power generation element 21 (positive electrode capacity)) and the generation of oxygen gas The relationship with the quantity is as shown in the graph indicated by a circle in FIG. 3B. That confirms the oxygen gas generation amount of the lithium ion secondary battery has been charged to the various volumes, the amount of oxygen gas is rapidly increased by the positive electrode capacity C 1 in the boundary. On the other hand, the relationship between the state of charge of the stacked battery 10 (= the state of charge of the power generation element 21 (positive electrode capacity)) and the positive electrode potential (potential with respect to the lithium metal counter electrode) is as shown by the graph indicated by the mark ● in FIG. . Therefore, in the graph of charge state (positive electrode capacity) -oxygen gas generation amount, the positive electrode potential E MAX corresponding to the charge state (positive electrode capacity C 1 ) in which the generation amount of oxygen gas rapidly increases is set as the upper limit value of the charge state. If the positive electrode potential E does not exceed the upper limit value E MAX in the charging process or the charging / discharging process for the activation process, generation of oxygen gas from the solid solution positive electrode active material constituting the positive electrode of the power generation element 21 is prevented. can do. As a result, it is possible to effectively prevent a decrease in cycle durability due to the generation of oxygen gas. The upper limit value of the power generation element (positive electrode capacity) for carrying out the control of the present invention is various, such as the type and blending amount of the solid solution cathode active material used, other materials and blending amounts included in each active material layer It may vary depending on the factors. However, by performing a preliminary study as shown in FIG. 3B, it is possible to recursively determine the upper limit value of the power generation element (positive electrode capacity) for carrying out the control of the present invention. This upper limit value (positive electrode potential E MAX corresponding to a charged state (positive electrode capacity C 1 ) in which the amount of oxygen gas generation increases rapidly) is, for example, the differential in the positive electrode capacity-gas generation amount graph shown in FIG. 3B. The positive electrode capacity at the point where the coefficient (the limit value of ΔC → 0 for ΔA / ΔC when the capacity is C and the gas generation amount is A) is 200 or more is C1, and the corresponding positive electrode potential is E MAX Can be determined.

一方、本発明者らが推定しているところによれば、本発明の制御を実施するための発電要素(正極容量)の上限値は、演繹的にも算出可能であると考えられる。すなわち、固溶体正極活物質を構成するリチウム含有遷移金属酸化物の結晶構造において、活性カ処理の際の充電初期には3bサイトおよび4hサイトから優先的にリチウムイオンが放出される。そして、その後も充電処理を継続すると、2cサイトからもリチウムイオンが放出され、その結果、Li(2b)−O−Li(2c)間の軌道相互作用が低下し、酸素原子が分子状酸素(O)として結晶構造の外部に放出されるものと本発明者らは推定している。したがって、固溶体正極活物質を構成するリチウム含有遷移金属酸化物の結晶構造において、リチウムイオンが存在しうるすべてのサイト(3b、4h、2b、2c)のうち、3bサイトおよび4hサイトに存在するリチウムイオンのみが放出されるように活性化処理の際の充電処理を行えば、酸素ガスの発生は防止されるものと考えられる。ここで、例えば上述した化学式(1)で表される組成を有するリチウム含有遷移金属酸化物において、リチウムの組成比は(1+d)で表される。そして、本明細書においては、この(1+d)モルのリチウムのうち、活性化処理(充電処理)によって放出される(つまり、充電に寄与する)リチウムの量を「リチウム利用量」と称するものとする。そして、このリチウム利用量が3bサイトおよび4hサイトに存在するリチウム量以下であれば、酸素ガスの発生は防止されるものと考えられる。したがって、このことに基づけば、活性化処理(充電処理)におけるリチウム利用量が3bサイトおよび4hサイトに存在するリチウム量以下となるように、本発明の制御を実施するための発電要素(正極容量)の上限値を算出することが可能である。 On the other hand, according to what the present inventors have estimated, it is considered that the upper limit value of the power generation element (positive electrode capacity) for performing the control of the present invention can be calculated a priori. That is, in the crystal structure of the lithium-containing transition metal oxide constituting the solid solution positive electrode active material, lithium ions are preferentially released from the 3b site and the 4h site at the initial stage of charging during the activation treatment. Then, if the charging process is continued thereafter, lithium ions are also released from the 2c site, resulting in a decrease in orbital interaction between Li (2b) -O-Li (2c), and oxygen atoms becoming molecular oxygen ( The inventors presume that O 2 ) is released outside the crystal structure. Accordingly, in the crystal structure of the lithium-containing transition metal oxide constituting the solid solution positive electrode active material, lithium existing at 3b site and 4h site among all sites (3b, 4h, 2b, 2c) where lithium ions can exist. It is considered that the generation of oxygen gas can be prevented by performing the charging process during the activation process so that only ions are released. Here, for example, in the lithium-containing transition metal oxide having the composition represented by the chemical formula (1) described above, the composition ratio of lithium is represented by (1 + d). In the present specification, of the (1 + d) moles of lithium, the amount of lithium released by the activation process (charging process) (that is, contributing to charging) is referred to as “lithium utilization amount”. To do. If the amount of lithium used is equal to or less than the amount of lithium present at the 3b site and the 4h site, the generation of oxygen gas is considered to be prevented. Therefore, based on this, the power generation element (positive electrode capacity) for carrying out the control of the present invention so that the amount of lithium used in the activation process (charging process) is equal to or less than the amount of lithium existing in the 3b site and the 4h site. ) Can be calculated.

ここで、一般的な充電状態SOCの算出には、電圧センサ120により積層型電池10(=発電要素21)の開回路電圧(無負荷状態における積層型電池10の両端子間電圧)を用いることができる。ただし、積層型電池10(すなわち、発電要素21)の正極を構成する固溶体正極活物質から酸素ガスの発生は、充電状態にある固溶体正極活物質からのリチウムイオンの放出による活物質の構造変化によって生じる。したがって、本実施形態のように酸素ガスの発生を抑制する制御においては、上述した正極電位Eを測定する参照電極31を用いて正極電位の上限値EMAXを超えないように制御することが好ましい。ここで、図3Aに示す電流センサ110および電圧センサ120、並びに図2B等に示す参照電極31は、充電状態検出センサとして機能する。 Here, for the calculation of the general state of charge SOC, the voltage sensor 120 uses the open circuit voltage of the stacked battery 10 (= the power generation element 21) (the voltage across the terminals of the stacked battery 10 in the no-load state). Can do. However, the generation of oxygen gas from the solid solution positive electrode active material constituting the positive electrode of the stacked battery 10 (that is, the power generation element 21) is due to the structural change of the active material due to the release of lithium ions from the solid solution positive electrode active material in the charged state. Arise. Therefore, in the control for suppressing the generation of oxygen gas as in the present embodiment, it is preferable to control so as not to exceed the upper limit value E MAX of the positive electrode potential using the reference electrode 31 that measures the positive electrode potential E described above. . Here, the current sensor 110 and the voltage sensor 120 illustrated in FIG. 3A and the reference electrode 31 illustrated in FIG. 2B and the like function as a charge state detection sensor.

