JP2019040721A - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はリチウムイオン二次電池に関する。詳しくは、適切な量の残油分を有するアルミニウム箔からなる正極集電体を備えたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery. Specifically, the present invention relates to a lithium ion secondary battery including a positive electrode current collector made of an aluminum foil having an appropriate amount of residual oil.
軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車(EV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)等の車両の駆動用高出力電源として好ましく使用されており、かかるリチウムイオン二次電池に対する高性能化の要求はますます高くなっている。例えば、特許文献1には、負極におけるリチウム金属の析出を抑制することを目的として、非水電解液にフルオロスルホン酸リチウムを含有させたリチウムイオン二次電池が開示されている。
Lithium ion secondary batteries that are lightweight and obtain high energy density are preferably used as high-output power sources for driving vehicles such as electric vehicles (EV), plug-in hybrid vehicles (PHV), and hybrid vehicles (HV). The demand for higher performance for such lithium ion secondary batteries is increasing. For example,
しかしながら、従来のリチウムイオン二次電池において、リチウム(Li)析出を抑制する性能(Li析出耐性)にはいまだ改善の余地があった。 However, in the conventional lithium ion secondary battery, there is still room for improvement in the performance of suppressing lithium (Li) precipitation (resistance to Li precipitation).
本発明者は、上記改善を実現するための対象として、正極集電体を構成するアルミニウム箔に着目した。そして、種々の検討を行った結果、アルミニウム箔の表面をコートする油成分(典型的には、アルミニウム箔製造時の圧延油)の残存量を規定することにより、Li析出の発生を効果的に抑制し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。 The inventor paid attention to the aluminum foil constituting the positive electrode current collector as an object for realizing the above improvement. As a result of various investigations, by prescribing the remaining amount of oil component (typically rolling oil at the time of manufacturing the aluminum foil) that coats the surface of the aluminum foil, the occurrence of Li precipitation is effectively prevented. The inventors have found that it can be suppressed, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、負極におけるリチウム析出の抑制を、正極集電体を構成するアルミニウム箔の残油量の観点から実現するリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 That is, an object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery that realizes suppression of lithium precipitation in the negative electrode from the viewpoint of the amount of residual oil in the aluminum foil constituting the positive electrode current collector.
本発明によると、正極と負極と非水電解液とを備えるリチウムイオン二次電池が提供される。上記正極は、アルミニウム箔で形成された正極集電体と、該正極集電体上に形成された正極活物質層とを備える。また、上記非水電解液はフルオロスルホン酸リチウムを含む。ここで、以下に示す測定方法により測定された上記正極集電体の残油量(mg/m2)が0.1mg/m2以上2mg/m2以下である。 According to the present invention, a lithium ion secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte is provided. The positive electrode includes a positive electrode current collector formed of an aluminum foil and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector. The non-aqueous electrolyte contains lithium fluorosulfonate. Here, the residual oil amount (mg / m 2 ) of the positive electrode current collector measured by the measurement method described below is 0.1 mg / m 2 or more and 2 mg / m 2 or less.
上記正極集電体における上記正極活物質層が形成されていない部分である正極集電体露出部を構成しているアルミニウム箔を切り出し、その切り出したアルミニウム箔部分の大気中室温条件(典型的には20〜25℃条件)下における乾燥重量X(mg/m2)と、該部分を大気中200℃で30分間の高温処理を施した後の測定重量Y(mg/m2)との差X−Y(mg/m2)を該正極集電体の残油量(mg/m2)とする。 The aluminum foil which comprises the positive electrode collector exposure part which is the part in which the said positive electrode active material layer in the said positive electrode collector is not formed is cut out, and the room temperature condition (typically) of the cut-out aluminum foil part is typically Is the difference between the dry weight X (mg / m 2 ) under 20-25 ° C.) and the measured weight Y (mg / m 2 ) after high temperature treatment of the part at 200 ° C. for 30 minutes in the atmosphere. Let XY (mg / m 2 ) be the residual oil amount (mg / m 2 ) of the positive electrode current collector.
かかる構成のリチウムイオン二次電池によると、適切な量の残油分がアルミニウム箔からなる正極集電体の表面をコートしているため、非水電解液(例えば、非水電解液中のフッ化水素(HF))によるアルミニウムの溶出が抑制される。非水電解液に含まれるフルオロスルホン酸リチウムもまた、正極集電体からのアルミニウム溶出の抑制に寄与する。かかるアルミニウム溶出によって生成されるアルミニウムイオンは、負極上に堆積してリチウム析出の起点となり得る。よって、ここに開示される構成によると、負極におけるリチウム析出が抑制されたリチウムイオン二次電池が実現し得る。 According to the lithium ion secondary battery having such a configuration, a suitable amount of residual oil coats the surface of the positive electrode current collector made of aluminum foil, so that a non-aqueous electrolyte (for example, fluorination in the non-aqueous electrolyte) is used. Elution of aluminum by hydrogen (HF) is suppressed. The lithium fluorosulfonate contained in the non-aqueous electrolyte also contributes to suppression of aluminum elution from the positive electrode current collector. Aluminum ions generated by such aluminum elution can be deposited on the negative electrode and serve as a starting point for lithium deposition. Therefore, according to the structure disclosed here, a lithium ion secondary battery in which lithium deposition in the negative electrode is suppressed can be realized.
