JP2024062054A - Lithium-ion secondary battery - Google Patents

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Abstract

【課題】リチウムリッチマンガン正極材料を用いたリチウムイオン二次電池において、低温での充放電容量を向上させうる手段を提供する。【解決手段】正極活物質として、下記組成式(1):Li1.5[NiaCobMnc[Li]d]O3(1)(式中、a、b、cおよびdは、0<a<1.4、0≦b<1.4、0<c<1.4、0.1<d≦0.4、a+b+c+d=1.5、1.1≦a+b+c<1.4の関係を満足する)で表される組成を有するリチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質層を含む正極と、負極と、電解液を含む電解質層と、を含む発電要素を備えたリチウムイオン二次電池であって、25℃において、SOC80%におけるリチウム拡散係数(DLi80)に対するSOC15%におけるリチウム拡散係数(DLi15)の比DLi15/DLi80が0.05以上である、リチウムイオン二次電池である。【選択図】図3[Problem] To provide a means for improving the charge/discharge capacity at low temperatures in a lithium-ion secondary battery using a lithium-rich manganese positive electrode material. [Solution] The lithium-ion secondary battery is provided with a power generating element including a positive electrode including a positive electrode active material layer containing a lithium transition metal composite oxide having a composition represented by the following composition formula (1): Li1.5[NiaCobMnc[Li]d]O3(1) (wherein a, b, c, and d satisfy the relationships of 0<a<1.4, 0≦b<1.4, 0<c<1.4, 0.1<d≦0.4, a+b+c+d=1.5, 1.1≦a+b+c<1.4) as a positive electrode active material, a negative electrode, and an electrolyte layer including an electrolyte, wherein the ratio DLi15/DLi80 of the lithium diffusion coefficient (DLi15) at SOC 15% to the lithium diffusion coefficient (DLi80) at SOC 80% at 25°C is 0.05 or more. [Selected figure] Figure 3

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium-ion secondary battery.

近年、環境・エネルギー問題の解決へ向けて、種々の電気自動車の普及が期待されている。これら電気自動車の普及の鍵を握るモータ駆動用電源などの車載電源として、二次電池の開発が鋭意行われている。二次電池としては、高エネルギー密度、高出力が期待できるリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池に注目が集まっている。 In recent years, the spread of various electric vehicles is expected to help solve environmental and energy problems. Secondary batteries are being developed as on-board power sources for driving motors and other purposes, which hold the key to the spread of these electric vehicles. As secondary batteries, attention has been focused on non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium-ion secondary batteries, which are expected to have high energy density and high output.

電動車両への適用を指向したリチウムイオン二次電池は、高出力および高容量であることが求められる。このようなリチウムイオン二次電池の正極に使用される正極活物質として、リチウムおよびマンガン等の遷移金属を含む固溶体正極活物質、例えば、LiMnO-LiMO(M=Ni,Co,Mn)の固溶体などのリチウムリッチマンガン正極材料が知られている。 Lithium ion secondary batteries intended for application to electric vehicles are required to have high output and high capacity. As a positive electrode active material used in the positive electrode of such lithium ion secondary batteries, a solid solution positive electrode active material containing lithium and a transition metal such as manganese, for example, a lithium-rich manganese positive electrode material such as a solid solution of Li 2 MnO 3 -LiMO 2 (M=Ni, Co, Mn), is known.

このようなリチウムリッチマンガン正極材料はエネルギー密度が高くコバルト使用量の低減が可能なため次世代正極材料として着目されているが、充放電サイクル耐久性が不十分であることが課題となっている。この課題に対して、特許文献1には、特定の正極活性化プロトコルによって充放電サイクル耐久性が改善されることが開示されている。具体的には、約4.3V以下の電圧まで電池の初回充電を行い、初回充電の終了後に少なくとも約12時間の休止期間のあいだ開路で前記電池を維持し、休止期間の終了後に少なくとも約4.35Vの電圧まで2回目の充電を行う。これにより、初回充電の際に4.3V付近で起こる正極活物質の結晶構造変化を緩やかに進め、変化後の構造をより安定化させることができ、このことが充放電サイクルの改善につながるものと考えられる。 Such lithium-rich manganese positive electrode materials have been attracting attention as next-generation positive electrode materials because they have high energy density and can reduce the amount of cobalt used, but their insufficient charge-discharge cycle durability is an issue. In response to this issue, Patent Document 1 discloses that charge-discharge cycle durability can be improved by a specific positive electrode activation protocol. Specifically, the battery is initially charged to a voltage of about 4.3 V or less, the battery is maintained in an open circuit for a rest period of at least about 12 hours after the initial charge is completed, and the battery is then charged a second time to a voltage of at least about 4.35 V after the rest period is completed. This allows the crystal structure change of the positive electrode active material that occurs around 4.3 V during the initial charge to proceed slowly, making the structure after the change more stable, which is thought to lead to an improvement in the charge-discharge cycle.

特表2013-524413号公報JP 2013-524413 A

しかしながら、本発明者が検討を行ったところ、特許文献1に記載の技術を用いた電池であっても、低温条件下における充放電容量が著しく低い場合があることが判明した。 However, the inventors' investigations revealed that even batteries using the technology described in Patent Document 1 may have significantly low charge/discharge capacities under low-temperature conditions.

そこで本発明は、リチウムリッチマンガン正極材料を用いたリチウムイオン二次電池において、低温での充放電容量を向上させうる手段を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a means for improving the charge/discharge capacity at low temperatures in lithium-ion secondary batteries that use lithium-rich manganese positive electrode materials.

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その過程で、低温条件下における充放電サイクル耐久性の低下は、低充電状態(SOC)領域におけるリチウムイオンの拡散性の低下などが原因となっていることを見出した。そして、この知見に基づき、本発明者は、所定の条件で正極活性化を行うことで、低SOC領域におけるリチウムイオンの拡散性が改善されうることを見出した。そして、低SOC領域におけるリチウムイオンの拡散係数を制御することで低温条件下における充放電容量の低下を抑制することが可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The inventors conducted extensive research to solve the above problems. In the process, they discovered that the decrease in charge-discharge cycle durability under low-temperature conditions is due to a decrease in the diffusibility of lithium ions in the low state of charge (SOC) region. Based on this knowledge, the inventors discovered that the diffusibility of lithium ions in the low SOC region can be improved by activating the positive electrode under specified conditions. They also discovered that it is possible to suppress the decrease in charge-discharge capacity under low-temperature conditions by controlling the diffusion coefficient of lithium ions in the low SOC region, which led to the completion of the present invention.

すなわち、本発明の一形態は、正極活物質として、下記組成式(1):
Li1.5[NiCoMn[Li]]O (1)
(式中、a、b、cおよびdは、0<a<1.4、0≦b<1.4、0<c<1.4、0.1<d≦0.4、a+b+c+d=1.5、1.1≦a+b+c<1.4の関係を満足する)で表される組成を有するリチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質層を含む正極と、負極と、電解液を含む電解質層と、を含む発電要素を備えたリチウムイオン二次電池であって、25℃において、SOC80%におけるリチウム拡散係数(DLi80)に対するSOC15%におけるリチウム拡散係数(DLi15)の比DLi15/DLi80が0.05以上である、リチウムイオン二次電池を提供する。
That is, one embodiment of the present invention provides a positive electrode active material represented by the following composition formula (1):
Li1.5 [ NiCobMnc [ Li] d ] O3 ( 1 )
(wherein a, b, c and d satisfy the relationships 0<a<1.4, 0≦b<1.4, 0<c<1.4, 0.1<d≦0.4, a+b+c+d=1.5, 1.1≦a+b+c<1.4), a negative electrode, and an electrolyte layer containing an electrolyte solution, wherein the ratio D Li15 /D Li80 of the lithium diffusion coefficient (D Li15 ) at SOC 15% to the lithium diffusion coefficient (D Li80 ) at SOC 80% at 25° C. is 0.05 or more.