上記では、本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の製造方法における固溶体正極活物質の活性化処理に本発明の制御を適用する場合について説明した。ただし、本発明の制御は、非水電解質二次電池の使用時(運転時)にも適用可能である。すなわち、上述した活性化処理を経て製造された非水電解質二次電池(正極は活性化された固溶体正極活物質を含有する)を使用する際の充電処理(または充放電処理)にも、本発明の制御は適用可能である。以下では、電気自動車に搭載された本発明に係る非水電解質二次電池の使用時(運転時)における制御について、説明する。   The case where the control of the present invention is applied to the activation process of the solid solution positive electrode active material in the method for manufacturing the nonaqueous electrolyte secondary battery according to one embodiment of the present invention has been described above. However, the control of the present invention is also applicable when the nonaqueous electrolyte secondary battery is used (during operation). That is, the present invention is also applied to a charging process (or a charging / discharging process) when using a non-aqueous electrolyte secondary battery manufactured through the activation process described above (the positive electrode contains an activated solid solution positive electrode active material). The control of the invention is applicable. Below, the control at the time of use (during driving | operation) of the nonaqueous electrolyte secondary battery which concerns on this invention mounted in the electric vehicle is demonstrated.

図4は、本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池を搭載した電気自動車を示すブロック図である。   FIG. 4 is a block diagram showing an electric vehicle equipped with a nonaqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment of the present invention.

図4に示すように、本実施形態に係る電気自動車300は、上述した積層型電池10と、上述した制御装置(制御部100、電流センサ110および電圧センサ120を備える)と、インバータ310と、モータ320と、を備える。制御部100、電流センサ110および電圧センサ120は、図3Aに示す制御部100、電流センサ110および電圧センサ120と同様の構成であるため、説明を省略する。なお、図4に示す電気自動車300は、積層型電池10と、上述した制御装置とを備えていることから、非水電解質二次電池システムであるということもできる。   As illustrated in FIG. 4, the electric vehicle 300 according to the present embodiment includes the above-described stacked battery 10, the above-described control device (including the control unit 100, the current sensor 110, and the voltage sensor 120), the inverter 310, And a motor 320. The control unit 100, the current sensor 110, and the voltage sensor 120 have the same configurations as the control unit 100, the current sensor 110, and the voltage sensor 120 illustrated in FIG. Note that the electric vehicle 300 shown in FIG. 4 includes the stacked battery 10 and the control device described above, and thus can be said to be a nonaqueous electrolyte secondary battery system.

インバータ310は、積層型電池10が発生する直流電力を、交流電力に変換してモータ320に与え、モータ320を駆動させて電気自動車300を走行させる。また、インバータ310は、電気自動車300の制動時にモータ320が発生する交流電力である回生電力を、直流電力に変換して積層型電池10に与え、積層型電池10を充電する。   The inverter 310 converts the DC power generated by the stacked battery 10 into AC power and applies the AC power to the motor 320, and drives the motor 320 to run the electric vehicle 300. The inverter 310 converts regenerative power, which is AC power generated by the motor 320 during braking of the electric vehicle 300, into DC power and applies it to the stacked battery 10 to charge the stacked battery 10.

このようにしてモータ320が発生する回生電力によって積層型電池10が充電される際に、本発明の制御が適用可能である。すなわち、本実施形態において、制御部100は、積層型電池10の使用時(電気自動車300の走行時)における回生電力による充電処理(または充放電処理)を、上記と同様にして制御する。具体的には、図3Bに示す充電状態(正極容量)−酸素ガス発生量のグラフにおいて酸素ガスの発生量が急激に増加する充電状態(正極容量C)に相当する正極電位EMAXを充電状態の上限値として設定し、回生電力による充電処理(または充放電処理)において正極電位Eが上限値EMAXを超えないようにすれば、発電要素21の正極を構成する固溶体正極活物質からの酸素ガスの発生を防止することができる。その結果、酸素ガスの発生に起因するサイクル耐久性の低下を効果的に防止することが可能となる。もちろん、本実施形態におけるような制御においても、上記と同様に、正極電位Eを測定する参照電極31を用いて正極電位の上限値EMAXを超えないように制御することが好ましい。このような構成とすることにより、酸素ガスの発生を最小限に抑制しつつ、可能な限り多くの回生電力を発電要素21の充電に利用することが可能となる。 Thus, when the stacked battery 10 is charged by the regenerative power generated by the motor 320, the control of the present invention can be applied. That is, in the present embodiment, the control unit 100 controls the charging process (or charging / discharging process) using regenerative power when the stacked battery 10 is used (when the electric vehicle 300 is running) in the same manner as described above. Specifically, in the graph of charge state (positive electrode capacity) -oxygen gas generation amount shown in FIG. 3B, the positive electrode potential E MAX corresponding to the charge state (positive electrode capacity C 1 ) in which the generation amount of oxygen gas rapidly increases is charged. If the positive electrode potential E is set as the upper limit value of the state so that the positive electrode potential E does not exceed the upper limit value E MAX in the charging process (or charge / discharge process) by regenerative power, the solid solution positive electrode active material constituting the positive electrode of the power generation element 21 Generation of oxygen gas can be prevented. As a result, it is possible to effectively prevent a decrease in cycle durability due to the generation of oxygen gas. Of course, also in the control as in the present embodiment, it is preferable to control so as not to exceed the upper limit value E MAX of the positive electrode potential using the reference electrode 31 that measures the positive electrode potential E, as described above. With this configuration, it is possible to use as much regenerative power as possible for charging the power generating element 21 while suppressing generation of oxygen gas to a minimum.

上記の説明では、積層型電池10の使用時における本発明の制御の適用例について、電気自動車の走行時における回生電力による充電処理の制御を例に挙げて説明した。ただし、本発明の制御は、これ以外にも、例えば充電装置を用いた積層型電池10の通常の充電処理にも適用可能である。   In the above description, the application example of the control of the present invention when the stacked battery 10 is used has been described by taking the control of the charging process by the regenerative power when the electric vehicle is running as an example. However, the control of the present invention can be applied to normal charging processing of the stacked battery 10 using a charging device, for example.

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。   The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.

[実施例1]
(正極サンプルの作製)
正極活物質として、LiMnOとLiNi0.375Co0.375Mn0.25とを1:9のモル比で含有する固溶体であるリチウム含有遷移金属酸化物を、従来公知の複合炭酸塩法を用いて調製した。このリチウム含有遷移金属酸化物の組成式は、
Li[Ni0.3375Co0.3375Mn0.325[Li]0.1]O2.1
であった。これを化学式(1)に当てはめると、z=2.1(原子価を満足する酸素数)、a=b=0.3375、c=0.325、d=0.1、a+b+c=1となる。
[Example 1]
(Preparation of positive electrode sample)
As a positive electrode active material, a lithium-containing transition metal oxide, which is a solid solution containing Li 2 MnO 3 and LiNi 0.375 Co 0.375 Mn 0.25 O 2 in a molar ratio of 1: 9, is a conventionally known composite. Prepared using the carbonate method. The composition formula of this lithium-containing transition metal oxide is:
Li [Ni 0.3375 Co 0.3375 Mn 0.325 [Li] 0.1 ] O 2.1
Met. When this is applied to the chemical formula (1), z = 2.1 (the number of oxygen satisfying the valence), a = b = 0.3375, c = 0.325, d = 0.1, and a + b + c = 1. .

