JP2024014602A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水電解質二次電池に関するものである。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.
非水電解質二次電池は、高エネルギー密度を有する等の理由から広く普及し、携帯電話やデジタルカメラ、ノートパソコン等の携帯用小型機器の電源として搭載されている。また、非水電解質二次電池は、エネルギー資源枯渇問題や地球温暖化等の観点から、ハイブリッド自動車や電気自動車、または、太陽光や風力等の自然エネルギー発電による電力貯蔵用等の大型産業用途への開発が進められている。 Nonaqueous electrolyte secondary batteries are widely used because of their high energy density, and are installed as power sources in small portable devices such as mobile phones, digital cameras, and notebook computers. In addition, non-aqueous electrolyte secondary batteries are being used for large-scale industrial applications such as hybrid cars, electric cars, and electricity storage using natural energy generation such as solar and wind power, from the perspective of energy resource depletion and global warming. development is underway.
近年、非水電解質二次電池は、ドローンやロボット、電気自動車、ハイブリッド電気自動車等の動力用電源としても注目されており、用途拡大が進むことが期待されている。このような動力用電源は、さらなる高密度化や長寿命化に加えて、幅広い温度域でもその性能を損なうことなく使用できることが求められている。具体的には、動力用電源は、高温下で充放電サイクルを繰り返しても容量低下が少なく、かつ、氷点下でも繰り返し充放電可能であることが望ましい。 In recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries have attracted attention as power sources for drones, robots, electric vehicles, hybrid electric vehicles, etc., and their use is expected to expand. In addition to higher density and longer life, such power sources are required to be able to be used in a wide temperature range without deteriorating their performance. Specifically, it is desirable that the power source for motive power exhibits little loss in capacity even after repeated charging and discharging cycles at high temperatures, and is capable of being repeatedly charged and discharged even at sub-zero temperatures.
エネルギーの高密度化の観点から、一般に、非水電解質二次電池の負極活物質には黒鉛が用いられている。黒鉛を負極活物質として用いた非水電解質二次電池では、氷点下における放電に関する技術は多くの文献で開示されているが、氷点下において繰り返し充電が可能であることを開示する文献は少ない。特に、-20℃以下といった極低温において充放電可能であり、黒鉛を負極活物質として用いた非水電解質二次電池に関する技術はなく、寒暖差が特に激しい環境での実用化の妨げとなってきた。 From the viewpoint of increasing energy density, graphite is generally used as the negative electrode active material of non-aqueous electrolyte secondary batteries. In non-aqueous electrolyte secondary batteries using graphite as a negative electrode active material, many documents disclose techniques related to discharging at subzero temperatures, but there are few documents disclosing that repeated charging is possible at subzero temperatures. In particular, there is no technology for non-aqueous electrolyte secondary batteries that can be charged and discharged at extremely low temperatures, such as -20°C or lower, and that use graphite as the negative electrode active material, which has hindered their practical application in environments with particularly large temperature differences. Ta.
例えば、特許文献1には、ビニレンカーボネート(VC)を添加した非水電解液を用いることで、負極表面に緻密な薄膜が形成されてサイクル特性などを向上できることが記載されている。
しかしながら、負極活物質として黒鉛を用いた場合、VCを非水電解液に添加することで非水電解質二次電池の常温および高温でのサイクル特性が向上する一方、薄膜が緻密であるがゆえに低温下での負極の反応抵抗が高くなり、充電時にデンドライト析出が起きやすくなる。
For example, Patent Document 1 describes that by using a non-aqueous electrolyte to which vinylene carbonate (VC) is added, a dense thin film is formed on the surface of the negative electrode, thereby improving cycle characteristics and the like.
However, when graphite is used as the negative electrode active material, adding VC to the nonaqueous electrolyte improves the cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery at normal and high temperatures; The reaction resistance of the negative electrode at the bottom becomes high, making dendrite precipitation more likely to occur during charging.
これに対し、例えば、特許文献2には、VCに加えてLiBF4およびフルオロエチレンカーボネートを非水電解液の添加剤として用いることで、負極表面の被膜の緻密性が下がり低温下での充電時にデンドライト析出が抑制できることが記載されている。
しかしながら、特許文献2に記載の添加剤は、還元電位が高く、ガスが発生しやすいため、高温サイクル時の劣化に繋がってしまうという課題があった。このように、単に電解液添加剤の配合を変えるだけでは低温下での特性と高温サイクル特性とのトレードオフを避けることはできず、幅広い温度域において、その性能を損なうことなく使用可能である非水電解質二次電池を提供することは難しいとされてきた。
On the other hand, for example,
However, the additive described in
ここで、上述した氷点下での充電時にデンドライト析出を起こりにくくするためには、当然ながらセパレータや黒鉛の設計仕様を変更するという手段が考えられうる。例えば、特許文献3には、電気抵抗およびガーレー数が低いセパレータを用いることでレート特性やサイクル性能が向上することが記載されている。
また、黒鉛の粒径を小さくしたり、表面積を大きくしたりすることで入出力特性が向上することは広く知られている。
Here, in order to make dendrite precipitation less likely to occur during charging at sub-zero temperatures, it is possible to consider changing the design specifications of the separator and graphite. For example,
Furthermore, it is widely known that the input/output characteristics can be improved by reducing the particle size of graphite or increasing the surface area.
しかしながら、上述のようなセパレータや黒鉛の設計仕様変更を行うと、高温下で電解液と、黒鉛との反応が起きやすくなり、サイクル特性の劣化が大きくなるという課題があった。また、単に黒鉛の粒径を小さくしたり表面積を大きくしたりするだけでは必ずしも氷点下充電時のデンドライト析出を抑制することができない場合があった。そのため、単にこれらの設計仕様変更を行うのみでは低温下でのサイクル特性と高温サイクル特性とのトレードオフを避けることはできず、幅広い温度域でもその性能を損なうことなく使用可能である非水電解質二次電池を提供することは難しいとされてきた。 However, when the design specifications of the separator and graphite are changed as described above, a reaction between the electrolytic solution and the graphite becomes more likely to occur at high temperatures, resulting in a problem that the cycle characteristics deteriorate significantly. Furthermore, simply reducing the particle size of graphite or increasing the surface area may not necessarily suppress dendrite precipitation during subzero charging. Therefore, it is not possible to avoid trade-offs between low-temperature cycle characteristics and high-temperature cycle characteristics simply by changing these design specifications. It has been considered difficult to provide secondary batteries.
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、高温下で充放電サイクルを繰り返しても容量低下が少なく、かつ、氷点下で繰り返し充放電をしてもデンドライト析出が起きにくい、幅広い温度域で性能を損なうことなく使用可能な非水電解質二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and has performance over a wide temperature range, with little capacity loss even after repeated charging and discharging cycles at high temperatures, and with little dendrite precipitation even after repeated charging and discharging at sub-zero temperatures. The purpose of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery that can be used without damaging the battery.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る非水電解質二次電池は、第一の観点として、正極、負極およびセパレータからなる電極素子と、非水電解液とを備える非水電解質二次電池であって、前記非水電解液は、当該非水電解液全体の重量に対して2%以下のビニレンカーボネートを含み、前記セパレータは、スリットを有する構造またはラメラ骨格構造をなし、JISガーレーが300秒/100mL以内であり、前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に塗布される負極合剤層と、を有し、前記負極合剤層は、負極活物質として黒鉛を含み、前記黒鉛の比表面積(m2/g)と、前記黒鉛のメディアン径(μm)との積が、30(×10-6m3/g)以下である、ことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the objects, a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes, as a first aspect, an electrode element consisting of a positive electrode, a negative electrode, and a separator, and a nonaqueous electrolyte. A non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the non-aqueous electrolyte contains 2% or less vinylene carbonate based on the total weight of the non-aqueous electrolyte, and the separator has a slit structure or a lamellar skeleton structure. None, JIS Gurley is within 300 seconds/100 mL, the negative electrode has a negative electrode current collector, and a negative electrode mixture layer coated on the negative electrode current collector, and the negative electrode mixture layer is a negative electrode It contains graphite as an active material, and the product of the specific surface area (m 2 /g) of the graphite and the median diameter (μm) of the graphite is 30 (×10 −6 m 3 /g) or less. Features.
