JP2020191157A - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、リチウム二次電池に関する。 The present disclosure relates to a lithium secondary battery.
非水電解質二次電池の代表的な例として、リチウム二次電池が良く知られている。リチウム二次電池の特性は、活物質の種類に応じて変化する。例えば、負極活物質としてリチウム金属を用いると、高いエネルギー密度のリチウム二次電池が得られる。ただし、負極活物質としてリチウム金属を用いると、リチウム二次電池の充電時にリチウム金属がデンドライト状に析出し、内部短絡を引き起こすことがある。 A lithium secondary battery is well known as a typical example of a non-aqueous electrolyte secondary battery. The characteristics of a lithium secondary battery vary depending on the type of active material. For example, when a lithium metal is used as the negative electrode active material, a lithium secondary battery having a high energy density can be obtained. However, if lithium metal is used as the negative electrode active material, the lithium metal may precipitate in a dendrite shape when the lithium secondary battery is charged, causing an internal short circuit.
一方、黒鉛を負極活物質として使用すると、充電時にリチウム金属がデンドライト状に析出することを防止できる。黒鉛の層間にリチウムイオンが挿入される反応、及び、黒鉛の層間からリチウムイオンが脱離する反応は、トポタクティックな反応であり、可逆性に優れている。このような利点があるため、負極活物質として黒鉛を用いたリチウム二次電池が実用化されている。 On the other hand, when graphite is used as the negative electrode active material, it is possible to prevent the lithium metal from precipitating in the form of dendrites during charging. The reaction in which lithium ions are inserted between graphite layers and the reaction in which lithium ions are desorbed from the graphite layers are topotropic reactions and are excellent in reversibility. Because of these advantages, lithium secondary batteries using graphite as the negative electrode active material have been put into practical use.
リチウム金属の理論容量密度は3884mAh/gである。これに対し、黒鉛の理論容量密度は、372mAh/gであり、リチウム金属の理論容量密度の約1/10である。実際のリチウム二次電池における黒鉛の容量密度も理論容量密度に近づいており、黒鉛を負極活物質として用いたリチウム二次電池の容量を更に増加させることは困難である。 The theoretical volume density of lithium metal is 3884 mAh / g. On the other hand, the theoretical volume density of graphite is 372 mAh / g, which is about 1/10 of the theoretical volume density of lithium metal. The capacity density of graphite in an actual lithium secondary battery is also approaching the theoretical capacity density, and it is difficult to further increase the capacity of a lithium secondary battery using graphite as a negative electrode active material.
黒鉛に代わる負極活物質として、リチウムと合金を形成する材料が注目を浴びている。リチウムと合金を形成する材料としては、アルミニウム、シリコン、スズなどが知られている。これらの材料の理論容量密度は、黒鉛の理論容量密度よりも格段に大きい。 As a negative electrode active material that replaces graphite, a material that forms an alloy with lithium is drawing attention. Aluminum, silicon, tin and the like are known as materials for forming an alloy with lithium. The theoretical volume densities of these materials are significantly higher than the theoretical volume densities of graphite.
これらの材料を用いたリチウム二次電池の課題の1つとして、サイクル特性が挙げられる。 One of the problems of lithium secondary batteries using these materials is cycle characteristics.
本開示は、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池を提供する。 The present disclosure provides a lithium secondary battery having excellent cycle characteristics.
本開示は、
正極集電体と、前記正極集電体によって支持された正極活物質層とを有する正極と、
負極と、
溶媒と、前記溶媒に溶解した負極メディエータとを含み、前記正極及び前記負極に接している電解液と、
を備え、
前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に接している負極活物質とを有し、
前記負極メディエータは、前記負極活物質と前記負極集電体との間の電子の授受を行う、リチウム二次電池を提供する。
This disclosure is
A positive electrode having a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer supported by the positive electrode current collector,
With the negative electrode
An electrolytic solution containing a solvent and a negative electrode mediator dissolved in the solvent and in contact with the positive electrode and the negative electrode.
With
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material in contact with the negative electrode current collector.
The negative electrode mediator provides a lithium secondary battery that transfers electrons between the negative electrode active material and the negative electrode current collector.
本開示によれば、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池を提供できる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a lithium secondary battery having excellent cycle characteristics.
(本開示の基礎となった知見)
アルミニウム、シリコン、スズなどの材料をリチウム二次電池の負極活物質として使用すると、これらの材料は、充電時に電気化学的にリチウムと合金を形成する。本明細書において、リチウムと合金を形成するこれらの材料を「合金化材料(alloying material)」とも称する。
(Findings underlying this disclosure)
When materials such as aluminum, silicon, and tin are used as the negative electrode active material in lithium secondary batteries, these materials electrochemically form an alloy with lithium during charging. In the present specification, these materials forming an alloy with lithium are also referred to as "alloying materials".
合金化材料を用いた負極は、リチウムを吸蔵すると膨張し、リチウムを放出すると収縮する。膨張と収縮とを繰り返すと、合金化材料は微粉化し、負極集電体から剥離する。仮に、合金化材料が負極内にとどまっていたとしても、合金化材料と負極集電体との電気的接触が取れず、充放電が困難となる。つまり、充放電の繰り返しに応じて、容量が急激に低下する。この現象が合金化材料を用いたリチウム二次電池のサイクル特性の向上を妨げる主たる原因である。 The negative electrode using the alloying material expands when lithium is occluded and contracts when lithium is released. When expansion and contraction are repeated, the alloying material is atomized and separated from the negative electrode current collector. Even if the alloying material stays in the negative electrode, electrical contact between the alloying material and the negative electrode current collector cannot be obtained, and charging / discharging becomes difficult. That is, the capacity drops sharply as charging and discharging are repeated. This phenomenon is the main cause that hinders the improvement of the cycle characteristics of lithium secondary batteries using alloyed materials.
本発明者らは、合金化材料の充放電機構に起因する上記の課題を克服するための技術について鋭意検討した。その結果、以下に示す本開示のリチウム二次電池を完成させるに至った。 The present inventors have diligently studied a technique for overcoming the above-mentioned problems caused by the charging / discharging mechanism of the alloying material. As a result, the lithium secondary battery of the present disclosure shown below has been completed.
(本開示に係る一態様の概要)
本開示の第1態様にかかるリチウム二次電池は、
正極集電体と、前記正極集電体によって支持された正極活物質層とを有する正極と、
負極と、
溶媒と、前記溶媒に溶解した負極メディエータとを含み、前記正極及び前記負極に接している電解液と、
を備え、
前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に接している負極活物質とを有し、
前記負極メディエータは、前記負極活物質と前記負極集電体との間の電子の授受を行う。
(Summary of one aspect relating to this disclosure)
The lithium secondary battery according to the first aspect of the present disclosure is
A positive electrode having a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer supported by the positive electrode current collector,
With the negative electrode
An electrolytic solution containing a solvent and a negative electrode mediator dissolved in the solvent and in contact with the positive electrode and the negative electrode.
With
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material in contact with the negative electrode current collector.
The negative electrode mediator transfers electrons between the negative electrode active material and the negative electrode current collector.
第1態様によれば、負極活物質が微粉化したり負極集電体から剥離したりしても、負極メディエータを介してリチウム二次電池の充放電を確実に行うことができる。例えば、負極活物質として高容量の合金化材料を使用しつつ、高いエネルギー密度及び優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池を提供できる。 According to the first aspect, even if the negative electrode active material is pulverized or peeled from the negative electrode current collector, the lithium secondary battery can be reliably charged and discharged via the negative electrode mediator. For example, it is possible to provide a lithium secondary battery having a high energy density and excellent cycle characteristics while using a high-capacity alloying material as a negative electrode active material.
本開示の第2態様において、例えば、第1態様に係るリチウム二次電池では、前記正極活物質層はリチウムイオンを吸蔵又は放出してもよく、前記負極活物質はリチウムと合金化してもよい。第2態様によれば、高いエネルギー密度を有するリチウム二次電池が得られる。 In the second aspect of the present disclosure, for example, in the lithium secondary battery according to the first aspect, the positive electrode active material layer may occlude or release lithium ions, and the negative electrode active material may be alloyed with lithium. .. According to the second aspect, a lithium secondary battery having a high energy density can be obtained.