このようにして準備した固溶体正極活物質(リチウム含有遷移金属酸化物)90質量部と、導電助剤として燐片状黒鉛1質量部およびアセチレンブラック4質量部と、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)5質量部と、粘度調整溶剤としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)74質量部とを準備した。そして、PVDF5質量部をNMP50質量部に溶解してバインダ溶液を調製した。次いで、燐片状黒鉛1質量部およびアセチレンブラック4質量部(合計5質量部)と、固溶体正極活物質(リチウム含有遷移金属酸化物)90質量部とを、上記バインダ溶液60質量部に加え、プラネタリーミキサー(プライミクス社製、ハイビスミックス2P−03型)にて混練し、その後、混練物にNMP24質重量部を加えて、正極活物質スラリー(固形分濃度60質量%)を得た。   90 parts by mass of the solid solution positive electrode active material (lithium-containing transition metal oxide) prepared in this way, 1 part by mass of flake graphite and 4 parts by mass of acetylene black as a conductive assistant, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder 5 parts by mass and 74 parts by mass of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a viscosity adjusting solvent were prepared. And 5 mass parts of PVDF was melt | dissolved in 50 mass parts of NMP, and the binder solution was prepared. Next, 1 part by mass of flake graphite and 4 parts by mass of acetylene black (total 5 parts by mass) and 90 parts by mass of a solid solution positive electrode active material (lithium-containing transition metal oxide) are added to 60 parts by mass of the binder solution. The mixture was kneaded with a planetary mixer (manufactured by Primics, Hibismix 2P-03 type), and then 24 parts by weight of NMP was added to the kneaded product to obtain a positive electrode active material slurry (solid content concentration 60 mass%).

その後、集電体として20μm厚の(シート状の)アルミニウム集電箔の片面に、上記正極活物質スラリーをバーコーターにより(乾燥後の正極活物質層の質量が概ね3.5mg/cmとなるように)塗布した。続いて、この正極活物質スラリーを塗布した集電箔を、ホットプレート上にて乾燥(120℃〜130℃、乾燥時間10分)させて、正極活物質層を形成した。なお、この乾燥処理により、正極活物質層に残留するNMP量を0.02質量%以下とした。このようにして、シート状正極を得た。 Thereafter, the positive electrode active material slurry was applied to one side of a 20 μm-thick (sheet-like) aluminum current collector foil as a current collector using a bar coater (the mass of the positive electrode active material layer after drying was approximately 3.5 mg / cm 2 ). Applied). Subsequently, the current collector foil coated with the positive electrode active material slurry was dried on a hot plate (120 ° C. to 130 ° C., drying time 10 minutes) to form a positive electrode active material layer. By this drying treatment, the amount of NMP remaining in the positive electrode active material layer was set to 0.02% by mass or less. In this way, a sheet-like positive electrode was obtained.

次に、上記シート状正極をローラープレスにかけて圧縮成形し、切断して、片面の正極活物質層の質量を約3.5mg/cmに、厚さを約50μmに、密度を2.70g/cmに調整した。 Next, the sheet-like positive electrode is subjected to compression molding using a roller press and cut, and the mass of the positive electrode active material layer on one side is about 3.5 mg / cm 2 , the thickness is about 50 μm, and the density is 2.70 g / cm 2. Adjusted to cm 3 .

その後、このシート状正極に対して、真空乾燥炉にて乾燥処理を行った。乾燥炉内部にシート状正極を設置した後、室温(25℃)にて減圧(100mmHg(1.33×10Pa))して、乾燥炉内の空気を除去した。続いて、窒素ガスを流通(100cm/分)しながら、10℃/分で120℃まで昇温し、120℃で再度減圧して炉内の窒素を排気したまま12時間保持した後、室温まで降温した。こうして正極サンプルを完成させた。 Thereafter, the sheet-like positive electrode was dried in a vacuum drying furnace. After installing the sheet-like positive electrode inside the drying furnace, the pressure in the room was reduced (100 mmHg (1.33 × 10 4 Pa)) at room temperature (25 ° C.) to remove the air in the drying furnace. Subsequently, while flowing nitrogen gas (100 cm 3 / min), the temperature was raised to 120 ° C. at 10 ° C./min, the pressure was reduced again at 120 ° C., and nitrogen was maintained in the furnace for 12 hours. The temperature was lowered. In this way, a positive electrode sample was completed.

(ガス発生測定用セルの作製)
上記で作製した正極サンプルを切り出し、正極活物質層が露出するように圧電型AEセンサ(Vallen systeme社製、VS900−M)の内部に入れ、さらにセパレータとして準備したポリプロピレン(PP)製微多孔膜(厚さ25μm)、および負極としてのリチウム金属箔(厚さ200μm)をこの順に積層した。次いで、電解液(エチレンカーボネート(EC)およびジエチルカーボネート(DEC)を、EC:DEC=1:2(体積比)の割合で混合した有機溶媒に、支持塩としてのLiPFを濃度が1M(mol/L)となるように溶解させたもの)をシリンジを用いて注入し、密閉して、ガス発生測定用セルを完成させた。
(Production of gas generation measurement cell)
A microporous membrane made of polypropylene (PP) prepared as a separator by cutting out the positive electrode sample prepared above and placing it in a piezoelectric AE sensor (manufactured by Vallen system, VS900-M) so that the positive electrode active material layer is exposed. (Thickness 25 μm) and lithium metal foil (thickness 200 μm) as a negative electrode were laminated in this order. Next, the electrolyte solution (ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) was mixed at a ratio of EC: DEC = 1: 2 (volume ratio) in an organic solvent, and the concentration of LiPF 6 as a supporting salt was 1 M (mol). / L)) was injected using a syringe and sealed to complete a gas generation measurement cell.

(ガス発生測定用セルに対する活性化処理)
上記で作製したガス発生測定用セルを恒温槽(25℃)の内部に載置して調温し、その状態で充放電試験機:HJ0501SM8A(北斗電工株式会社製)を用いてガス発生測定用セルに対して1回の充電処理を施した。なお、この充電処理では、0.1Cの充電電流の定電流方式で4.8Vまで充電を行った後、4.8Vの定電圧方式で正極の充電容量が320mAh/gとなるまで充電を行った。ここで、電流密度が1Cとは、公称容量値a[Ah]のセルを1時間定電流放電すると放電終了となる電流値をいい、この場合1C=a[A]となる。
(Activation treatment for gas generation measurement cell)
The gas generation measurement cell prepared above is placed in a thermostatic chamber (25 ° C.) to adjust the temperature, and in that state, a charge / discharge tester: HJ0501SM8A (made by Hokuto Denko Co., Ltd.) is used for gas generation measurement. The cell was charged once. In this charging process, charging is performed up to 4.8 V by a constant current method with a charging current of 0.1 C, and then charging is performed until the charging capacity of the positive electrode is 320 mAh / g by a constant voltage method of 4.8 V. It was. Here, the current density of 1 C refers to a current value at which the discharge ends when a cell having a nominal capacity value a [Ah] is discharged at a constant current for 1 hour. In this case, 1 C = a [A].