また、本発明に係る非水電解質二次電池は、第二の観点として、正極、負極およびセパレータからなる電極素子と、非水電解液とを備える非水電解質二次電池であって、前記非水電解液は、当該非水電解液全体の重量に対して2%以下のビニレンカーボネートを含み、前記セパレータは、乾式延伸法によって形成されてなり、JISガーレーが300以内であり、前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体に塗布される負極合剤層と、を有し、前記負極合剤層は、負極活物質として黒鉛を含み、前記黒鉛の比表面積(m2/g)と、前記黒鉛のメディアン径(μm)との積が、30(×10-6m3/g)以下である、ことを特徴とする。 Further, as a second aspect, the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising an electrode element consisting of a positive electrode, a negative electrode, and a separator, and a non-aqueous electrolyte, the non-aqueous electrolyte secondary battery comprising: The aqueous electrolyte contains 2% or less of vinylene carbonate based on the total weight of the non-aqueous electrolyte, the separator is formed by a dry stretching method, and has a JIS Gurley rating of 300 or less, and the negative electrode includes: It has a negative electrode current collector and a negative electrode mixture layer applied to the negative electrode current collector, and the negative electrode mixture layer contains graphite as a negative electrode active material and has a specific surface area (m 2 /g) of the graphite. ) and the median diameter (μm) of the graphite is 30 (×10 −6 m 3 /g) or less.
また、本発明に係る非水電解質二次電池は、第三の観点として、上記の第一と第二の観点において、前記セパレータは、フィラー非含有である、ことを特徴とする。 Further, as a third aspect, the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is characterized in that, in the first and second aspects described above, the separator does not contain a filler.
また、本発明に係る非水電解質二次電池は、第四の観点として、上記の第一乃至第三のいずれか一の観点において、前記非水電解液は、リチウム塩をさらに含み、前記リチウム塩の濃度が、1.0mol/L以上1.5mol/L以下である、ことを特徴とする。 Further, as a fourth aspect of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, in any one of the first to third aspects, the non-aqueous electrolyte further contains a lithium salt, and the lithium It is characterized in that the salt concentration is 1.0 mol/L or more and 1.5 mol/L or less.
また、本発明に係る非水電解質二次電池は、第五の観点として、上記の第一乃至第四のいずれか一の観点において、前記リチウム塩は、LiPF6である、ことを特徴とする。 Further, as a fifth aspect of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, in any one of the first to fourth aspects above, the lithium salt is LiPF 6 . .
また、本発明に係る非水電解質二次電池は、第六の観点として、上記の第一乃至第五のいずれか一の観点において、前記正極は、集電体と、前記集電体に塗布された正極合剤層と、を有し、前記正極合剤層は、正極活物質として、一般式LiMO2(Mは、Na、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Ti、Cr、Pb、SbおよびBから選択される1つ以上の元素)で表されるリチウム遷移金属酸化物を含む、ことを特徴とする。 Further, as a sixth aspect of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, in any one of the first to fifth aspects above, the positive electrode includes a current collector and a coating applied to the current collector. The positive electrode mixture layer has a positive electrode active material having the general formula LiMO 2 (M is Na, Mg, Sc, Y, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, It is characterized by containing a lithium transition metal oxide represented by one or more elements selected from Zn, Al, Ti, Cr, Pb, Sb and B).
また、本発明に係る非水電解質二次電池は、第七の観点として、上記の第一乃至第六のいずれか一の観点において、前記負極は、負極活物質として黒鉛のみを含む、ことを特徴とする。 Further, as a seventh aspect of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, in any one of the first to sixth aspects above, the negative electrode contains only graphite as a negative electrode active material. Features.
また、本発明に係る非水電解質二次電池は、第八の観点として、上記の第一乃至第七のいずれか一の観点において、-20℃環境下で、上限電圧4.2V、0.2C、カットオフ電流0.05CのCC-CV充電と、下限電圧2.7V、1.0CのCC放電とを60サイクル繰り返した場合に、その前後に25℃環境下で上限電圧4.2V、0.5C、カットオフ電流0.05CのCC-CV充電と、下限電圧2.7V、0.5CのCC放電とを1サイクルずつ実施して容量確認試験を行ったときの容量維持率が95%以上であることを特徴とする。 Further, as an eighth aspect, the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is provided with an upper limit voltage of 4.2 V, 0.0 V in a −20° C. environment in any one of the first to seventh aspects above. When CC-CV charging at 2C, cut-off current 0.05C and CC discharge at 1.0C with a lower limit voltage of 2.7V are repeated for 60 cycles, the upper limit voltage is 4.2V in a 25°C environment before and after that. The capacity retention rate was 95 when a capacity confirmation test was conducted by performing one cycle of CC-CV charging at 0.5C and a cut-off current of 0.05C and one cycle of CC discharging at a lower limit voltage of 2.7V and 0.5C. % or more.
本発明によれば、高温下で充放電サイクルを繰り返しても容量低下が少なく、かつ、氷点下で繰り返し充放電をしてもデンドライト析出が起きにくい、幅広い温度域で性能を損なうことなく使用可能な非水電解質二次電池を得ることができる。 According to the present invention, there is little capacity loss even after repeated charging and discharging cycles at high temperatures, dendrite precipitation does not easily occur even after repeated charging and discharging at below freezing temperatures, and it can be used in a wide temperature range without deteriorating performance. A non-aqueous electrolyte secondary battery can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の記載に限定されるものではない。また、本実施形態には種々の変更または改良を加えることが可能であり、そのような変更または改良を加えた形態も本発明に含まれ得る。 Embodiments of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following description. Further, various changes or improvements can be made to this embodiment, and forms with such changes or improvements can also be included in the present invention.
(実施の形態)
図1は、本発明の一実施の形態に係る非水電解質二次電池の構成を説明するための図である。図2は、本発明の一実施の形態に係る非水電解質二次電池が備える電極群の構成を説明するための図である。図3は、図1に示すA-A線断面の一部を示す図である。
(Embodiment)
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a non-aqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of an electrode group included in a nonaqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing a part of the cross section taken along the line AA shown in FIG.
非水電解質二次電池1は、ラミネートシート2と、正極端子3と、負極端子4と、電極群5と、シーラント6とを備える。電極群5は、正極7と、負極8と、セパレータ9とによって構成される。
The non-aqueous electrolyte secondary battery 1 includes a
ラミネートシート2は、電極群5を収納し、非水電解質二次電池1の外装体を構成する。ラミネートシート2は、外縁が矩形をなす。また、ラミネートシート2は、二つのシート部材を、電極群5を挟んで貼り合わせてなる。電極群5の一方には、凸状のシート部材が設けられ、電極群5の他方には、凹状のシート部材が設けられる。ラミネートシート2の周縁部は、シート部材同士が熱溶着で封止されており、ラミネートシート2によって電極群5が密閉された構造をとる。また、正極端子3および負極端子4は、ラミネートシート2の周縁部の一部から延出し、ラミネートシート2が熱溶着されている構造となる。具体的には、正極端子3および負極端子4と、ラミネートシート2との間には、シーラント6が接着層としてそれぞれ介在する。すなわち、正極端子3および負極端子4の各表面のラミネートシート2の封止部を通過する部分には、シーラント6が被覆されている。このような構成であれば、シーラント6とラミネートシート2との内面の熱溶着性樹脂層が加熱によって接合するため、非水電解液が浸透して漏液することを防止できる。
The
正極端子3は、その一端が電極群5を構成する正極7に接続される。正極端子3と正極7とは、正極集電リード10を介して電気的に接続される。正極集電リード10は、溶接部12を介して正極端子3に接続される。
One end of the
また、負極端子4は、その一端が電極群5を構成する負極8に接続される。負極端子4と負極8とは、負極集電リード11を介して電気的に接続される(図3参照)。負極集電リード11は、溶接部12を介して負極端子4に接続される。
Further, one end of the
正極7と負極8とは、セパレータ9を介して積層されることで電極群5を構成する。電極群5は、最外層からセパレータ9、負極8、セパレータ9、正極7、セパレータ9の順になるように交互に積層されている(図3参照)。
The
非水電解液は、ラミネートシート2内に保持されている。なお、図示は省略しているが、非水電解液は、非水溶媒に電解質を溶解して調整される。
The non-aqueous electrolyte is held within the
なお、図1では実施の形態の一例としてラミネート型非水電解質二次電池の場合の構成例を示しているが、本発明における非水電解質二次電池の形状は特に制限されず、扁平型や、円筒型、角型、コイン型などであってもよい。また、非水電解質二次電池の外装体も特に限定されず、ラミネートフィルムのほか、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレスなど公知のものを使用することができる。
以下、非水電解液、正極、負極、セパレータおよび外装体(ラミネートシート)について詳述する。
Although FIG. 1 shows a configuration example of a laminated non-aqueous electrolyte secondary battery as an example of an embodiment, the shape of the non-aqueous electrolyte secondary battery in the present invention is not particularly limited, and may be a flat type or a flat type. , cylindrical shape, square shape, coin shape, etc. Moreover, the exterior body of the nonaqueous electrolyte secondary battery is not particularly limited, and in addition to a laminate film, publicly known exterior bodies such as aluminum, aluminum alloy, and stainless steel can be used.
