JP2022141192A - Positive electrode and non-aqueous electrolyte secondary battery including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正極に関する。本発明はまた、当該正極を備える非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to positive electrodes. The present invention also relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery including the positive electrode.
近年、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。 In recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion secondary batteries have been used as portable power sources for personal computers and mobile terminals, and for driving vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HV), and plug-in hybrid vehicles (PHV). It is suitable for use as a power source for electric appliances.
非水電解質二次電池においては、一般的に、電荷担体となるイオンを吸蔵および放出可能な活物質が用いられている。正極に用いられる活物質としては、リチウム複合酸化物が一般的であり、リチウム複合酸化物として、スピネル型リチウムマンガン系複合酸化物等の、スピネル型の結晶構造を有し、マンガンを含有する複合酸化物(以下、「スピネル型マンガン含有複合酸化物」と呼ぶことがある)が使用可能であることが知られている(例えば、特許文献1および2参照)。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries generally use an active material that can occlude and release ions that serve as charge carriers. Lithium composite oxides are generally used as the active material for the positive electrode, and examples of lithium composite oxides include composites having a spinel-type crystal structure and containing manganese, such as spinel-type lithium-manganese-based composite oxides. It is known that oxides (hereinafter sometimes referred to as "spinel-type manganese-containing composite oxides") can be used (see Patent Documents 1 and 2, for example).
スピネル型マンガン含有複合酸化物は、熱安定性が高く安価であるという利点がる。しかしながら、特許文献1および2に記載があるように、スピネル型マンガン含有複合酸化物を用いた非水電解質二次電池に充放電を繰り返し行った際には、容量の劣化が大きいという問題が長年にわたって存在している。一方で、特許文献3には、フルオロアルキル基を有するホスホン酸化合物を非水電解質に添加することによって、充放電を繰り返し行った際の容量の劣化を抑制する技術が開示されている。 The spinel-type manganese-containing composite oxide has the advantages of high thermal stability and low cost. However, as described in Patent Documents 1 and 2, when a non-aqueous electrolyte secondary battery using a spinel-type manganese-containing composite oxide is repeatedly charged and discharged, the capacity deteriorates significantly. exist across. On the other hand, Patent Literature 3 discloses a technique for suppressing deterioration of capacity during repeated charging and discharging by adding a phosphonic acid compound having a fluoroalkyl group to a non-aqueous electrolyte.
しかしながら、本発明者らが鋭意検討した結果、従来技術である特許文献3に記載の技術においても、スピネル型マンガン含有複合酸化物を用いた非水電解質二次電池に充放電を繰り返し行った際の容量劣化の抑制において、未だ改善の余地があることを見出した。 However, as a result of intensive studies by the present inventors, even in the conventional technology described in Patent Document 3, when a non-aqueous electrolyte secondary battery using a spinel-type manganese-containing composite oxide is repeatedly charged and discharged, It has been found that there is still room for improvement in suppressing the capacity deterioration of the battery.
そこで本発明の目的は、スピネル型マンガン含有複合酸化物を用いた正極であって、充放電を繰り返した際の優れた容量劣化耐性を非水電解質二次電池に付与できる正極を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a positive electrode using a spinel-type manganese-containing composite oxide, which is capable of providing a non-aqueous electrolyte secondary battery with excellent capacity deterioration resistance when charging and discharging are repeated. be.
ここに開示される正極は、正極集電体と、前記正極集電体に支持された正極活物質層とを、備える。前記正極活物質層は、正極活物質を含有する。前記正極活物質は、スピネル型結晶構造を有し、かつMnを含有するリチウム複合酸化物である。前記リチウム複合酸化物はその表面に、フッ素化された炭化水素基を有するホスホン酸化合物の被覆を有している。前記リチウム複合酸化物に対する前記ホスホン酸化合物の割合は、0.1質量%以上1.0質量%以下である。このような構成によれば、スピネル型マンガン含有複合酸化物を用いた正極であって、充放電を繰り返した際の優れた容量劣化耐性を非水電解質二次電池に付与できる正極を提供することができる。 The positive electrode disclosed herein includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer supported by the positive electrode current collector. The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material. The positive electrode active material is a lithium composite oxide having a spinel crystal structure and containing Mn. The lithium composite oxide has a coating of a phosphonic acid compound having a fluorinated hydrocarbon group on its surface. A ratio of the phosphonic acid compound to the lithium composite oxide is 0.1% by mass or more and 1.0% by mass or less. According to such a configuration, it is possible to provide a positive electrode using a spinel-type manganese-containing composite oxide, which can impart excellent resistance to capacity deterioration when charging and discharging are repeated to a non-aqueous electrolyte secondary battery. can be done.
ここに開示される正極の好ましい一態様においては、前記正極活物質層が、さらにリン酸三リチウムを含有する。このような構成によれば、より高い容量劣化耐性を非水電解質二次電池に付与することができる。 In a preferred embodiment of the positive electrode disclosed herein, the positive electrode active material layer further contains trilithium phosphate. According to such a configuration, it is possible to impart higher resistance to capacity deterioration to the non-aqueous electrolyte secondary battery.
ここに開示される正極の好ましい一態様においては、前記ホスホン酸化合物のフッ素化された炭化水素基が、フッ素化された炭素数8~12のアルキル基である。このような構成によれば、より高い容量劣化耐性を非水電解質二次電池に付与することができる。 In a preferred embodiment of the positive electrode disclosed herein, the fluorinated hydrocarbon group of the phosphonic acid compound is a fluorinated alkyl group having 8 to 12 carbon atoms. According to such a configuration, it is possible to impart higher resistance to capacity deterioration to the non-aqueous electrolyte secondary battery.
ここに開示される正極の好ましい一態様においては、前記リチウム複合酸化物が、LiMn2O4である。LiMn2O4は、非水電解質二次電池に充放電を繰り返した際の容量劣化が特に大きいため、このような構成によれば、ここに開示される正極の容量劣化抑制効果がより顕著となる。また、このような構成によれば、非水電解質二次電池の熱安定性の向上および低コスト化が可能となる。 In a preferred embodiment of the positive electrode disclosed herein, the lithium composite oxide is LiMn 2 O 4 . Since LiMn 2 O 4 has a particularly large capacity deterioration when the non-aqueous electrolyte secondary battery is repeatedly charged and discharged, according to such a configuration, the effect of suppressing capacity deterioration of the positive electrode disclosed herein is more remarkable. Become. Moreover, according to such a configuration, it is possible to improve the thermal stability of the non-aqueous electrolyte secondary battery and reduce the cost.