また、かかる構成のリチウムイオン二次電池によると、アルミニウム箔の表面に付着した油分に起因したガスの発生が抑制されて、長時間の使用によっても電池容量が高いまま維持される。すなわち、電池の低寿命化が抑制され得る。 Moreover, according to the lithium ion secondary battery of this structure, generation | occurrence | production of the gas resulting from the oil component adhering to the surface of aluminum foil is suppressed, and a battery capacity is maintained with high use even for a long time use. That is, the lifetime reduction of the battery can be suppressed.
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材、部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化することがある。各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は、必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field. Moreover, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected to the member and site | part which show | play the same effect | action, and the overlapping description may be abbreviate | omitted or simplified. The dimensional relationship (length, width, thickness, etc.) in each drawing does not necessarily reflect the actual dimensional relationship.
本発明のリチウムイオン二次電池の一実施形態につき、図1および図2に示す模式図を参照しつつ説明する。図1は本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池100の断面図である。図2は、当該リチウムイオン二次電池100に内装される電極体40を示す図である。
One embodiment of the lithium ion secondary battery of the present invention will be described with reference to the schematic diagrams shown in FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view of a lithium ion
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池100は、図1に示すような扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)20に構成されている。リチウムイオン二次電池100は、図1および図2に示すように、扁平形状の捲回電極体40が、非水系の液状電解質(非水電解液)80とともに、電池ケース20に収容されて構成されている。
A lithium ion
電池ケース20は、一端(電池100の通常の使用状態における上端部に相当する。)に開口部を有する箱形(すなわち有底直方体状)のケース本体21と、その開口部に取り付けられて該開口部を塞ぐ矩形状プレート部材からなる蓋体(封口板)22とから構成される。電池ケース20の材質は、従来のリチウムイオン二次電池100で使用されるものと同じであればよく、特に制限はない。軽量で熱伝導性の良い金属材料を主体に構成された電池ケース20が好ましく、このような金属製材料としてアルミニウム等が例示される。
The
図1に示すように、蓋体22には外部接続用の正極端子23および負極端子24が形成されている。蓋体22の両端子23、24の間には、電池ケース20の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように構成された薄肉の安全弁30と、注液口32が形成されている。なお、図1では、注液口32が注液後に封止材33によって封止されている。
As shown in FIG. 1, a
<捲回電極体>
捲回電極体40は、図2に示すように、長尺なシート状正極(正極シート)50と、該正極シート50と同様の長尺シート状負極(負極シート)60と、計二枚の長尺シート状セパレータ72、74を備えている。正極シート50および負極シート60はセパレータ72、74を間に介在させて積層され、さらに捲回されることにより、捲回電極体40が形成されている。
<Winded electrode body>
As shown in FIG. 2, the
<正極シート>
正極シート50は、帯状の正極集電体52と正極活物質層53とを備えている。ここに開示される技術によると、正極集電体52には導電性のアルミニウム箔が用いられる。正極集電体52の幅方向片側の縁部に沿って、正極活物質層53が形成されず正極集電体52が露出している正極集電体露出部51が設定されている。正極活物質層53は、正極集電体52に設定された正極集電体露出部51を除いて、正極集電体52の両面に保持されている。正極活物質層53には、正極活物質粒子と導電材とバインダとが含まれている。
<Positive electrode sheet>
The
正極活物質としては、リチウムイオン二次電池100の正極活物質として使用し得ることが知られている各種の材料の1種または2種以上を、特に限定なく使用することができる。好適例として、層状系、スピネル系等のリチウム複合金属酸化物(例えば、LiNiO2、LiCoO2、LiFeO2、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4,LiCrMnO4、LiFePO4)が挙げられる。導電材としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックやその他(グラファイト等)の粉末状カーボン材料が例示される。バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンラバー(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が例示される。