本発明によれば、リチウムリッチマンガン正極材料を用いたリチウムイオン二次電池において、低温での充放電容量が向上しうる。 According to the present invention, the charge/discharge capacity at low temperatures can be improved in a lithium-ion secondary battery using a lithium-rich manganese positive electrode material.

図1は、本発明の一実施形態である扁平型(積層型)の非双極型(内部並列接続タイプ)二次電池(積層型二次電池)の全体構造を模式的に表した断面概略図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic overall structure of a flat (laminated) non-bipolar (internal parallel connection type) secondary battery (laminated secondary battery) according to one embodiment of the present invention. 図2は、本発明の他の実施形態である双極型二次電池を模式的に表した断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic diagram of a bipolar secondary battery according to another embodiment of the present invention. 実施例1および比較例4で作製した電池についてSOCに対する25℃でのLi拡散係数の変化を示す図である。FIG. 1 is a graph showing the change in Li diffusion coefficient at 25° C. versus SOC for the batteries produced in Example 1 and Comparative Example 4.

本発明の一形態は、正極活物質として、下記組成式(1):
Li1.5[NiCoMn[Li]]O (1)
(式中、a、b、cおよびdは、0<a<1.4、0≦b<1.4、0<c<1.4、0.1<d≦0.4、a+b+c+d=1.5、1.1≦a+b+c<1.4の関係を満足する)で表される組成を有するリチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質層を含む正極と、負極と、電解液を含む電解質層と、を含む発電要素を備えたリチウムイオン二次電池であって、25℃において、SOC80%におけるリチウム拡散係数(DLi80)に対するSOC15%におけるリチウム拡散係数(DLi15)の比DLi15/DLi80が0.05以上である、リチウムイオン二次電池である。当該構成により、低温での充放電容量が向上しうる。
One aspect of the present invention is a positive electrode active material having the following composition formula (1):
Li1.5 [ NiCobMnc [ Li] d ] O3 ( 1 )
(wherein a, b, c and d satisfy the relationships 0<a<1.4, 0≦b<1.4, 0<c<1.4, 0.1<d≦0.4, a+b+c+d=1.5, 1.1≦a+b+c<1.4), a negative electrode, and an electrolyte layer containing an electrolyte solution, the lithium ion secondary battery including a power generating element including a positive electrode including a positive electrode active material layer containing a lithium transition metal composite oxide having a composition represented by the formula: (wherein a, b, c and d satisfy the relationships 0<a<1.4, 0≦b<1.4, 0<c<1.4, 0.1<d≦0.4, a+b+c+d=1.5, 1.1≦a+b+c<1.4), wherein the ratio D Li15 /D Li80 of the lithium diffusion coefficient (D Li15 ) at SOC 15 % to the lithium diffusion coefficient (D Li80 ) at SOC 80% at 25° C. is 0.05 or more. This lithium ion secondary battery can improve the charge/discharge capacity at low temperatures.

本形態のリチウムイオン二次電池においては、25℃において、SOC80%におけるリチウム拡散係数(DLi80)に対するSOC15%におけるリチウム拡散係数(DLi15)の比DLi15/DLi80が0.05以上である。SOCが低くなるほど電池抵抗が高くなり充放電特性が低下する傾向にあるが、この傾向は低温条件下であるほど顕著である。そのため、低温での充放電特性に大きな影響を及ぼす低SOC領域のリチウム拡散係数が所定の値を示すことにより、低温でも高い可逆容量が得られるものと考えられる。DLi15/DLi80が0.05を下回ると、低温において可逆容量が著しく低下する。DLi15/DLi80が0.05を下回ると、例えば、-20℃での放電容量が25℃での放電容量の1/10以下になる場合がある。 In the lithium ion secondary battery of this embodiment, the ratio D Li15 /D Li80 of the lithium diffusion coefficient (D Li15 ) at SOC 15% to the lithium diffusion coefficient (D Li80 ) at SOC 80% at 25 ° C. is 0.05 or more. The lower the SOC, the higher the battery resistance and the lower the charge/discharge characteristics tend to be, but this tendency is more pronounced under low temperature conditions. Therefore, it is considered that a high reversible capacity can be obtained even at low temperatures by showing a predetermined value of the lithium diffusion coefficient in the low SOC region, which has a large effect on the charge/discharge characteristics at low temperatures. When D Li15 /D Li80 is below 0.05, the reversible capacity at low temperatures is significantly reduced. When D Li15 /D Li80 is below 0.05, for example, the discharge capacity at -20 ° C. may be 1/10 or less of the discharge capacity at 25 ° C.

Li15/DLi80の値は、好ましくは0.08以上であり、より好ましくは0.085以上である。上記範囲であると低温特性を改善する効果がより顕著に得られうる。また、サイクル耐久性がより向上しうる。DLi15/DLi80の上限値は特に制限されないが、例えば1.2以下であり、好ましくは1.0以下である。 The value of D Li15 /D Li80 is preferably 0.08 or more, more preferably 0.085 or more. When it is in the above range, the effect of improving low-temperature characteristics can be more significantly obtained. In addition, cycle durability can be further improved. The upper limit of D Li15 /D Li80 is not particularly limited, but is, for example, 1.2 or less, preferably 1.0 or less.

好ましい実施形態において、25℃において、SOC60%におけるリチウム拡散係数(DLi60)に対するSOC15%におけるリチウム拡散係数(DLi15)の比DLi15/DLi60は、0.1以上である。これにより本発明の効果がより顕著に得られうる。また、実使用の範囲での電池性能に優れた電池が得られうる。DLi15/DLi60の値は、より好ましくは0.2以上であり、さらに好ましくは0.3以上である。上記範囲であると低温特性を改善する効果がより顕著に得られうる。また、サイクル耐久性がより向上しうる。DLi15/DLi80の上限値は特に制限されないが、例えば1.2以下であり、好ましくは1.0以下である。 In a preferred embodiment, at 25° C., the ratio D Li15 /D Li60 of the lithium diffusion coefficient (D Li15 ) at SOC 15% to the lithium diffusion coefficient (D Li60 ) at SOC 60% is 0.1 or more. This makes it possible to obtain the effects of the present invention more significantly. In addition, a battery having excellent battery performance in the range of practical use can be obtained. The value of D Li15 /D Li60 is more preferably 0.2 or more, and even more preferably 0.3 or more. When it is in the above range, the effect of improving low-temperature characteristics can be obtained more significantly. In addition, cycle durability can be further improved. The upper limit value of D Li15 /D Li80 is not particularly limited, but is, for example, 1.2 or less, preferably 1.0 or less.

好ましい実施形態において、25℃において、SOC15%におけるリチウム拡散係数(DLi15)は、1×10-16cm/s以上である。これにより本発明の効果がより顕著に得られうる。DLi15の値は、より好ましくは2×10-16cm/s以上であり、さらに好ましくは5×10-16cm/s以上である。DLi15の上限値は特に制限されないが、例えば1.2×10-15cm/s以下であり、好ましくは1×10-15cm/s以下である。 In a preferred embodiment, the lithium diffusion coefficient (D Li15 ) at 25° C. and SOC 15% is 1×10 −16 cm 2 /s or more. This makes it possible to obtain the effects of the present invention more significantly. The value of D Li15 is more preferably 2×10 −16 cm 2 /s or more, and further preferably 5×10 −16 cm 2 /s or more. The upper limit of D Li15 is not particularly limited, but is, for example, 1.2×10 −15 cm 2 /s or less, and preferably 1×10 −15 cm 2 /s or less.