別の側面から、ここに開示される非水電解質二次電池は、上記の正極と、負極と、非水電解質とを備える。このような構成によれば、充放電を繰り返した際の容量劣化耐性に優れる非水電解質二次電池を提供することができる。 From another aspect, a non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein includes the above positive electrode, negative electrode, and non-aqueous electrolyte. According to such a configuration, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery that is excellent in capacity deterioration resistance when charging and discharging are repeated.
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態を説明する。なお、本明細書において言及していない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は、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. Matters not mentioned in this specification but necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters by those skilled in the art based on the prior art in the relevant field. The present invention can be implemented based on the contents disclosed in this specification and common general technical knowledge in the field. Further, in the following drawings, members and portions having the same function are denoted by the same reference numerals. Also, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect the actual dimensional relationships.
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイスをいい、いわゆる蓄電池、および電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。また、本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。 In this specification, the term "secondary battery" refers to an electricity storage device that can be repeatedly charged and discharged, and is a term that includes so-called storage batteries and electricity storage elements such as electric double layer capacitors. In this specification, the term “lithium ion secondary battery” refers to a secondary battery that utilizes lithium ions as a charge carrier and is charged/discharged by the transfer of charge associated with the lithium ions between the positive and negative electrodes.
以下、リチウムイオン二次電池に用いられる正極を例にして、本発明について詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。図1は、本実施形態に係る正極の、厚さ方向に垂直な模式断面図である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail using a positive electrode used in a lithium ion secondary battery as an example, but the present invention is not intended to be limited to those described in the embodiments. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the thickness direction of the positive electrode according to this embodiment.
図示されるように、正極50は、正極集電体52と、正極集電体52に支持された正極活物質層54とを備える。正極活物質層54は、正極集電体52の片面上に設けられていてもよいし、図示されるように、正極集電体52の両面上に設けられていてもよく、正極集電体52の両面上に設けられていることが好ましい。
As illustrated, the
正極集電体52としては、リチウムイオン二次電池に用いられる公知の正極集電体を用いてよく、その例としては、導電性の良好な金属(例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等)製のシートまたは箔が挙げられる。正極集電体52としては、アルミニウム箔が好ましい。
As the positive electrode
正極集電体52の寸法は特に限定されず、電池設計に応じて適宜決定すればよい。正極集電体52としてアルミニウム箔を用いる場合には、その厚みは、特に限定されないが、例えば5μm以上35μm以下であり、好ましくは7μm以上20μm以下である。
The dimensions of the positive electrode
正極活物質層54は、正極活物質を含有する。本実施形態においては、正極活物質には、スピネル型結晶構造を有し、かつMnを含有するリチウム複合酸化物(スピネル型マンガン含有複合酸化物)が用いられる。このような複合酸化物としては、例えば、スピネル型結晶構造のマンガン酸リチウム(LiMn2O4)、およびマンガン酸リチウムのマンガンの一部がリチウムやその他の元素で置換されたスピネル型結晶構造の複合酸化物(例えば、LiNi0.5Mn1.5O4等)などが挙げられる。
The positive electrode
スピネル型マンガン含有複合酸化物として具体的に、例えば、下記式(I)で表される組成の複合酸化物を用いることができる。
Lix(M1yM2zMn2-x-y-z)O4-δ・・・(I)
As the spinel-type manganese-containing composite oxide, for example, a composite oxide having a composition represented by the following formula (I) can be used.
Li x (M1 y M2 z Mn 2-x-y-z )O 4-δ (I)
式(I)において、M1は、Ni、Co、およびFeからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、好ましくはNiである。M2は、Na、Mg、Al、P、K、Ca、Ba、Sr、Ti、V、Cr、Cu、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、In、Ta、W、Re、およびCeからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、好ましくはTiである。 In formula (I), M1 is at least one element selected from the group consisting of Ni, Co and Fe, preferably Ni. M2 is the group consisting of Na, Mg, Al, P, K, Ca, Ba, Sr, Ti, V, Cr, Cu, Ga, Y, Zr, Nb, Mo, In, Ta, W, Re, and Ce Ti is at least one element selected from Ti, preferably Ti.
式(I)において、xは、1.00≦x≦1.20を満たし、好ましくは1.00≦x≦1.05を満たし、より好ましくは1.00である。yは、0≦y≦1.20を満たし、好ましくは、0≦y≦0.60を満たし、より好ましくは0である。zは、0≦z≦0.5を満たし、好ましくは0≦z≦0.10を満たし、より好ましくは0である。δは、0≦δ≦0.20を満たし、好ましくは0≦δ≦0.05を満たし、より好ましくは0である。 In formula (I), x satisfies 1.00≦x≦1.20, preferably 1.00≦x≦1.05, and more preferably 1.00. y satisfies 0≦y≦1.20, preferably 0≦y≦0.60, more preferably 0. z satisfies 0≦z≦0.5, preferably 0≦z≦0.10, more preferably 0. δ satisfies 0≦δ≦0.20, preferably 0≦δ≦0.05, more preferably 0.
本実施形態においては、特定組成のスピネル型マンガン含有複合酸化物を単独で用いてもよく、組成の異なる2種以上のスピネル型マンガン含有複合酸化物を組み合わせて用いてもよい。LiMn2O4を用いた非水電解質二次電池に充放電を繰り返した場合、その容量劣化が特に大きい。そのため、本実施形態においては、スピネル型マンガン含有複合酸化物が、LiMn2O4であることが、本実施形態に係る正極の容量劣化抑制効果がより顕著になるため有利である。また、LiMn2O4の使用は、正極50を用いた非水電解質二次電池に高い熱安定性を付与でき、また低コスト化が可能であるという利点も有する。
In the present embodiment, a spinel-type manganese-containing composite oxide having a specific composition may be used alone, or two or more spinel-type manganese-containing composite oxides having different compositions may be used in combination. When a non-aqueous electrolyte secondary battery using LiMn 2 O 4 is repeatedly charged and discharged, its capacity deteriorates particularly significantly. Therefore, in the present embodiment, it is advantageous to use LiMn 2 O 4 as the spinel-type manganese-containing composite oxide because the effect of suppressing capacity deterioration of the positive electrode according to the present embodiment becomes more pronounced. In addition, the use of LiMn 2 O 4 has the advantage of being able to impart high thermal stability to the non-aqueous electrolyte secondary battery using the
本実施形態においては、スピネル型マンガン含有複合酸化物は、その表面に、フッ素化された炭化水素基を有するホスホン酸化合物(以下、ホスホン酸化合物(A)とも称する)の被覆を有する。 In this embodiment, the spinel-type manganese-containing composite oxide has a coating of a phosphonic acid compound having a fluorinated hydrocarbon group (hereinafter also referred to as a phosphonic acid compound (A)) on its surface.