As the positive electrode active material, one or more of various materials known to be usable as the positive electrode active material of the lithium ion
正極活物質層53全体に占める正極活物質の割合は、凡そ60質量%以上(典型的には60質量%〜99質量%)とすることが適当であり、通常は凡そ70質量%〜95質量%であることが好ましい。導電材を使用する場合、正極活物質層53全体に占める導電材の割合は、例えば凡そ2質量%〜20質量%とすることができ、通常は凡そ3質量%〜10質量%とすることが好ましい。バインダを使用する場合、正極活物質層全体に占めるバインダの割合は、例えば凡そ0.5質量%〜10質量%とすることができ、通常は凡そ1質量%〜5質量%とすることが好ましい。
The proportion of the positive electrode active material in the entire positive electrode
正極集電体52の単位面積当たりに設けられる正極活物質層53の質量(目付量)は、充分な電池容量を確保する観点から、正極集電体52の片面当たり2mg/cm2以上(例えば3mg/cm2以上、典型的には4mg/cm2以上)とすることができる。また、入出力特性を確保する観点から、正極集電体52の片面当たり30mg/cm2以下(例えば20mg/cm2以下、典型的には10mg/cm2以下)とすることができる。
The mass (weight per unit area) of the positive electrode
正極活物質層53を形成する際には、正極活物質と導電材とバインダとを適当な溶媒に分散させて混練することによって、ペースト状(スラリー状またはインク状を含む。以下同じ。)の正極活物質層形成用合材(合材ペースト)を調製する。当該合材ペーストを正極集電体52上に適当量塗布し、乾燥さらにプレスすることによって、リチウムイオン二次電池用正極50を作製することができる。上記溶媒としては水性溶媒および有機溶媒のいずれも使用可能であり、例えばN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いることができる。また、上記合材ペーストを付与する操作は、例えば、グラビアコーター、スリットコーター、ダイコーター、コンマコーター、ディップコーター等の適当な塗付装置を使用して行うことができる。上記溶媒の除去は、例えば加熱乾燥や真空乾燥により行うことができる。
When the positive electrode
一般に、正極集電体52として使用されるアルミニウム箔の表面には、その製造工程において付与された圧延油(典型的には鉱物油)等の油成分が残存している。ここで、アルミニウム箔からなる正極集電体52を備えたリチウムイオン二次電池100が製造される前と後(すなわち、電池組立前後)において、正極集電体52に付着した油成分の量(残油量)は、相互に同じであるとは限らない。典型的には、上記電池の製造過程における加熱、加圧等の影響により、電池組立後には正極集電体52の表面に付着した油成分の一部が揮発して減少する傾向がある。本明細書における「正極集電体の残油量」は、リチウムイオン二次電池100が構築された後における正極集電体52の残油量を指す。具体的には、本明細書における「正極集電体の残油量」は、以下の測定方法により測定される値として定義される。
Generally, oil components such as rolling oil (typically mineral oil) applied in the manufacturing process remain on the surface of the aluminum foil used as the positive electrode
<正極集電体の残油量>
リチウムイオン二次電池100において、正極集電体52における正極活物質層53が形成されていない部分である正極集電体露出部51を構成しているアルミニウム箔を切り出し、その切り出したアルミニウム箔部分の大気中室温条件(典型的には20〜25℃条件)下における単位表面積あたりの乾燥重量X(mg/m2)と、該部分を大気中200℃で30分間の高温処理を施した後の単位表面積当たりの重量Y(mg/m2)を測定する。上記重量の差X−Y(mg/m2)を正極集電体52の残油量(mg/m2)とする。
<Residual oil amount of positive electrode current collector>
In lithium ion
ここに開示される技術によると、上記正極集電体の残油量は0.1mg/m2以上2mg/m2以下である。上記残油量が0.1mg/m2より少なすぎると、油成分によるアルミニウム箔の表面保護が適切になされず、非水電解液へのアルミニウム溶出およびリチウム析出の一因となり得る。上記残油量が2mg/m2より多すぎると、電池使用時において上記油成分に由来したガスが発生しやすくなり、非水電解液の減少および電池の低寿命化の一因となり得る。 According to the technique disclosed herein, the amount of residual oil of the positive electrode current collector is 0.1 mg / m 2 or more and 2 mg / m 2 or less. If the amount of the residual oil is less than 0.1 mg / m 2 , the surface protection of the aluminum foil by the oil component is not properly performed, which can contribute to elution of aluminum into the non-aqueous electrolyte and lithium deposition. If the amount of residual oil is more than 2 mg / m 2 , gas derived from the oil component is likely to be generated when the battery is used, which may contribute to a decrease in the non-aqueous electrolyte and a reduction in battery life.