この充電処理においては、ガス発生測定用セルの正負極間の端子電圧(開回路電圧)を、電圧センサを用いて経時的にモニターした。また、ガス発生測定用セルの内部におけるガス発生イベントを、圧電型AEセンサを作動させることによりやはり経時的にモニターした。これらの結果から、本実施例において用いたガス発生測定用セルの充電状態(正極容量)を横軸にプロットし、金属リチウムに対する正極電位(●)および酸素ガス発生量(酸素ガス発生イベント)(○)を縦軸にプロットすることにより、図3Bに示すグラフを得た。図3Bに示すように、正極容量として294mAh/gを境にして酸素ガス発生イベント(酸素ガス発生量)が急激に増加することがわかる。そして、294mAh/gの正極容量は、リチウム金属に対する正極電位として4.68Vに相当することもわかる。したがって、これらの正極容量(または正極電位)を上限値として設定し、これを超えないように固溶体正極活物質の活性化処理(充電処理)を行うことで、活性化処理の際における酸素ガスの発生を十分に抑制することができることが示された。また、ここで用いた正極を備える電池の通常使用時においても、上記で得られた正極容量(または正極電位)を上限値として設定し、これを超えないように当該電池の発電要素に対して充電処理を行うことで、やはり充電処理の際における酸素ガスの発生を十分に抑制することができることも示された。   In this charging process, the terminal voltage (open circuit voltage) between the positive and negative electrodes of the gas generation measurement cell was monitored over time using a voltage sensor. Further, the gas generation event inside the gas generation measurement cell was also monitored over time by operating the piezoelectric AE sensor. From these results, the charge state (positive electrode capacity) of the gas generation measurement cell used in this example is plotted on the horizontal axis, and the positive electrode potential (●) and oxygen gas generation amount (oxygen gas generation event) with respect to metallic lithium ( (Circle) was plotted on the vertical axis | shaft, and the graph shown to FIG. 3B was obtained. As shown in FIG. 3B, it can be seen that the oxygen gas generation event (oxygen gas generation amount) rapidly increases with the positive electrode capacity at 294 mAh / g as a boundary. It can also be seen that a positive electrode capacity of 294 mAh / g corresponds to 4.68 V as a positive electrode potential with respect to lithium metal. Therefore, these positive electrode capacities (or positive electrode potentials) are set as upper limit values, and the activation treatment (charging treatment) of the solid solution positive electrode active material is performed so as not to exceed the upper limit value. It was shown that generation can be sufficiently suppressed. In addition, even during normal use of a battery including the positive electrode used here, the positive electrode capacity (or positive electrode potential) obtained above is set as the upper limit value, and the power generation element of the battery is set so as not to exceed this value. It was also shown that the generation of oxygen gas during the charging process can be sufficiently suppressed by performing the charging process.

(負極サンプルの作製)
ケイ素含有負極活物質として、以下の手法により、Si65SnTi30(組成比は質量比)の組成を有するケイ素含有合金を製造した。
(Preparation of negative electrode sample)
As a silicon-containing negative electrode active material, a silicon-containing alloy having a composition of Si 65 Sn 5 Ti 30 (composition ratio is mass ratio) was produced by the following method.

具体的には、ドイツZOZ社製撹拌ボールミル装置C−01Mを用いて、SUS製粉砕ポットに1920gのジルコニア製粉砕ボール(φ5mm)および1gのカーボン(SGL)を投入し、その後1000rpmで10分間、プレ粉砕処理を実施した。その後、合金の各原料粉末(高純度金属Siインゴット(5N)、高純度Tiワイヤ(3N)、高純度Sn板(3N))を100g投入し、1500rpmで5時間かけて合金化させ(合金化処理)、その後400rpmで1時間、微粉砕処理を実施して、ケイ素含有合金(負極活物質)を得た。なお、本実施例において用いた撹拌ボールミル装置において、公転半径rs=0.070[m]、自転半径rpl=0[m]、回転数rpm=1500[回/分]であったことから、遠心力はGnl=176.0[G]と算出される。また、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径(D50)は5.4μmであった。   Specifically, using a stirring ball mill device C-01M manufactured by ZOZ, Germany, 1920 g of zirconia pulverized balls (φ5 mm) and 1 g of carbon (SGL) were put into a SUS pulverized pot, and then at 1000 rpm for 10 minutes. A pre-grinding process was performed. Thereafter, 100 g of each alloy raw material powder (high-purity metal Si ingot (5N), high-purity Ti wire (3N), high-purity Sn plate (3N)) is added and alloyed at 1500 rpm for 5 hours (alloying) Treatment), and then pulverized at 400 rpm for 1 hour to obtain a silicon-containing alloy (negative electrode active material). In the stirring ball mill apparatus used in this example, the revolution radius rs = 0.070 [m], the rotation radius rpl = 0 [m], and the rotation speed rpm = 1500 [times / minute]. The force is calculated as Gnl = 176.0 [G]. Moreover, the average particle diameter (D50) of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 5.4 μm.

このようにして準備したケイ素含有負極活物質(Si65SnTi30粉末)80質量部と、導電助剤であるアセチレンブラック5質量部と、バインダであるポリアミドイミド15質量部と、を混合し、N−メチル−2−ピロリドン適量に分散させて負極活物質スラリーを得た。次いで、得られた負極活物質スラリーを、銅箔(厚さ15μm)よりなる負極集電体の片面に負極活物質層の厚さが30μmとなるように均一に塗布し、真空中で24時間乾燥させて、負極サンプルを得た。 80 parts by mass of the silicon-containing negative electrode active material (Si 65 Sn 5 Ti 30 powder) prepared in this way, 5 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, and 15 parts by mass of polyamideimide as a binder were mixed. N-methyl-2-pyrrolidone was dispersed in an appropriate amount to obtain a negative electrode active material slurry. Next, the obtained negative electrode active material slurry was uniformly applied to one side of a negative electrode current collector made of copper foil (thickness: 15 μm) so that the thickness of the negative electrode active material layer was 30 μm, and was subjected to vacuum for 24 hours. A negative electrode sample was obtained by drying.

(試験用ラミネートセルの作製)
上記で得られた正極サンプルを、活物質層面積;縦2.5cm×横2.0cmになるように切り出し、これら2枚を集電体同士が向き合うようにして、未塗工面(アルミニウム集電箔のスラリーを塗工していない面)を合わせて集電体部分をスポット溶接した。これにより、外周部をスポット溶接により一体化された2枚重ねの集電箔の両面に正極活物質層を有する正極を形成した。その後、さらに集電体部分にアルミニウムの正極タブ(正極集電板)を溶接して正極を形成した。すなわち、正極は、集電箔の両面に正極活物質層が形成された構成である。
(Production of test laminate cell)
The positive electrode sample obtained above was cut out so that the active material layer area was 2.5 cm long and 2.0 cm wide, and the two current collectors were faced to each other so that the uncoated surface (aluminum current collector) The current collector portion was spot welded together with the surface not coated with the foil slurry. This formed the positive electrode which has a positive electrode active material layer on both surfaces of the two-ply current collector foil with which the outer peripheral part was integrated by spot welding. Thereafter, an aluminum positive electrode tab (positive electrode current collector plate) was further welded to the current collector portion to form a positive electrode. That is, the positive electrode has a configuration in which a positive electrode active material layer is formed on both surfaces of the current collector foil.

一方、上記で得られた負極サンプルを、活物質層面積;縦2.7cm×横2.2cmになるように切り出し、その後、さらに集電体部分に電解銅の負極タブを溶接して負極を形成した。すなわち、負極サンプルは、集電体の片面に負極活物質層が形成された構成である。   On the other hand, the negative electrode sample obtained above was cut out to have an active material layer area of 2.7 cm in length and 2.2 cm in width, and then a negative electrode tab of electrolytic copper was further welded to the current collector portion to form a negative electrode. Formed. That is, the negative electrode sample has a configuration in which a negative electrode active material layer is formed on one side of a current collector.