ホスホン酸化合物(A)の有するフッ素化された炭化水素基の「炭化水素基」は、脂肪族炭化水素基であっても、芳香族炭化水素基であってもよい。また、炭化水素基は、飽和炭化水素基であっても、不飽和炭化水素基であってもよい。また、炭化水素基は、直鎖状であってもよく、分岐鎖状であってもよく、環状であってもよい。 The "hydrocarbon group" of the fluorinated hydrocarbon group of the phosphonic acid compound (A) may be either an aliphatic hydrocarbon group or an aromatic hydrocarbon group. Moreover, the hydrocarbon group may be a saturated hydrocarbon group or an unsaturated hydrocarbon group. Further, the hydrocarbon group may be linear, branched, or cyclic.
当該炭化水素基の具体例としては、メチル基、エチル基、プロピル基、n-ブチル基、イソブチル基、sec-ブチル基、tert-ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基などのアルキル基;ビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘキセニル基等のアルケニル基;エチニル基、プロピニル基、ブチニル基、ペンチニル基、ヘキシニル基等のアルキニル基;フェニル基、ナフチル基、アントリル基等のアリール基;ベンジル基、フェニルエチル基等のアリールアルキル基;トリル基等のアルキルアリール基;などが挙げられる。炭化水素基は、好ましくはアルキル基、アリール基、アリールアルキル基、またはアルキルアリール基であり、より好ましくはアリールアルキル基、またはアルキル基であり、さらに好ましくはアルキル基である。 Specific examples of the hydrocarbon group include methyl group, ethyl group, propyl group, n-butyl group, isobutyl group, sec-butyl group, tert-butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group and nonyl. decyl group, undecyl group, dodecyl group; alkenyl groups such as vinyl group, allyl group, propenyl group, isopropenyl group, butenyl group, pentenyl group, hexenyl group; ethynyl group, propynyl group, butynyl group; Alkynyl groups such as pentynyl group and hexynyl group; aryl groups such as phenyl group, naphthyl group and anthryl group; arylalkyl groups such as benzyl group and phenylethyl group; alkylaryl groups such as tolyl group; The hydrocarbon group is preferably an alkyl group, an aryl group, an arylalkyl group or an alkylaryl group, more preferably an arylalkyl group or an alkyl group, still more preferably an alkyl group.
炭化水素基は、フッ素化されている。よって炭化水素基は、少なくとも一部の水素原子がフッ素原子により置換されている。フッ素化されている炭化水素基の有するフッ素原子の数は特に限定されない。当該炭化水素基は、水素原子の30%以上がフッ素原子で置換されていることが好ましく、水素原子の50%以上がフッ素原子で置換されていることがより好ましく、水素原子の70%以上がフッ素原子で置換されていることがさらに好ましい。 Hydrocarbon groups are fluorinated. Thus, the hydrocarbon group has at least some hydrogen atoms replaced by fluorine atoms. The number of fluorine atoms in the fluorinated hydrocarbon group is not particularly limited. In the hydrocarbon group, 30% or more of the hydrogen atoms are preferably substituted with fluorine atoms, more preferably 50% or more of the hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms, and 70% or more of the hydrogen atoms are More preferably, it is substituted with a fluorine atom.
より高い容量劣化耐性を非水電解質二次電池に付与できることから、フッ素化された炭化水素基としては、フッ素化された炭素数8~12のアルキル基が好ましい。 As the fluorinated hydrocarbon group, a fluorinated alkyl group having 8 to 12 carbon atoms is preferable because it can impart higher resistance to capacity deterioration to the non-aqueous electrolyte secondary battery.
より高い容量劣化耐性を非水電解質二次電池に付与できることから、ホスホン酸化合物(A)は、炭素数1または2のアルキレン基の一方の結合手に、ホスホン酸基が結合し、もう一方の結合手に、炭素数4~10のパーフルオロ炭化水素基(特に、炭素数6~10のパーフルオロ炭化水素基)が結合している化合物であることが好ましい。 Since higher capacity deterioration resistance can be imparted to the non-aqueous electrolyte secondary battery, the phosphonic acid compound (A) has a phosphonic acid group bonded to one bond of the alkylene group having 1 or 2 carbon atoms, and the other A compound in which a perfluorohydrocarbon group having 4 to 10 carbon atoms (especially a perfluorohydrocarbon group having 6 to 10 carbon atoms) is bonded to the bond is preferred.
フッ素化された炭化水素基を有するホスホン酸化合物(A)の好適な例としては、下記一般式(1)で表されるホスホン酸化合物が挙げられる。 Suitable examples of the phosphonic acid compound (A) having a fluorinated hydrocarbon group include phosphonic acid compounds represented by the following general formula (1).
式(1)において、置換基Rfは、炭素数1~12のフルオロアルキル基であり、好ましくは炭素数4~10のフルオロアルキル基であり、さらに好ましくは炭素数6~10のフルオロアルキル基である。フルオロアルキル基は直鎖状であってもよく、分岐鎖状であってもよく、環状であってもよい。Rfで表されるフルオロアルキル基は、1個以上の水素原子がフッ素原子で置換されていればよく、好ましくは水素原子のすべてがフッ素原子で置換されたアルキル基(すなわち、パーフルオロアルキル基)である。Rfで表されるフルオロアルキル基は、本発明の効果を阻害しない範囲内で、フッ素原子に加えて、その他の置換基(例、ヒドロキシル基、メトキシ基、フッ素原子以外のハロゲン原子など)によって水素原子が置換されていてもよいが、好ましくは、水素原子がフッ素原子のみで置換されている。Rfとして特に好ましくは、炭素数4~10のパーフルオロアルキル基であり、最も好ましくは、炭素数6~10のパーフルオロアルキル基である。 In formula (1), the substituent Rf is a fluoroalkyl group having 1 to 12 carbon atoms, preferably a fluoroalkyl group having 4 to 10 carbon atoms, more preferably a fluoroalkyl group having 6 to 10 carbon atoms. be. A fluoroalkyl group may be linear, branched, or cyclic. The fluoroalkyl group represented by Rf may have one or more hydrogen atoms substituted with fluorine atoms, preferably an alkyl group having all hydrogen atoms substituted with fluorine atoms (i.e., perfluoroalkyl group) is. The fluoroalkyl group represented by Rf is a fluorine atom and other substituents (eg, a hydroxyl group, a methoxy group, a halogen atom other than a fluorine atom, etc.) in addition to a fluorine atom to the extent that the effects of the present invention are not impaired. Atoms may be substituted, but preferably hydrogen atoms are substituted only with fluorine atoms. Rf is particularly preferably a perfluoroalkyl group having 4 to 10 carbon atoms, and most preferably a perfluoroalkyl group having 6 to 10 carbon atoms.