なお、リチウム拡散係数DLiは定電流間欠滴定法(GITT法)により得られる値であり、実施例に記載の方法で測定することができる。 The lithium diffusion coefficient D Li is a value obtained by constant current intermittent titration method (GITT method), and can be measured by the method described in the Examples.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。本明細書において、範囲を示す「X~Y」は「X以上Y以下」を意味する。また、特記しない限り、操作および物性等の測定は室温(20~25℃)、相対湿度40~50%RHの条件で行う。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the claims and is not limited to the following forms. The dimensional ratios in the drawings have been exaggerated for the convenience of explanation and may differ from the actual ratios. In this specification, the range "X to Y" means "X or more and Y or less." Furthermore, unless otherwise specified, operations and measurements of physical properties are performed at room temperature (20 to 25°C) and a relative humidity of 40 to 50% RH.

図1は、本発明の一実施形態である扁平型(積層型)の非双極型(内部並列接続タイプ)二次電池(以下、単に「積層型二次電池」とも称する)の全体構造を模式的に表した断面概略図である。 Figure 1 is a schematic cross-sectional view showing the overall structure of a flat (stacked) non-bipolar (internal parallel connection) secondary battery (hereinafter also referred to simply as a "stacked secondary battery") according to one embodiment of the present invention.

図1に示すように、本実施形態の積層型二次電池10aは、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、ラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極集電体11’の両面に正極活物質層13が配置された正極と、電解液を含有するセパレータからなる電解質層17と、負極集電体11”の両面に負極活物質層15が配置された負極とを積層した構成を有している。具体的には、1つの正極活物質層13とこれに隣接する負極活物質層15とが、電解質層17を介して対向するようにして、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。 As shown in FIG. 1, the stacked secondary battery 10a of this embodiment has a structure in which a roughly rectangular power generating element 21, where the charge/discharge reaction actually proceeds, is sealed inside a laminate film 29. Here, the power generating element 21 has a structure in which a positive electrode in which a positive electrode active material layer 13 is arranged on both sides of a positive electrode collector 11', an electrolyte layer 17 made of a separator containing an electrolytic solution, and a negative electrode in which a negative electrode active material layer 15 is arranged on both sides of a negative electrode collector 11" are stacked. Specifically, the negative electrode, electrolyte layer, and positive electrode are stacked in this order, with one positive electrode active material layer 13 and the adjacent negative electrode active material layer 15 facing each other through the electrolyte layer 17.

これにより、隣接する正極、電解質層、および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型二次電池10aは、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の両最外層に位置する最外層の正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図1とは正極及び負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層の負極集電体が位置するようにし、該最外層の負極集電体の片面または両面に負極活物質層が配置されるようにしてもよい。 As a result, the adjacent positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode constitute one single cell layer 19. Therefore, the stacked secondary battery 10a shown in FIG. 1 can be said to have a configuration in which a plurality of single cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. The positive electrode collectors of the outermost layers located on both outermost layers of the power generation element 21 each have the positive electrode active material layer 13 disposed on only one side, but active material layers may be disposed on both sides. That is, instead of using a collector dedicated to the outermost layer with an active material layer disposed on only one side, a collector having active material layers on both sides may be used as the outermost layer collector as it is. Also, by reversing the arrangement of the positive electrode and negative electrode from FIG. 1, the outermost negative electrode collectors may be positioned on both outermost layers of the power generation element 21, and the negative electrode active material layers may be disposed on one or both sides of the outermost negative electrode collectors.

正極集電体11’及び負極集電体11”には、各電極(正極及び負極)と導通される正極集電板25及び負極集電板27がそれぞれ取り付けられ、ラミネートフィルム29の端部に挟まれるようにしてラミネートフィルム29の外部に導出される構造を有している。正極集電板25及び負極集電板27は、それぞれ必要に応じて正極端子リード及び負極端子リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11’及び負極集電体11”に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。 The positive electrode collector 11' and the negative electrode collector 11" are respectively attached with a positive electrode collector 25 and a negative electrode collector 27 that are electrically connected to each electrode (positive electrode and negative electrode), and are structured so as to be sandwiched between the ends of the laminate film 29 and led out to the outside of the laminate film 29. The positive electrode collector 25 and the negative electrode collector 27 may be attached to the positive electrode collector 11' and the negative electrode collector 11" of each electrode by ultrasonic welding, resistance welding, or the like, via a positive electrode terminal lead and a negative electrode terminal lead (not shown), respectively, as necessary.

図2は、本発明の他の実施形態である双極型二次電池を模式的に表した断面図である。図2に示す双極型二次電池10bは、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装体であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。なお、本明細書では、双極型リチウムイオン二次電池を単に「双極型二次電池」とも称し、双極型リチウムイオン二次電池用電極を単に「双極型電極」と称することがある。 Figure 2 is a cross-sectional view showing a bipolar secondary battery according to another embodiment of the present invention. The bipolar secondary battery 10b shown in Figure 2 has a structure in which a substantially rectangular power generating element 21, in which the actual charge/discharge reaction proceeds, is sealed inside a laminate film 29, which is the battery exterior. In this specification, the bipolar lithium ion secondary battery may also be referred to simply as a "bipolar secondary battery", and the electrode for the bipolar lithium ion secondary battery may also be referred to simply as a "bipolar electrode".

図2に示すように、本形態の双極型二次電池10bの発電要素21は、集電体11の一方の面に電気的に結合した正極活物質層13が形成され、集電体11の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層15が形成された複数の双極型電極23を有する。各双極型電極23は、電解質層17を介して積層されて発電要素21を形成する。この際、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15とが電解質層17を介して向き合うように、各双極型電極23および電解質層17が交互に積層されている。すなわち、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15との間に電解質層17が挟まれて配置されている。 2, the power generating element 21 of the bipolar secondary battery 10b of this embodiment has a plurality of bipolar electrodes 23 in which a positive electrode active material layer 13 electrically connected to one side of the current collector 11 is formed, and a negative electrode active material layer 15 electrically connected to the opposite side of the current collector 11 is formed. Each bipolar electrode 23 is stacked via an electrolyte layer 17 to form the power generating element 21. At this time, each bipolar electrode 23 and the electrolyte layer 17 are alternately stacked so that the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of the other bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23 face each other via the electrolyte layer 17. That is, the electrolyte layer 17 is sandwiched and arranged between the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of the other bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23.

隣接する正極活物質層13、電解質層17、および負極活物質層15は、一つの単電池層19を構成する。したがって、双極型二次電池10bは、単電池層19が積層されてなる構成を有するともいえる。また、単電池層19の外周部にはシール部(絶縁層)31が配置されている。これにより、電解質層17からの電解液の漏れによる液絡を防止し、電池内で隣り合う集電体11同士が接触したり、発電要素21における単電池層19の端部の僅かな不揃いなどに起因する短絡が起こったりするのを防止している。なお、発電要素21の最外層に位置する正極側の最外層集電体11aには、片面のみに正極活物質層13が形成されている。また、発電要素21の最外層に位置する負極側の最外層集電体11bには、片面のみに負極活物質層15が形成されている。 Adjacent positive electrode active material layer 13, electrolyte layer 17, and negative electrode active material layer 15 constitute one single cell layer 19. Therefore, it can be said that the bipolar secondary battery 10b has a configuration in which the single cell layers 19 are stacked. In addition, a seal portion (insulating layer) 31 is arranged on the outer periphery of the single cell layer 19. This prevents liquid junctions due to leakage of the electrolyte from the electrolyte layer 17, prevents contact between adjacent current collectors 11 in the battery, and prevents short circuits caused by slight misalignment of the ends of the single cell layers 19 in the power generation element 21. The positive electrode active material layer 13 is formed on only one side of the outermost current collector 11a on the positive electrode side, which is located in the outermost layer of the power generation element 21. The negative electrode active material layer 15 is formed on only one side of the outermost current collector 11b on the negative electrode side, which is located in the outermost layer of the power generation element 21.