本開示の第3態様において、例えば、第1又は第2態様に係るリチウム二次電池では、前記負極活物質がAl、Zn、Si、Sn、Ge、Cd、Pb、Bi及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1つを含んでもよい。第2態様によれば、高いエネルギー密度を有するリチウム二次電池が得られる。 In the third aspect of the present disclosure, for example, in the lithium secondary battery according to the first or second aspect, the negative electrode active material is composed of a group consisting of Al, Zn, Si, Sn, Ge, Cd, Pb, Bi and Sb. It may contain at least one selected. According to the second aspect, a lithium secondary battery having a high energy density can be obtained.
本開示の第4態様において、例えば、第1から第3態様のいずれか1つに係るリチウム二次電池では、前記負極メディエータは、縮合芳香族化合物を含んでもよい。第4態様によれば、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池を提供できる。 In the fourth aspect of the present disclosure, for example, in the lithium secondary battery according to any one of the first to third aspects, the negative electrode mediator may contain a condensed aromatic compound. According to the fourth aspect, it is possible to provide a lithium secondary battery having excellent cycle characteristics.
本開示の第5態様において、例えば、第1から第4態様のいずれか1つに係るリチウム二次電池では、前記負極メディエータは、フェナントレン、ビフェニル、o−ターフェニル、トリフェニレン、アセナフテン、アセナフチレン、フルオランテン、ベンジル及びナフタレンからなる群より選ばれる少なくとも1つを含んでもよい。第5態様によれば、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池を提供できる。 In the fifth aspect of the present disclosure, for example, in the lithium secondary battery according to any one of the first to fourth aspects, the negative electrode mediator is phenanthrene, biphenyl, o-terphenyl, triphenylene, acenaphthene, acenaphthylene, fluoranthene. , Benzyl and at least one selected from the group consisting of naphthalene. According to the fifth aspect, it is possible to provide a lithium secondary battery having excellent cycle characteristics.
本開示の第6態様において、例えば、第1から第5態様のいずれか1つに係るリチウム二次電池では、前記電解液における前記負極メディエータの濃度が0.00625mol/L以上0.0125mol/L以下であってもよい。第6態様によれば、リチウム二次電池の放電容量を十分に確保することができる。 In the sixth aspect of the present disclosure, for example, in the lithium secondary battery according to any one of the first to fifth aspects, the concentration of the negative electrode mediator in the electrolytic solution is 0.00625 mol / L or more and 0.0125 mol / L. It may be as follows. According to the sixth aspect, a sufficient discharge capacity of the lithium secondary battery can be secured.
本開示の第7態様において、例えば、第1から第6態様のいずれか1つに係るリチウム二次電池では、前記電解液は、エーテルを含んでもよい。第7態様によれば、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池を提供できる。 In the seventh aspect of the present disclosure, for example, in the lithium secondary battery according to any one of the first to sixth aspects, the electrolytic solution may contain ether. According to the seventh aspect, it is possible to provide a lithium secondary battery having excellent cycle characteristics.
本開示の第8態様において、例えば、第1から第6態様のいずれか1つに係るリチウム二次電池では、前記電解液は、環状エーテル、グライム及びスルフォランからなる群より選ばれる少なくとも1つを含んでもよい。第8態様によれば、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池を提供できる。 In the eighth aspect of the present disclosure, for example, in the lithium secondary battery according to any one of the first to sixth aspects, the electrolytic solution is at least one selected from the group consisting of cyclic ether, grime and sulfolane. It may be included. According to the eighth aspect, it is possible to provide a lithium secondary battery having excellent cycle characteristics.
本開示の第9態様において、例えば、第8態様に係るリチウム二次電池では、前記環状エーテルは、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、2,5−ジメチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン及び4−メチル−1,3−ジオキソランからなる群より選ばれる少なくとも1つを含んでもよい。第9態様によれば、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池を提供できる。 In the ninth aspect of the present disclosure, for example, in the lithium secondary battery according to the eighth aspect, the cyclic ether is 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, 2,5-dimethyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane and 4-methyl-. It may contain at least one selected from the group consisting of 1,3-dioxolane. According to the ninth aspect, it is possible to provide a lithium secondary battery having excellent cycle characteristics.
本開示の第10態様において、例えば、第8又は第9態様に係るリチウム二次電池では、前記グライムは、モノグライム、ジグライム、トリグライム、テトラグライム、及びポリエチレングリコールジメチルエーテルからなる群より選ばれる少なくとも1つを含んでもよい。第10態様によれば、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池を提供できる。 In the tenth aspect of the present disclosure, for example, in the lithium secondary battery according to the eighth or ninth aspect, the grime is at least one selected from the group consisting of monogrime, jigglime, triglime, tetraglime, and polyethylene glycol dimethyl ether. May include. According to the tenth aspect, it is possible to provide a lithium secondary battery having excellent cycle characteristics.
本開示の第11態様において、例えば、第8から第10態様のいずれか1つに係るリチウム二次電池では、前記スルフォランが、3−メチルスルフォランを含んでもよい。第11態様によれば、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池を提供できる。 In the eleventh aspect of the present disclosure, for example, in the lithium secondary battery according to any one of the eighth to tenth aspects, the sulfolane may contain 3-methylsulfolane. According to the eleventh aspect, a lithium secondary battery having excellent cycle characteristics can be provided.
本開示の第12態様において、例えば、第1から第11態様のいずれか1つに係るリチウム二次電池は、前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータをさらに備えていてもよい。第12態様によれば、リチウム二次電池の安全性を十分に確保できる。 In the twelfth aspect of the present disclosure, for example, the lithium secondary battery according to any one of the first to eleventh aspects may further include a separator arranged between the positive electrode and the negative electrode. According to the twelfth aspect, the safety of the lithium secondary battery can be sufficiently ensured.
本開示の第13態様において、例えば、第12態様に係るリチウム二次電池では、前記セパレータは、リチウムイオン及び前記負極メディエータの通過を許容する材料で構成されていてもよい。第13態様によれば、セパレータの材料の選択肢が広いので、リチウム二次電池の設計上の自由度が高まる。 In the thirteenth aspect of the present disclosure, for example, in the lithium secondary battery according to the twelfth aspect, the separator may be made of a material that allows the passage of lithium ions and the negative electrode mediator. According to the thirteenth aspect, since the material of the separator is widely selected, the degree of freedom in designing the lithium secondary battery is increased.
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The present disclosure is not limited to the following embodiments.