これらタブを溶接した負極と正極との間に多孔質ポリプロピレン製セパレータ(縦3.0cm×横2.5cm、厚さ25μm、空孔率55%)を挟んで5層からなる積層型の発電要素を作製した。積層型の発電要素の構成は、負極(片面)/セパレータ/正極(両面)/セパレータ/負極(片面)の構成とした。次いで、アルミラミネートフィルム製外装材(縦3.5cm×横3.5cm)で発電要素の両側を挟み込み、3辺を熱圧着封止して上記発電要素を収納した。この発電要素に、上記と同様の電解液0.8cm(上記5層構成の場合、2セル構成となり、1セル当たりの注液量0.4cm)を注入した後、残りの1辺を熱圧着で仮封止し、試験用ラミネートセルを作製した。電解液を電極細孔内に十分に浸透させるため、面圧0.5MPaで加圧しながら、25℃にて24時間保持した。 A laminated power generation element consisting of five layers with a porous polypropylene separator (length 3.0 cm × width 2.5 cm, thickness 25 μm, porosity 55%) between the negative electrode and the positive electrode welded with these tabs Was made. The configuration of the laminated power generation element was a configuration of negative electrode (single side) / separator / positive electrode (both sides) / separator / negative electrode (single side). Next, both sides of the power generation element were sandwiched with an aluminum laminate film exterior material (length 3.5 cm × width 3.5 cm), and the above power generation element was accommodated by thermocompression sealing at three sides. After injecting 0.8 cm 3 of the same electrolyte solution into the power generation element (in the case of the above five-layer configuration, a two-cell configuration and an injection amount of 0.4 cm 3 per cell), the remaining one side was Temporary sealing was performed by thermocompression bonding to produce a test laminate cell. In order to sufficiently permeate the electrolytic solution into the electrode pores, the electrolyte was held at 25 ° C. for 24 hours while being pressurized at a surface pressure of 0.5 MPa.

(発電要素の充電処理(活性化処理))
本実施例においては、上述したガス発生測定用セルを用いた予備検討により、294mAh/gの正極容量(リチウム金属に対する正極電位として4.68V)に対応する発電要素の充電状態を上限値として設定し、この上限値を超えないように活性化処理を施すことで発電要素(特に固溶体正極活物質)からの酸素ガスの発生が抑制されうることが判明している。そこで、本実施例では、上記で作製された試験用セルに対し、294mAh/gの正極容量(リチウム金属に対する正極電位として4.68V)となるまで活性化処理を施した。
(Charging process for power generation elements (activation process))
In this example, the charge state of the power generation element corresponding to a positive electrode capacity of 4.94 mAh / g (positive electrode potential for lithium metal: 4.68 V) is set as an upper limit value by preliminary examination using the above-described gas generation measurement cell. It has been found that the generation of oxygen gas from the power generation element (particularly, the solid solution positive electrode active material) can be suppressed by performing the activation treatment so as not to exceed the upper limit. Therefore, in this example, the activation treatment was performed on the test cell manufactured as described above until the positive electrode capacity was 294 mAh / g (the positive electrode potential with respect to lithium metal was 4.68 V).

具体的には、まず、25℃にて、定電流充電法で0.05C、4時間の充電(SOC約20%)を行った。次いで、25℃にて0.1Cレートで4.45Vまで充電した後、充電を止め、その状態(SOC約70%)で約2日間(48時間)保持した(エージング処理)。次いで、熱圧着で仮封止した一辺を開封し、10±3hPaで5分間ガス除去を行った後、再度、熱圧着を行い仮封止を行った。さらに、ローラーで加圧(面圧0.5±0.1MPa)成形し、電極とセパレータとを十分に密着させた。   Specifically, first, at 25 ° C., the battery was charged at 0.05 C for 4 hours (SOC approximately 20%) by a constant current charging method. Next, after charging to 4.45 V at a 0.1 C rate at 25 ° C., the charging was stopped, and the state (SOC about 70%) was maintained for about 2 days (48 hours) (aging process). Next, one side temporarily sealed by thermocompression bonding was opened, gas was removed at 10 ± 3 hPa for 5 minutes, and then thermocompression bonding was performed again to perform temporary sealing. Further, pressurization with a roller (surface pressure 0.5 ± 0.1 MPa) was performed, and the electrode and the separator were sufficiently adhered.

その後、活性化処理として、上述した発電要素の充電状態の上限値を超えないように、0.1Cの充電電流の定電流方式で4.68Vまで充電を行った。そして10分間休止させた後、0.1Cの充電電流の定電流方式で2.0Vまで放電を行うことにより、活性化処理を行った。なお、本実施例での活性化処理における充電時の理論上のリチウム利用量は、0.941と算出された。   Thereafter, as an activation process, charging was performed up to 4.68 V by a constant current method with a charging current of 0.1 C so as not to exceed the upper limit value of the charging state of the power generating element described above. And after making it rest for 10 minutes, the activation process was performed by discharging to 2.0V by the constant current system of the charging current of 0.1C. The theoretical amount of lithium used during charging in the activation process in this example was calculated to be 0.941.

また、活性化処理の前後における試験用ラミネートセルの体積変化から、アルキメデス法により活性化処理の前後における酸素ガスの発生量を測定した。結果を下記の表1に示す。   Further, from the volume change of the test laminate cell before and after the activation treatment, the amount of oxygen gas generated before and after the activation treatment was measured by the Archimedes method. The results are shown in Table 1 below.

(サイクル耐久性評価)
上記で活性化処理を施した試験用セルについて、サイクル耐久性評価を行った。具体的には、室温条件下において、0.1Cの充電電流で電池電圧が4.5Vとなるまで充電した後、約1時間〜1.5時間保持する定電流定電圧充電法とし、放電は、電池電圧が2.0Vとなるまで0.1Cの放電電流で放電する定電流方式で行った。このサイクルを50回繰り返し、1サイクル目の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の割合を「容量維持率(%)」として評価した。結果を下記の表1に示す:
容量維持率(%)=50サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量×100
なお、1サイクル目の充電容量および放電容量の値、試験用ラミネートセルの定格容量の値、並びに試験用ラミネートセルの定格容量に対する電池体積(電池外装体まで含めた電池の投影面積と電池の厚みとの積)の比の値についても、下記の表1に併せて示す。
(Cycle durability evaluation)
Cycle durability evaluation was performed about the test cell which performed the activation process above. Specifically, under a room temperature condition, after charging until the battery voltage reaches 4.5 V with a charging current of 0.1 C, a constant current constant voltage charging method of holding for about 1 to 1.5 hours, Then, a constant current method was used in which the battery was discharged at a discharge current of 0.1 C until the battery voltage reached 2.0V. This cycle was repeated 50 times, and the ratio of the discharge capacity at the 50th cycle to the discharge capacity at the 1st cycle was evaluated as “capacity maintenance ratio (%)”. The results are shown in Table 1 below:
Capacity retention rate (%) = 50th cycle discharge capacity / first cycle discharge capacity × 100
It should be noted that the value of the charge capacity and discharge capacity in the first cycle, the value of the rated capacity of the test laminate cell, and the battery volume with respect to the rated capacity of the test laminate cell (the projected area of the battery including the battery case and the thickness of the battery) Table 1 below also shows the value of the ratio of the product to the product.

[実施例2]
正極活物質として、LiMnOとLiNi0.375Co0.375Mn0.25とを3:7のモル比で含有する固溶体であるリチウム含有遷移金属酸化物を、従来公知の複合炭酸塩法を用いて調製した。このリチウム含有遷移金属酸化物の組成式は、
Li[Ni0.2625Co0.2625Mn0.475[Li]0.3]O2.3
であった。これを化学式(1)に当てはめると、z=2.3(原子価を満足する酸素数)、a=b=0.2625、c=0.475、d=0.3、a+b+c=1となる。
[Example 2]
As a positive electrode active material, a lithium-containing transition metal oxide, which is a solid solution containing Li 2 MnO 3 and LiNi 0.375 Co 0.375 Mn 0.25 O 2 in a molar ratio of 3: 7, is a conventionally known composite. Prepared using the carbonate method. The composition formula of this lithium-containing transition metal oxide is:
Li [Ni 0.2625 Co 0.2625 Mn 0.475 [Li] 0.3 ] O 2.3
Met. When this is applied to the chemical formula (1), z = 2.3 (the number of oxygen satisfying the valence), a = b = 0.2625, c = 0.475, d = 0.3, and a + b + c = 1. .