さらに、図2に示す双極型二次電池10bでは、正極側の最外層集電体11aに隣接するように正極集電板(正極タブ)25が配置され、これが延長されて電池外装体であるラミネートフィルム29から導出している。一方、負極側の最外層集電体11bに隣接するように負極集電板(負極タブ)27が配置され、同様にこれが延長されてラミネートフィルム29から導出している。 Furthermore, in the bipolar secondary battery 10b shown in FIG. 2, a positive electrode current collector (positive electrode tab) 25 is disposed adjacent to the outermost current collector 11a on the positive electrode side, and is extended to lead out from the laminate film 29, which is the battery outer casing. On the other hand, a negative electrode current collector (negative electrode tab) 27 is disposed adjacent to the outermost current collector 11b on the negative electrode side, and is similarly extended to lead out from the laminate film 29.

なお、単電池層19の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。また、双極型二次電池10bでは、電池の厚みを極力薄くしても十分な出力が確保できれば、単電池層19の積層回数を少なくしてもよい。双極型二次電池10bでも、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、発電要素21を電池外装体であるラミネートフィルム29に減圧封入し、正極集電板25および負極集電板27をラミネートフィルム29の外部に取り出した構造とするのがよい。 The number of times the cell layers 19 are stacked is adjusted according to the desired voltage. In addition, in the bipolar secondary battery 10b, the number of times the cell layers 19 are stacked may be reduced if sufficient output can be ensured even if the thickness of the battery is made as thin as possible. In order to prevent external impacts and environmental deterioration during use, the bipolar secondary battery 10b is also preferably structured such that the power generating element 21 is vacuum sealed in the laminate film 29, which is the battery exterior, and the positive electrode current collector 25 and the negative electrode current collector 27 are exposed to the outside of the laminate film 29.

以下、本形態に係るリチウムイオン二次電池の主要な構成部材について説明する。 The main components of the lithium-ion secondary battery according to this embodiment are described below.

[集電体]
集電体は、後述する正極活物質層や負極活物質層からの電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Current collector]
The current collector has a function of mediating the movement of electrons from the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer described later. There is no particular limitation on the material constituting the current collector. For example, metals and conductive resins can be used as the material constituting the current collector.

具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材などが用いられてもよい。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。また、導電性を有する樹脂としては、非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 Specific examples of metals include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition, clad materials of nickel and aluminum, clad materials of copper and aluminum, and the like may be used. Also, a foil in which a metal surface is coated with aluminum may be used. Among these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferred from the viewpoints of electronic conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material to the current collector by sputtering. In addition, examples of resins having electrical conductivity include resins in which a conductive filler is added to a non-conductive polymer material.

なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。さらに、後述する正極活物質層や負極活物質層がそれ自体で導電性を有し集電機能を発揮できるのであれば、これらの電極活物質層とは別の部材としての集電体を用いなくともよい。このような形態においては、後述する正極活物質層がそのまま正極を構成し、後述する負極活物質層がそのまま負極を構成することとなる。 The current collector may be a single layer structure made of a single material, or may be a laminate structure made of a suitable combination of layers made of these materials. From the viewpoint of reducing the weight of the current collector, it is preferable that the current collector contains at least a conductive resin layer made of a resin having conductivity. In addition, from the viewpoint of blocking the movement of lithium ions between the single cell layers, a metal layer may be provided on a part of the current collector. Furthermore, if the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer described later are conductive and can perform a current collecting function by themselves, it is not necessary to use a current collector as a member separate from these electrode active material layers. In such a form, the positive electrode active material layer described later constitutes the positive electrode as it is, and the negative electrode active material layer described later constitutes the negative electrode as it is.

[正極活物質層]
正極活物質層は、正極活物質を含む。正極活物質層は、他に、バインダ、導電助剤、電解液(液体電解質)等を含みうる。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material and may further contain a binder, a conductive assistant, an electrolytic solution (liquid electrolyte), and the like.

(正極活物質)
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、正極活物質として、下記組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を用いる:
Li1.5[NiCoMn[Li]]O (1)
式中、a、b、c及びdは、0<a<1.4、0≦b<1.4、0<c<1.4、0.1<d≦0.4、a+b+c+d=1.5、1.1≦a+b+c<1.4を満足する。
(Positive Electrode Active Material)
The lithium ion secondary battery of this embodiment uses a lithium transition metal composite oxide represented by the following composition formula (1) as a positive electrode active material:
Li1.5 [ NiCobMnc [ Li] d ] O3 ( 1 )
In the formula, a, b, c and d satisfy 0<a<1.4, 0≦b<1.4, 0<c<1.4, 0.1<d≦0.4, a+b+c+d=1.5, and 1.1≦a+b+c<1.4.

上記組成式(1)式で表される正極活物質は、電気化学的に不活性な層状のLiMnOと、電気化学的に活性な層状のLiMO(ここでMは、Co、NiおよびMnから選択される遷移金属である)との固溶体からなる層状系のリチウム含有遷移金属酸化物である。この層状系リチウム含有遷移金属複合酸化物は、所定の電位範囲における充電または充放電に供されることによりスピネル構造に変化する部位を有し、電池が完成した後には、部分的にスピネル相を有する状態になることが知られている。充電放電サイクル処理の後に、このリチウム含有遷移金属複合酸化物は、200mAh/gを超える大きな放電容量を得られる材料として有用である。 The positive electrode active material represented by the above composition formula (1) is a layered lithium -containing transition metal oxide consisting of a solid solution of electrochemically inactive layered Li2MnO3 and electrochemically active layered LiMO2 (wherein M is a transition metal selected from Co, Ni and Mn). This layered lithium-containing transition metal composite oxide has a portion that changes to a spinel structure by being subjected to charging or charging and discharging in a predetermined potential range, and it is known that after the battery is completed, it is in a state where it partially has a spinel phase. After the charge-discharge cycle treatment, this lithium-containing transition metal composite oxide is useful as a material that can obtain a large discharge capacity exceeding 200 mAh/g.

上記組成式(1)において、aは、Niの原子比を表し、bは、Coの原子比を表し、cは、Mnの原子比を表し、dは、Liの原子比を表す。a、b、cおよびdが、0<a<1.4、0≦b<1.4、0<c<1.4、0.1<d≦0.4、a+b+c+d=1.5、1.1≦a+b+c<1.4を満足することで固溶体の構造が安定しうる。 In the above composition formula (1), a represents the atomic ratio of Ni, b represents the atomic ratio of Co, c represents the atomic ratio of Mn, and d represents the atomic ratio of Li. The structure of the solid solution can be stabilized when a, b, c, and d satisfy 0<a<1.4, 0≦b<1.4, 0<c<1.4, 0.1<d≦0.4, a+b+c+d=1.5, and 1.1≦a+b+c<1.4.

好ましい実施形態としては、組成式(1)において、0.1≦a≦0.75であり、0≦b≦0.6であり、0.2≦c≦0.9であり、0.15≦d≦0.35である。上記範囲であると正極活物質の結晶構造がより安定化しうる。また、高い充放電特性を与え、容量維持率の高い正極活物質が得られうる。より高いエネルギー密度を得る観点から、一般式(1)において、0.1≦a≦0.4であり、0≦b≦0.3であり、0.5≦c≦0.9であり、0.2≦d≦0.3であることがより好ましく、0.1≦a≦0.4であり、0.05≦b≦0.25であり、0.6≦c≦0.9であり、0.2≦d≦0.3であることがさらに好ましい。なお、各元素の組成は、例えば、プラズマ(ICP)発光分析法により測定できる。 As a preferred embodiment, in the composition formula (1), 0.1≦a≦0.75, 0≦b≦0.6, 0.2≦c≦0.9, and 0.15≦d≦0.35. The above ranges can further stabilize the crystal structure of the positive electrode active material. In addition, a positive electrode active material with high charge/discharge characteristics and high capacity retention can be obtained. From the viewpoint of obtaining a higher energy density, it is more preferable that in the general formula (1), 0.1≦a≦0.4, 0≦b≦0.3, 0.5≦c≦0.9, and 0.2≦d≦0.3, and it is even more preferable that 0.1≦a≦0.4, 0.05≦b≦0.25, 0.6≦c≦0.9, and 0.2≦d≦0.3. The composition of each element can be measured, for example, by plasma (ICP) emission spectrometry.