The nonaqueous electrolyte, positive electrode, negative electrode, separator, and exterior body (laminate sheet) will be described in detail below.
(非水電解液)
非水電解液は、リチウム塩と、VCと、非水溶媒と、それ以外の添加剤とを含む。
(Non-aqueous electrolyte)
The nonaqueous electrolyte includes a lithium salt, VC, a nonaqueous solvent, and other additives.
リチウム塩は、例えばLiPF6、LiBF4、LiClO4、Li(FSO2)2N、Li(CF3SO2)2Nなどから選ばれる1種、または2種以上の混合物を挙げることができ、少なくともLiPF6を含むことが好ましい。LiPF6は、非水溶媒に対する溶解性、二次電池とした場合の充放電特性 、出力特性、サイクル特性等を総合的に判断して、リチウム塩として含有することが好ましい。リチウム塩の濃度は、初期活性化における被膜形成時に、リチウム塩由来の成分が十分に含まれるようにするために0.5mol/L以上であることが好ましく、1.0mol/L以上であることがさらに好ましい。また、リチウム塩の濃度が高すぎるとVC由来の被膜が十分に形成されず高温サイクル特性が悪化するため、3.0mol/L以下であることが好ましく、1.5mol/L以下であることがさらに好ましい。 Examples of the lithium salt include one or a mixture of two or more selected from LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , Li(FSO 2 ) 2 N, Li(CF 3 SO 2 ) 2 N, etc. It is preferable that at least LiPF 6 is included. It is preferable to include LiPF 6 as a lithium salt after comprehensively evaluating the solubility in non-aqueous solvents, charge/discharge characteristics when used as a secondary battery, output characteristics, cycle characteristics, etc. The concentration of the lithium salt is preferably 0.5 mol/L or more, and 1.0 mol/L or more, in order to ensure that components derived from the lithium salt are sufficiently included during film formation during initial activation. is even more preferable. Furthermore, if the concentration of the lithium salt is too high, a film derived from VC will not be sufficiently formed and high-temperature cycle characteristics will deteriorate, so it is preferably 3.0 mol/L or less, and preferably 1.5 mol/L or less. More preferred.
非水溶媒は、特に限定されないが、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、プロピオン酸メチル、酢酸メチル、ギ酸メチル、酪酸メチル、ジオキソラン、2-メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフラン、ジメトキシエタン、γ―ブチロラクトン、アセトニトリル、ベンゾニトリルから選ばれる1つもしくは2つ以上の混合溶媒が挙げられる。非水溶媒は、特に、DMC、DEC、DPC、EMC、EC、PCを用いることが好ましく、負極活物質への良好な被膜形成の点から、特にECを含むことが好ましい。 Non-aqueous solvents are not particularly limited, but include, for example, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethylmethyl carbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), Examples include one or more mixed solvents selected from methyl propionate, methyl acetate, methyl formate, methyl butyrate, dioxolane, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydrofuran, dimethoxyethane, γ-butyrolactone, acetonitrile, and benzonitrile. It is particularly preferable to use DMC, DEC, DPC, EMC, EC, and PC as the nonaqueous solvent, and it is particularly preferable to include EC from the viewpoint of forming a good film on the negative electrode active material.
また、VCの添加量を多くしすぎると被膜が過形成してしまい、デンドライト析出が起きやすくなる。そのため、VCの添加量は、非水電解液全体の重量に対して2%以下であることが好ましい。一方、VCの添加量は、非水電解液全体の重量に対して0.1%未満であると、被膜の形成が不十分となりやすいため、不適である。 Furthermore, if the amount of VC added is too large, the coating will be overformed and dendrite precipitation will likely occur. Therefore, the amount of VC added is preferably 2% or less based on the weight of the entire non-aqueous electrolyte. On the other hand, if the amount of VC added is less than 0.1% based on the weight of the entire non-aqueous electrolyte, the formation of a film tends to be insufficient, which is unsuitable.
また、リチウム塩以外の添加剤としてVC以外のものを必要に応じて含んでいてもよく、例えばフルオロエチレンカーボネート、1,3,2-ジオキサチオラン2,2-ジオキシド、1,5,2,4-ジオキサジチアン2,2,4,4-テトラオキシド、亜リン酸トリス(トリメチルシリル)、1-プロペン1,3-スルトン、Li2PO2F2やその他の公知の添加剤が挙げられる。ただし、これらの添加剤を過剰に加えると高温サイクル時にガスが発生しやすくなり容量低下の原因になるため、例えば各添加剤の非水電解液全体の重量に対する割合は3%以下であることが好ましく、1%以下であることがさらに好ましい。また、これらの添加剤を用いる場合はガス発生を抑制する観点から必ずVCと併用する必要がある。
In addition, additives other than lithium salts may include additives other than VC as necessary, such as fluoroethylene carbonate, 1,3,2-
(正極)
正極7は、集電体7aと、集電体7aに塗布された正極合剤層7bとを有する。
(positive electrode)
The
集電体7aは、特に限定はされないが、金属を用いることが好ましい。具体的には、アルミニウム、ニッケル、ステンレス、チタン、その他合金等が挙げられる。なかでも、電子伝導性や電池作動電位の観点からアルミニウムが好ましい。また、集電体1aの厚さは1~50μmであることが好ましい。
Although the
正極合剤層7bは、エネルギー密度の観点から、正極活物質として、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiCoNiO2等の一般式LiMO2(Mは、共通してNa、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Ti、Cr、Pb、SbおよびBから選択される1つ以上の元素)で表されるリチウム遷移金属酸化物、および、これら正極活物質の一部元素が異種元素で置換されたもの、ならびに、Co、NiおよびMnを含む三成分系などの層状酸化物からなる群から選択される少なくとも1種の活物質粒子を含み、2種以上を組み合わせて用いてもよい。また、サイクル特性向上および熱安定性向上を目的として、層状酸化物の表面に、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、フッ化アルミニウム、酸化ニオビウム、酸化チタンもしくは酸化タングステンなどの無機物質、または、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、これらの誘導体もしくは塩などのイオン伝導性ポリマーの被膜が被覆されていてもよい。層状酸化物の平均粒径(D50:メディアン径)は、1μm以上100μm以下であることが好ましく、1μm以上20μm以下であることがさらに好ましい。
From the viewpoint of energy density, the positive
また、正極合剤層7bは、熱安定性向上の目的から、さらにオリビン化合物を正極活物質として含んでもよい。オリビン化合物の例としては、LiFePO4や、LiFePO4のFeの一部をMnで置換したものなどが挙げられる。電気伝導性の向上を目的としてオリビン化合物の表面が炭素材料で被覆されていてもよい。オリビン化合物は正極活物質の総重量に対するオリビン化合物の重量比率は、エネルギー密度の観点から40重量%以下であることが好ましく、熱安定性を十分に向上させる観点から10重量%以上であることが好ましい。オリビン化合物の平均粒径(D50)は充填性やイオン伝導性などの観点から層状酸化物の平均粒径よりも小さいことが好ましい。
Further, the positive
正極合剤層7bは、電極中の導電パス確保の観点から、さらに公知の導電材を含むことが好ましい。公知の導電材として特に限定はされないが、例えば黒鉛、グラフェン、カーボンブラック、活性炭およびカーボンファイバーなどが挙げられる。これらの導電材から1種を選んで用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
It is preferable that the positive
正極合剤層7bは、さらに公知の結着材を用いてもよい。公知の結着材として特に限定はされないが、例えばポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルピロリドン、ポリフッ化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ニトリル樹脂、スチレンブタジエンゴム、アクリル樹脂およびそれらの共重合体などが挙げられる。これらの結着材から1種を選んで用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。また、これ以外に、例えば分散剤やpH調整剤、水分捕集剤などの公知の他の添加物を含んでいてもよい。
The positive
正極合剤層7bの密度は、エネルギー密度の観点から2.3g/cm3以上であることが好ましく、2.5g/cm3以上であることがさらに好ましい。また、正極合剤層7b内部に適切な空隙を確保して電解液含侵性を良好に保ち良好なサイクル特性を得るため、3.5g/cm3以下であることが好ましく、2.9g/cm3以下であることがさらに好ましい。
From the viewpoint of energy density, the density of the positive
正極合剤層7bは、集電体7aの片面または両面に塗布されるが、その片面当たりの塗布量は、75g/m2以上200g/m2以下であることが好ましい。正極合剤層7bの塗布量を上記の値とすることによって、十分なエネルギー密度を確保でき、かつ出力特性およびサイクル特性を良好に保つことが可能になる。また、正極集電リード10を形成するために、集電体7a上に正極合剤層7bが塗布されていない領域を残しておくことが好ましい。
The positive
(負極)
負極8は、集電体8aと、集電体8aに塗布された負極合剤層8bとを有する。
(Negative electrode)
The
集電体8aは特に限定はされないが、金属を用いることが好ましい。具体的には、アルミニウム、ニッケル、ステンレス、チタン、その他合金等が挙げられる。なかでも、電子伝導性や電池作動電位の観点から銅が好ましい。また、集電体8aの厚さは、1μm以上50μm以下であることが好ましい。また、負極集電リード11を形成するために、集電体8a上に負極合剤層8bが塗布されていない領域を残しておくことが好ましい。
Although the
負極合剤層8bは、高密度化や作動電圧の観点から、負極活物質として黒鉛のみを含むことが好ましい。黒鉛は、比表面積S(m2/g)とメディアン径(D50)(μm)との積が30(×10-6m3/g)以下である。出力特性、初回不可逆容量の増加抑制、電極の高密度化の観点から、5(×10-6m3/g)以上であることが好ましい。ここで、比表面積は出力特性の観点から1m2/g以上であることが好ましく、過剰な被膜形成による初回不可逆容量の増加を抑制するために10m2/g以下であることが好ましい。また、メディアン径は高密度化の観点から5μm以上であることが好ましく、出力特性を良好に保つために20μm以下であることが好ましい。
なお、他の負極活物質として、シリコン系やリチウムチタン酸化物系が挙げられるが、シリコン系はサイクルによる粒子が崩壊するおそれ、リチウムチタン酸化物系は重量当たりのエネルギー密度が低くなるおそれがあるため、黒鉛のみとすることが好ましい。
The negative
Other negative electrode active materials include silicon-based and lithium titanium oxide-based materials, but silicon-based materials may cause particles to disintegrate due to cycling, and lithium-titanium oxide materials may have low energy density per weight. Therefore, it is preferable to use only graphite.