このようにして得られた正極活物質を用いたこと以外は上述した実施例1と同様の手法により、ガス発生測定用セルを作製し、固溶体正極活物質からの酸素ガスの発生量が急激に増加する正極の充電状態の上限値を調べた。   A cell for measuring gas generation was prepared by the same method as in Example 1 except that the positive electrode active material thus obtained was used, and the amount of oxygen gas generated from the solid solution positive electrode active material was drastically increased. The upper limit value of the increasing charging state of the positive electrode was examined.

次いで、本実施例で得られた正極活物質を用いたこと以外は上述した実施例1と同様の手法により、試験用ラミネートセルを作製し、活性化処理およびその際の酸素ガス発生量の測定、並びにサイクル耐久性評価を行った。結果を下記の表1に示す。なお、本実施例での活性化処理における充電時の理論上のリチウム利用量は、1.057と算出された。   Next, a test laminate cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode active material obtained in this example was used, and the activation treatment and measurement of the amount of oxygen gas generated at that time were performed. In addition, cycle durability was evaluated. The results are shown in Table 1 below. The theoretical amount of lithium used during charging in the activation process in this example was calculated to be 1.057.

[実施例3]
正極活物質として、LiMnOとLiNi0.375Co0.375Mn0.25とを5:5のモル比で含有する固溶体であるリチウム含有遷移金属酸化物を、従来公知の複合炭酸塩法を用いて調製した。このリチウム含有遷移金属酸化物の組成式は、
Li[Ni0.1875Co0.1875Mn0.625[Li]0.5]O2.5
であった。これを化学式(1)に当てはめると、z=2.5(原子価を満足する酸素数)、a=b=0.1875、c=0.625、d=0.5、a+b+c=1となる。
[Example 3]
As a positive electrode active material, a lithium-containing transition metal oxide, which is a solid solution containing Li 2 MnO 3 and LiNi 0.375 Co 0.375 Mn 0.25 O 2 in a molar ratio of 5: 5, is a conventionally known composite. Prepared using the carbonate method. The composition formula of this lithium-containing transition metal oxide is:
Li [Ni 0.1875 Co 0.1875 Mn 0.625 [Li] 0.5 ] O 2.5
Met. When this is applied to the chemical formula (1), z = 2.5 (the number of oxygen satisfying the valence), a = b = 0.1875, c = 0.625, d = 0.5, and a + b + c = 1. .

このようにして得られた正極活物質を用いたこと以外は上述した実施例1と同様の手法により、ガス発生測定用セルを作製し、固溶体正極活物質からの酸素ガスの発生量が急激に増加する正極の充電状態の上限値を調べた。   A cell for measuring gas generation was prepared by the same method as in Example 1 except that the positive electrode active material thus obtained was used, and the amount of oxygen gas generated from the solid solution positive electrode active material was drastically increased. The upper limit value of the increasing charging state of the positive electrode was examined.

次いで、本実施例で得られた正極活物質を用いたこと以外は上述した実施例1と同様の手法により、試験用ラミネートセルを作製し、活性化処理およびその際の酸素ガス発生量の測定、並びにサイクル耐久性評価を行った。結果を下記の表1に示す。なお、本実施例での活性化処理における充電時の理論上のリチウム利用量は、1.088と算出された。   Next, a test laminate cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode active material obtained in this example was used, and the activation treatment and measurement of the amount of oxygen gas generated at that time were performed. In addition, cycle durability was evaluated. The results are shown in Table 1 below. In addition, the theoretical lithium usage amount at the time of charging in the activation process in this example was calculated as 1.088.

[実施例4]
正極活物質として、LiMnOとLiNi0.375Co0.375Mn0.25とを7:3のモル比で含有する固溶体であるリチウム含有遷移金属酸化物を、従来公知の複合炭酸塩法を用いて調製した。このリチウム含有遷移金属酸化物の組成式は、
Li[Ni0.1125Co0.1125Mn0.775[Li]0.7]O2.7
であった。これを化学式(1)に当てはめると、z=2.7(原子価を満足する酸素数)、a=b=0.1125、c=0.775、d=0.7、a+b+c=1となる。
[Example 4]
As a positive electrode active material, a lithium-containing transition metal oxide, which is a solid solution containing Li 2 MnO 3 and LiNi 0.375 Co 0.375 Mn 0.25 O 2 in a molar ratio of 7: 3, is a conventionally known composite. Prepared using the carbonate method. The composition formula of this lithium-containing transition metal oxide is:
Li [Ni 0.1125 Co 0.1125 Mn 0.775 [Li] 0.7 ] O 2.7
Met. When this is applied to the chemical formula (1), z = 2.7 (the number of oxygen satisfying the valence), a = b = 0.1125, c = 0.775, d = 0.7, and a + b + c = 1. .

このようにして得られた正極活物質を用いたこと以外は上述した実施例1と同様の手法により、ガス発生測定用セルを作製し、固溶体正極活物質からの酸素ガスの発生量が急激に増加する正極の充電状態の上限値を調べた。   A cell for measuring gas generation was prepared by the same method as in Example 1 except that the positive electrode active material thus obtained was used, and the amount of oxygen gas generated from the solid solution positive electrode active material was drastically increased. The upper limit value of the increasing charging state of the positive electrode was examined.

次いで、本実施例で得られた正極活物質を用いたこと以外は上述した実施例1と同様の手法により、試験用ラミネートセルを作製し、活性化処理およびその際の酸素ガス発生量の測定、並びにサイクル耐久性評価を行った。結果を下記の表1に示す。なお、本実施例での活性化処理における充電時の理論上のリチウム利用量は、1.057と算出された。   Next, a test laminate cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode active material obtained in this example was used, and the activation treatment and measurement of the amount of oxygen gas generated at that time were performed. In addition, cycle durability was evaluated. The results are shown in Table 1 below. The theoretical amount of lithium used during charging in the activation process in this example was calculated to be 1.057.

[比較例1]
活性化処理における充電処理の際に、上述した発電要素の充電状態の上限値を超える充電状態まで充電を行った。具体的には、活性化処理における充電時の理論上のリチウム利用量が1.093となるように活性化処理(充電処理)を行った。それ以外は、上述した実施例1と同様の手法により、試験用ラミネートセルを作製し、活性化処理およびその際の酸素ガス発生量の測定、並びにサイクル耐久性評価を行った。結果を下記の表1に示す。
[Comparative Example 1]
During the charging process in the activation process, charging was performed until the charging state exceeded the upper limit value of the charging state of the power generation element described above. Specifically, the activation process (charging process) was performed so that the theoretical lithium usage during charging in the activation process was 1.093. Other than that, a test laminate cell was prepared in the same manner as in Example 1 described above, and an activation treatment, measurement of the amount of oxygen gas generated at that time, and cycle durability evaluation were performed. The results are shown in Table 1 below.