また、フッ素化された炭化水素基を有するホスホン酸化合物の好適な具体例としては、1H,1H,2H,2H-パーフルオロ-n-ヘキシルホスホン酸(すなわちRfが(CF2)3CF3)であるもの);1H,1H,2H,2H-パーフルオロ-n-オクチルホスホン酸(すなわちRfが(CF2)5CF3)であるもの);3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-ヘプタデカフルオロデシルホスホン酸(すなわちRfが(CF2)7CF3)であるもの);3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,12,12,12-ヘンエイコサフルオロドデシルホスホン酸(すなわちRfが(CF2)9CF3)であるもの)が挙げられる。 Preferred specific examples of phosphonic acid compounds having a fluorinated hydrocarbon group include 1H,1H,2H,2H-perfluoro-n-hexylphosphonic acid (that is, Rf is (CF 2 ) 3 CF 3 ). 1H,1H,2H,2H-perfluoro-n-octylphosphonic acid (ie, where Rf is (CF 2 ) 5 CF 3 ); 3,3,4,4,5,5, 6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-heptadecafluorodecylphosphonic acid (ie, where Rf is (CF 2 ) 7 CF 3 ); 3,3,4 ,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,12,12,12-heneicosafluorododecylphosphonic acid (i.e., Rf is (CF 2 ) 9 CF 3 )).
また、ホスホン酸化合物(A)の別の好適な例としては、2,3,4,5,6-ペンタフルオロベンジルホスホン酸が挙げられる。 Another preferred example of the phosphonic acid compound (A) is 2,3,4,5,6-pentafluorobenzylphosphonic acid.
ホスホン酸酸化物(A)として、1種類のフッ素化された炭化水素基を有するホスホン酸化合物を単独で用いてよく、2種以上のフッ素化された炭化水素基を有するホスホン酸化合物を組み合わせて用いてもよい。 As the phosphonic acid oxide (A), a phosphonic acid compound having one fluorinated hydrocarbon group may be used alone, or two or more phosphonic acid compounds having two or more fluorinated hydrocarbon groups may be used in combination. may be used.
ホスホン酸化合物(A)は、スピネル型マンガン含有複合酸化物の表面に存在している限り、その被覆形態には特に制限はない。スピネル型マンガン含有複合酸化物がホスホン酸化合物(A)を分子間力によって吸着することにより、ホスホン酸化合物(A)がスピネル型マンガン含有複合酸化物を被覆していてもよい。ホスホン酸化合物(A)と、スピネル型マンガン含有複合酸化物とが水素結合によって結合して、スピネル型マンガン含有複合酸化物を被覆していてもよい。ホスホン酸化合物(A)がスピネル型マンガン含有複合酸化物の表面と反応することによって結合して、スピネル型マンガン含有複合酸化物を被覆していてもよい。 As long as the phosphonic acid compound (A) exists on the surface of the spinel-type manganese-containing composite oxide, there is no particular limitation on the coating form. The spinel-type manganese-containing composite oxide may be coated with the phosphonic acid compound (A) by adsorbing the phosphonic acid compound (A) by an intermolecular force. The phosphonic acid compound (A) and the spinel-type manganese-containing composite oxide may be bonded by hydrogen bonding to coat the spinel-type manganese-containing composite oxide. The phosphonic acid compound (A) may be bonded to the surface of the spinel-type manganese-containing composite oxide by reacting with it to coat the spinel-type manganese-containing composite oxide.
本実施形態に係る正極において、正極活物質として、表面にホスホン酸化合物(A)の被覆を有するスピネル型マンガン含有複合酸化物を用いることにより、充放電を繰り返した際の優れた容量劣化耐性を非水電解質二次電池に付与することができる。これは、次の理由によるものと考えられる。 In the positive electrode according to the present embodiment, by using a spinel-type manganese-containing composite oxide having a surface coated with a phosphonic acid compound (A) as the positive electrode active material, excellent resistance to capacity deterioration when charging and discharging are repeated. It can be applied to non-aqueous electrolyte secondary batteries. It is considered that this is due to the following reasons.
スピネル型マンガン含有複合酸化物からMnが溶出し、溶出したMnが負極に到達すると、負極上でLiが失活して、容量の低下が起こる。これに対し、ホスホン酸化合物(A)の被覆は、スピネル型マンガン含有複合酸化物からMnが溶出する際の障壁となることができ、これによりMnの溶出を抑制することができる。加えて、ホスホン酸化合物(A)の被覆は、Mnの溶出の原因となるフッ酸(HF)のスピネル型マンガン含有複合酸化物への接近を制限し、この点からもMnの溶出を抑制することができる。その結果、Mn溶出に起因する容量劣化を抑制することができる。 Mn is eluted from the spinel-type manganese-containing composite oxide, and when the eluted Mn reaches the negative electrode, Li is deactivated on the negative electrode, resulting in a decrease in capacity. In contrast, the coating of the phosphonic acid compound (A) can serve as a barrier when Mn elutes from the spinel-type manganese-containing composite oxide, thereby suppressing the elution of Mn. In addition, the coating of the phosphonic acid compound (A) limits the access of hydrofluoric acid (HF) to the spinel-type manganese-containing composite oxide, which causes the elution of Mn, and also suppresses the elution of Mn from this point. be able to. As a result, capacity deterioration due to Mn elution can be suppressed.