正極集電体52の残油量の制御方法は特に限定されない。例えば、正極集電体52に正極活物質層53を形成するときの乾燥条件を制御することにより、上記残油量は制御され得る。例えば加熱乾燥を行う場合において、加熱温度および/または加熱時間を増加させると正極集電体52の残油量は減少し、加熱温度および/または加熱時間を減少させると正極集電体52の残油量は増加する傾向がある。または、真空乾燥を行う場合において設定圧力、乾燥時間等を制御することにより、上記残油量は制御され得る。
The method for controlling the residual oil amount of the positive electrode
<負極シート>
負極シート60は、図2に示すように、帯状の負極集電体62と負極活物質層63とを備えている。負極集電体62には、例えば、負極に適する金属箔が好適に使用され得る。この実施形態では、負極集電体62には、帯状の銅箔が用いられている。負極集電体62の幅方向片側には、縁部に沿って負極活物質層63が形成されず負極集電体62が露出している負極集電体露出部61が設定されている。負極活物質層63は、負極集電体62に設定された負極集電体露出部61を除いて、負極集電体62の両面に保持されている。負極活物質層63には、負極活物質が含まれている。
<Negative electrode sheet>
As shown in FIG. 2, the
負極活物質としては、リチウムイオン二次電池100の負極活物質として使用し得ることが知られている各種の材料の1種または2種以上を、特に限定なく使用することができる。好適例として、黒鉛(グラファイト)、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)、カーボンナノチューブ等の炭素材料が挙げられる。なかでも、導電性に優れ、高いエネルギー密度が得られることから、天然黒鉛や人造黒鉛等の黒鉛系材料(特には天然黒鉛)を好ましく用いることができる。
As the negative electrode active material, one or more of various materials known to be usable as the negative electrode active material of the lithium ion
負極活物質の性状は特に限定されないが、例えば粒子状や粉末状であり得る。かかる粒子状負極活物質の平均粒径は、20μm以下(典型的には1μm〜20μm、例えば5μm〜15μm)であり得る。また、比表面積は1m2/g以上(典型的には2.5m2/g以上、例えば3.4m2/g以上)であって、10m2/g以下(典型的には6m2/g以下、例えば4.8m2/g以下)であり得る。 Although the property of a negative electrode active material is not specifically limited, For example, it may be a particle form or a powder form. The average particle diameter of the particulate negative electrode active material may be 20 μm or less (typically 1 μm to 20 μm, for example, 5 μm to 15 μm). The specific surface area is 1 m 2 / g or more (typically 2.5 m 2 / g or more, for example, 3.4 m 2 / g or more), and 10 m 2 / g or less (typically 6 m 2 / g). Hereinafter, for example, it may be 4.8 m 2 / g or less.
なお、本明細書において「平均粒径」とは、一般的なレーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定により測定した体積基準の粒度分布おいて、微粒子側からの累積50%に相当する粒径(D50粒径、メジアン径ともいう。)をいう。また、本明細書において「BET比表面積(m2/g)」とは、吸着質として窒素(N2)ガスを用いたガス吸着法(定容量式吸着法)によって測定されたガス吸着量を、BET法(例えば、BET1点法)で解析することによって算出した値をいう。 In the present specification, the “average particle size” means particles corresponding to 50% cumulative from the fine particle side in the volume-based particle size distribution measured by particle size distribution measurement based on a general laser diffraction / light scattering method. Diameter (D50 particle diameter, also referred to as median diameter). In this specification, “BET specific surface area (m 2 / g)” means a gas adsorption amount measured by a gas adsorption method (fixed capacity adsorption method) using nitrogen (N 2 ) gas as an adsorbate. The value calculated by analyzing by the BET method (for example, the BET 1-point method).
好ましい一態様では、上記負極活物質の表面には、被膜形成材に由来する被膜が形成されている。かかる被膜は、例えば、リチウムイオン(Li+)と、ホウ素(B)原子、リン(P)原子および硫黄(S)原子のうちの少なくとも1種とを含むものであり得る。この被膜によって、負極活物質と非水電解液80との界面が安定化される。そのため、以降の充放電における非水電解液80の分解反応を抑制することができる。なお、負極活物質の表面に形成されている被膜の定性および定量は、例えば、イオンクロマトグラフィー(IC:Ion Chromatography)、誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP‐AES:Inductively Coupled Plasma−Atomic Emission Spectrometry)、X線吸収微細構造解析法(XAFS:X−ray Absorption Fine Structure)等によって行うことができる。
In a preferred embodiment, a film derived from the film forming material is formed on the surface of the negative electrode active material. Such a film may include, for example, lithium ions (Li + ) and at least one of boron (B) atoms, phosphorus (P) atoms, and sulfur (S) atoms. This coating stabilizes the interface between the negative electrode active material and the nonaqueous