上記組成式(1)で表される正極活物質の調製方法は特に制限されず、従来公知の方法が適宜採用されうる。 The method for preparing the positive electrode active material represented by the above composition formula (1) is not particularly limited, and any conventionally known method can be used as appropriate.

また、本形態では、上記組成式(1)で表される正極活物質として、上記正極活物質の表面に酸化物の被膜が存在するものも使用することができる。このような酸化物としては、Al、CeO、ZrO、ZnO、SiOなどが挙げられる。酸化物の被膜は、正極活物質の表面の少なくとも一部を被覆していればよい。酸化物被膜の質量は、酸化物の被膜を含む正極活物質の全量に対して、酸化物換算の質量で5質量%以下であることが好ましい。酸化物の被膜の厚さは、例えば、1~20nmである。正極活物質の表面に酸化物の被膜を形成する方法も特に制限されず、従来公知の方法が適宜採用されうる。 In this embodiment, the positive electrode active material represented by the composition formula (1) may have an oxide coating on the surface of the positive electrode active material. Examples of such oxides include Al 2 O 3 , CeO 2 , ZrO 2 , ZnO, and SiO 2. The oxide coating may cover at least a part of the surface of the positive electrode active material. The mass of the oxide coating is preferably 5% by mass or less in terms of oxide with respect to the total amount of the positive electrode active material including the oxide coating. The thickness of the oxide coating is, for example, 1 to 20 nm. The method of forming the oxide coating on the surface of the positive electrode active material is not particularly limited, and a conventionally known method may be appropriately adopted.

なお、本形態に係るリチウムイオン二次電池において、正極活物質は、上記組成式(1)で表される正極活物質以外の正極活物質をさらに含んでもよい。ただし、本形態において、正極活物質100質量%に占める上記組成式(1)で表される正極活物質の含有量は、例えば50質量%以上であり、好ましくは50質量%超であり、より好ましくは70質量%以上であり、さらに好ましくは80質量%以上であり、いっそう好ましくは90質量%以上であり、特に好ましくは95質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。 In the lithium ion secondary battery according to this embodiment, the positive electrode active material may further include a positive electrode active material other than the positive electrode active material represented by the composition formula (1). However, in this embodiment, the content of the positive electrode active material represented by the composition formula (1) in 100% by mass of the positive electrode active material is, for example, 50% by mass or more, preferably more than 50% by mass, more preferably 70% by mass or more, even more preferably 80% by mass or more, even more preferably 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass.

正極活物質層に含まれる正極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1~20μmであり、より好ましくは2~10μmである。なお、平均粒子径は、レーザー回折・散乱法の粒度分布測定装置により計測されたものを採用する。 The average particle size of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but from the viewpoint of achieving high output, it is preferably 1 to 20 μm, and more preferably 2 to 10 μm. The average particle size is measured using a particle size distribution measuring device using the laser diffraction/scattering method.

正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、60~99質量%の範囲内であることが好ましく、80~98質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably within the range of 60 to 99 mass%, and more preferably within the range of 80 to 98 mass%.

(導電助剤)
導電助剤は、正極活物質層中で電子伝導パス(導電通路)を形成する機能を有する。このような電子伝導パスが正極活物質層中に形成されると、電池の内部抵抗が低減し、高レートでの出力特性が向上しうる。
(Conductive assistant)
The conductive assistant has a function of forming an electronic conductive path (conductive passage) in the positive electrode active material layer. When such an electronic conductive path is formed in the positive electrode active material layer, the internal resistance of the battery can be reduced and the output characteristics at a high rate can be improved.

導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック(登録商標)等の粒子状炭素材料、およびカーボンナノチューブ(単層カーボンナノチューブおよび複層カーボンナノチューブ)、カーボンナノファイバー、気相成長炭素繊維、電界紡糸法炭素繊維、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等の繊維状炭素材料が挙げられる。導電助剤は、1種のみが単独で使用されてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 Examples of conductive assistants include particulate carbon materials such as acetylene black, carbon black, channel black, thermal black, and Ketjen Black (registered trademark), and fibrous carbon materials such as carbon nanotubes (single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes), carbon nanofibers, vapor-grown carbon fibers, electrospun carbon fibers, polyacrylonitrile-based carbon fibers, and pitch-based carbon fibers. Only one type of conductive assistant may be used alone, or two or more types may be used in combination.

正極活物質層に含まれうる導電助剤の含有量(2種以上を含む場合はその合計量)は、特に制限されないが、正極活物質層の全固形分100質量%に対して、0.5~10質量%であることが好ましく、1~5質量%であることがより好ましい。 The content of the conductive assistant that can be contained in the positive electrode active material layer (the total amount when two or more types are contained) is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 10 mass % and more preferably 1 to 5 mass % relative to 100 mass % of the total solid content of the positive electrode active material layer.

正極活物質層に用いられる任意成分のバインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる:
ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(水素原子が他のハロゲン元素にて置換された化合物を含む)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、エチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、エチレン-プロピレン-ジエン共重合体、スチレン-ブタジエン-スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン-イソプレン-スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン-クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-HFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-パーフルオロメチルビニルエーテル-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFMVE-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリイミド、スチレン-ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることが好ましい。
The optional binder used in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but examples thereof include the following materials:
Thermoplastic polymers such as polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride (PVDF) (including compounds in which hydrogen atoms are replaced by other halogen elements), polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polybutene, polyether nitrile, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), ethylene-propylene-diene copolymer, styrene-butadiene-styrene block copolymer and hydrogenated products thereof, styrene-isoprene-styrene block copolymer and hydrogenated products thereof, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene Examples of the fluororesin include fluororubbers such as vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-HFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-based fluororubber (VDF-PFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFMVE-TFE-based fluororubber), and vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene-based fluororubber (VDF-CTFE-based fluororubber); and epoxy resins. Among these, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyimide, styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are preferable.

正極活物質層に含まれうるバインダの含有量(2種以上を含む場合はその合計量)は、特に制限されないが、正極活物質層の全固形分に対して、0.5~10質量%であることが好ましく、1~5質量%であることがより好ましい。 The amount of binder contained in the positive electrode active material layer (the total amount when two or more types are contained) is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 10 mass % and more preferably 1 to 5 mass % based on the total solid content of the positive electrode active material layer.

正極活物質層の厚さは特に制限されず、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、正極活物質層の厚さは、通常1~1000μm程度、好ましくは20~800μmであり、より好ましくは30~500μmであり、さらに好ましくは40~200μmである。正極活物質層の厚さが大きいほど、十分な容量(エネルギー密度)を発揮するための正極活物質を保持することが可能となる。一方、正極活物質層の厚さが小さいほど、放電レート特性が向上しうる。 The thickness of the positive electrode active material layer is not particularly limited, and conventionally known knowledge about batteries can be referred to as appropriate. For example, the thickness of the positive electrode active material layer is usually about 1 to 1000 μm, preferably 20 to 800 μm, more preferably 30 to 500 μm, and even more preferably 40 to 200 μm. The thicker the positive electrode active material layer is, the more positive electrode active material can be retained to achieve sufficient capacity (energy density). On the other hand, the thinner the positive electrode active material layer is, the more the discharge rate characteristics can be improved.

[負極活物質層]
(負極活物質)
負極活物質は、放電時にリチウムイオン等のイオンを放出し、充電時にリチウムイオン等のイオンを吸蔵する機能を有する。
[Negative electrode active material layer]
(Negative Electrode Active Material)
The negative electrode active material has a function of releasing ions such as lithium ions during discharge and absorbing ions such as lithium ions during charge.