(実施形態)
図1は、本開示の一実施形態に係るリチウム二次電池の断面を示している。リチウム二次電池10は、正極20、負極30及び電解液50を備えている。電解液50は、溶媒及び負極メディエータを含み、正極20及び負極30に接している。電解液50の溶媒に負極メディエータが溶解している。負極30は、負極集電体31及び負極活物質32を有する。
(Embodiment)
FIG. 1 shows a cross section of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present disclosure. The lithium
本実施形態において、負極活物質32が負極集電体31に接している。詳細には、負極活物質32の一部が負極集電体31に物理的かつ電気的に接している。負極活物質32の一部が負極集電体31に物理的かつ電気的に接しているとき、負極メディエータを介して進行する反応と、負極メディエータを介さずに進行する反応の2つの反応が同時に進行する。負極活物質32が微粉化したり負極集電体31から剥離したりしたとき、負極30における負極活物質32の酸化還元反応は、負極メディエータを介して進行する。負極メディエータは、負極活物質32と負極集電体31との間の電子の授受を行う。
In the present embodiment, the negative electrode
本実施形態によれば、負極活物質32が微粉化したり負極集電体31から剥離したりしたとしても、負極メディエータを介してリチウム二次電池10の充放電を確実に行うことができる。例えば、負極活物質32として高容量の合金化材料を使用しつつ、高いエネルギー密度及び優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池10を提供できる。
According to the present embodiment, even if the negative electrode
リチウム二次電池10は、容器60をさらに備えている。容器60は、密閉されている。容器60は、絶縁性及び耐食性を有する材料でできている。正極20、負極30及び電解液50は容器60の内部に配置されている。
The lithium
正極20は、正極集電体21及び正極活物質層22を有する。正極活物質層22は、正極集電体21によって支持されている。詳細には、正極活物質層22は、正極集電体21の上に配置されている。正極集電体21と正極活物質層22とが電気的に接触している。
The
正極集電体21は、例えば、ステンレス鋼、銅、ニッケル、カーボンなどの電子伝導性を有する材料で作られている。正極集電体21の形状は特に限定されず、例えば、板状である。
The positive electrode
正極活物質層22は、正極活物質を含む層である。正極活物質は、リチウムイオンを可逆的に吸蔵及び放出する特性を有する材料でありうる。正極活物質としては、遷移金属酸化物、フッ化物、ポリアニオン、フッ素化ポリアニオン、遷移金属硫化物、オリビン構造を有するリン酸化物などが挙げられる。遷移金属酸化物としては、LiCoO2、LiNiO2、Li2Mn2O4などが挙げられる。リン酸化物としては、LiFePO4、LiNiPO4、LiCoPO4などが挙げられる。正極活物質層22は、複数の種類の正極活物質を含んでいてもよい。
The positive electrode
正極活物質層22は、必要に応じて、導電剤、イオン伝導補助剤、結着剤などの添加剤を含んでいてもよい。
The positive electrode
負極30は、負極集電体31及び負極活物質32を有する。負極集電体31及び負極活物質32の両方が電解液50に浸漬されている。本実施形態において、負極活物質32が負極集電体31に接している。負極30を取り囲む電解液50には、負極メディエータが含まれている。負極活物質32と負極集電体31との間の電子の授受は、直接的に行われることもあり、負極メディエータを介して行われることもある。負極集電体31と負極活物質32との直接的な接触が維持されても維持されなくても、充放電反応を進行させることができる。このことは、負極集電体31及び負極活物質32の形状及び寸法などを設計するうえでの自由度を向上させる。
The
負極集電体31は、負極メディエータの反応場として作用する表面を有する。負極集電体31として、電解液50に対して安定な材料が使用されうる。さらに、負極集電体31として、電極反応である電気化学反応に対して安定な材料が使用されうる。例えば、負極集電体31として、金属、カーボンなどの電子伝導性を有する材料が使用されうる。金属としては、ステンレス鋼、鉄、銅、ニッケルなどが挙げられる。
The negative electrode
負極集電体31は、その表面積を増大させた構造を有していてもよい。表面積を増大させた構造としては、メッシュ、不織布、表面粗化処理板、焼結多孔体などが挙げられる。負極集電体31がこれらの構造を有している場合、負極メディエータの酸化反応又は還元反応が進行しやすい。
The negative electrode
負極活物質32は、リチウムを吸蔵及び放出する性質を有していてもよい。
The negative electrode
リチウム二次電池10の充電時において、負極メディエータは、負極集電体31の表面上において還元される。還元された負極メディエータは、負極活物質32によって酸化される。負極活物質32は、リチウムを吸蔵する。
When the lithium
リチウム二次電池10の放電時において、リチウムを吸蔵した負極活物質32は、負極メディエータを還元するとともに、リチウムを放出する。還元された負極メディエータは、負極集電体31の表面上において酸化される。
When the lithium
負極活物質32は、例えば、充電時にリチウムと合金を形成する材料を含む。負極活物質32は、例えば、Al、Zn、Si、Sn、Ge、Cd、Pb、Bi及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1つを含む。これらの合金化材料を使用すれば、高いエネルギー密度を有するリチウム二次電池10が得られる。
The negative electrode
負極活物質32は、Alを含んでいてもよい。この場合、リチウム二次電池10の充電時にLiAl合金が生成される。LiAl合金の組成は、LiAl、Li2Al3及びLi4Al5からなる群より選ばれる少なくとも1つでありうる。
The negative electrode
負極活物質32は、Znを含んでいてもよい。この場合、リチウム二次電池10の充電時にLiZn合金が生成される。LiZn合金の組成は、Li2Zn3、LiZn2、Li2Zn5、LiZn4及びLiZnからなる群より選ばれる少なくとも1つでありうる。
The negative electrode
負極活物質32は、Siを含んでいてもよい。この場合、リチウム二次電池10の充電時にLiSi合金が生成される。LiSi合金の組成は、Li22Si5、Li13Si4、Li7Si3及びLi12Si7からなる群より選ばれる少なくとも1つでありうる。
The negative electrode
負極活物質32は、Snを含んでいてもよい。この場合、リチウム二次電池10の充電時にLiSn合金が生成される。LiSn合金の組成は、Li22Sn5、Li7Sn2、Li13Sn5、Li7Sn3、Li5Sn2、LiSn及びLi2Sn5からなる群より選ばれる少なくとも1つでありうる。
The negative electrode
負極活物質32は、Geを含んでいてもよい。この場合、リチウム二次電池10の充電時にLiGe合金が生成される。LiGe合金の組成は、Li5Ge22及びLi3Geからなる群より選ばれる少なくとも1つでありうる。
The negative electrode
負極活物質32は、Cdを含んでいてもよい。この場合、リチウム二次電池10の充電時にLiCd合金が生成される。LiCd合金の組成は、LiCd3及びLi3Cdからなる群より選ばれる少なくとも1つでありうる。
The negative electrode
負極活物質32は、Pbを含んでいてもよい。この場合、リチウム二次電池10の充電時にLiPb合金が生成される。LiPb合金の組成は、LiPb、Li3Pb、Li5Pb2、Li4Pb及びLi10Pb3からなる群より選ばれる少なくとも1つでありうる。
The negative electrode
負極活物質32は、Biを含んでいてもよい。この場合、リチウム二次電池10の充電時にLiBi合金が生成される。LiBi合金の組成は、LiBi及びLi3Biからなる群より選ばれる少なくとも1つでありうる。
The negative electrode
負極活物質32は、Sbを含んでいてもよい。この場合、リチウム二次電池10の充電時にLiSb合金が生成される。LiSb合金の組成は、Li2Sb及びLi3Sbからなる群より選ばれる少なくとも1つでありうる。
The negative electrode
負極活物質32は、Al、Zn、Si、Sn、Ge、Cd、Pb、Bi及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1つを含んでいてもよい。負極活物質32は、黒鉛などの炭素材料を含んでいてもよい。
The negative electrode
負極活物質32は、黒鉛などの炭素材料であってもよい。リチウム二次電池10の充電時に負極30において生成する化合物は、LiAl合金などの合金であってもよく、C6Liのような黒鉛層間化合物であってもよい。
The negative electrode
負極活物質32の形状は特に限定されない。負極活物質32は、粉末状であってもよく、ペレット状であってもよい。負極活物質32は、バインダによって固められていてもよい。バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミドなどの樹脂が挙げられる。
The shape of the negative electrode
負極活物質32は、電解液50に不溶性の材料であってもよい。
The negative electrode
リチウム二次電池10は、セパレータ40を備えていてもよい。セパレータ40は、正極20と負極30との間に配置されており、正極20と負極30との直接的な接触を防いでいる。セパレータ40によれば、リチウム二次電池10の安全性を十分に確保できる。
The lithium
セパレータ40は、リチウムイオン伝導性を有している。リチウムイオンの通過が許容される限り、セパレータ40の材料は特に限定されない。セパレータ40は、負極メディエータの通過を許容する材料で構成されていてもよい。この場合、セパレータ40の材料の選択肢が広いので、リチウム二次電池10の設計上の自由度が高まる。
The
セパレータ40の材料としては、電解液50に溶解しない材料を使用できる。セパレータ40の材料としては、固体電解質、リチウムカチオン交換樹脂、多孔質材料などが挙げられる。セパレータ40は、正極20の一部のみを被覆していてもよく、正極20の全体を被覆しいていてもよい。セパレータ40は、膜の形状を有していてもよい。セパレータ40が多孔質膜である場合において、多孔質膜としては、織布、不織布、ポリオレフィン樹脂製の多孔質膜、ガラス繊維を不織布に織り込むことによって得られたガラスペーパーからなる多孔質膜などが挙げられる。これらの多孔質膜は、電解液50を含浸してリチウムイオン伝導性を示す。
As the material of the
セパレータ40が省略されていたとしても、リチウム二次電池10の充放電を行うことができる。負極メディエータと負極活物質32との反応速度が負極メディエータと正極20との反応速度を上回れば、リチウム二次電池10は充電される。負極メディエータと正極20との反応速度は、電解液50における負極メディエータの濃度を低くすればするほど低下する。
Even if the
電解液50は、溶媒及び負極メディエータを含む。電解液50は、容器60の内部を満たしている。溶媒は、非水溶媒でありうる。
The
本実施形態のリチウム二次電池10において、電解液50は、環状エーテル、グライム及びスルフォランからなる群より選ばれる少なくとも1つを含んでいてもよい。電解液50は、エーテルを含んでいてもよい。エーテルとしては、例えば、環状エーテル及びグリコールエーテルが挙げられる。グリコールエーテルは、組成式CH3(OCH2CH2)nOCH3で表されるグライムであってもよい。上記の組成式において、nは1以上の整数である。電解液50は、環状エーテルとグライムとの混合物又は環状エーテルを溶媒として含んでいてもよい。これらの溶媒を用いることによって、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池10を提供できる。
In the lithium
以上の構成によれば、電解液50として、負極メディエータを含んだ電解液を実現できる。すなわち、負極メディエータを含む溶液が電子伝導性を持たないエーテル溶液であるので、当該エーテル溶液自体が電解液としての性質を有することができる。
According to the above configuration, an electrolytic solution containing a negative electrode mediator can be realized as the
環状エーテルとしては、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、2,5−ジメチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン(1,3DO)、4−メチル−1,3−ジオキソラン(4Me1,3DO)などが挙げられる。これらから選ばれる1種又は2種以上の混合物を使用することができる。 As the cyclic ether, tetrahydrofuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), 2,5-dimethyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane (1,3DO), 4-methyl-1,3-dioxolane (4Me1,3DO) And so on. One kind or a mixture of two or more kinds selected from these can be used.