負極活物質層63には、上記負極活物質に加え、一般的なリチウムイオン二次電池100において負極活物質層63の構成成分として使用され得る1種または2種以上の材料を必要に応じて含有し得る。そのような材料の例として、バインダや各種添加剤が挙げられる。バインダとしては、前述した正極50と同様のものを用いることができる。その他、増粘剤、分散剤、導電材等の各種添加剤を適宜使用することもできる。例えば、増粘剤としてはカルボキシメチルセルロース(CMC)やメチルセルロース(MC)を好適に用いることができる。
In addition to the negative electrode active material, the negative electrode
負極活物質層63全体に占める負極活物質の割合は、凡そ50質量%以上とすることが適当であり、通常は90質量%〜99質量%(例えば95質量%〜99質量%)とすることが好ましい。バインダを使用する場合には、負極活物質層63全体に占めるバインダの割合は例えば凡そ0.1質量%〜5質量%とすることができ、通常は凡そ0.3質量%〜3質量%とすることが好ましい。増粘剤を使用する場合には、負極活物質層63全体に占める増粘剤の割合は例えば凡そ0.1質量%〜5質量%とすることができ、通常は凡そ0.3質量%〜3質量%とすることが好ましい。
The proportion of the negative electrode active material in the entire negative electrode
負極集電体62の単位面積当たりに設けられる負極活物質層63の質量(目付量)は、充分な電池容量を確保する観点から、負極集電体62の片面当たり1mg/cm2以上(典型的には2mg/cm2以上、例えば3mg/cm2以上)とすることができる。また、入出力特性を確保する観点から、負極集電体62の片面当たり30mg/cm2以下(典型的には20mg/cm2以下、例えば10mg/cm2以下)とすることができる。
The mass (weight per unit area) of the negative electrode
そして正極50と同様、負極活物質および他の負極活物質層構成成分を適当な溶媒に分散させて混練することによって、ペースト状の負極活物質層形成用合材を調製する。この合材ペーストを負極集電体上に適当量塗布し、乾燥さらにプレスすることによって、リチウムイオン二次電池用負極60を作製することができる。
Then, similarly to the
<セパレータ>
セパレータ72、74は、図2に示すように、正極シート50と負極シート60とを隔てる部材である。この例では、セパレータ72、74は、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材で構成されている。セパレータ72、74には、例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のセパレータ或いは積層構造のセパレータを用いることができる。また、かかる樹脂で構成されたシート材の表面に、絶縁性を有する粒子の層をさらに形成してもよい。ここで、絶縁性を有する粒子としては、絶縁性を有する無機フィラー(例えば、金属酸化物、金属水酸化物などのフィラー)、或いは、絶縁性を有する樹脂粒子(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの粒子)で構成してもよい。
<Separator>
As shown in FIG. 2, the
捲回電極体40は、図2で示すように、捲回軸WLに直交する一の方向において扁平に押し曲げられている。この実施形態では、図1に示すように、集電体露出部51、61の中間部分は、寄せ集められ、電池ケース20の内部に配置された電極端子(内部端子)の集電タブ25、26に溶接されている。図1中の25a、26aは当該溶接個所を示している。
As shown in FIG. 2, the
<非水電解液>
電解液(非水電解液)80としては、従来からリチウムイオン二次電池100に用いられる非水電解液80と同様のものを使用することができる。かかる非水電解液80は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン等からなる群から選択された一種または二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、LiPF6,LiBF4,LiAsF6,LiCF3SO3,LiC4F9SO3,LiN(CF3SO2)2,LiC(CF3SO2)3等のリチウム塩を用いることができる。一例として、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(例えば体積比3:4:3)にLiPF6を約1mol/Lの濃度で含有させた非水電解液80が挙げられる。
<Non-aqueous electrolyte>
As the electrolytic solution (nonaqueous electrolytic solution) 80, the same one as the nonaqueous
ここに開示される技術によると、非水電解液80はフルオロスルホン酸リチウムを含む。かかる非水電解液80によると、負極60にリチウムが析出することが抑制され得る。特に、正極集電体52としてアルミニウム箔が使用される構成において、フルオロスルホン酸リチウムを含有する非水電解液80が使用されると、アルミニウム溶出の抑制および負極60におけるリチウム析出が抑制され得るため、好ましい。フルオロスルホン酸リチウムの添加量は、非水電解液80の総量に対して0.1質量%〜4質量%とすることが好ましく、0.5質量%〜2質量%とすることがより好ましい。
According to the technology disclosed herein, the
好ましい一実施形態において、非水電解液80は、被膜形成材としてリチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)を含有する。かかる非水電解液80によると、初期の充電ないし放電により負極60表面にLiBOB由来の被膜が形成され、充放電サイクルに伴う抵抗値の増加が抑制され得る。非水電解液80がLiBOBを含む場合、LiBOBの添加量は、非水電解液80の総量に対して0.01M〜0.1Mとすることが好ましく、0.015M〜0.07Mとすることがより好ましい。
In a preferred embodiment, the
ここで開示されるリチウムイオン二次電池100は各種用途に利用可能であるが、該電池を大電流や低温域で充放電した場合でもリチウムの析出が起こり難く、サイクル後の電池性能を良好に保つことができる。したがって、このような性質を活かして、例えば、車両に搭載される駆動用電源として好適に用いることができる。車両の種類は特に限定されないが、例えばプラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)、電気自動車(EV)等が挙げられる。このように、本構成によれば、ここで開示されるいずれかのリチウムイオン二次電池を、好ましくは動力源として備えた車両が提供される。車両に備えられるリチウムイオン二次電池は、例えば、複数個の単電池が接続された組電池の形態であり得る。
Although the lithium ion
以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。 Several examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to the specific examples.