なお、負極合剤層8bは、必要に応じて増粘剤を含んでいてもよい。増粘剤としては例えばカルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコールなどが挙げられる。また、これ以外に例えば分散剤など他の添加物を含んでいてもよい。
Note that the negative
負極合剤層8bは、集電体8aの片面または両面に塗布される。その片面当たりの塗布量は、40g/m2以上120g/m2以下であることが好ましい。負極合剤層8bの塗布量を上記の値とすることによって、十分なエネルギー密度を確保でき、かつ出力特性およびサイクル特性を良好に保つことが可能になる。また、充電時のリチウム金属デンドライト析出抑制の観点から、負極合剤層8bの塗布量は、正負極容量比が1.01以上となるように定めることが好ましく、1.1以上となるように定めることがさらに好ましい。
ここで、正負極容量比は、下式(1)によって算出される。
(正負極容量比)=(面積当たりの片面の負極容量)
/(面積当たりの片面の正極容量)・・・(1)
ただし、正負極容量比の値が大きすぎると充放電反応に寄与しない負極合剤層8bの量が増えてしまいエネルギー密度が減少してしまうため、正負極容量比の値は1.3以下であることが好ましく、1.2以下であることがさらに好ましい。
The negative
Here, the positive and negative electrode capacity ratio is calculated by the following formula (1).
(Positive and negative electrode capacity ratio) = (Single-sided negative electrode capacity per area)
/(Single-sided positive electrode capacity per area)...(1)
However, if the value of the positive and negative electrode capacity ratio is too large, the amount of the negative
負極合剤層8bの密度は、エネルギー密度の観点から1.0g/cm3以上であることが好ましく、1.2g/cm3以上であることがさらに好ましい。また、負極合剤層8b内部に適切な空隙を確保して電解液含侵性を良好に保つことで良好なサイクル特性を得るため、負極合剤層8bの密度は、1.7g/cm3以下であることが好ましく、1.5g/cm3以下であることがさらに好ましい。
The density of the negative
(セパレータ)
セパレータ9は、乾式延伸法によって形成される。一般に、セパレータの作製方法は、乾式延伸法および湿式法の2種類に大別されるが、乾式延伸法によって作製されたセパレータ9は、湿式法によって作製されたセパレータと異なり、結晶性の高い結晶部と結晶性の低い非結晶部とが混在した構造を有する。例えば、乾式延伸法によって作製されたセパレータ9は、複数のスリット状(平板形状の)細孔が形成された構造、および高分子が部分的に折りたたまれた状態で結晶化したラメラ骨格構造をなす。一方、湿式法によって作製されたセパレータは、網目状、例えば蜘蛛の巣のような形状をなす(例えば、特開2020-198316号公報参照)。そのため、当業者であれば、電子顕微鏡像の観察などによって乾式延伸法で作製されたセパレータと、湿式法で作製されたセパレータとを容易に判別可能である。
(Separator)
また、初期活性化における負極表面の被膜形成に必要なビニレンカーボネートが拡散律速となりにくくするという観点から、セパレータ9のJISガーレーは、300秒/100mL以内である必要がある。ここで、JISガーレーは、JISP8117:2009にて定められた測定法により求められる透気抵抗の値(秒/100mL)である。JISガーレーの値が300秒/100mLよりも大きいと、ビニレンカーボネートを含めた電解液中の物質の拡散が律速になりやすく、薄くて均一な被膜形成を行うことが難しくなる。その上、低温下での充電時におけるリチウムイオンの拡散が律速になりやすくなるため、なおのことデンドライト析出が発生しやすくなる。
Furthermore, from the viewpoint of making it difficult for vinylene carbonate, which is necessary to form a film on the surface of the negative electrode during initial activation, to become diffusion rate-limiting, the JIS Gurley of the
セパレータ9は、シャットダウン機能によって短絡や過充電に対する安全性を確保するという観点から、少なくともポリエチレン(PE)を用いることが好ましい。セパレータ9は、PEのみで構成されていてもよく、耐熱性や耐酸化性などの観点からPEにポリプロピレン(PP)やポリイミド、アラミドなどを組み合わせた層構造をなす構成としてもよい。例えば、PEからなる基材層の両面にPPを配したPP/PE/PPの三層構造からなるセパレータを用いてもよい。また、セパレータ9は、高温サイクル時に電解液の分解を促進するアルミナやベーマイト、酸化マグネシウムなどの無機粒子からなるフィラーを含有しないことが好ましいが、片面または両面に、フィラーが層としてコーティングされていてもよい。
It is preferable to use at least polyethylene (PE) for the
電極素子の形状は特に限定されず、正極7と、負極8と、セパレータ9とが、巻回されていてもよいし、枚葉方式で積層していてもよいし、またつづら折りにされていてもよい。
The shape of the electrode element is not particularly limited, and the
(外装体)
外装体に使用されるラミネートシート2は、金属層と、金属層を被覆する樹脂層とからなる多層フィルムである。金属層は、軽量化のために、アルミニウム、または、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金を用いることが望ましい。ラミネートシート2には、基材として厚さが138~168μmのアルミニウム製のシート(シート部材)が使用されている。アルミニウム製シートは、基材層の一方の面側には厚さが40~100μmの熱溶着性樹脂層(例えばPE、PPなど)が設けられ、他方の面側には、絶縁性を有する厚さが10~20μmの保護層(例えば、ポリエチレンテレフタレート、ナイロンなど)を有し、三層~五層構造で積層されたものになる。
(exterior body)
The
非水電解質二次電池1が、上記のような構成を有することによって、優れた高温サイクル特性と、氷点下充電時のデンドライト析出抑制効果とを両立できる理由は下記の通りである。 The reason why the non-aqueous electrolyte secondary battery 1 having the above configuration allows both excellent high-temperature cycle characteristics and the effect of suppressing dendrite precipitation during sub-zero charging is as follows.
まず、非水電解質二次電池1において、非水電解液がVCを含有することによって、初期活性化時に負極表面に適度な緻密性の被膜を形成しやすくなるため、優れた高温サイクル特性を実現することができる。ここで、VC由来の被膜成分が多過ぎると被膜の緻密性が高くなり低温下での抵抗上昇につながるおそれがあるため、例えばリチウム塩のような無機成分に由来する被膜を一定以上有することで被膜の緻密性を適度に保つ必要がある。 First, in the non-aqueous electrolyte secondary battery 1, since the non-aqueous electrolyte contains VC, it becomes easier to form an appropriately dense film on the negative electrode surface during initial activation, resulting in excellent high-temperature cycle characteristics. can do. Here, if there is too much coating component derived from VC, the denseness of the coating may become high, leading to an increase in resistance at low temperatures. It is necessary to maintain appropriate density of the film.