[比較例2]
活性化処理における充電処理の際に、上述した発電要素の充電状態の上限値を超える充電状態まで充電を行った。具体的には、活性化処理における充電時の理論上のリチウム利用量が1.154となるように活性化処理(充電処理)を行った。それ以外は、上述した実施例2と同様の手法により、試験用ラミネートセルを作製し、活性化処理およびその際の酸素ガス発生量の測定、並びにサイクル耐久性評価を行った。結果を下記の表1に示す。
[Comparative Example 2]
During the charging process in the activation process, charging was performed until the charging state exceeded the upper limit value of the charging state of the power generation element described above. Specifically, the activation process (charging process) was performed so that the theoretical lithium usage during charging in the activation process was 1.154. Other than that, a test laminate cell was prepared in the same manner as in Example 2 described above, and the activation treatment, measurement of the amount of oxygen gas generated at that time, and cycle durability evaluation were performed. The results are shown in Table 1 below.

[比較例3]
活性化処理における充電処理の際に、上述した発電要素の充電状態の上限値を超える充電状態まで充電を行った。具体的には、活性化処理における充電時の理論上のリチウム利用量が1.176となるように活性化処理(充電処理)を行った。それ以外は、上述した実施例3と同様の手法により、試験用ラミネートセルを作製し、活性化処理およびその際の酸素ガス発生量の測定、並びにサイクル耐久性評価を行った。結果を下記の表1に示す。
[Comparative Example 3]
During the charging process in the activation process, charging was performed until the charging state exceeded the upper limit value of the charging state of the power generation element described above. Specifically, the activation process (charging process) was performed so that the theoretical lithium usage during charging in the activation process was 1.176. Other than that, a test laminate cell was prepared in the same manner as in Example 3 described above, and the activation treatment, measurement of the amount of oxygen gas generated at that time, and cycle durability evaluation were performed. The results are shown in Table 1 below.

[比較例4]
活性化処理における充電処理の際に、上述した発電要素の充電状態の上限値を超える充電状態まで充電を行った。具体的には、活性化処理における充電時の理論上のリチウム利用量が1.150となるように活性化処理(充電処理)を行った。それ以外は、上述した実施例4と同様の手法により、試験用ラミネートセルを作製し、活性化処理およびその際の酸素ガス発生量の測定、並びにサイクル耐久性評価を行った。結果を下記の表1に示す。
[Comparative Example 4]
During the charging process in the activation process, charging was performed until the charging state exceeded the upper limit value of the charging state of the power generation element described above. Specifically, the activation process (charging process) was performed such that the theoretical lithium usage during charging in the activation process was 1.150. Other than that, a test laminate cell was prepared in the same manner as in Example 4 described above, and activation treatment, measurement of the amount of oxygen gas generated at that time, and cycle durability evaluation were performed. The results are shown in Table 1 below.

表1に示す結果からわかるように、実施例1〜4では、リチウムイオン二次電池の製造時における固溶体正極活物質の活性化処理(充電処理)に対して本発明の制御を適用したことにより、活性化処理の際の酸素ガスの発生が抑制されたこと、および、それによって電池のサイクル耐久性も格段に向上したことがわかる。一方、本発明の制御を適用しなかった比較例1〜4においては、活性化処理の際に酸素ガスが大量に発生したこと、および、それによって電池のサイクル耐久性が大幅に低下したことがわかる。   As can be seen from the results shown in Table 1, in Examples 1 to 4, the control of the present invention was applied to the activation treatment (charging treatment) of the solid solution positive electrode active material during the production of the lithium ion secondary battery. It can be seen that the generation of oxygen gas during the activation treatment was suppressed, and that the cycle durability of the battery was also greatly improved. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 4 in which the control of the present invention was not applied, a large amount of oxygen gas was generated during the activation process, and the cycle durability of the battery was greatly reduced thereby. Recognize.

ここで、上述した実施例3および比較例3について、サイクル耐久性試験の各サイクルにおける放電容量をプロットしたグラフを図5Aに示す。図5Aに示すように、上述した実施例3および比較例3のように高容量かつ高密度の電池(電池の定格容量に対する電池体積(電池外装体まで含めた電池の投影面積と電池の厚みとの積)の比の値が10cm/Ah以下であり、かつ、前記定格容量が3Ah以上である電池)においては、本発明の制御を行った場合(実施例3)と行わなかった場合(比較例3)との間でサイクル耐久性に大きな差が見られることがわかる。 Here, the graph which plotted the discharge capacity in each cycle of a cycle durability test about Example 3 and Comparative Example 3 which were mentioned above is shown to FIG. 5A. As shown in FIG. 5A, as in Example 3 and Comparative Example 3 described above, a high-capacity and high-density battery (battery volume relative to the rated capacity of the battery (the projected area of the battery including the battery outer casing, the thickness of the battery, Battery) having a ratio value of 10 cm 3 / Ah or less and a rated capacity of 3 Ah or more) when the control of the present invention is performed (Example 3) and when not performed ( It can be seen that there is a large difference in cycle durability with Comparative Example 3).

一方、上述したような高容量かつ高密度の電池(電池の定格容量に対する電池体積(電池外装体まで含めた電池の投影面積と電池の厚みとの積)の比の値が10cm/Ah以下であり、かつ、前記定格容量が3Ah以上である電池)ではない電池を用いて図5Aと同様の比較実験(サイクル耐久性試験)を行った場合の、サイクル耐久性試験の各サイクルにおける放電容量をプロットしたグラフを図5Bに示す。図5Bに示すように、「高容量かつ高密度」の条件を満たさない電池においては、本発明の制御を行った場合と行わなかった場合との間で、サイクル耐久性にはほとんど差が見られないことがわかる。 On the other hand, a high-capacity and high-density battery as described above (the ratio of the battery volume (the product of the projected area of the battery including the battery casing and the thickness of the battery) to the rated capacity of the battery is 10 cm 3 / Ah or less. And a discharge capacity in each cycle of the cycle durability test when a comparative experiment (cycle durability test) similar to FIG. 5A is performed using a battery that is not a battery having a rated capacity of 3 Ah or more. A graph in which is plotted is shown in FIG. 5B. As shown in FIG. 5B, in a battery that does not satisfy the condition of “high capacity and high density”, there is almost no difference in cycle durability between when the control of the present invention is performed and when it is not performed. I can't understand.

以上のことから、本発明に係る非水電解質二次電池の製造方法や制御方法、制御装置、非水電解質二次電池システムは、固溶体正極活物質を正極に含む高容量かつ高密度の電池に特有の課題(高電位状態における酸素ガス発生に起因するサイクル耐久性の低下)を解決しうるものであることがわかる。   From the above, the non-aqueous electrolyte secondary battery manufacturing method, control method, control device, and non-aqueous electrolyte secondary battery system according to the present invention is a high-capacity and high-density battery including a solid solution positive electrode active material in the positive electrode. It can be seen that this can solve a peculiar problem (reduction in cycle durability due to generation of oxygen gas in a high potential state).

10 積層型電池、
11 負極集電体、
12 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
25 負極集電板(負極タブ)、
27 正極集電板(正極タブ)、
29 電池外装体、
31 参照電極、
33 参照電極端子リード、
35 参照電極タブ、
100 制御部、
110 電流センサ、
120 電圧センサ、
200 充電装置、
300 電気自動車、
310 インバータ、
320 モータ。
10 stacked battery,
11 negative electrode current collector,
12 positive electrode current collector,
13 negative electrode active material layer,
15 positive electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generation elements,
25 negative electrode current collector plate (negative electrode tab),
27 positive current collector (positive electrode tab),
29 Battery exterior body,
31 reference electrode,
33 Reference electrode terminal lead,
35 reference electrode tab,
100 control unit,
110 current sensor,
120 voltage sensor,
200 charger,
300 electric car,
310 inverter,
320 Motor.