グライムとしては、モノグライム(1,2−ジメトキシエタン)、ジグライム(ジエチレングリコールジメチルエーテル)、トリグライム(トリエチレングリコールジメチルエーテル)、テトラグライム(テトラエチレングリコールジメチルエーテル)、ペンタエチレングリコールジメチルエーテル、ポリエチレングリコールジメチルエーテルなどが挙げられる。グライムは、テトラグライム及びペンタエチレングリコールジメチルエーテルの混合物であってもよい。 Examples of the glyme include monoglyme (1,2-dimethoxyethane), diglyme (diethylene glycol dimethyl ether), triglime (triethylene glycol dimethyl ether), tetraglyme (tetraethylene glycol dimethyl ether), pentaethylene glycol dimethyl ether, polyethylene glycol dimethyl ether and the like. The grime may be a mixture of tetraglime and pentaethylene glycol dimethyl ether.
スルフォランとしては、3−メチルスルフォランが挙げられる。 Examples of sulfolane include 3-methylsulfolane.
上記の溶媒を使用することによって、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池10を提供できる。
By using the above solvent, a lithium
電解液50は、電解質塩を含んでいてもよい。電解質塩としては、LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiSO3CF3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiC(SO2CF3)3、LiClO4、リチウムビスオキサレートボレートなどのリチウム塩が挙げられる。電解液50には、リチウムが溶解されていてもよい。
The
本実施形態のリチウム二次電池10において、負極メディエータは、正極20の表面上及び負極30の表面上の両方に存在しうる。負極30の表面には、負極集電体31の表面と、負極活物質32の表面とが含まれる。正極20に専用の電解液は不要であるうえ、正極20と負極30との間で電解液50が往来することを遮断する必要もないので、リチウム二次電池10の構造を簡素化できる。正極20と負極30との接触を防止するためにセパレータ40を使用する場合においても、セパレータ40に課される制約が少ない。
In the lithium
本実施形態のリチウム二次電池10の充電時において、負極メディエータは、負極集電体31の表面上において還元されうる。
When charging the lithium
本実施形態のリチウム二次電池10の放電時において、負極メディエータは、負極集電体31の表面上において酸化されうる。
When the lithium
充電時に負極メディエータを負極集電体31上で還元させると、放電時には負極集電体31上で負極メディエータが酸化される。放電に負極メディエータが関与するため、負極メディエータの酸化に対応する容量が放電容量に上乗せされる。つまり、放電容量を増加させることができる。放電時に負極メディエータを負極集電体31上で酸化させると、充電時には負極集電体31上で負極メディエータが還元される。充電に負極メディエータが関与するため、負極メディエータの還元に対応する容量が充電容量に上乗せされる。つまり、充電容量を増加させることができる。
When the negative electrode mediator is reduced on the negative electrode
例えば、電解液50が負極集電体31に接触すると、負極メディエータは、負極集電体31により、酸化又は還元される。
For example, when the
例えば、電解液50が負極活物質32に接触すると、負極活物質32による負極メディエータの還元反応が生じる、又は、負極活物質32による負極メディエータの酸化反応が生じる。電解液50は、負極活物質32によって酸化及び還元される化合物として、負極メディエータのみを含んでいてもよい。このような構成によれば、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池10を提供できる。
For example, when the
負極メディエータは、リチウムと負極活物質32との化合物が形成される上限電位以下の平衡電位をリチウムとともに電解液50の溶媒に溶解することによって電解液50に与える材料でありうる。負極メディエータは、リチウムと負極活物質32との化合物が形成される上限電位以下の平衡電位を電解液50に与える1種又は2種以上の化合物のみを含んでいてもよい。負極メディエータは、リチウムと負極活物質32との化合物が形成される上限電位以下の平衡電位を電解液50に与える1種の化合物のみを含んでいてもよい。負極メディエータは、縮合芳香族化合物であってもよい。これらの構成によれば、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池10を提供できる。
The negative electrode mediator can be a material that gives the
電解液50は、リチウムと負極活物質32との化合物が形成される上限電位より高い平衡電位をリチウムとともに電解液50の溶媒に溶解することによって電解液50に与える化合物を含んでいなくてもよい。このような構成によれば、高い電池電圧を有するリチウム二次電池10を実現できる。
The
電解液50は、リチウムと負極活物質32との化合物が形成される上限電位以下の平衡電位をリチウムとともに電解液50の溶媒に溶解することによって電解液50に与える化合物のみを負極メディエータとして含んでいてもよい。
The
縮合芳香族化合物が溶解した電解液50は、リチウムの溶媒和電子を放出させ、リチウムをカチオンとして溶解する性質を有する。言い換えると、縮合芳香族化合物は、リチウムが電解液50の溶媒に溶解するときに放出される電子を溶媒和電子として受け取るとともに、電解液50の溶媒に溶解する性質を有する。
The
縮合芳香族化合物を含む溶液は、リチウムを溶解する能力を有する。縮合芳香族化合物を含む溶液は、例えば、エーテル溶液であってもよい。リチウムは、電子を離して、カチオンとなり易い。このため、溶液中の縮合芳香族化合物に電子を渡して、カチオンとなり、当該溶液に溶解する。このとき、電子を受け取った縮合芳香族化合物は電子と溶媒和する。電子と溶媒和することで、縮合芳香族化合物は、アニオンとして振る舞う。このため、縮合芳香族化合物を含む溶液そのものがイオン導電性を有する。ここで、縮合芳香族化合物を含む溶液中には、Liカチオンと電子が当量存在する。このため、縮合芳香族化合物を含む溶液自体には、還元性の強い性質、言い換えれば、電位的に卑な性質を持たせることができる。 The solution containing the condensed aromatic compound has the ability to dissolve lithium. The solution containing the condensed aromatic compound may be, for example, an ether solution. Lithium easily separates electrons and becomes a cation. Therefore, electrons are passed to the condensed aromatic compound in the solution to become a cation and dissolve in the solution. At this time, the condensed aromatic compound that received the electron is solvated with the electron. By solvating with electrons, the condensed aromatic compound behaves as an anion. Therefore, the solution itself containing the condensed aromatic compound has ionic conductivity. Here, in the solution containing the condensed aromatic compound, Li cations and electrons are present in equivalent amounts. Therefore, the solution itself containing the condensed aromatic compound can be provided with a strongly reducing property, in other words, a potentially low property.