被膜形成時にリチウム塩由来の成分が十分に含まれるようにするためには、セパレータ9を通じて非水電解液中のリチウム塩が滞ることなく供給される必要がある。負極8の表面の被膜形成によってリチウム塩が消費されると、一般にセパレータ9と負極8との界面では一時的にリチウム塩の濃度が低くなりやすくなる。それを直ちに解消するためには、セパレータ9内部の正極側から負極側へ滞りなくリチウム塩が供給される必要がある。そこで、セパレータ9として乾式延伸法によって作製されたものを用いることで、そのストレートなスリット状孔構造を有するラメラ骨格構造によって非水電解液のリチウム塩が滞ることなく供給されるため、セパレータ9と負極8との界面でのリチウム塩の濃度低下が抑制される。その結果、被膜形成時にリチウム塩由来の成分が十分に含まれるようになり、低温下で充電した際にデンドライト析出が起きにくくなる。一方で、例えば湿式法などで作製された、ストレートでない孔構造を有するセパレータを用いた場合は、被膜形成時にセパレータ内部でのリチウム塩濃度の偏りが解消されにくく、負極8の表面でリチウム塩が欠乏した状態で被膜形成が起こりやすい。その結果、VC由来の被膜が過剰に生成し緻密性が高くなりすぎるため、低温下でデンドライト析出が起きやすくなる。セパレータ9の孔構造に関しては、完全に被膜形成が行われた後の高レート充放電や直流抵抗などに対する明確な影響の傾向は見られていないことから、低温下でのデンドライト析出抑制との関係については議論されてこなかった。しかしながら、本願発明者らが鋭意探求したところ、乾式延伸法によって作製されたスリット状細孔を有するラメラ骨格構造のセパレータ9を用いることが所望の特性を有する非水電解質二次電池を得るための必須要件の一つであることが判明した。
In order to ensure that the components derived from the lithium salt are sufficiently included during film formation, the lithium salt in the non-aqueous electrolyte needs to be supplied without stagnation through the
また、セパレータ9のJISガーレーが上記の値以下であることで非水電解液の透過性が向上するため、自ずとリチウム塩の供給もされやすくなる。ただし、JISガーレーはあくまで圧力差のある環境での透気抵抗度を示す値であり、非水電解液中のリチウム塩の拡散のしやすさを一義的に決定するものではないため、単にJISガーレーが上記の値以下であるのみでは十分にリチウム塩の供給が滞らなくなるわけではない。つまり、JISガーレーの値が上記の値以下であることと、乾式延伸法によって作製された際に生成するストレートなスリット状孔構造を有するラメラ骨格構造の両方とが兼ね備わったセパレータ9を用いることで初めて、被膜形成時にリチウム塩由来の成分が十分に含まれるようにすることができる。
Further, since the JIS Gurley of the
また、セパレータ9の孔構造がストレートになることで非水電解液との接触面積を減らすことができるため、高温サイクル時の副反応による劣化を抑制することもできる。
Furthermore, since the pore structure of the
また、被膜形成時、VC由来の成分とリチウム塩由来の成分とが、非水電解液中に均一に含まれるようにするためには、負極合剤層8bである黒鉛の表面が平滑であること、つまり表面粗さが小さい必要がある。黒鉛の表面粗さは、(比表面積)×(メディアン径)の値によって比較することができる。例えば、粗さ算出対象を、均一な質量分布を有する完全な球体と仮定した場合、比表面積は半径の逆数に比例するため、半径を乗じることで表面の形状のみに依存する特徴量を算出することができる。この考え方を球体に限定されない立体に応用すると、(比表面積)×(メディアン径)が表面の粗さを表す特徴量となり得るため、この値が小さいほど表面粗さが小さい、つまり平滑な表面を有すると推測することができる。(比表面積)×(メディアン径)の値が30(×10-6m3/g)以下の平滑な黒鉛を負極活物質として用いることで、より均一な被膜形成が起こりやすくなり、その結果、局所的にVC由来の成分の割合が高くなりにくくなり、上述の効果によってデンドライト析出を抑制することができる。一方で、(比表面積)×(メディアン径)の値が30(×10-6m3/g)よりも大きい黒鉛の場合、黒鉛の表面粗さが大きいため、表面被膜のVC由来の成分とリチウム塩由来の成分との割合が不均一になり、局所的にVC由来の成分の割合が高くなる箇所が発生する。その箇所は局所的に低温下での反応抵抗が高くなりデンドライト析出が起こりやすくなる。
ここで、(比表面積)×(メディアン径)の値は、出力特性、初回不可逆容量の増加抑制、および電極の高密度化の観点で、5(×10-6m3/g)以上であることが好ましい。この下限値は、黒鉛の比表面積やメディアン径に基づいて算出される。
In addition, in order to ensure that the components derived from VC and the components derived from lithium salt are uniformly contained in the non-aqueous electrolyte during film formation, the surface of the graphite that is the negative
Here, the value of (specific surface area) x (median diameter) is 5 (x10 -6 m 3 /g) or more from the viewpoint of output characteristics, suppressing increase in initial irreversible capacity, and increasing electrode density. It is preferable. This lower limit value is calculated based on the specific surface area and median diameter of graphite.
さらに、(比表面積)×(メディアン径)の値が上記の上限値以下であるような表面が平滑な黒鉛は、サイクル時の電解液との過度な接触も抑制できるため、電解液の還元分解反応による劣化が起きにくいという効果を奏する。 Furthermore, graphite with a smooth surface, where the value of (specific surface area) x (median diameter) is less than the above upper limit, can suppress excessive contact with the electrolyte during cycling, so it is possible to reduce the reductive decomposition of the electrolyte. This has the effect that deterioration due to reactions is less likely to occur.
また、上述したように負極表面への被膜形成時に十分にリチウム塩の供給が行われるようにするため、非水電解液中のリチウム塩の濃度は、1.0mol/L以上であることが好ましい。ただし、リチウム塩が過剰になりすぎるとビニレンカーボネート由来の被膜が十分に形成されず高温サイクル特性が悪化するため、リチウム塩の濃度は1.5mol/L以下であることが好ましい。また、良質なリチウム塩由来の被膜を形成するために、リチウム塩はLiPF6であることが好ましい。 Further, as mentioned above, in order to ensure that lithium salt is sufficiently supplied when forming a film on the negative electrode surface, the concentration of lithium salt in the non-aqueous electrolyte is preferably 1.0 mol/L or more. . However, if the lithium salt is too excessive, a film derived from vinylene carbonate will not be sufficiently formed and high temperature cycle characteristics will deteriorate, so the concentration of the lithium salt is preferably 1.5 mol/L or less. Further, in order to form a film derived from a high-quality lithium salt, the lithium salt is preferably LiPF 6 .
上記のような構成とすることによって、初期活性化における被膜形成時にVC由来の成分とリチウム塩由来の成分とが適度に含まれ、適切な緻密性を有する被膜を負極表面に形成させることができるという、構成要素の単体もしくは無作為的な組み合わせでは得られない特異的な現象を引き起こすことができる。このため、氷点下での充電時にも抵抗増大によるデンドライト析出を抑制することができる。加えて、電解液と他の構成部材との過度な接触も生じないため高温サイクル時の劣化も防ぐことができ、結果として、幅広い温度域で性能を損なうことなく使用可能な非水電解質二次電池を提供することが可能となる。 With the above configuration, a suitable amount of VC-derived components and lithium salt-derived components are included during film formation during initial activation, and a film with appropriate density can be formed on the negative electrode surface. It is possible to cause a unique phenomenon that cannot be obtained by a single component or a random combination of components. Therefore, dendrite precipitation due to increased resistance can be suppressed even during charging at sub-zero temperatures. In addition, there is no excessive contact between the electrolyte and other components, which prevents deterioration during high-temperature cycles. It becomes possible to provide batteries.
以下、実施例を例示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の形態に何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be explained in more detail by way of examples, but the present invention is not limited to the following embodiments.
(実施例1)
<正極の作製>
正極活物質としてLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM)を90重量%、第1の導電材として黒鉛を3重量%、第2の導電材としてアセチレンブラックを3重量%、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を4重量%、および粘度調整溶媒としてN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を適量混合して、正極活物質スラリーを調製した。
(Example 1)
<Preparation of positive electrode>
90% by weight of LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 (NCM) as the positive electrode active material, 3% by weight of graphite as the first conductive material, and 3% by weight of acetylene black as the second conductive material. A positive electrode active material slurry was prepared by mixing 4% by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a viscosity adjusting solvent.