負極活物質としては、例えば、グラファイト(黒鉛)、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、リチウム-遷移金属複合酸化物(例えば、LiTi12)、金属材料(スズ、シリコン)、ケイ素含有合金系負極材料(例えば、Si60Sn10Ti30)、リチウム合金系負極材料(例えばリチウム-スズ合金、リチウム-シリコン合金、リチウム-アルミニウム合金、リチウム-アルミニウム-マンガン合金等)などが挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、ケイ素含有合金系負極材料、炭素材料、リチウム-遷移金属複合酸化物、リチウム合金系負極材料が、負極活物質として好ましく用いられる。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 Examples of the negative electrode active material include carbon materials such as graphite, soft carbon, and hard carbon, lithium-transition metal composite oxides (e.g., Li 4 Ti 5 O 12 ), metal materials (tin, silicon), silicon-containing alloy-based negative electrode materials (e.g., Si 60 Sn 10 Ti 30 ), and lithium alloy-based negative electrode materials (e.g., lithium-tin alloy, lithium-silicon alloy, lithium-aluminum alloy, lithium-aluminum-manganese alloy, etc.). In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination. Preferably, from the viewpoint of capacity and output characteristics, silicon-containing alloy-based negative electrode materials, carbon materials, lithium-transition metal composite oxides, and lithium alloy-based negative electrode materials are preferably used as the negative electrode active material. Of course, negative electrode active materials other than the above may be used.

負極活物質の平均粒子径(D50)は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1~100μm、より好ましくは1~20μmである。 The average particle size (D 50 ) of the negative electrode active material is not particularly limited, but from the viewpoint of achieving high output, it is preferably 1 to 100 μm, more preferably 1 to 20 μm.

負極活物質層における負極活物質の含有量は、全固形分100質量%に対して、例えば60質量%以上100質量%未満であり、好ましくは80質量%以上99.5%以下であり、より好ましくは95質量%を超えて99.0質量%以下であり、さらに好ましくは97質量%以上98.5質量%以下である。負極活物質の含有量が上記範囲であれば、電池容量と出力特性とを両立させることができる。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is, for example, 60% by mass or more and less than 100% by mass, preferably 80% by mass or more and 99.5% by mass or less, more preferably more than 95% by mass or more and 99.0% by mass or less, and even more preferably 97% by mass or more and 98.5% by mass or less, relative to 100% by mass of the total solid content. If the content of the negative electrode active material is within the above range, it is possible to achieve both battery capacity and output characteristics.

また、負極活物質層は、必要に応じて、正極活物質層について上述したものと同様の、導電助剤、バインダなどのその他の添加剤をさらに含む。 The negative electrode active material layer may further contain other additives, such as a conductive assistant and a binder, as described above for the positive electrode active material layer, as necessary.

負極活物質層の厚さは特に制限されず、正極活物質層について上述したものと同様の厚さが採用されうる。 The thickness of the negative electrode active material layer is not particularly limited, and the same thickness as that described above for the positive electrode active material layer can be used.

[電解質層]
電解質層は、電解液(液体電解質)を含む。電解質層は、セパレータに電解液が含浸されてなる構成を有することが好ましい。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer contains an electrolytic solution (liquid electrolyte) and preferably has a configuration in which a separator is impregnated with the electrolytic solution.

(電解液)
電解液は、リチウムイオンのキャリヤーとしての機能を有する。電解液は、非水溶媒にリチウム塩が溶解した形態を有する。好ましくは、電解液は、非水溶媒にリチウム塩を溶解させたものに含フッ素カーボネートがさらに添加されたものである。
(Electrolyte)
The electrolyte has a function as a carrier of lithium ions. The electrolyte has a form in which a lithium salt is dissolved in a non-aqueous solvent. Preferably, the electrolyte is obtained by further adding a fluorine-containing carbonate to the non-aqueous solvent in which a lithium salt is dissolved.

非水溶媒としては、リチウム塩を溶解しやすいものが好ましく、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)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)、メチルエチルカーボネート(MEC)などの鎖状カーボネート;これらの鎖状カーボネートの水素原子の一部がフッ素原子で置換された含フッ素鎖状カーボネート;エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)などの環状カーボネート;これらの環状カーボネートの水素原子の一部がフッ素原子で置換された含フッ素環状カーボネート;プロピオン酸メチル(MP)、酢酸メチル(MA)、ギ酸メチル(MF)、4-メチルジオキソラン(4MeDOL)、ジオキソラン(DOL)、2-メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメトキシエタン(DME)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、およびγ-ブチロラクトン(GBL)などが挙げられる。 As the non-aqueous solvent, one that easily dissolves lithium salts is preferred, for example, chain carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), methyl propyl carbonate (MPC), ethyl propyl carbonate (EPC), and methyl ethyl carbonate (MEC); fluorine-containing chain carbonates in which some of the hydrogen atoms of these chain carbonates are replaced with fluorine atoms; ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and the like. cyclic carbonates such as carbonate (BC); fluorine-containing cyclic carbonates in which some of the hydrogen atoms of these cyclic carbonates are replaced with fluorine atoms; methyl propionate (MP), methyl acetate (MA), methyl formate (MF), 4-methyldioxolane (4MeDOL), dioxolane (DOL), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), tetrahydrofuran (THF), dimethoxyethane (DME), dimethyl sulfoxide (DMSO), and γ-butyrolactone (GBL).

なかでも、非水溶媒は、急速充電特性および出力特性をより向上できるとの観点から、鎖状カーボネートを含むことが好ましく、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)からなる群から選択される少なくとも1種を含むことがより好ましい。 In particular, from the viewpoint of further improving the rapid charging characteristics and output characteristics, it is preferable that the non-aqueous solvent contains a chain carbonate, and more preferably contains at least one selected from the group consisting of diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC).

リチウム塩としては、Li(FSON(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド;LiFSI)、Li(CSON、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO等が挙げられる。 Examples of lithium salts include Li( FSO2 ) 2N (lithium bis(fluorosulfonyl)imide; LiFSI ), Li( C2F5SO2 ) 2N , LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , LiAsF6 , and LiCF3SO3 .

上記非水溶媒中のリチウム塩の濃度は、0.1~3.0mol/Lであることが好ましく、0.8~2.2mol/Lであることがより好ましい。 The concentration of the lithium salt in the non-aqueous solvent is preferably 0.1 to 3.0 mol/L, and more preferably 0.8 to 2.2 mol/L.

また、電解液は、含フッ素環状カーボネート、含フッ素鎖状カーボネートなどの含フッ素カーボネートをさらに含むことが好ましい。このようにすることで電池を高電圧で動作させた場合であっても優れた耐久性を有しうる。また、これらの含フッ素カーボネートは正極活物質の表面に保護膜を形成し、正極活物質の耐電圧性を高めることができる。この際、含フッ素カーボネートとしては、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート、4-フルオロプロピレンカーボネートなどの含フッ素環状カーボネート;エチルトリフルオロメチルカーボネート、2,2,2-トリフルオロエチルメチルカーボネート、ビス(2,2,2-トリフルオロエチル)カーボネートなどの含フッ素鎖状カーボネートが好ましく用いられうる。含フッ素カーボネートの含有量は特に制限されない。好ましい実施形態において、電解液は、含フッ素カーボネート、特にはフルオロエチレンカーボネートを最終的に得られる電解液の全量に対して0.5~10質量%含む。これにより上記効果がより顕著に得られうる。なお、電解液が2種類以上の含フッ素カーボネートを含む場合はその合計量が上記範囲であることが好ましい。 In addition, it is preferable that the electrolyte further contains a fluorine-containing carbonate such as a fluorine-containing cyclic carbonate or a fluorine-containing chain carbonate. In this way, the battery can have excellent durability even when operated at a high voltage. In addition, these fluorine-containing carbonates form a protective film on the surface of the positive electrode active material, and can increase the voltage resistance of the positive electrode active material. In this case, as the fluorine-containing carbonate, fluorine-containing cyclic carbonates such as fluoroethylene carbonate (FEC), difluoroethylene carbonate, and 4-fluoropropylene carbonate; fluorine-containing chain carbonates such as ethyl trifluoromethyl carbonate, 2,2,2-trifluoroethyl methyl carbonate, and bis(2,2,2-trifluoroethyl) carbonate can be preferably used. The content of the fluorine-containing carbonate is not particularly limited. In a preferred embodiment, the electrolyte contains 0.5 to 10 mass% of a fluorine-containing carbonate, particularly fluoroethylene carbonate, with respect to the total amount of the finally obtained electrolyte. This makes it possible to obtain the above-mentioned effect more significantly. If the electrolyte contains two or more types of fluorine-containing carbonates, the total amount is preferably within the above range.