<正極の作製>
正極活物質としてのLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2(LNCM)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、これら材料の質量比がLNCM:AB:PVdF=91:6:3となるよう混練機に投入し、N−メチルピロリドン(NMP)で混練して、ペースト状の正極活物質層形成用合材を調製した。この合材ペーストを長尺状アルミニウム箔(正極集電体)の両面に幅105mmで塗布し、後述する測定方法により測定されたアルミニウム箔の残油量が表1に示す値となるように乾燥条件を制御しながら乾燥し、その後ロールプレス機でプレスすることによって、正極集電体の両面に正極活物質層を有する正極シートを作製し、これを例1〜12に係る正極とした。正極活物質層形成用合材の目付量(固形分基準)は、片面あたり5mg/cm2となるように調整した。
<Preparation of positive electrode>
LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 (LNCM) as a positive electrode active material, acetylene black (AB) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder of these materials The mixture was put into a kneader so that the mass ratio was LNCM: AB: PVdF = 91: 6: 3, and kneaded with N-methylpyrrolidone (NMP) to prepare a paste-form positive electrode active material layer forming mixture. This composite paste is applied to both sides of a long aluminum foil (positive electrode current collector) with a width of 105 mm, and dried so that the residual oil amount of the aluminum foil measured by the measurement method described later becomes the value shown in Table 1. The positive electrode sheet which has a positive electrode active material layer on both surfaces of a positive electrode electrical power collector was produced by drying while controlling conditions, and pressing with a roll-press machine after that, and let this be the positive electrode which concerns on Examples 1-12. The basis weight (based on solid content) of the positive electrode active material layer forming composite was adjusted to 5 mg / cm 2 per side.
<残油量の測定>
正極活物質層が形成された正極について、当該正極の正極集電体露出部から正極集電体の一部を切り出して、残油量の測定試験の対象片とした。かかる対象片の大気中室温条件下における乾燥重量X(mg/m2)を測定した。その後、対象片を大気中200℃で30分間加熱し、加熱後の重量Y(mg/m2)を測定した。上記重量の差X−Y(mg/m2)を算出し、これを正極集電体の残油量とした。
<Measurement of residual oil amount>
For the positive electrode on which the positive electrode active material layer was formed, a part of the positive electrode current collector was cut out from the exposed portion of the positive electrode current collector of the positive electrode, and used as a target piece for a residual oil amount measurement test. The dry weight X (mg / m 2 ) of the target piece in the air at room temperature was measured. Thereafter, the target piece was heated in the atmosphere at 200 ° C. for 30 minutes, and the weight Y (mg / m 2 ) after heating was measured. The weight difference XY (mg / m 2 ) was calculated, and this was used as the residual oil amount of the positive electrode current collector.
<負極の作製>
負極活物質としての天然黒鉛(C)と、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、これら材料の質量比がC:SBR:CMC=98:1:1となるよう混練機に投入し、イオン交換水で混練して、ペースト状の負極活物質層形成用合材を調製した。この合材ペーストを長尺状銅箔(負極集電体)の両面に幅110mmで塗布し、乾燥後にプレスすることによって、負極集電体の両面に負極活物質層を有する負極シートを作製した。負極活物質層形成用合材の目付量(固形分基準)は、片面あたり3.5mg/cm2となるように調整した。
<Production of negative electrode>
Natural graphite (C) as a negative electrode active material, styrene butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener, the mass ratio of these materials is C: SBR: CMC = 98: The mixture was put into a kneader so as to be 1: 1, and kneaded with ion-exchanged water to prepare a paste-like negative electrode active material layer forming mixture. The composite paste was applied to both sides of a long copper foil (negative electrode current collector) with a width of 110 mm, and pressed after drying to produce a negative electrode sheet having a negative electrode active material layer on both sides of the negative electrode current collector. . The basis weight (solid content basis) of the negative electrode active material layer forming composite was adjusted to 3.5 mg / cm 2 per side.
<非水電解液の調製>
例1〜5に係る非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とをEC:DMC:EMC=30:40:30の体積比で含む混合溶媒に、フルオロスルホン酸リチウム(FSO3Li)を1重量%の濃度になるように混合させたものに、さらに支持塩としてのLiPF6を1.1mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。また、LiBOBを0.05Mとなるように添加した。例6〜12に係る非水電解液としては、フルオロスルホン酸リチウムを含まないこと以外は、例1〜5の非水電解液の作製方法と同様にして非水電解液を調製した。
<Preparation of non-aqueous electrolyte>
The non-aqueous electrolyte according to Examples 1 to 5 is a mixture containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of EC: DMC: EMC = 30: 40: 30. A solution prepared by mixing lithium fluorosulfonate (FSO 3 Li) in a solvent to a concentration of 1% by weight and further dissolving LiPF 6 as a supporting salt at a concentration of 1.1 mol / L is used. It was. Moreover, LiBOB was added so that it might become 0.05M. As the non-aqueous electrolytes according to Examples 6 to 12, non-aqueous electrolytes were prepared in the same manner as the non-aqueous electrolyte preparation methods of Examples 1 to 5 except that lithium fluorosulfonate was not included.