ただし。本実施形態において、リチウム複合酸化物に対するホスホン酸化合物(A)の割合は、0.1質量%以上1.0質量%以下である。ホスホン酸化合物(A)の割合が0.1質量%未満だと、ホスホン酸化合物(A)の被覆による容量劣化抑制効果が不十分となる。ホスホン酸化合物(A)の割合が1.0質量%を超えると、正極活物質層54と正極集電体52との密着性が悪化して、非水電解質二次電池に充放電を繰り返した際に、正極活物質層54と正極集電体52との間で剥離が起こりやすくなる。その結果、容量劣化耐性が低くなる。
however. In this embodiment, the ratio of the phosphonic acid compound (A) to the lithium composite oxide is 0.1% by mass or more and 1.0% by mass or less. If the proportion of the phosphonic acid compound (A) is less than 0.1% by mass, the effect of suppressing capacity deterioration by coating with the phosphonic acid compound (A) will be insufficient. When the proportion of the phosphonic acid compound (A) exceeded 1.0% by mass, the adhesion between the positive electrode
正極活物質の平均粒子径(メジアン径D50)は、特に制限はないが、例えば0.05μm以上25μm以下であり、好ましくは0.5μm以上23μm以下であり、より好ましくは3μm以上22μm以下である。なお、正極活物質の平均粒子径(メジアン径D50)は、例えば、レーザ回折散乱法等により求めることができる。 The average particle diameter (median diameter D50) of the positive electrode active material is not particularly limited, but is, for example, 0.05 μm or more and 25 μm or less, preferably 0.5 μm or more and 23 μm or less, more preferably 3 μm or more and 22 μm or less. . The average particle diameter (median diameter D50) of the positive electrode active material can be determined by, for example, a laser diffraction scattering method.
正極活物質の含有量は、特に限定されないが、正極活物質層54中(すなわち、正極活物質の全質量に対し)、好ましくは70質量%以上であり、より好ましくは80質量%以上であり、さらに好ましくは85質量%以上である。 The content of the positive electrode active material is not particularly limited, but is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, in the positive electrode active material layer 54 (that is, with respect to the total mass of the positive electrode active material). , more preferably 85% by mass or more.
正極活物質層54は、正極活物質以外の成分を含み得る。その例としては、リン酸三リチウム(Li3PO4)、導電材、バインダ等が挙げられる。
The positive electrode
正極活物質層54が、リン酸三リチウムを含有する場合には、より高い容量劣化耐性を非水電解質二次電池に付与することができる。リン酸三リチウムの含有量は、特に限定されないが、正極活物質に対して、例えば0.01質量%以上10質量%以下であり、好ましくは0.1質量%以上5質量%以下であり、より好ましくは0.2質量%以上3質量%以下である。
When the positive electrode
導電材としては、例えばアセチレンブラック(AB)等のカーボンブラックやその他(例、グラファイト等)の炭素材料を好適に使用し得る。正極活物質層54中の導電材の含有量は、特に限定されないが、例えば0.1質量%以上20質量%以下であり、好ましくは1質量%以上15質量%以下であり、より好ましくは2質量%以上10質量%以下である。
Carbon black such as acetylene black (AB) and other carbon materials (eg, graphite) can be suitably used as the conductive material. The content of the conductive material in the positive electrode
バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)等を使用し得る。正極活物質層54中のバインダの含有量は、特に限定されないが、例えば0.5質量%以上15質量%以下であり、好ましくは1質量%以上10質量%以下であり、より好ましくは1.5質量%以上8質量%以下である。
As the binder, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF) or the like can be used. Although the content of the binder in the positive electrode
正極活物質層54の厚みは、特に限定されないが、例えば、10μm以上300μm以下であり、好ましくは20μm以上200μm以下である。
Although the thickness of the positive electrode
本実施形態に係る正極50は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、ホスホン酸化合物(A)によってスピネル型マンガン含有複合酸化物を被覆することにより、正極活物質を準備する。被覆方法は特に限定されないが、その好適な例として、ホスホン酸化合物(A)を、適当な溶媒(例、N-メチルピロリドン)に溶解させて希釈した溶液を調製し、この溶液中にスピネル型マンガン含有複合酸化物を分散させた後、溶媒を除去する方法が挙げられる。
The
次に、正極活物質、および任意成分(リン酸三リチウム、導電材、バインダ等)を溶媒(分散媒)中で混合して正極活物質層形成用ペーストを作製する。正極活物質層形成用ペーストを正極集電体52上に塗布し、乾燥することによって正極活物質層54を形成する。必要により、正極活物質層54にプレス処理を行う。このようにして正極50を得ることができる。
Next, the positive electrode active material and arbitrary components (trilithium phosphate, conductive material, binder, etc.) are mixed in a solvent (dispersion medium) to prepare a positive electrode active material layer forming paste. The positive electrode active material layer forming paste is applied onto the positive electrode
本実施形態に係る正極50を備える非水電解質二次電池(特に、リチウムイオン二次電池)は、充放電を繰り返した際の容量の劣化が抑制されている。そこで、別の側面から、本実施形態に係る非水電解質二次電池は、上述の正極と、負極と、非水電解質とを備える非水電解質二次電池である。
A non-aqueous electrolyte secondary battery (particularly a lithium ion secondary battery) including the
以下、図2および図3を参照しながら、本実施形態に係る非水電解質二次電池の一例としてのリチウムイオン二次電池の構成例について説明する。 Hereinafter, a configuration example of a lithium ion secondary battery as an example of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG.
図2に示すリチウムイオン二次電池100は、扁平形状の捲回電極体20と非水電解質80とが扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)30に収容されることにより構築される密閉型電池である。電池ケース30には外部接続用の正極端子42および負極端子44と、電池ケース30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設定された薄肉の安全弁36とが設けられている。また、電池ケース30には、非水電解質80を注入するための注入口(図示せず)が設けられている。正極端子42は、正極集電板42aと電気的に接続されている。負極端子44は、負極集電板44aと電気的に接続されている。電池ケース30の材質としては、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。なお、図2は、非水電解質80の量を正確に表すものではない。
The lithium ion
捲回電極体20は、図2および図3に示すように、正極シート50と、負極シート60とが、2枚の長尺状のセパレータシート70を介して重ね合わされて長手方向に捲回された形態を有する。正極シート50は、長尺状の正極集電体52の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って正極活物質層54が形成された構成を有する。負極シート60は、長尺状の負極集電体62の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って負極活物質層64が形成されている構成を有する。正極活物質層非形成部分52a(すなわち、正極活物質層54が形成されずに正極集電体52が露出した部分)および負極活物質層非形成部分62a(すなわち、負極活物質層64が形成されずに負極集電体62が露出した部分)は、捲回電極体20の捲回軸方向(すなわち、上記長手方向に直交するシート幅方向)の両端から外方にはみ出すように形成されている。正極活物質層非形成部分52aおよび負極活物質層非形成部分62aには、それぞれ正極集電板42aおよび負極集電板44aが接合されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
正極シート50としては、上述した本実施形態に係る正極50が用いられる。なお、本構成例においては、正極シート50は、正極集電体52の両面に正極活物質層54が形成されている。
As the
負極シート60を構成する負極集電体62としては、リチウムイオン二次電池に用いられる公知の負極集電体を用いてよく、その例としては、導電性の良好な金属(例えば、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等)製のシートまたは箔が挙げられる。負極集電体62としては、銅箔が好ましい。
As the negative electrode
負極集電体62の寸法は特に限定されず、電池設計に応じて適宜決定すればよい。負極集電体62として銅箔を用いる場合には、その厚みは、特に限定されないが、例えば5μm以上35μm以下であり、好ましくは7μm以上20μm以下である。
The dimensions of the negative electrode
負極活物質層64は、負極活物質を含有する。負極活物質としては、例えば、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料を使用し得る。黒鉛は、天然黒鉛であっても人造黒鉛であってもよく、黒鉛が非晶質な炭素材料で被覆された形態の非晶質炭素被覆黒鉛であってもよい。
The negative electrode
負極活物質の平均粒子径(メジアン径D50)は、特に限定されないが、例えば、0.1μm以上50μm以下であり、好ましくは1μm以上25μm以下であり、より好ましくは5μm以上20μm以下である。 The average particle diameter (median diameter D50) of the negative electrode active material is not particularly limited, but is, for example, 0.1 μm or more and 50 μm or less, preferably 1 μm or more and 25 μm or less, more preferably 5 μm or more and 20 μm or less.