電解液は、上述した成分以外の添加剤をさらに含有してもよい。かような化合物の具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、ジフェニルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、1,2-ジビニルエチレンカーボネート、1-メチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-メチル-2-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-2-ビニルエチレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、ビニルオキシメチルエチレンカーボネート、アリルオキシメチルエチレンカーボネート、アクリルオキシメチルエチレンカーボネート、メタクリルオキシメチルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、プロパルギルエチレンカーボネート、エチニルオキシメチルエチレンカーボネート、プロパルギルオキシエチレンカーボネート、メチレンエチレンカーボネート、1,1-ジメチル-2-メチレンエチレンカーボネートなどが挙げられる。これらの添加剤は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、添加剤を電解液に使用する場合の使用量は、適宜調整することができる。 The electrolyte may further contain additives other than the above-mentioned components. Specific examples of such compounds include, for example, ethylene carbonate, vinylene carbonate, methylvinylene carbonate, dimethylvinylene carbonate, phenylvinylene carbonate, diphenylvinylene carbonate, ethylvinylene carbonate, diethylvinylene carbonate, vinylethylene carbonate, 1,2-divinylethylene carbonate, 1-methyl-1-vinylethylene carbonate, 1-methyl-2-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-1-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-2-vinylethylene carbonate, and 1-ethyl-2-vinylethylene carbonate. Examples of the additives include ethylene carbonate, vinyl vinylene carbonate, allyl ethylene carbonate, vinyloxymethyl ethylene carbonate, allyloxymethyl ethylene carbonate, acryloxymethyl ethylene carbonate, methacryloxymethyl ethylene carbonate, ethynyl ethylene carbonate, propargyl ethylene carbonate, ethynyloxymethyl ethylene carbonate, propargyloxyethylene carbonate, methylene ethylene carbonate, and 1,1-dimethyl-2-methylene ethylene carbonate. These additives may be used alone or in combination of two or more. In addition, the amount of additive used in the electrolyte can be appropriately adjusted.

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

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

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

不織布セパレータとしては、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル;PP、PEなどのポリオレフィン;ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを、単独または混合して用いる。 Nonwoven fabric separators may be made of any of the conventional materials known in the art, such as cotton, rayon, acetate, nylon, polyester, polyolefins such as PP and PE, polyimide, and aramid, either alone or in combination.

セパレータの厚さは、電解質層と同じであればよく、好ましくは5~200μmであり、特に好ましくは10~100μmである。 The thickness of the separator should be the same as that of the electrolyte layer, and is preferably 5 to 200 μm, and particularly preferably 10 to 100 μm.

また、セパレータとして、多孔質基体に耐熱絶縁層が積層されたセパレータ(耐熱絶縁層付セパレータ)を用いることができる。耐熱絶縁層は、無機粒子およびバインダを含むセラミック層である。耐熱絶縁層付セパレータは融点または熱軟化点が150℃以上、好ましくは200℃以上である耐熱性の高いものを用いる。耐熱絶縁層を有することによって、温度上昇の際に増大するセパレータの内部応力が緩和されるため熱収縮抑制効果が得られうる。その結果、電池の電極間ショートの誘発を防ぐことができるため、温度上昇による性能低下が起こりにくい電池構成になる。また、耐熱絶縁層を有することによって、耐熱絶縁層付セパレータの機械的強度が向上し、セパレータの破膜が起こりにくい。さらに、熱収縮抑制効果および機械的強度の高さから、電池の製造工程でセパレータがカールしにくくなる。 In addition, a separator in which a heat-resistant insulating layer is laminated on a porous substrate (separator with heat-resistant insulating layer) can be used as the separator. The heat-resistant insulating layer is a ceramic layer containing inorganic particles and a binder. The separator with heat-resistant insulating layer is one with high heat resistance, with a melting point or thermal softening point of 150°C or higher, preferably 200°C or higher. By having a heat-resistant insulating layer, the internal stress of the separator that increases when the temperature rises is alleviated, so that a heat shrinkage suppression effect can be obtained. As a result, it is possible to prevent the induction of short circuits between the electrodes of the battery, resulting in a battery configuration in which performance deterioration due to temperature rise is unlikely to occur. In addition, by having a heat-resistant insulating layer, the mechanical strength of the separator with heat-resistant insulating layer is improved, and the separator is unlikely to break. Furthermore, due to the heat shrinkage suppression effect and high mechanical strength, the separator is unlikely to curl during the battery manufacturing process.

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

[シール部]
シール部は、双極型二次電池(直列積層型電池)に特有の部材であり、電解質層からの電解液の漏れを防止する機能を有する。このほかにも、電池内で隣り合う集電体同士が接触したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こったりするのを防止することもできる。シール部の構成材料としては、特に制限されないが、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ゴム、ポリイミド等が用いられうる。これらのうち、耐蝕性、耐薬品性、製膜性、経済性などの観点からは、ポリオレフィン樹脂を用いることが好ましい。
[Sealing section]
The sealing portion is a member specific to bipolar secondary batteries (series stacked batteries) and has the function of preventing leakage of the electrolyte from the electrolyte layer. In addition, it can also prevent contact between adjacent current collectors in the battery and short circuits caused by slight unevenness at the ends of the stacked electrodes. The constituent material of the sealing portion is not particularly limited, but polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, epoxy resins, rubber, polyimide, etc. can be used. Among these, it is preferable to use polyolefin resins from the viewpoints of corrosion resistance, chemical resistance, film formability, and economic efficiency.

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

[電池外装体]
電池外装体としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図1および図2に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができることから、外装体はアルミニウムを含むラミネートフィルムがより好ましい。
[Battery exterior body]
As the battery exterior body, a known metal can case can be used, and a bag-shaped case using a laminate film 29 containing aluminum that can cover the power generating element as shown in Figures 1 and 2 can be used. The laminate film can be, for example, a three-layer laminate film formed by laminating PP, aluminum, and nylon in this order, but is not limited thereto. A laminate film is preferable from the viewpoint of being excellent in high output and cooling performance and being suitable for use in batteries for large equipment for EVs and HEVs. In addition, a laminate film containing aluminum is more preferable as the exterior body because it can easily adjust the group pressure applied to the power generating element from the outside.

本形態に係るリチウムイオン二次電池は、低温での充放電容量に優れるとともにサイクル耐久性に優れるものである。したがって、本形態に係るリチウムイオン二次電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The lithium ion secondary battery according to the present embodiment has excellent charge/discharge capacity at low temperatures and excellent cycle durability. Therefore, the lithium ion secondary battery according to the present embodiment is suitable for use as a power source for driving EVs and HEVs.