得られた正極活物質スラリーを、正極集電体である厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に塗布、乾燥して正極合剤層を形成した。このときの正極合剤層の片面あたりの塗布量は96g/m2とした。続いて正極にプレス加工を施して、正極合剤層の密度を2.5g/cm3とした。その後、正極合剤層が塗工されている部分の長方形の一辺から塗工されていない部分が正極集電リードとして矩形状に突出した形状になるように切断した。 The obtained positive electrode active material slurry was applied to both sides of a 20 μm thick aluminum foil serving as a positive electrode current collector, and dried to form a positive electrode mixture layer. At this time, the coating amount per one side of the positive electrode mixture layer was 96 g/m 2 . Subsequently, the positive electrode was subjected to press processing, and the density of the positive electrode mixture layer was set to 2.5 g/cm 3 . Thereafter, it was cut so that the uncoated portion of the rectangular side of the portion coated with the positive electrode mixture layer protruded into a rectangular shape as a positive electrode current collector lead.
<負極の作製>
負極活物質として比表面積が2.1m2/g、メディアン径(D50)が6.4μmの黒鉛を96.7重量%、導電材としてアセチレンブラックを0.3重量%、結着材としてスチレンブタジエンゴムを1.5重量%、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを1.5重量%、および粘度調整溶媒としてイオン交換水を適量混合して、負極活物質スラリーを調製した。
<Preparation of negative electrode>
96.7% by weight of graphite with a specific surface area of 2.1 m 2 /g and a median diameter (D50) of 6.4 μm as the negative electrode active material, 0.3% by weight of acetylene black as the conductive material, and styrene-butadiene as the binder. A negative electrode active material slurry was prepared by mixing 1.5% by weight of rubber, 1.5% by weight of carboxymethyl cellulose as a thickener, and an appropriate amount of ion-exchanged water as a viscosity adjusting solvent.
得られた負極活物質スラリーを、負極集電体である厚さ10μmの銅箔の両面に塗布、乾燥して負極合剤層を形成した。このときの負極合剤層の片面あたりの塗布量は58g/m2とした。続いて正極にプレス加工を施して、負極合剤層の密度を1.45g/cm3とした。その後に、負極合剤層が塗工されている部分の長方形の一辺から塗工されていない部分が負極集電リードとして矩形状に突出した形状になるように切断した。 The obtained negative electrode active material slurry was applied to both sides of a 10 μm thick copper foil serving as a negative electrode current collector, and dried to form a negative electrode mixture layer. At this time, the coating amount per side of the negative electrode mixture layer was 58 g/m 2 . Subsequently, the positive electrode was subjected to press processing, and the density of the negative electrode mixture layer was set to 1.45 g/cm 3 . Thereafter, it was cut so that the uncoated portion of the rectangular side of the portion coated with the negative electrode mixture layer protruded into a rectangular shape as a negative electrode current collector lead.
<電極素子の作製>
次に、正極と負極とを、つづら折り状に繋がったセパレータと交互に積層することで電極素子を作製した。セパレータは、乾式延伸法によって作製されたPE/PP/PEの三層構造を有するものを用いた。このセパレータは、乾式延伸法によって作製されているため、スリット孔構造を有する。また、用意したセパレータのJISガーレーは、250秒/100mLである。続いて、正極集電リードおよび負極集電リードを集束して、超音波溶接によって正極集電タブおよび負極集電タブと接続した。
<Preparation of electrode element>
Next, an electrode element was produced by alternately stacking a positive electrode and a negative electrode with separators connected in a meandering manner. The separator used had a three-layer structure of PE/PP/PE produced by a dry stretching method. Since this separator is manufactured by a dry stretching method, it has a slit hole structure. Moreover, the JIS Gurley of the prepared separator is 250 seconds/100 mL. Subsequently, the positive electrode current collector lead and the negative electrode current collector lead were bundled together and connected to the positive electrode current collector tab and the negative electrode current collector tab by ultrasonic welding.
<非水電解液の調整>
エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびジメチルカーボネートを体積比2:5:3の割合で混合した混合溶媒に、リチウム塩としてLiPF6を1.3mol/L、添加剤としてVCを1.0重量%の割合で溶解させたものを非水電解液として用いた。
<Adjustment of non-aqueous electrolyte>
A mixed solvent containing ethylene carbonate, ethyl methyl carbonate, and dimethyl carbonate at a volume ratio of 2:5:3 contains 1.3 mol/L of LiPF 6 as a lithium salt and 1.0% by weight of VC as an additive. The solution was used as a non-aqueous electrolyte.
<非水電解質二次電池の作製>
外装体として、ポリオレフィンからなる熱融着樹脂層と、アルミニウム箔からなる金属層と、ナイロン樹脂およびポリエステル樹脂からなる保護層とが、この順番で積層した構造を有する矩形のラミネートフィルムを2枚用意した。2枚のラミネートフィルムの熱融着樹脂層を互いに対向して配置して、2つの収容凹部内に電極素子が収納されるように、ラミネートフィルムを鏡合わせで重ね合わせた。2枚のラミネートフィルムの周縁間には、各端子(タブ)の熱融着樹脂部が形成される部分が通過し、各端子の一部が外部に露出するように電極素子を配置した。この状態で、それらラミネートフィルムの各端子が延出する辺を含む3辺において、ラミネートフィルムの周縁同士の熱融着樹脂層を熱融着した。続いて、外装体の熱融着していない1辺から、上記にて調製した非水電解液を注入した。次に、減圧環境下で、外装体の残りの1辺を熱融着して、非水電解質二次電池を作製した。
<Production of non-aqueous electrolyte secondary battery>
As the exterior body, two rectangular laminate films are prepared that have a structure in which a heat-sealable resin layer made of polyolefin, a metal layer made of aluminum foil, and a protective layer made of nylon resin and polyester resin are laminated in this order. did. The heat-sealing resin layers of the two laminate films were arranged to face each other, and the laminate films were overlapped in mirror alignment so that the electrode elements were housed in the two housing recesses. The electrode element was arranged so that a portion of each terminal (tab) on which a heat-sealing resin portion was formed passed between the peripheral edges of the two laminate films, and a portion of each terminal was exposed to the outside. In this state, the heat-sealable resin layers at the peripheral edges of the laminate films were heat-sealed on three sides including the side where each terminal of the laminate film extended. Subsequently, the non-aqueous electrolyte prepared above was injected from one side of the exterior body that was not heat-sealed. Next, the remaining one side of the exterior body was heat-sealed in a reduced pressure environment to produce a non-aqueous electrolyte secondary battery.
<-20℃サイクル試験による評価>
作製した非水電解質二次電池に対して、-20℃サイクル試験による評価を実施した。-20℃環境下で、上限電圧4.2V、0.2C、カットオフ電流0.05CのCC-CV充電と、下限電圧2.7V、1.0CのCC放電とを60サイクル繰り返した。また、その前後に25℃環境下で上限電圧4.2V、0.5C、カットオフ電流0.05CのCC-CV充電と、下限電圧2.7V、0.5CのCC放電とを1サイクルずつ実施して容量確認試験を行い、-20℃環境下での充放電サイクル前の容量確認試験における放電容量を100%とみなした場合の-20℃環境下での充放電サイクル後の容量確認試験における放電容量を容量維持率[%]とした。
<Evaluation by -20℃ cycle test>
The fabricated non-aqueous electrolyte secondary battery was evaluated by a -20°C cycle test. CC-CV charging with an upper limit voltage of 4.2 V, 0.2 C, and cut-off current of 0.05 C and CC discharging with a lower limit voltage of 2.7 V and 1.0 C were repeated for 60 cycles in a −20° C. environment. In addition, before and after that, CC-CV charging with an upper limit voltage of 4.2 V, 0.5 C, and cut-off current of 0.05 C and CC discharging with a lower limit voltage of 2.7 V, 0.5 C were performed in a 25°C environment for one cycle each. A capacity confirmation test is conducted after a charge/discharge cycle in a -20℃ environment, assuming that the discharge capacity in the capacity confirmation test before a charge/discharge cycle in a -20℃ environment is 100%. The discharge capacity in was defined as the capacity retention rate [%].