例えば、縮合芳香族化合物が溶解した電解液50の溶媒に、リチウムに対して化学的に不活性な電極を浸漬し、リチウム金属に対する電極の電位を測定すれば、かなり卑な電位が観測される。観測される電位は、縮合芳香族化合物と電子の溶媒和の程度、すなわち、縮合芳香族化合物の種類によって決定される。
For example, if an electrode chemically inactive with respect to lithium is immersed in the solvent of the
負極活物質32として平衡電位(vs.Li/Li+)が比較的低い活物質を用いることで、負極メディエータとして、平衡電位(vs.Li/Li+)が比較的低い化合物を用いることができる。負極活物質32として平衡電位が比較的低い活物質は、例えば、アルミニウムである。負極メディエータとして平衡電位が比較的低い化合物は、例えば、縮合芳香族化合物である。これにより、より電位の低いリチウム二次電池10の負極30を実現できる。このため、高い電池電圧を有するリチウム二次電池10を実現できる。
By using an active material having a relatively low equilibrium potential (vs. Li / Li + ) as the negative electrode
負極活物質32がアルミニウムを含む場合、リチウム二次電池10の充電時において、負極活物質32に含まれたアルミニウムは、リチウムと反応してLiAl合金へと還元される。そのため、負極メディエータとして、LiAl合金が形成される上限電位以下の電位を示す縮合芳香族化合物を用いれば、メディエータ型の負極30を構成することができる。LiAl合金が形成される上限電位は、例えば、0.18Vvs.Li/Li+である。負極メディエータは、例えば、リチウムとともに電解液50の溶媒に溶解することによって、0.18Vvs.Li/Li+以下の平衡電位を電解液50に与える化合物である。
When the negative electrode
負極活物質32がスズを含む場合、リチウム二次電池10の充電時において、負極活物質32に含まれたスズは、リチウムと反応してLiSn合金へと還元される。そのため、負極メディエータとして、LiSn合金が形成される上限電位以下の電位を示す縮合芳香族化合物を用いれば、メディエータ型の負極30を構成することができる。LiSn合金が形成される上限電位は、例えば、0.25Vvs.Li/Li+である。負極メディエータは、例えば、リチウムとともに電解液50の溶媒に溶解することによって、0.25Vvs.Li/Li+以下の平衡電位を電解液50に与える化合物である。
When the negative electrode
負極活物質32が黒鉛を含む場合、リチウム二次電池10の充電時において、負極活物質32に含まれた黒鉛は、リチウムと反応してC6Liへと還元される。そのため、負極メディエータとして、C6Liが形成される上限電位以下の電位を示す縮合芳香族化合物を用いれば、メディエータ型の負極30を構成することができる。C6Liが形成される上限電位は、例えば、0.15Vvs.Li/Li+である。負極メディエータは、例えば、リチウムとともに電解液50の溶媒に溶解することによって、0.15Vvs.Li/Li+以下の平衡電位を電解液50に与える化合物である。
When the negative electrode
アルミニウム、スズ及び黒鉛に関する上記の説明は、Zn、Si、Ge、Cd、Pb、Bi及びSbにも当て嵌まる。LiZn、LiSi、LiGe、LiCd、LiPb、LiBi及びLiSbのそれぞれが形成される上限電位に応じて、負極メディエータが適切に選択されうる。 The above description of aluminum, tin and graphite also applies to Zn, Si, Ge, Cd, Pb, Bi and Sb. The negative electrode mediator can be appropriately selected depending on the upper limit potential at which each of LiZn, LiSi, LiGe, LiCd, LiPb, LiBi and LiSb is formed.
卑な電位を示す縮合芳香族化合物としては、フェナントレン、ビフェニル、o−ターフェニル、トリフェニレン、アセナフテン、アセナフチレン、フルオランテン、2,2’−ビピリジル、trans−スチルベン、2,4’−ビピリジル、2,3’−ビピリジル、cis−スチルベン、プロピオフェノン、ブチロフェノン、バレロフェノン、エチレンジアミン、ベンジル、テトラフェニルシクロペンタジエノン、ナフタレンなどが挙げられる。 Condensed aromatic compounds showing a low potential include phenanthrene, biphenyl, o-terphenyl, triphenylene, acenaphthene, acenaphthene, fluorantene, 2,2'-bipyridyl, trans-stilben, 2,4'-bipyridyl, 2,3. Included are'-bipyridyl, cis-stilben, propiophenone, butyrophenone, valerophenone, ethylenediamine, benzyl, tetraphenylcyclopentadienone, naphthalene and the like.
十分な卑な電位を示す縮合芳香族化合物としては、例えば、フェナントレン、ビフェニル、o−ターフェニル、トリフェニレン、アセナフテン、アセナフチレン、フルオランテン、ベンジル及びナフタレンが挙げられる。すなわち、負極メディエータは、フェナントレン、ビフェニル、o−ターフェニル、トリフェニレン、アセナフテン、アセナフチレン、フルオランテン、ベンジル及びナフタレンからなる群より選ばれる少なくとも1種を含んでいてもよい。これらの化合物を負極メディエータとして使用すれば、優れたサイクル特性を有するリチウム二次電池10を提供できる。
Condensed aromatic compounds that exhibit a sufficiently low potential include, for example, phenanthrene, biphenyl, o-terphenyl, triphenylene, acenaphthene, acenaphthylene, fluoranthene, benzyl and naphthalene. That is, the negative electrode mediator may contain at least one selected from the group consisting of phenanthrene, biphenyl, o-terphenyl, triphenylene, acenaphthene, acenaphthylene, fluoranthene, benzyl and naphthalene. When these compounds are used as a negative electrode mediator, a lithium
電解液50における負極メディエータの濃度は、例えば、0.00625mol/L以上0.05mol/L以下である。負極メディエータの濃度が適切に調整されていると、充電された負極メディエータと正極20との反応速度を下げることができる。これにより、リチウム二次電池の放電容量を確保することができる。電解液50における負極メディエータの濃度の上限値は、0.025mol/Lであってもよく、0.0125mol/Lであってもよい。
The concentration of the negative electrode mediator in the
縮合芳香族化合物のエーテル溶液にリチウムを溶解させた場合、エーテル溶液の電位は、溶媒の種類によってわずかに異なる。環状エーテルは沸点が低いため、容易に揮発する。そのため、環状エーテルと、比較的高い沸点を有するグライムとを混合して使用してもよい。エーテル溶液の溶媒として環状エーテルを用いる場合、環状エーテルとしてTHF又は2MeTHFを用いると、エーテル溶液の電位がより低下する傾向がある。エーテル溶液の溶媒としてグライムを用いる場合、グライムとしてトリグライムを用いると、エーテル溶液の電位が最も低下する。したがって、エーテル溶液の溶媒として、THF又は2MeTHFと、トリグライムとを混合したものを用いてもよい。エーテル溶液の溶媒におけるグライムの比率が高いほど、エーテル溶液の電位は高い傾向にある。そのため、電解液50の溶媒における環状エーテルの体積とグライムの体積との比率は、10:0から7:3であってもよい。
When lithium is dissolved in an ether solution of a condensed aromatic compound, the potential of the ether solution differs slightly depending on the type of solvent. Cyclic ether has a low boiling point and therefore easily volatilizes. Therefore, cyclic ether and grime having a relatively high boiling point may be mixed and used. When cyclic ether is used as the solvent of the ether solution, the potential of the ether solution tends to be further lowered when THF or 2MeTHF is used as the cyclic ether. When grime is used as the solvent of the ether solution, the potential of the ether solution is lowered most when grime is used as the grime. Therefore, as the solvent of the ether solution, a mixture of THF or 2MeTHF and triglime may be used. The higher the ratio of grime in the solvent of the ether solution, the higher the potential of the ether solution tends to be. Therefore, the ratio of the volume of the cyclic ether to the volume of grime in the solvent of the
負極メディエータを介して充電が行われるとき、負極集電体31の上で溶媒和した負極メディエータが還元されることによって、溶媒和電子及びLiカチオンを含む複合体が形成される。この複合体が負極活物質32と接触すると、負極活物質32がLiカチオン及び溶媒和電子を受け取り、リチウムと負極活物質32との化合物が形成される。複合体がLiカチオン及び溶媒和電子を放出した後、溶媒和した負極メディエータは再び負極集電体31の上で還元される。この循環によって、負極活物質32がリチウムと負極活物質32との化合物へと還元され、電解液50の中の溶媒和した負極メディエータが還元される。これにより、リチウム二次電池10の充電が終了する。
When charging is performed via the negative electrode mediator, the negative electrode mediator solvated on the negative electrode
負極メディエータを介して充電が行われるとき、まず、電解液50の中の溶媒和した負極メディエータの還元体が負極集電体31の上で、溶媒和電子及びLiカチオンを放出する。電子は、外部回路を通じて、正極20に移動する。Liカチオンは、セパレータ40を通じて、正極20に移動する。放電の進行に伴い、溶媒和電子及びLiカチオンを放出した負極メディエータの濃度が電解液50の中で増加する。これにより、電解液50の電位が上昇する。電解液50の電位がリチウムと負極活物質32との化合物の平衡電位を上回ると、リチウムと負極活物質32との化合物からLiカチオン及び溶媒和電子が負極メディエータに供給され、再びLiカチオンを含む複合体が形成される。Liカチオンを含む複合体によって、リチウム二次電池10の放電が持続する。リチウムと負極活物質32との化合物からLiカチオン及び溶媒和電子が放出され、電解液50の中のLiカチオンを含む複合体がLiカチオン及び溶媒和電子を放出したとき、リチウム二次電池10の放電が終了する。