負極活物質層中の負極活物質の含有量は、特に限定されないが、90質量%以上が好ましく、95質量%以上がより好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more.
負極活物質層64は、負極活物質以外の成分、例えばバインダや増粘剤等を含み得る。
The negative electrode
バインダとしては、例えば、スチレンブタジエンラバー(SBR)およびその変性体、アクリロニトリルブタジエンゴムおよびその変性体、アクリルゴムおよびその変性体、フッ素ゴム等を使用し得る。なかでも、SBRが好ましい。負極活物質層64中のバインダの含有量は、特に限定されないが、好ましくは0.1質量%以上8質量%以下であり、より好ましくは0.2質量%以上3質量%以下である。
As the binder, for example, styrene-butadiene rubber (SBR) and its modified products, acrylonitrile-butadiene rubber and its modified products, acrylic rubber and its modified products, fluororubber, and the like can be used. Among them, SBR is preferable. The content of the binder in the negative electrode
増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、酢酸フタル酸セルロース(CAP)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)等のセルロース系ポリマー;ポリビニルアルコール(PVA)等を使用し得る。なかでも、CMCが好ましい。負極活物質層64中の増粘剤の含有量は、特に限定されないが、好ましくは0.3質量%以上3質量%以下であり、より好ましくは0.4質量%以上2質量%以下である。
Examples of thickeners that can be used include cellulose-based polymers such as carboxymethylcellulose (CMC), methylcellulose (MC), cellulose acetate phthalate (CAP), and hydroxypropylmethylcellulose (HPMC); polyvinyl alcohol (PVA) and the like. Among them, CMC is preferred. The content of the thickening agent in the negative electrode
負極活物質層64の厚みは、特に限定されないが、例えば、10μm以上300μm以下であり、好ましくは20μm以上200μm以下である。
Although the thickness of the negative electrode
セパレータ70としては、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂から構成される多孔性シート(フィルム)が挙げられる。かかる多孔性シートは、単層構造であってもよく、二層以上の積層構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。セパレータ70の表面には、耐熱層(HRL)が設けられていてもよい。
Examples of the
セパレータ70の厚みは特に限定されないが、例えば5μm以上50μm以下であり、好ましくは10μm以上30μm以下である。
Although the thickness of the
非水電解質80は、典型的には、非水溶媒と電解質塩(言い換えると、支持塩)とを含有する。非水溶媒としては、一般的なリチウムイオン二次電池の電解液に用いられる各種のカーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の有機溶媒を、特に限定なく用いることができる。なかでも、カーボネート類が好ましく、その具体例としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F-DMC)、トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)等が挙げられる。このような非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。
電解質塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)等のリチウム塩を用いることができ、なかでも、LiPF6が好ましい。電解質塩の濃度は、特に限定されないが、0.7mol/L以上1.3mol/L以下が好ましい。 As the electrolyte salt, for example, lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 and lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) can be used, among which LiPF 6 is preferred. The concentration of the electrolyte salt is not particularly limited, but is preferably 0.7 mol/L or more and 1.3 mol/L or less.
また、上記非水電解質80は、フッ素化された炭化水素基を有するホスホン酸化合物を含有していてもよい。このとき、充放電を繰り返した際のリチウムイオン二次電池100の容量劣化がさらに抑制される。非水電解質80中のフッ素化された炭化水素基を有するホスホン酸化合物の含有量は、特に限定されないが、例えば0.1質量%以上10質量%以下であり、好ましくは0.1質量%以上4.0質量%以下であり、さらに好ましくは0.1質量%以上2.0質量%以下である。
Moreover, the
なお、上記非水電解質80は、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、上述した成分以外の成分、例えば、オキサラト錯体等の被膜形成剤、ビフェニル(BP)、シクロヘキシルベンゼン(CHB)等のガス発生剤;増粘剤;等の各種添加剤を含んでいてもよい。
In addition, the
なお、正極50の正極活物質層54がリン酸三リチウムを含有し、かつスピネル型リチウム複合酸化物がLiMn2O4である場合には、リチウムイオン二次電池100に4.7V以上の電圧で初期充電を施すことにより、リン酸三リチウムによる容量劣化耐性向上効果をいっそう高めることができる。
When the positive electrode
以上のように構成されるリチウムイオン二次電池100は、充放電を繰り返した際の容量の劣化が起こり難くなっている。すなわち、リチウムイオン二次電池100は、サイクル特性に優れる。
In the lithium-ion
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。好適な用途としては、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。また、リチウムイオン二次電池100は、小型電力貯蔵装置等の蓄電池として使用することができる。リチウムイオン二次電池100は、典型的には複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態でも使用され得る。
The lithium ion
なお、一例として扁平形状の捲回電極体20を備える角形のリチウムイオン二次電池100について説明した。しかしながら、ここに開示される非水電解質二次電池は、積層型電極体(すなわち、複数の正極と、複数の負極とが交互に積層された電極体)を備えるリチウムイオン二次電池として構成することもできる。また、ここに開示される非水電解質二次電池は、円筒形リチウムイオン二次電池、ラミネートケース型リチウムイオン二次電池、コイン型リチウムイオン二次電池等として構成することもできる。また、ここに開示される非水電解質二次電池は、公知方法に準じて、リチウムイオン二次電池以外の非水電解質二次電池として構成することもできる。
As an example, the prismatic lithium ion
以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 EXAMPLES Examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.