上記で作製した正極シートと負極シートとを、2枚のセパレータシート(ここでは、ポリエチレン(PE)の両面にポリプロピレン(PP)が積層された三層構造であって、厚みが20μm、幅が114mmのものを用いた。)とともに積層、捲回した後、側面方向から押圧して拉げさせることによって扁平形状の捲回電極体を作製した。次に、電池ケースの蓋体に正極端子および負極端子を取り付け、これらの端子を捲回電極体端部に露出した正極集電体および負極集電体にそれぞれ溶接した。このようにして蓋体と連結された捲回電極体を、角型の電池ケースの開口部からその内部に収容し、開口部と蓋体を溶接した。そして、電池ケース内を大気圧雰囲気で保ったまま、蓋体に設けられた電解液注入孔から非水電解液を注入して、捲回電極体内に非水電解液を含浸させた。このようにして、例1〜例12に係るリチウムイオン二次電池を構築した。 The positive electrode sheet and the negative electrode sheet prepared above are composed of two separator sheets (here, a three-layer structure in which polypropylene (PP) is laminated on both sides of polyethylene (PE), with a thickness of 20 μm and a width of 114 mm. After laminating and winding together, a flat wound electrode body was produced by pressing and ablating from the side direction. Next, the positive electrode terminal and the negative electrode terminal were attached to the lid of the battery case, and these terminals were welded to the positive electrode current collector and the negative electrode current collector exposed at the ends of the wound electrode body, respectively. The wound electrode body thus connected to the lid body was housed in the rectangular battery case from the opening, and the opening and the lid were welded. Then, with the battery case maintained in an atmospheric pressure atmosphere, a non-aqueous electrolyte was injected from an electrolyte injection hole provided in the lid, and the wound electrode body was impregnated with the non-aqueous electrolyte. In this way, lithium ion secondary batteries according to Examples 1 to 12 were constructed.
<初期容量の測定>
25℃の環境下において、以下の手順1〜3に従って3.0Vから4.1Vの電圧範囲で充放電した。これにより、初期容量を確認した。
[手順1]:電圧が4.1Vとなるまで5Aで定電流充電(CC充電)した後、電流が0.01Aになるまで定電圧充電(CV充電)を行う。
[手順2]:1時間休止する。
[手順3]:電圧が3.0Vとなるまで5Aで定電流放電(CC放電)した後、電流が0.01Aになるまで定電圧放電(CV放電)を行う。
そして、CCCV放電の放電容量を、各例に係るリチウムイオン二次電池の初期容量とした。
<Measurement of initial capacity>
Under an environment of 25 ° C., charging and discharging were performed in a voltage range of 3.0 V to 4.1 V according to the following
[Procedure 1]: After constant current charging (CC charging) at 5 A until the voltage reaches 4.1 V, constant voltage charging (CV charging) is performed until the current reaches 0.01 A.
[Procedure 2]: Pause for 1 hour.
[Procedure 3]: A constant current discharge (CC discharge) is performed at 5 A until the voltage reaches 3.0 V, and then a constant voltage discharge (CV discharge) is performed until the current reaches 0.01 A.
And the discharge capacity of CCCV discharge was made into the initial capacity of the lithium ion secondary battery which concerns on each example.
<低温パルスサイクル試験>
各例に係るリチウムイオン二次電池(初期充電後)を別途用意し、低温パルスサイクル試験を行った。具体的には、先ず、25℃の環境下において、電池をSOC80%の充電状態に調整した。そして、この電池に対して、−10℃の環境下で、200Aの定電流で10秒間のパルス充電を行い、5秒間休止した後、20Aで100秒の放電を行い、5秒間休止するパルス充放電パターンを500サイクル繰り返す矩形波サイクル試験を行った。
そして、初期容量と同様の条件で放電容量(低温パルスサイクル試験後の容量)を測定し、これらの比「(低温パルスサイクル試験後の電池容量/初期容量)×100」を算出して、これを低温パルスサイクル試験後の容量維持率(%)とした。結果を表1の該当欄と、図3に示す。
<Low-temperature pulse cycle test>
A lithium ion secondary battery (after initial charge) according to each example was separately prepared, and a low-temperature pulse cycle test was performed. Specifically, first, in an environment of 25 ° C., the battery was adjusted to a charged state of
Then, the discharge capacity (capacity after the low-temperature pulse cycle test) is measured under the same conditions as the initial capacity, and the ratio “(battery capacity after the low-temperature pulse cycle test / initial capacity) × 100” is calculated. Was the capacity retention rate (%) after the low-temperature pulse cycle test. The results are shown in the corresponding column of Table 1 and FIG.
<寿命耐久試験>
各例に係るリチウムイオン二次電池(初期充電後)を別途用意し、70℃の環境下において、150日間静置した。そして、この電池について、初期容量と同様の条件で放電容量(寿命耐久試験後の容量)を測定し、これらの比「(寿命耐久試験後の電池容量/初期容量)×100」を算出して、これを寿命耐久試験後の容量維持率(%)とした。結果を表1の該当欄と、図4に示す。
<Life endurance test>
A lithium ion secondary battery (after initial charging) according to each example was separately prepared and allowed to stand for 150 days in an environment of 70 ° C. For this battery, the discharge capacity (capacity after the life endurance test) was measured under the same conditions as the initial capacity, and the ratio “(battery capacity after the endurance endurance test / initial capacity) × 100” was calculated. This was defined as the capacity retention rate (%) after the life durability test. The results are shown in the corresponding column of Table 1 and FIG.