When charging is performed via the negative electrode mediator, first, the reductant of the solvated negative electrode mediator in the
本実施形態では、負極メディエータによって、リチウム二次電池10の充電及び放電を行うことができる。そのため、電解液50は、リチウムと負極活物質32との化合物が形成される上限電位より高い平衡電位をリチウムとともに電解液50の溶媒に溶解することによって電解液50に与える化合物を必要としない。負極メディエータにおける還元電位と酸化電位との差のみが充放電電圧差に影響するため、基本的には充放電電圧差は小さい。そのため、本実施形態のリチウム二次電池10では、充放電における電力効率の低下を抑制できる。これにより、リチウム二次電池10は、高いエネルギー密度と高い信頼性を両立する。
In the present embodiment, the lithium
ただし、電解液50には、複数の種類の負極メディエータが含まれていてもよい。リチウムが溶解した溶液の電位は、負極メディエータの種類、負極メディエータの濃度、溶媒の組成に応じて変化する。例えば、負極メディエータとしてのビフェニル又はフェナントレンを0.1mol/Lの濃度で含む2MeTHFにリチウム金属を溶解させると、得られた溶液は、概ね0V(vs.Li/Li+)の平衡電位を示す。これに対し、負極メディエータとしてtrans−スチルベンを用いると、溶液は、0.3V(vs.Li/Li+)の平衡電位を示す。負極メディエータとしてcis−スチルベンを用いると、溶液は、0.43V(vs.Li/Li+)の平衡電位を示す。つまり、負極メディエータとして、trans−スチルベン又はcis−スチルベンを用いると、溶液は、貴な平衡電位を示す。したがって、Li合金が形成される上限電位よりも卑な平衡電位を示すメディエータ(例えば、ビフェニル又はフェナントレン)を充電メディエータとして使用し、Li合金が形成される上限電位よりも貴な平衡電位を示すメディエータ(例えば、trans−スチルベン又はcis−スチルベン)を放電メディエータとして使用することが可能である。放電電位は放電メディエータの電位に支配されるので、放電メディエータの電位とLi合金が形成される上限電位との差が大きいと、電位損失が大きくなりがちである。電位損失を抑制するために、放電メディエータの電位とLi合金が形成される上限電位との差は、0.2V以下であってもよい。
However, the
本実施形態のリチウム二次電池10の充放電プロセスを説明する。以下の具体例は、負極活物質32が負極集電体31から剥離したときの充放電を示している。負極活物質32が負極集電体31に電気的に接している場合、負極活物質32と負極集電体31との間で直接的に電子の授受が行われうる。
The charge / discharge process of the lithium
本動作例では、負極集電体31は、ステンレス鋼で作られている。電解液50は、負極メディエータが溶解したエーテル溶液である。負極メディエータは、1種の縮合芳香族化合物(以下、Mdと表記される)である。負極活物質32は、アルミニウムである。正極20は、ステンレス鋼で作られた正極集電体21と、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)を正極活物質として含む正極活物質層22とを備えている。
In this operation example, the negative electrode
[充電プロセスの説明]
まず、充電反応が説明される。
[Description of charging process]
First, the charging reaction will be described.
正極集電体21と負極集電体31との間に、電圧が印加されることにより、充電が行われる。
Charging is performed by applying a voltage between the positive electrode
(正極側の反応)
電圧の印加により、正極20では、正極活物質の酸化反応が起こる。すなわち、正極活物質から、リチウムイオンが放出される。これにより、正極20からリチウム二次電池10の外部に電子が放出される。
(Reaction on the positive electrode side)
By applying a voltage, an oxidation reaction of the positive electrode active material occurs at the
例えば、本動作例では、下記の反応が生じる。
LiFePO4 → FePO4 + Li+ + e-
For example, in this operation example, the following reaction occurs.
LiFePO 4 → FePO 4 + Li + + e -
発生したリチウムイオン(Li+)の一部は、セパレータ40を通じて、負極30に向かって移動する。
A part of the generated lithium ions (Li + ) moves toward the
(負極側の反応)
電圧の印加により、負極集電体31にリチウム二次電池10の外部から電子が供給される。これにより、負極集電体31の上では、負極メディエータの還元反応が起こる。
(Reaction on the negative electrode side)
By applying a voltage, electrons are supplied to the negative electrode
例えば、本動作例では、下記の反応が生じる。
Md + Li+ + e- → Md・Li
For example, in this operation example, the following reaction occurs.
Md + Li + + e - → Md · Li
還元された負極メディエータは、負極活物質32により酸化される。すなわち、負極活物質32は、負極メディエータによって還元される。これにより、負極活物質32はリチウムと反応して、LiAlとなる。
The reduced negative electrode mediator is oxidized by the negative electrode
例えば、本動作例では、下記の反応が生じる。
Al + Md・Li → LiAl + Md
For example, in this operation example, the following reaction occurs.
Al + Md ・ Li → LiAl + Md
以上のように、負極メディエータは、トータル反応で見ると変化していない。 As described above, the negative electrode mediator has not changed in the total reaction.
一方で、負極集電体31と離れた場所に位置する負極活物質32は、充電状態となる。
On the other hand, the negative electrode
以上の充電反応は、負極活物質32が充電状態となる、又は、正極活物質が充電状態となる、のどちらかに到達するまで進行しうる。
The above charging reaction can proceed until either the negative electrode
[放電プロセスの説明]
次に、満充電からの放電反応が説明される。
[Description of discharge process]
Next, the discharge reaction from full charge will be described.
満充電では、負極活物質32と正極活物質とは、充電状態となっている。
When fully charged, the negative electrode
放電反応では、正極集電体21と負極集電体31との間から電力が取り出される。
In the discharge reaction, electric power is taken out from between the positive electrode
(正極側の反応)
リチウム二次電池10の放電により、正極20にリチウム二次電池10の外部から電子が供給される。これにより、正極20では、正極活物質の還元反応が起こる。
(Reaction on the positive electrode side)
By discharging the lithium
例えば、本動作例では、下記の反応が生じる。
FePO4 + Li+ + e- → LiFePO4
For example, in this operation example, the following reaction occurs.
FePO 4 + Li + + e - → LiFePO 4
なお、リチウムイオン(Li+)の一部は、セパレータ40を通じて、正極20に向かって移動する。
A part of the lithium ion (Li + ) moves toward the
(負極側の反応)
リチウム二次電池10の放電により、負極集電体31の上では、負極メディエータの酸化反応が起こる。これにより、負極集電体31からリチウム二次電池10の外部に電子が放出される。
(Reaction on the negative electrode side)
Due to the discharge of the lithium
例えば、本動作例では、下記の反応が生じる。
Md・Li → Md + Li+ + e-
For example, in this operation example, the following reaction occurs.
Md · Li → Md + Li + + e -
酸化された負極メディエータは、負極活物質32により還元される。すなわち、負極活物質32は、負極メディエータによって酸化される。これにより、負極活物質32はリチウムを放出する。
The oxidized negative electrode mediator is reduced by the negative electrode
例えば、本動作例では、下記の反応が生じる。
LiAl + Md → Al + Md・Li
For example, in this operation example, the following reaction occurs.
LiAl + Md → Al + Md ・ Li
以上のように、負極メディエータは、トータル反応で見ると変化していない。 As described above, the negative electrode mediator has not changed in the total reaction.
一方で、負極集電体31と離れた場所に位置する負極活物質32が、放電状態となる。
On the other hand, the negative electrode
以上の放電反応は、負極活物質32が放電状態となる、又は、正極活物質が放電状態となる、のどちらかに到達するまで進行しうる。
The above discharge reaction can proceed until either the negative electrode
図2Aは、負極活物質32が負極集電体31から剥離したときの電解液50の状態を示している。本実施形態のリチウム二次電池10において、負極メディエータを含む電解液50は正極20及び負極30の両方に接している。負極メディエータは、負極集電体31の上で電子を受け取る。負極メディエータとLiカチオンとの複合体が負極集電体31の上で形成される。負極メディエータとLiカチオンとの複合体が負極活物質32に接すると、複合体から負極活物質32にLiカチオン及び電子が供与される。
FIG. 2A shows the state of the
負極メディエータとLiカチオンとの複合体は電解液50の中を拡散するので、正極20の表面上にも複合体が存在する。図2Bに示すように、複合体(Md・Li)の濃度は、負極集電体からの距離に応じて低下する。正極20の表面上での複合体(Md・Li)の濃度が十分に低い場合、本実施形態のリチウム二次電池10は充放電を繰り返し行うことができる。
Since the complex of the negative electrode mediator and the Li cation diffuses in the
本開示を実施例に基づき、具体的に説明する。ただし、本開示は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。 The present disclosure will be specifically described based on examples. However, the present disclosure is not limited to the following examples.