<各実施例の評価用リチウムイオン二次電池の作製>
表1に示すホスホン酸化合物をN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に溶解させ、ホスホン酸化合物の溶液を得た。この溶液とLiMn2O4とを、LiMn2O4に対するホスホン酸化合物の添加量が表1に示す量になるように混合した。なお、表1に示すホスホン酸化合物としては、市販のアルドリッチ社製の試薬を用いた。
<Production of lithium-ion secondary battery for evaluation of each example>
A phosphonic acid compound solution shown in Table 1 was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to obtain a phosphonic acid compound solution. This solution and LiMn 2 O 4 were mixed so that the amount of the phosphonic acid compound added to LiMn 2 O 4 was the amount shown in Table 1. As the phosphonic acid compounds shown in Table 1, commercially available reagents manufactured by Aldrich were used.
得られた正極活物質(LMO)とホスホン酸化合物を含む混合物に、導電材としてのカーボンブラック(CB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とをLMO:CB:PVdF=90:8:2の質量比で、NMP中で混合し、正極活物質層形成用ペーストを調製した。ただし、実施例8においては、リン酸三リチウム(LPO)を、正極活物質に対し0.5質量%となるようにさらに添加して、正極活物質層形成用ペーストを調製した。 Carbon black (CB) as a conductive material and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder were added to a mixture containing the obtained positive electrode active material (LMO) and a phosphonic acid compound, and LMO:CB:PVdF=90:8: A paste for forming a positive electrode active material layer was prepared by mixing in NMP at a mass ratio of 2. However, in Example 8, trilithium phosphate (LPO) was further added to the positive electrode active material so as to be 0.5% by mass to prepare the positive electrode active material layer forming paste.
この正極活物質層形成用ペーストをアルミニウム箔上に塗布し、乾燥した後、ロールプレスによる高密度化処理を行うことにより、正極シートを作製した。この正極シートを120mm×100mmの寸法に裁断した。 This paste for forming a positive electrode active material layer was applied onto an aluminum foil, dried, and then subjected to densification treatment by roll pressing to prepare a positive electrode sheet. This positive electrode sheet was cut into a size of 120 mm×100 mm.
また、負極活物質としての球状化黒鉛(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、C:SBR:CMC=98:1:1の質量比で、水中で混合し、負極活物質層形成用ペーストを調製した。この負極活物質層形成用ペーストを、銅箔上に塗布し、乾燥した後、ロールプレスによる高密度化処理を行うことにより、負極シートを作製した。この負極シートを122mm×102mmの寸法に裁断した。 In addition, spheroidized graphite (C) as a negative electrode active material, styrene-butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickening agent were combined into C:SBR:CMC=98:1:1. were mixed in water at a mass ratio of , to prepare a paste for forming a negative electrode active material layer. This paste for forming a negative electrode active material layer was applied onto a copper foil, dried, and then densified by roll pressing to prepare a negative electrode sheet. This negative electrode sheet was cut into a size of 122 mm×102 mm.
セパレータシートとして多孔性ポリオレフィンシートを用意した。上記の正極シート、負極シート、およびセパレータを用いて電極体を作製し、当該電極体に電極端子を取り付けた後、非水電解質と共に電池ケースに収容した。非水電解質には、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、3:4:3の体積比で含む混合溶媒に、LiPF6を1.1mol/Lの濃度で溶解させると共に、リチウムビスオキサラトボレート(LiBOB)を0.5質量%の濃度で溶解させたものを用いた。このようにして、各実施例の評価用リチウムイオン二次電池を作製した。 A porous polyolefin sheet was prepared as a separator sheet. An electrode body was produced using the positive electrode sheet, the negative electrode sheet, and the separator, and after attaching an electrode terminal to the electrode body, the electrode body was housed in a battery case together with a non-aqueous electrolyte. The non-aqueous electrolyte is a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) at a volume ratio of 3:4:3, and LiPF 6 at 1.1 mol/L. Lithium bisoxalatoborate (LiBOB) was dissolved at a concentration of 0.5% by mass. In this manner, a lithium ion secondary battery for evaluation of each example was produced.
<比較例1の評価用リチウムイオン二次電池の作製>
ホスホン酸化合物で被覆することなく、LiMn2O4をそのまま正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様にして、評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
<Production of lithium ion secondary battery for evaluation of Comparative Example 1>
A lithium ion secondary battery for evaluation was produced in the same manner as in Example 1, except that LiMn 2 O 4 was used as a positive electrode active material as it was without being coated with a phosphonic acid compound.
<比較例2の評価用リチウムイオン二次電池の作製>
フルオロオクチルスルホン酸の添加量を5質量%に変更した以外は、実施例1と同様にして、評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
<Production of lithium ion secondary battery for evaluation of Comparative Example 2>
A lithium ion secondary battery for evaluation was produced in the same manner as in Example 1, except that the amount of fluorooctylsulfonic acid added was changed to 5% by mass.
<比較例3の評価用リチウムイオン二次電池の作製>
ホスホン酸化合物で被覆することなく、LiMn2O4をそのまま正極活物質として用い、フルオロオクチルスルホン酸を非水電解質に0.5質量%濃度で添加した以外は、実施例1と同様にして、評価用リチウムイオン二次電池を作製した。
<Production of lithium ion secondary battery for evaluation of Comparative Example 3>
In the same manner as in Example 1, except that LiMn 2 O 4 was used as a positive electrode active material without being coated with a phosphonic acid compound, and fluorooctyl sulfonic acid was added to the non-aqueous electrolyte at a concentration of 0.5% by mass. A lithium ion secondary battery for evaluation was produced.