表1および図3で示された結果から明らかなように、低温パルスサイクル試験後の容量維持率について、フルオロスルホン酸リチウム(FSO3Li)を添加した非水電解液を使用した例1〜例5のリチウムイオン二次電池は、添加していない非水電解液を使用した例6〜例12と比較して、全体的に高い容量維持率を示した。これは、フルオロスルホン酸リチウムの添加により、負極におけるリチウム析出が抑制されたためである。図3を参照すると、アルミニウム箔の残油量が少なくなりすぎると容量維持率が低下(すなわち、リチウム析出耐性が低下)する傾向があることがわかる。非水電解液がフルオロスルホン酸リチウムを含有する構成について、残油量が少なくとも0.1mg/m2以上である例1〜例5は、いずれも優れた容量維持率(すなわち、優れたリチウム析出耐性)を有することが明らかとなった。 As is clear from the results shown in Table 1 and FIG. 3, Examples 1 to Examples using a non-aqueous electrolyte to which lithium fluorosulfonate (FSO 3 Li) was added were used for capacity retention after the low-temperature pulse cycle test. The lithium ion secondary battery of No. 5 showed an overall high capacity retention rate as compared with Examples 6 to 12 using the non-aqueous electrolyte not added. This is because lithium deposition on the negative electrode was suppressed by the addition of lithium fluorosulfonate. Referring to FIG. 3, it can be seen that when the amount of residual oil in the aluminum foil is too small, the capacity retention rate tends to decrease (that is, the lithium deposition resistance decreases). Regarding the constitution in which the nonaqueous electrolytic solution contains lithium fluorosulfonate, Examples 1 to 5 in which the amount of residual oil is at least 0.1 mg / m 2 or more have excellent capacity retention ratios (that is, excellent lithium precipitation Resistance).
表1および図4で示された結果から明らかなように、寿命耐久試験後の容量維持率について、アルミニウム箔の残油量が2mg/m2以下である例1〜例12はいずれも優れた容量維持率を示した。すなわち、アルミニウム箔の残油量が2mg/m2以下であると、該アルミニウム箔を備えたリチウムイオン二次電池の低寿命化が抑制されることがわかった。 As is apparent from the results shown in Table 1 and FIG. 4, Examples 1 to 12 in which the amount of residual oil of the aluminum foil was 2 mg / m 2 or less were excellent for the capacity retention rate after the life durability test. The capacity maintenance rate was shown. That is, it was found that when the residual oil amount of the aluminum foil was 2 mg / m 2 or less, the life reduction of the lithium ion secondary battery provided with the aluminum foil was suppressed.
以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, the said embodiment and Example are only illustrations and what changed and changed the above-mentioned specific example is contained in the invention disclosed here.
20 電池ケース
21 ケース本体
22 蓋体(封口板)
23 正極端子
24 負極端子
30 安全弁
32 注液口
33 封止材
40 捲回電極体
50 正極シート
51 露出部
52 正極集電体
53 正極活物質層
60 負極シート
61 露出部
62 負極集電体
63 負極活物質層
72 セパレータ
74 セパレータ
80 液状電解質(非水電解液)
100 リチウムイオン二次電池
20
23
100 Lithium ion secondary battery
Claims (1)
前記正極は、アルミニウム箔で形成された正極集電体と、前記正極集電体上に形成された正極活物質層と、を備え、
前記非水電解液は、フルオロスルホン酸リチウムを含み、
ここで、以下に示す測定方法により測定された前記正極集電体の残油量(mg/m2):
前記正極集電体における前記正極活物質層が形成されていない部分である正極集電体露出部を構成しているアルミニウム箔を切り出し、その切り出したアルミニウム箔部分の大気中室温条件下における乾燥重量X(mg/m2)と、該部分を大気中200℃で30分間の高温処理を施した後の測定重量Y(mg/m2)との差X−Y(mg/m2)を該正極集電体の残油量(mg/m2)とする;
が0.1mg/m2以上2mg/m2以下であることを特徴とする、リチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte,
The positive electrode comprises a positive electrode current collector formed of an aluminum foil, and a positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector,
The non-aqueous electrolyte contains lithium fluorosulfonate,
Here, the residual oil amount (mg / m 2 ) of the positive electrode current collector measured by the following measurement method:
Cut out the aluminum foil constituting the exposed portion of the positive electrode current collector, which is the portion where the positive electrode active material layer is not formed in the positive electrode current collector, and the dry weight of the cut-out aluminum foil portion under room temperature conditions in the atmosphere and X (mg / m 2), the difference between the measured partial after subjected to high-temperature treatment for 30 minutes at 200 ° C. in air weight Y (mg / m 2) X -Y a (mg / m 2) the The amount of residual oil in the positive electrode current collector (mg / m 2 );
Is 0.1 mg / m 2 or more and 2 mg / m 2 or less, a lithium ion secondary battery.
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