<実験1>
2cm×2cmの大きさの銅箔をポリプロピレン製微多孔性セパレータで包んだ。次に、セパレータをリチウム金属箔で包んだ。次に、銅箔とリチウム金属箔とのそれぞれにタブを取り付けた。その後、銅箔、セパレータ及びリチウム金属箔を外装ケースに入れた。次に、表1に示す濃度(mol/L)で縮合芳香族化合物を含む2MeTHF溶液をケースに注入し、ケースを密閉した。これにより、電位測定用セルを得た。
<
A copper foil having a size of 2 cm × 2 cm was wrapped with a polypropylene microporous separator. The separator was then wrapped in lithium metal foil. Next, tabs were attached to each of the copper foil and the lithium metal foil. Then, the copper foil, the separator and the lithium metal foil were put into the outer case. Next, a 2MeTHF solution containing a condensed aromatic compound at the concentration (mol / L) shown in Table 1 was injected into the case, and the case was sealed. As a result, a cell for potential measurement was obtained.
電位測定用セルを用いてリチウム金属基準にて電位(V vs.Li/Li+)を測定した。結果を表1に示す。表1に示す電位は、電位測定用セルを作製してから100時間経過後の値である。
The potential (V vs. Li / Li + ) was measured using a lithium metal standard using a potential measurement cell. The results are shown in Table 1. The potentials shown in Table 1 are
電位測定用セルにおいて、リチウム金属の一部が溶液中に溶解することによって、リチウム金属溶液が形成される。表1に示す電位は、リチウム金属溶液の電位である。本測定ではエーテルとして2MeTHFを使用したが、他のエーテルも同様に使用可能である。 In the potential measurement cell, a lithium metal solution is formed by dissolving a part of the lithium metal in the solution. The potentials shown in Table 1 are the potentials of the lithium metal solution. Although 2MeTHF was used as the ether in this measurement, other ethers can be used in the same manner.
表1に示される電位が、リチウムと負極活物質32との化合物が形成される上限電位以下のものは、負極活物質32をリチウムと合金化する能力を有する。このような電位を示す縮合芳香族化合物は、負極メディエータとして使用できる。
When the potential shown in Table 1 is equal to or lower than the upper limit potential at which a compound of lithium and the negative electrode
<実験2>
2cm×2cmの大きさの銅箔をポリプロピレン製微多孔性セパレータで包んだ。次に、セパレータをリチウム金属箔で包んだ。次に、銅箔とリチウム金属箔とのそれぞれにタブを取り付けた。その後、銅箔、セパレータ及びリチウム金属箔を外装ケースに入れた。次に、0.1mol/Lの濃度でビフェニルを含むエーテル溶液をケースに注入し、ケースを密閉した。エーテル溶液の溶媒は、環状エーテルとして2MeTHFを含み、さらに、グライムとしてトリグライムを含んでいた。エーテル溶液の溶媒の体積に対するトリグライムの体積の割合は、0.2であった。言い換えると、2MeTHFの体積とトリグライムの体積との比率は、8:2であった。エーテル溶液には、支持塩として1mol/LのLiPF6が溶解していた。以上によりサンプル1の電位測定用セルを作製した。この電位測定用セルを用いてリチウム金属基準で測定された電位(V vs.Li/Li+)を図3に示す。電位測定用セルを作製した直後の電位の値は、約0.24Vvs.Li/Li+であった。電位測定用セルを作製してから100時間経過後の電位の値は、約0.15Vvs.Li/Li+であった。
<
A copper foil having a size of 2 cm × 2 cm was wrapped with a polypropylene microporous separator. The separator was then wrapped in lithium metal foil. Next, tabs were attached to each of the copper foil and the lithium metal foil. Then, the copper foil, the separator and the lithium metal foil were put into the outer case. Next, an ether solution containing biphenyl at a concentration of 0.1 mol / L was injected into the case, and the case was sealed. The solvent of the ether solution contained 2 MeTHF as the cyclic ether and further contained triglime as the grime. The ratio of the volume of triglime to the volume of solvent in the ether solution was 0.2. In other words, the ratio of the volume of 2MeTHF to the volume of triglime was 8: 2. 1 mol / L LiPF 6 was dissolved as a supporting salt in the ether solution. From the above, the potential measurement cell of
次に、エーテル溶液の溶媒の体積に対するトリグライムの体積の割合を変更したことを除き、上記と同じ方法によって、サンプル2からサンプル9の電位測定用セルを作製した。サンプル2からサンプル9の電位測定用セルにおいて、エーテル溶液の溶媒の体積に対するトリグライムの体積の割合は、それぞれ、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9及び1.0であった。これらの電位測定用セルについて、電位測定用セルを作製した直後の電位の値及び電位測定用セルを作製してから100時間経過後の電位の値を測定した。エーテル溶液の溶媒の体積に対するトリグライムの体積の割合と、電位測定用セルの電位の値との関係を図3に示す。図3において、破線は、電位測定用セルを作製した直後の電位の値を示している。実線は、電位測定用セルを作製してから100時間経過後の電位の値を示している。
Next, potential measurement cells of
次に、サンプル1からサンプル9の電位測定用セルのそれぞれのエーテル溶液にアルミニウムを投入した。アルミニウムを投入してから100時間経過後に、アルミニウムの表面を観察した。その結果、2MeTHFの体積とトリグライムの体積との比率が8:2であるサンプル1の電位測定用セルに投入されたアルミニウム、及び、2MeTHFの体積とトリグライムの体積との比率が7:3であるサンプル2の電位測定用セルに投入されたアルミニウムは、粉末状のLiAl合金に変化していたことが確認された。2MeTHFの体積とトリグライムの体積との比率が6:4であるサンプル3の電位測定用セルに投入されたアルミニウムは、表面のみが粗く、その一部がLiAl合金に変化していたことが確認された。このアルミニウムは、エーテル溶液に投入されたときの形状を維持していた。2MeTHFの体積とトリグライムの体積との比率が5:5から0:10であるサンプル4からサンプル9の電位測定用セルに投入されたアルミニウムからは、変化が確認されず、LiAl合金が形成されていなかった。以上の結果から、エーテル溶液の電位が0.18Vvs.Li/Li+以下であれば、LiAl合金が形成されることがわかる。このようなエーテル溶液は、リチウム二次電池の電解液の溶媒として利用できる。
Next, aluminum was added to each of the ether solutions of the potential measurement cells of
<実験3>
(サンプル10)
正極活物質として7.8mAh相当のLiFePO4、負極活物質として2.049mAh相当のZn箔、負極集電体として租面化銅箔、電解液としてリチウム塩及び負極メディエータとしてビフェニルを含む2MeTHF溶液を準備した。負極集電体としての銅箔にZn箔を重ねて9点でスポット溶接した。これらの材料を用いて、サンプル11のリチウム二次電池を作製した。電解液におけるビフェニルの濃度は0.00625mol/Lであった。正極は微多孔膜からなるセパレータで包んだ。リチウム塩としてLiPF6を用いた。電解液におけるLiPF6の濃度は1mol/Lであった。
<Experiment 3>
(Sample 10)
LiFePO 4 equivalent to 7.8 mAh as the positive electrode active material, Zn foil equivalent to 2.049 mAh as the negative electrode active material, surfaced copper foil as the negative electrode current collector, lithium salt as the electrolytic solution, and a 2MeTH F solution containing biphenyl as the negative electrode mediator. Got ready. Zn foil was overlaid on copper foil as a negative electrode current collector and spot welded at 9 points. Using these materials, a lithium secondary battery of
(サンプル11)
電解液におけるビフェニルの濃度を0.0125mol/Lに変更したことを除き、サンプル10と同じ条件にて、サンプル11のリチウム二次電池を作製した。
(Sample 11)
A lithium secondary battery of
(サンプル12)
電解液に負極メディエータが含まれていないこと、及び、負極集電体として負極活物質に兼用されたアルミニウム箔を用いたことを除き、サンプル10と同じ方法にて、サンプル12のリチウム二次電池を作製した。
(Sample 12)
The lithium secondary battery of sample 12 was prepared in the same manner as in
(サンプル13)
電解液に負極メディエータが含まれていないこと、及び、負極集電体として負極活物質に兼用されたZn箔を用いたことを除き、サンプル10と同じ方法にて、サンプル13のリチウム二次電池を作製した。
(Sample 13)
The lithium secondary battery of sample 13 was prepared in the same manner as in
(サンプル14)
Zn箔を負極集電体に溶接せず、セパレータで包んで負極集電体の上に置いたことを除き、サンプル10と同じ方法にて、サンプル14のリチウム二次電池を作製した。
(Sample 14)
A lithium secondary battery of sample 14 was prepared in the same manner as in
(充放電試験)
得られたリチウム二次電池の充放電試験を行った。充放電電流が1mA、充電時間が2時間、放電時の終止電圧が2Vの条件にて、充放電試験を行った。結果を図4及び図5に示す。図4は、サンプル10,11及び13のリチウム二次電池の充放電試験の結果を示している。図5は、サンプル14のリチウム二次電池の充放電試験の結果を示している。
(Charge / discharge test)
The charge / discharge test of the obtained lithium secondary battery was performed. The charge / discharge test was performed under the conditions that the charge / discharge current was 1 mA, the charging time was 2 hours, and the final voltage at the time of discharge was 2 V. The results are shown in FIGS. 4 and 5. FIG. 4 shows the results of charge / discharge tests of the lithium secondary batteries of
図4及び図5の縦軸は、充放電効率(単位:%)を示している。充放電効率は、初回の充電容量(2mAh)に対する各サイクルの放電容量の割合(%)である。 The vertical axis of FIGS. 4 and 5 shows the charge / discharge efficiency (unit:%). The charge / discharge efficiency is the ratio (%) of the discharge capacity of each cycle to the initial charge capacity (2 mAh).