Claims (8)

活性化された固溶体正極活物質を含有する正極と、ケイ素含有負極活物質を含有する負極と、前記正極と前記負極との間に介在する非水電解質を含む電解質層と、を備える発電要素を有する非水電解質二次電池の制御方法であって、
前記非水電解質二次電池の定格容量に対する電池体積(電池外装体まで含めた電池の投影面積と電池の厚みとの積)の比の値が10cm/Ah以下であり、かつ、前記定格容量が3Ah以上であり、
前記発電要素の充電状態の値が前記発電要素の充電状態とガス発生量との関係から予め設定された充電状態の上限値を超えないように前記発電要素の充放電を制御する、非水電解質二次電池の制御方法。
A power generation element comprising: a positive electrode containing an activated solid solution positive electrode active material; a negative electrode containing a silicon-containing negative electrode active material; and an electrolyte layer containing a non-aqueous electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode. A method for controlling a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising:
The ratio of the battery volume (the product of the projected area of the battery including the battery outer casing and the thickness of the battery) to the rated capacity of the non-aqueous electrolyte secondary battery is 10 cm 3 / Ah or less, and the rated capacity Is 3Ah or more,
A non-aqueous electrolyte that controls charging / discharging of the power generation element so that a value of a charge state of the power generation element does not exceed an upper limit value of a charge state set in advance from a relationship between a charge state of the power generation element and a gas generation amount Secondary battery control method.
前記発電要素の充電時に、前記発電要素の充電状態の値が前記上限値に到達した場合に、前記発電要素の充電を終了させる、請求項1に記載の非水電解質二次電池の制御方法。   The method for controlling a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein charging of the power generation element is terminated when a value of a state of charge of the power generation element reaches the upper limit value during charging of the power generation element. 請求項1または2に記載の非水電解質二次電池の制御方法に用いられる非水電解質二次電池の制御装置であって、
前記発電要素の充電状態とガス発生量との関係から予め設定された充電状態の上限値を記憶する記憶部と、
前記発電要素の充電状態を検出する充電状態検出センサと、
前記検出された充電状態の値が前記上限値を超えないように前記発電要素の充放電を制御する制御部と、
を有する、非水電解質二次電池の制御装置。
A control device for a non-aqueous electrolyte secondary battery used in the method for controlling a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2,
A storage unit that stores an upper limit value of a preset charging state from a relationship between a charging state of the power generation element and a gas generation amount;
A charge state detection sensor for detecting a charge state of the power generation element;
A control unit that controls charging / discharging of the power generation element so that the value of the detected state of charge does not exceed the upper limit;
A control device for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
活性化された固溶体正極活物質を含有する正極と、ケイ素含有負極活物質を含有する負極と、前記正極と前記負極との間に介在する非水電解質を含む電解質層と、を備え、定格容量に対する電池体積(電池外装体まで含めた電池の投影面積と電池の厚みとの積)の比の値が10cm/Ah以下であり、かつ、前記定格容量が3Ah以上である非水電解質二次電池と、
請求項3に記載の非水電解質二次電池の制御装置と、
を有する、非水電解質二次電池システム。
A positive electrode containing an activated solid solution positive electrode active material, a negative electrode containing a silicon-containing negative electrode active material, and an electrolyte layer containing a non-aqueous electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode. A non-aqueous electrolyte secondary having a ratio of the battery volume (product of the projected area of the battery including the battery outer package and the thickness of the battery) to 10 cm 3 / Ah or less and the rated capacity being 3 Ah or more Battery,
A control device for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 3,
A non-aqueous electrolyte secondary battery system.
前記固溶体正極活物質が、下記化学式(1):
Li[NiCoMn[Li]]O ・・・(1)
式中、Liはリチウム、Niはニッケル、Coはコバルト、Mnはマンガン、Oは酸素を示し、zは原子価を満足する酸素数を表し、a、b、cおよびdは、0<a<0.94、0≦b<0.94、0<c<0.94、0.05≦d≦0.8、a+b+c=1の関係を満足する、
で表される組成を有する固溶体リチウム含有遷移金属酸化物を基本構造として有するものである、請求項4に記載の非水電解質二次電池システム。
The solid solution positive electrode active material has the following chemical formula (1):
Li [Ni a Co b Mn c [Li] d ] O z (1)
In the formula, Li represents lithium, Ni represents nickel, Co represents cobalt, Mn represents manganese, O represents oxygen, z represents the number of oxygens satisfying the valence, and a, b, c and d are 0 <a < 0.94, 0 ≦ b <0.94, 0 <c <0.94, 0.05 ≦ d ≦ 0.8, a + b + c = 1 is satisfied,
The nonaqueous electrolyte secondary battery system of Claim 4 which has a solid solution lithium containing transition metal oxide which has a composition represented by these as a basic structure.
前記ケイ素含有負極活物質は、ケイ素含有合金を含む、請求項4または5に記載の非水電解質二次電池システム。   The non-aqueous electrolyte secondary battery system according to claim 4, wherein the silicon-containing negative electrode active material includes a silicon-containing alloy. 活性化された固溶体正極活物質を含有する正極と、ケイ素含有負極活物質を含有する負極と、前記正極と前記負極との間に介在する非水電解質を含む電解質層と、を備える発電要素を有する非水電解質二次電池の製造方法であって、
前記非水電解質二次電池の定格容量に対する電池体積(電池外装体まで含めた電池の投影面積と電池の厚みとの積)の比の値が10cm/Ah以下であり、かつ、前記定格容量が3Ah以上であり、
活性化処理すべき固溶体正極活物質を含有する発電要素に充電処理を施すことによって前記固溶体正極活物質における層状構造のLiMnOをスピネル構造のLiMnに変化させることで前記固溶体正極活物質を活性化処理することを含み、
前記活性化処理において、前記発電要素の充電状態の値が前記発電要素の充電状態とガス発生量との関係から予め設定された充電状態の上限値を超えないように前記充電処理を制御することをさらに含む、非水電解質二次電池の製造方法。
A power generation element comprising: a positive electrode containing an activated solid solution positive electrode active material; a negative electrode containing a silicon-containing negative electrode active material; and an electrolyte layer containing a non-aqueous electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode. A method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising:
The ratio of the battery volume (the product of the projected area of the battery including the battery outer casing and the thickness of the battery) to the rated capacity of the non-aqueous electrolyte secondary battery is 10 cm 3 / Ah or less, and the rated capacity Is 3Ah or more,
The solid solution positive electrode is obtained by changing a layered structure of Li 2 MnO 3 to a spinel structure of LiMn 2 O 4 in the solid solution positive electrode active material by charging the power generation element containing the solid solution positive electrode active material to be activated. Including activating the active material,
In the activation process, the charging process is controlled so that a value of a charging state of the power generation element does not exceed a preset upper limit value of a charging state from a relationship between a charging state of the power generation element and a gas generation amount. A method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery, further comprising:
前記活性化処理において、前記発電要素の充電状態の値が前記上限値に到達した場合に、前記活性化処理における充電処理を終了させる、請求項7に記載の非水電解質二次電池の製造方法。   The method for manufacturing a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 7, wherein, in the activation process, when the value of the state of charge of the power generation element reaches the upper limit value, the charge process in the activation process is terminated. .
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