<45℃サイクル試験による評価>
作製した非水電解質二次電池に対して、45℃サイクル試験による評価を実施した。45℃環境下で、上限電圧4.2V、1.0C、カットオフ電流0.05CのCC-CV充電と、下限電圧2.7V、1.0CのCC放電とを500サイクル繰り返した。また、その前後に25℃環境下で上限電圧4.2V、0.5C、カットオフ電流0.05CのCC-CV充電と、下限電圧2.7V、0.5CのCC放電とを1サイクルずつ実施して容量確認試験を行い、45℃環境下での充放電サイクル前の容量確認試験における放電容量を100%とみなした場合の45℃環境下での充放電サイクル後の容量確認試験における放電容量を容量維持率[%]とした。
<Evaluation by 45°C cycle test>
The produced non-aqueous electrolyte secondary battery was evaluated by a 45° C. cycle test. CC-CV charging with an upper limit voltage of 4.2 V, 1.0 C, and cut-off current of 0.05 C and CC discharging with a lower limit voltage of 2.7 V and 1.0 C were repeated for 500 cycles in a 45° C. environment. In addition, before and after that, CC-CV charging with an upper limit voltage of 4.2 V, 0.5 C, and cut-off current of 0.05 C and CC discharging with a lower limit voltage of 2.7 V, 0.5 C were performed in a 25°C environment for one cycle each. The discharge capacity in the capacity confirmation test after the charge/discharge cycle in the 45℃ environment is assumed to be 100%. The capacity was defined as the capacity retention rate [%].
<サイクル試験結果の総合判定>
-20℃サイクル試験において容量維持率が95%より小さい場合はデンドライト析出が起きている可能性が極めて高いことから総合判定を「×」、95%以上の場合は「◎」とした。また、45℃サイクル試験において容量維持率が75%より小さい場合も高温下でのサイクル特性が十分でないため総合判定を「×」、容量維持率が75%以上80%未満の場合は「○」、容量維持率が80%以上の場合は「◎」とした。つまり、-20℃サイクル試験の容量維持率が95%以上、かつ45℃サイクル試験の容量維持率が80%以上の場合のみ総合判定を「◎」とした。
実施例1における物性値および試験結果を表1に示す。
If the capacity retention rate is less than 95% in the -20°C cycle test, there is a very high possibility that dendrite precipitation has occurred, so the overall evaluation was given as "x", and when it was 95% or more, it was given "◎". Also, if the capacity retention rate is less than 75% in the 45°C cycle test, the cycle characteristics at high temperatures are not sufficient, so the overall judgment is "×", and if the capacity retention rate is 75% or more and less than 80%, it is "○". If the capacity maintenance rate was 80% or more, it was marked as "◎". That is, only when the capacity retention rate in the -20°C cycle test was 95% or more and the capacity retention rate in the 45°C cycle test was 80% or more, the overall evaluation was given as "◎".
Table 1 shows the physical property values and test results in Example 1.
(実施例2)
実施例2では、負極活物質として比表面積が3.3m2/g、メディアン径が7.6μmの黒鉛を用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。実施例2における物性値および試験結果を表1に示す。
(Example 2)
In Example 2, a nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that graphite with a specific surface area of 3.3 m 2 /g and a median diameter of 7.6 μm was used as the negative electrode active material. . Table 1 shows the physical property values and test results in Example 2.
(実施例3)
実施例3では、負極活物質として比表面積が1.3m2/g、メディアン径が18.5μmの黒鉛を用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。実施例3における物性値および試験結果を表1に示す。
(Example 3)
In Example 3, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that graphite with a specific surface area of 1.3 m 2 /g and a median diameter of 18.5 μm was used as the negative electrode active material. . Table 1 shows the physical property values and test results in Example 3.
(実施例4)
実施例4では、リチウム塩としてLiPF6を0.9mol/L溶解させたものを非水電解液として用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。実施例4における物性値および試験結果を表1に示す。
(Example 4)
In Example 4, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that 0.9 mol/L of LiPF 6 dissolved as a lithium salt was used as the non-aqueous electrolyte. Table 1 shows the physical property values and test results in Example 4.
(実施例5)
実施例5では、リチウム塩としてLiPF6を1.6mol/L溶解させたものを非水電解液として用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。実施例5における物性値および試験結果を表1に示す。
(Example 5)
In Example 5, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that 1.6 mol/L of LiPF 6 dissolved as a lithium salt was used as the non-aqueous electrolyte. Table 1 shows the physical property values and test results in Example 5.
(実施例6)
実施例6では、セパレータとして、乾式延伸法によって作製されたPE/PP/PEの三層構造を有する、正極側にフィラーを含有するものを用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。実施例6における物性値および試験結果を表1に示す。
(Example 6)
In Example 6, a non-containing material was prepared in the same manner as in Example 1, except that a separator having a three-layer structure of PE/PP/PE produced by a dry stretching method and containing a filler on the positive electrode side was used. A water electrolyte secondary battery was fabricated. Table 1 shows the physical property values and test results in Example 6.
(実施例7)
実施例7では、添加剤としてVCを2.0重量%の割合で溶解させたものを非水電解液として用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。実施例7における物性値および試験結果を表1に示す。
(Example 7)
In Example 7, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that a solution containing 2.0% by weight of VC as an additive was used as the non-aqueous electrolyte. . Table 1 shows the physical property values and test results in Example 7.
(実施例8)
実施例8では、添加剤としてVCを2.0重量%の割合で溶解させるとともに、リチウム塩としてLiBF4を1.3mol/L溶解させたものを非水電解液として用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。実施例8における物性値および試験結果を表1に示す。
(Example 8)
In Example 8, VC was dissolved at a ratio of 2.0% by weight as an additive, and 1.3 mol/L of LiBF 4 was dissolved as a lithium salt and the non-aqueous electrolyte was used. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the physical property values and test results in Example 8.
(実施例9)
実施例9では、添加剤としてVCを2.0重量%の割合で溶解させるとともに、リチウム塩としてLiClO4を1.3mol/L溶解させたものを非水電解液として用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。実施例9における物性値および試験結果を表1に示す。
(Example 9)
In Example 9, VC was dissolved at a ratio of 2.0% by weight as an additive, and 1.3 mol/L of LiClO 4 was dissolved as a lithium salt and the non-aqueous electrolyte was used. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1. Table 1 shows the physical property values and test results in Example 9.
(実施例10)
実施例10では、添加剤としてVCを0.5重量%の割合で溶解させたものを非水電解液として用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。実施例10における物性値および試験結果を表1に示す。
(Example 10)
In Example 10, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that a solution containing 0.5% by weight of VC as an additive was used as the non-aqueous electrolyte. . Table 1 shows the physical property values and test results in Example 10.
(実施例11)
実施例11では、添加剤としてVCを0.1重量%の割合で溶解させたものを非水電解液として用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。実施例11における物性値および試験結果を表1に示す。
(Example 11)
In Example 11, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that a solution containing 0.1% by weight of VC as an additive was used as the non-aqueous electrolyte. . Table 1 shows the physical property values and test results in Example 11.
(比較例1)
比較例1では、負極活物質として比表面積が2.8m2/g、メディアン径が12.0μmの黒鉛を用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。比較例1における物性値および試験結果を表1に示す。
(Comparative example 1)
In Comparative Example 1, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that graphite with a specific surface area of 2.8 m 2 /g and a median diameter of 12.0 μm was used as the negative electrode active material. . Table 1 shows the physical property values and test results in Comparative Example 1.
(比較例2)
比較例2では、負極活物質として比表面積が5.2m2/g、メディアン径が10.9μmの黒鉛を用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。比較例2における物性値および試験結果を表1に示す。
(Comparative example 2)
In Comparative Example 2, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that graphite with a specific surface area of 5.2 m 2 /g and a median diameter of 10.9 μm was used as the negative electrode active material. . Table 1 shows the physical property values and test results in Comparative Example 2.
(比較例3)
比較例3では、セパレータとして、湿式延伸法で作製されたPEからなるJISガーレーが260秒/100mLのものを用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。比較例3にかかるセパレータは、湿式延伸法によって作製されているため、スリット孔構造を有しない。比較例3における物性値および試験結果を表1に示す。
(Comparative example 3)
In Comparative Example 3, a nonaqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that a JIS Gurley made of PE produced by a wet stretching method at 260 seconds/100 mL was used as the separator. . The separator according to Comparative Example 3 was produced by a wet stretching method, and therefore did not have a slit hole structure. Table 1 shows the physical property values and test results in Comparative Example 3.
(比較例4)
比較例4では、セパレータとして、乾式延伸法によって作製されたPE/PP/PEの三層構造を有する、JISガーレーが530秒/100mLのものを用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。比較例4における物性値および試験結果を表1に示す。
(Comparative example 4)
Comparative Example 4 was carried out in the same manner as in Example 1, except that a JIS Gurley of 530 seconds/100 mL, which had a three-layer structure of PE/PP/PE produced by a dry stretching method, was used as a separator. A non-aqueous electrolyte secondary battery was fabricated. Table 1 shows the physical property values and test results in Comparative Example 4.