<活性化および初期容量測定>
上記作製した各評価リチウムイオン二次電池を25℃の環境下に置いた。活性化(初回充電)は、定電流-定電圧方式とし、各評価用リチウムイオン二次電池を0.1Cの電流値で、リン酸三リチウム(LPO)を添加した実施例8では4.9Vまで、それ以外の実施例と各比較例では4.2Vまで定電流充電を行った後、電流値が1/50Cになるまで定電圧充電を行い、満充電状態にした。その後、各評価用リチウムイオン二次電池を0.1Cの電流値で3.0Vまで定電流放電した。そして、このときの放電容量を測定して初期容量を求めた。
<Activation and initial capacity measurement>
Each evaluation lithium ion secondary battery produced above was placed in an environment of 25°C. Activation (initial charge) is performed by a constant current-constant voltage method, and the current value of each lithium ion secondary battery for evaluation is 0.1 C, and 4.9 V in Example 8 in which trilithium phosphate (LPO) is added. In the other examples and each comparative example, constant-current charging was performed to 4.2 V, and then constant-voltage charging was performed until the current value became 1/50 C to reach a fully charged state. After that, each lithium ion secondary battery for evaluation was subjected to constant current discharge to 3.0 V at a current value of 0.1C. Then, the discharge capacity at this time was measured to obtain the initial capacity.
<サイクル特性評価>
活性化した各評価用リチウムイオン二次電池を60℃の環境下に置き、0.5Cで4.2Vまで定電流充電および0.5Cで3.0Vまで定電流放電を1サイクルとする充放電を50サイクル繰り返した。50サイクル後の放電容量を、初期容量と同様の方法で求めた。サイクル特性(容量劣化耐性)の指標として、(充放電50サイクル後の放電容量/初期容量)×100より、容量維持率(%)を求めた。結果を表1に示す。
<Cycle characteristics evaluation>
Place each activated lithium ion secondary battery for evaluation in an environment of 60 ° C., charge and discharge with constant current charging at 0.5 C to 4.2 V and constant current discharging at 0.5 C to 3.0 V as one cycle was repeated for 50 cycles. The discharge capacity after 50 cycles was determined in the same manner as the initial capacity. As an index of the cycle characteristics (capacity deterioration resistance), the capacity retention rate (%) was obtained from (discharge capacity after 50 charge/discharge cycles/initial capacity)×100. Table 1 shows the results.
*:表中に記載されたホスホン酸化合物の名称は、正式には以下の通りである。
フルオロオクチルホスホン酸:1H,1H,2H,2H-パーフルオロ-n-オクチルホスホン酸
フルオロヘキシルホスホン酸:1H,1H,2H,2H-パーフルオロ-n-ヘキシルホスホン酸
フルオロデシルホスホン酸:3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-ヘプタデカフルオロデシルホスホン酸
フルオロドデシルホスホン酸:3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,12,12,12-ヘンエイコサフルオロドデシルホスホン酸
フルオロベンジルホスホン酸:2,3,4,5,6-ペンタフルオロベンジルホスホン酸
*: The official names of the phosphonic acid compounds listed in the table are as follows.
Fluorooctylphosphonic acid: 1H,1H,2H,2H-perfluoro-n-octylphosphonic acid Fluorohexylphosphonic acid: 1H,1H,2H,2H-perfluoro-n-hexylphosphonic acid Fluorodecylphosphonic acid: 3,3 , 4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-heptadecafluorodecylphosphonic acid fluorododecylphosphonic acid: 3,3,4,4, 5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,12,12,12-heneicosafluorododecylphosphonic acid fluorobenzylphosphonic acid: 2,3, 4,5,6-pentafluorobenzylphosphonic acid
実施例1~3および比較例1~2の比較より、スピネル型マンガン酸リチウムを0.1質量%以上1.0質量%以下のフルオロオクチルホスホン酸で被覆した場合には、容量維持率が増加していることがわかる。すなわち、容量劣化抑制効果が得られていることがわかる。この容量劣化抑制効果は、さらに比較例3との比較より、従来技術のように電解液にフルオロオクチルホスホン酸を添加した場合よりも、大きいことがわかる。なお、比較例2では、正極活物質層と正極集電体との間に一部剥離が見られた。 From the comparison of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, when the spinel-type lithium manganate was coated with 0.1% by mass or more and 1.0% by mass or less of fluorooctylphosphonic acid, the capacity retention rate increased. I know you are. That is, it can be seen that an effect of suppressing capacity deterioration is obtained. Furthermore, a comparison with Comparative Example 3 shows that this effect of suppressing capacity deterioration is greater than in the case of adding fluorooctylphosphonic acid to the electrolytic solution as in the prior art. In Comparative Example 2, partial peeling was observed between the positive electrode active material layer and the positive electrode current collector.
また、実施例4~7の結果より、ホスホン酸化合物の種類を変更しても、容量劣化耐性が向上しており、フッ素化された炭化水素基を有するホスホン酸化合物の被覆によれば、容量劣化抑制効果が得られることがわかる。したがって、ここに開示される正極によれば、スピネル型マンガン含有複合酸化物を用いながらも、充放電を繰り返した際の容量劣化耐性を非水電解質二次電池に付与できることがわかる。また、実施例8の結果より、正極活物質層にリン酸三リチウムを添加することにより、容量劣化抑制効果がより大きくなることがわかる。 Further, from the results of Examples 4 to 7, even if the type of phosphonic acid compound was changed, the resistance to capacity deterioration was improved. It can be seen that the effect of suppressing deterioration is obtained. Therefore, it can be seen that the positive electrode disclosed herein can provide a non-aqueous electrolyte secondary battery with resistance to capacity deterioration when charging and discharging are repeated while using a spinel-type manganese-containing composite oxide. Further, from the results of Example 8, it can be seen that the effect of suppressing capacity deterioration is further enhanced by adding trilithium phosphate to the positive electrode active material layer.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
20 捲回電極体
30 電池ケース
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極シート(正極)
52 正極集電体
52a 正極活物質層非形成部分
54 正極活物質層
60 負極シート(負極)
62 負極集電体
62a 負極活物質層非形成部分
64 負極活物質層
70 セパレータシート(セパレータ)
80 非水電解質
100 リチウムイオン二次電池
20
52 positive electrode
62 Negative electrode
80
Claims (5)
前記正極活物質層は、正極活物質を含有し、
前記正極活物質は、スピネル型結晶構造を有し、かつMnを含有するリチウム複合酸化物であり、
前記リチウム複合酸化物はその表面に、フッ素化された炭化水素基を有するホスホン酸化合物の被覆を有し、
前記リチウム複合酸化物に対する前記ホスホン酸化合物の割合が、0.1質量%以上1.0質量%以下である、正極。 A positive electrode comprising a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer supported by the positive electrode current collector,
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material,
The positive electrode active material is a lithium composite oxide having a spinel crystal structure and containing Mn,
The lithium composite oxide has a coating of a phosphonic acid compound having a fluorinated hydrocarbon group on its surface,
The positive electrode, wherein the ratio of the phosphonic acid compound to the lithium composite oxide is 0.1% by mass or more and 1.0% by mass or less.
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