図4に示すように、サンプル10及びサンプル11のリチウム二次電池の充放電効率は、充放電を30回繰り返しても実質的に低下しなかった。サンプル10のリチウム二次電池の充放電効率は、サンプル11のリチウム二次電池の充放電効率よりも優れていた。つまり、負極メディエータの濃度が下がると充放電効率が向上した。充電容量は2mAhであり、ビフェニルの容量よりも格段に大きかった。このことは、ZnがLiZn合金を形成して充放電に関与していることを意味する。ZnがLiZn合金に変化してLiZn合金が微粉化したと考えられるが、負極メディエータの働きによって放電が可能であった。
As shown in FIG. 4, the charging / discharging efficiency of the lithium secondary batteries of
充放電サイクルの初期の充放電効率が低い理由としては、充電された負極メディエータが正極に接触して化学的に短絡することが挙げられる。複数回の充放電サイクルが行われるとZnが微粉化してその表面積が増大するため、充電された負極メディエータとZnとの反応速度が増し、充電された負極メディエータと正極との化学的な短絡の速度を上回る。その結果、充放電効率が徐々に上昇する。 The reason why the charge / discharge efficiency at the initial stage of the charge / discharge cycle is low is that the charged negative electrode mediator comes into contact with the positive electrode and chemically short-circuits. When multiple charge / discharge cycles are performed, Zn is atomized and its surface area is increased, so that the reaction rate between the charged negative electrode mediator and Zn is increased, and the chemical short circuit between the charged negative electrode mediator and the positive electrode is caused. Exceed speed. As a result, the charge / discharge efficiency gradually increases.
充電された負極メディエータと正極との化学的短絡はゼロではないので、充放電サイクルを繰り返しても充放電効率は100%には到達しなかった。 Since the chemical short circuit between the charged negative electrode mediator and the positive electrode is not zero, the charge / discharge efficiency did not reach 100% even after repeating the charge / discharge cycle.
リチウム二次電池では、リチウムが正極と負極との間を行き来する。その過程でリチウムが不活性化されると、充電容量が減少して元に戻らない。合金化材料を用いた従来のリチウム二次電池において、合金化材料と負極集電体との電気的接触が失われることも不活性化の1種であると言える。 In a lithium secondary battery, lithium moves back and forth between the positive and negative electrodes. If lithium is inactivated in the process, the charge capacity is reduced and cannot be restored. In a conventional lithium secondary battery using an alloying material, the loss of electrical contact between the alloying material and the negative electrode current collector can be said to be one type of inactivation.
本実施形態のリチウム二次電池では、化学的な短絡が起きたとしてもリチウムが不活性化されることなく正極に戻るので、リチウム二次電池の充電容量は復帰する。そのため、充放電効率が100%に達しなくとも充放電を繰り返し行うことができる。 In the lithium secondary battery of the present embodiment, even if a chemical short circuit occurs, lithium returns to the positive electrode without being inactivated, so that the charge capacity of the lithium secondary battery is restored. Therefore, charging / discharging can be repeated even if the charging / discharging efficiency does not reach 100%.
図4に示す結果は、負極メディエータの種類に左右されにくいと考えられる。なぜなら、反応速度は、電解液における負極メディエータの濃度に依存するからである。 The results shown in FIG. 4 are considered to be less dependent on the type of negative electrode mediator. This is because the reaction rate depends on the concentration of the negative electrode mediator in the electrolyte.
一方、サンプル13のリチウム二次電池の放電容量は、30回の充放電を行うことによって激減した。サンプル13のリチウム二次電池は負極メディエータを含んでいなかったので、微粉化したZnと負極集電体との間の電子の授受が困難になったと考えられる。 On the other hand, the discharge capacity of the lithium secondary battery of sample 13 was drastically reduced by performing charging and discharging 30 times. Since the lithium secondary battery of sample 13 did not contain the negative electrode mediator, it is considered that it became difficult to transfer electrons between the pulverized Zn and the negative electrode current collector.
なお、サンプル12のリチウム二次電池は、充電可能であったが、放電不可能であった。負極活物質としてのアルミニウムが充電によって微粉化した結果、放電時に負極集電体によって電子を集めることが困難になったと考えられる。 The lithium secondary battery of sample 12 was rechargeable, but could not be discharged. It is considered that as a result of aluminum as the negative electrode active material being pulverized by charging, it became difficult for the negative electrode current collector to collect electrons during discharge.
図5は、サンプル14のリチウム二次電池の充放電サイクル特性を示している。サンプル14では、負極活物質であるZnが予め負極集電体から離れて配置されていた。サンプル10の結果(図4)とサンプル14の結果(図5)とを比較すると、サンプル10のリチウム二次電池の方がやや高い充放電効率を示した。
FIG. 5 shows the charge / discharge cycle characteristics of the lithium secondary battery of sample 14. In sample 14, Zn, which is a negative electrode active material, was previously arranged away from the negative electrode current collector. Comparing the result of sample 10 (FIG. 4) and the result of sample 14 (FIG. 5), the lithium secondary battery of
本開示のリチウム二次電池は、例えば、蓄電デバイス又は蓄電システムとして好適に使用できる。 The lithium secondary battery of the present disclosure can be suitably used as, for example, a power storage device or a power storage system.
10 リチウム二次電池
20 正極
21 正極集電体
22 正極活物質層
30 負極
31 負極集電体
32 負極活物質
40 セパレータ
50 電解液
60 容器
10 Lithium
Claims (13)
負極と、
溶媒と、前記溶媒に溶解した負極メディエータとを含み、前記正極及び前記負極に接している電解液と、
を備え、
前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に接している負極活物質とを有し、
前記負極メディエータは、前記負極活物質と前記負極集電体との間の電子の授受を行う、リチウム二次電池。 A positive electrode having a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer supported by the positive electrode current collector,
With the negative electrode
An electrolytic solution containing a solvent and a negative electrode mediator dissolved in the solvent and in contact with the positive electrode and the negative electrode.
With
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material in contact with the negative electrode current collector.
The negative electrode mediator is a lithium secondary battery that transfers electrons between the negative electrode active material and the negative electrode current collector.
前記負極活物質はリチウムと合金化する、請求項1に記載のリチウム二次電池。 The positive electrode active material layer occludes or releases lithium ions,
The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode active material is alloyed with lithium.
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CN114388889A (en) * | 2021-12-30 | 2022-04-22 | 复旦大学 | Lithium ion battery electrolyte suitable for high-capacity micron alloy cathode, battery and electronic device |
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