(比較例5)
比較例5では、非水電解液において、添加剤としてLiPO2F2を1重量%の割合で溶解させたものを用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。比較例5における物性値および試験結果を表1に示す。
(Comparative example 5)
In Comparative Example 5, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that LiPO 2 F 2 dissolved at a ratio of 1% by weight was used as an additive in the non-aqueous electrolyte. Created. Table 1 shows the physical property values and test results in Comparative Example 5.
(比較例6)
比較例6では、添加剤が含まれないものを非水電解液として用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。比較例6における物性値および試験結果を表1に示す。
(Comparative example 6)
In Comparative Example 6, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that a non-aqueous electrolyte containing no additives was used. Table 1 shows the physical property values and test results in Comparative Example 6.
(比較例7)
比較例7では、非水電解液において、添加剤としてフルオロエチレンカーボネート(FEC)を3重量%の割合で溶解させたものを用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。比較例7における物性値および試験結果を表1に示す。
(Comparative example 7)
In Comparative Example 7, a non-aqueous electrolyte secondary was prepared in the same manner as in Example 1, except that 3% by weight of fluoroethylene carbonate (FEC) was dissolved as an additive in the non-aqueous electrolyte. A battery was created. Table 1 shows the physical property values and test results in Comparative Example 7.
(比較例8)
比較例8では、非水電解液において、添加剤としてVCを3重量%の割合で溶解させたものを用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。比較例8における物性値および試験結果を表1に示す。
(Comparative example 8)
In Comparative Example 8, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that 3% by weight of VC was dissolved as an additive in the non-aqueous electrolyte. Table 1 shows the physical property values and test results in Comparative Example 8.
(比較例9)
比較例9では、非水電解液において、添加剤としてVCを2.5重量%の割合で溶解させたものを用いたこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。比較例9における物性値および試験結果を表1に示す。
(Comparative example 9)
In Comparative Example 9, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, except that 2.5% by weight of VC was dissolved as an additive in the non-aqueous electrolyte. did. Table 1 shows the physical property values and test results in Comparative Example 9.
表1に示す結果より、本発明における構成要件を全て満たす実施例1~11の非水電解質二次電池は、高温下で充放電サイクルを繰り返しても容量低下が少なく、かつ、-20℃という極低温下で繰り返し充放電をしてもデンドライト析出が起きにくいことが判明した。その中でも、リチウム塩としてLiPF6を用いてその濃度が1.0mol/L以上1.5mol/L以下であり、かつセパレータが無機フィラーを非含有である実施例1~3、7の非水電解質二次電池は特に優れた特性を示した。 From the results shown in Table 1, the non-aqueous electrolyte secondary batteries of Examples 1 to 11, which satisfy all the constituent requirements of the present invention, show little capacity loss even after repeated charge/discharge cycles at high temperatures, and have a temperature of -20°C. It was found that dendrite precipitation does not easily occur even after repeated charging and discharging at extremely low temperatures. Among them, the non-aqueous electrolytes of Examples 1 to 3 and 7 in which LiPF 6 is used as the lithium salt, the concentration thereof is 1.0 mol/L or more and 1.5 mol/L or less, and the separator does not contain an inorganic filler. The secondary battery showed particularly excellent characteristics.
一方で、負極、セパレータ、電解液添加剤のいずれかが構成要件を満たしていない比較例1~9の非水電解質二次電池は、-20℃サイクル試験および45℃サイクル試験の少なくとも一方において所望の特性が得られない結果となった。 On the other hand, the nonaqueous electrolyte secondary batteries of Comparative Examples 1 to 9 in which any one of the negative electrode, separator, and electrolyte additive did not meet the structural requirements met the desired results in at least one of the -20°C cycle test and the 45°C cycle test. As a result, the following characteristics could not be obtained.
以上より、本発明によれば、幅広い温度域で性能を損なうことなく使用可能な非水電解質二次電池を提供できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery that can be used in a wide temperature range without degrading performance.
なお、いくつかの実施形態について、具体的に説明したが、これらは単なる例示であり、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく種々の変更が可能である。 Although some embodiments have been specifically described, these are merely illustrative, and the present invention is not limited to these embodiments and examples, and various embodiments based on the technical idea of the present invention can be changed.
本発明は、幅広い温度域で性能を損なうことなく使用可能な優れた特性を示す非水電解質二次電池を提供するため、非水電解質二次電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。 The present invention provides a non-aqueous electrolyte secondary battery that can be used in a wide temperature range without degrading performance and exhibits excellent characteristics, and thus contributes to the manufacture and sale of non-aqueous electrolyte secondary batteries. Has availability.
1 非水電解質二次電池
2 ラミネートシート
3 正極端子
4 負極端子
5 電極群
6 シーラント
7 正極
8 負極
9 セパレータ
10 正極集電リード
11 負極集電リード
12、13 溶接部
1 Nonaqueous electrolyte
Claims (8)
前記非水電解液は、当該非水電解液全体の重量に対して2%以下のビニレンカーボネートを含み、
前記セパレータは、スリットを有する構造またはラメラ骨格構造をなし、JISガーレーが300秒/100mL以内であり、
前記負極は、
負極集電体と、
前記負極集電体に塗布される負極合剤層と、
を有し、
前記負極合剤層は、負極活物質として黒鉛を含み、
前記黒鉛の比表面積(m2/g)と、前記黒鉛のメディアン径(μm)との積が、30(×10-6m3/g)以下である、
ことを特徴とする非水電解質二次電池。 A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising an electrode element consisting of a positive electrode, a negative electrode and a separator, and a non-aqueous electrolyte,
The non-aqueous electrolyte contains 2% or less vinylene carbonate based on the total weight of the non-aqueous electrolyte,
The separator has a structure with slits or a lamellar skeleton structure, and has a JIS Gurley speed of 300 seconds/100 mL or less,
The negative electrode is
a negative electrode current collector;
a negative electrode mixture layer applied to the negative electrode current collector;
has
The negative electrode mixture layer contains graphite as a negative electrode active material,
The product of the specific surface area (m 2 /g) of the graphite and the median diameter (μm) of the graphite is 30 (×10 −6 m 3 /g) or less,
A non-aqueous electrolyte secondary battery characterized by:
前記非水電解液は、当該非水電解液全体の重量に対して2%以下のビニレンカーボネートを含み、
前記セパレータは、乾式延伸法によって形成されてなり、JISガーレーが300秒/100mL以内であり、
前記負極は、
負極集電体と、
前記負極集電体に塗布される負極合剤層と、
を有し、
前記負極合剤層は、負極活物質として黒鉛を含み、
前記黒鉛の比表面積(m2/g)と、前記黒鉛のメディアン径(μm)との積が、30(×10-6m3/g)以下である、
ことを特徴とする非水電解質二次電池。 A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising an electrode element consisting of a positive electrode, a negative electrode and a separator, and a non-aqueous electrolyte,
The non-aqueous electrolyte contains 2% or less vinylene carbonate based on the total weight of the non-aqueous electrolyte,
The separator is formed by a dry stretching method, and has a JIS Gurley of 300 seconds/100 mL or less,
The negative electrode is
a negative electrode current collector;
a negative electrode mixture layer applied to the negative electrode current collector;
has
The negative electrode mixture layer contains graphite as a negative electrode active material,
The product of the specific surface area (m 2 /g) of the graphite and the median diameter (μm) of the graphite is 30 (×10 −6 m 3 /g) or less,
A non-aqueous electrolyte secondary battery characterized by:
ことを特徴とする請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。 The separator does not contain filler,
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2, characterized in that:
前記リチウム塩の濃度が、1.0mol/L以上1.5mol/L以下である、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。 The non-aqueous electrolyte further includes a lithium salt,
The concentration of the lithium salt is 1.0 mol/L or more and 1.5 mol/L or less,
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2, characterized in that:
ことを特徴とする請求項4に記載の非水電解質二次電池。 the lithium salt is LiPF 6 ;
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 4, characterized in that:
集電体と、
前記集電体に塗布された正極合剤層と、
を有し、
前記正極合剤層は、正極活物質として、一般式LiMO2(Mは、Na、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Ti、Cr、Pb、SbおよびBから選択される1つ以上の元素)で表されるリチウム遷移金属酸化物を含む、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。 The positive electrode is
A current collector;
a positive electrode mixture layer applied to the current collector;
has
The positive electrode mixture layer has the general formula LiMO2 (M is Na, Mg, Sc, Y, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Ti, Cr, Pb, Sb, and one or more elements selected from B);
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。 The negative electrode contains only graphite as a negative electrode active material.
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2, characterized in that:
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