[リチウムイオン二次電池の製造方法]
本形態に係るリチウムイオン二次電池は、特に制限されないが、所定の正極活物質を有する正極を含む発電要素に対して、-20℃以上10℃以下の温度で、正極上限電位が4.5~4.8V vs.Li/Liとなる条件で活性化初充電を行う段階と、前記活性化初充電の後、-20℃以上25℃以下の温度で1時間以上、開回路休止を行う段階とを含む方法によって製造されうる。
[Method of manufacturing lithium ion secondary battery]
The lithium ion secondary battery according to the present embodiment is not particularly limited, but may be manufactured by a method including a step of performing an initial activation charge on a power generating element including a positive electrode having a predetermined positive electrode active material at a temperature of −20° C. or higher and 10° C. or lower under conditions in which the positive electrode upper limit potential is 4.5 to 4.8 V vs. Li + /Li, and a step of performing an open circuit pause for 1 hour or more at a temperature of −20° C. or higher and 25° C. or lower after the initial activation charge.

すなわち本発明の一形態は、正極活物質として、下記式(1):
Li1.5[NiCoMn[Li]]O (1)
(式(1)中、a、b、cおよびdは、0<a<1.4、0≦b<1.4、0<c<1.4、0.1<d≦0.4、a+b+c+d=1.5、1.1≦a+b+c<1.4の関係を満足する)で表される組成を有するリチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質層を含む正極と、負極と、電解液を含む電解質層と、を含む発電要素を備えたリチウムイオン二次電池の製造方法であって、-20℃以上10℃以下の温度で、正極上限電位が4.5~4.8V vs.Li/Liとなる条件で活性化初充電を行う段階と、前記活性化初充電の後、-20℃以上25℃以下の温度で1時間以上、開回路休止を行う段階と、を含む、方法である。
That is, one embodiment of the present invention is a positive electrode active material comprising a compound represented by the following formula (1):
Li1.5 [ NiCobMnc [ Li] d ] O3 ( 1 )
(in formula (1), a, b, c, and d satisfy the relationships 0<a<1.4, 0≦b<1.4, 0<c<1.4, 0.1<d≦0.4, a+b+c+d=1.5, 1.1≦a+b+c<1.4), a negative electrode, and an electrolyte layer containing an electrolytic solution. The method for producing a lithium ion secondary battery is provided with a power generating element including a positive electrode including a positive electrode active material layer containing a lithium transition metal composite oxide having a composition represented by the following formula (1): (in formula (1), a, b, c, and d satisfy the relationships 0<a<1.4, 0≦b<1.4, 0<c<1.4, 0.1<d≦0.4, a+b+c+d=1.5, 1.1≦a+b+c<1.4), a negative electrode, and an electrolyte layer containing an electrolytic solution. The method includes the steps of: performing an initial activation charge at a temperature of −20° C. or higher and 10° C. or lower under conditions such that the positive electrode upper limit potential is 4.5 to 4.8 V vs. Li + /Li; and performing an open circuit pause at a temperature of −20° C. or higher and 25° C. or lower for 1 hour or more after the initial activation charge.

リチウムリッチマンガン正極材料は、4.5V vs.Li/Li付近で初回充電を行うことで正極材料が活性化されて高容量が発現しうると考えられている。これは、充電時に結晶中の酸素が酸化されるとともにリチウムイオンが結晶中から放出され、これに伴って結晶構造の大幅な変化が発生するためであると考えられる。上記特許文献1に記載の正極活性化プロトコルでは、このような結晶構造の変化を緩やかに進行させることにより、構成元素のより安定な配置、安定な構造への緩やかな移行を図る。このようにすることで変化後の構造がより安定化された構造となり、充放電サイクル耐久性が改善されるものと考えられる。 It is believed that the lithium-rich manganese positive electrode material can be activated and exhibit high capacity by performing the initial charge at around 4.5 V vs. Li + /Li. This is thought to be because oxygen in the crystal is oxidized and lithium ions are released from the crystal during charging, which causes a significant change in the crystal structure. In the positive electrode activation protocol described in the above Patent Document 1, such a change in the crystal structure is allowed to proceed slowly, thereby achieving a more stable arrangement of the constituent elements and a gradual transition to a stable structure. It is believed that by doing so, the structure after the change becomes a more stable structure, and the charge-discharge cycle durability is improved.

本形態においては、リチウムリッチマンガン正極材料を活性化するための初回充電(活性化初充電)を-20℃以上10℃以下の低温で行う。これにより、低SOC領域でのリチウム拡散性が大幅に改善しうる。低温での初回充電を行うことにより、充電による活性化の際に生じる結晶中の酸素の放出やリチウムイオンと遷移金属イオンとのカチオンミキシングの発生が常温で活性化を行う場合と比較して抑制されるものと考えられる。そのため、常温で活性化初充電を行った場合と比較して、リチウムイオン濃度が相対的に高い低SOC領域においてもリチウム拡散性が高い結晶構造が形成されているものと推測される。 In this embodiment, the initial charge (initial activation charge) for activating the lithium-rich manganese positive electrode material is performed at a low temperature of -20°C or higher and 10°C or lower. This can significantly improve lithium diffusivity in the low SOC region. It is believed that the initial charge at a low temperature suppresses the release of oxygen in the crystals and the occurrence of cation mixing between lithium ions and transition metal ions that occurs during activation by charging, compared to when activation is performed at room temperature. Therefore, it is presumed that a crystal structure with high lithium diffusivity is formed even in the low SOC region where the lithium ion concentration is relatively high, compared to when the initial activation charge is performed at room temperature.

本形態においては、活性化初充電の際の温度が10℃を超えると低SOC領域でのリチウム拡散性が高い結晶構造が形成されにくく、低温条件下で優れた充放電容量が得られない。一方、-20℃を下回ると電解液のリチウム伝導性が低下しうるため活性化を効率的に行うことが難しい。 In this embodiment, if the temperature during the initial activation charge exceeds 10°C, it is difficult to form a crystal structure with high lithium diffusivity in the low SOC region, and excellent charge/discharge capacity cannot be obtained under low temperature conditions. On the other hand, if the temperature falls below -20°C, the lithium conductivity of the electrolyte may decrease, making it difficult to perform activation efficiently.

活性化初充電の上限電位は、4.5~4.8V vs.Li/Liであればよいが、低温での充放電特性およびサイクル耐久性がより顕著に向上しうることから4.6~4.7V vs.Li/Liであることが好ましい。一方、上限電位が4.5V vs.Li/Liを下回ると正極材料の活性化が十分に進行しないため高い容量が得られない。また、4.8V vs.Li/Liを超えると結晶構造が不安定化したり、電解液の分解が生じやすくなることから良好な電池性能が得られない。 The upper limit potential of the initial activation charge may be 4.5 to 4.8 V vs. Li + /Li, but is preferably 4.6 to 4.7 V vs. Li + /Li because the charge/discharge characteristics and cycle durability at low temperatures can be improved more significantly. On the other hand, if the upper limit potential is below 4.5 V vs. Li + /Li, the activation of the positive electrode material does not proceed sufficiently, so that a high capacity cannot be obtained. Also, if it exceeds 4.8 V vs. Li + /Li, the crystal structure becomes unstable and the electrolyte is easily decomposed, so that good battery performance cannot be obtained.

活性化初充電の条件は、温度および上限電位が上記範囲であれば特に制限されない。例えば、CCCVモードであってもよく、CCモードであってもよい。なお、活性化初充電の際の充電レートも特に制限されないが、例えば、0.5C以下であり、好ましくは0.01~0.1Cである。 The conditions for the initial activation charge are not particularly limited as long as the temperature and upper limit potential are within the above ranges. For example, the CCCV mode or the CC mode may be used. The charge rate during the initial activation charge is also not particularly limited, but is, for example, 0.5 C or less, and preferably 0.01 to 0.1 C.

なお、上記活性化初充電は少なくとも1回実施すればよいが、複数回行ってもよい。 The initial activation charge should be performed at least once, but may be performed multiple times.

活性化初充電の終了後、-20℃以上25℃以下の温度で1時間以上、開回路休止を行う。開回路休止は、充電を終了した後、所定の温度で所定の時間、開回路で電池を維持することをいう。これにより結晶構造の変化が緩やかに進行して変化後の構造がより安定化された構造となり、充放電サイクル耐久性がより改善されるものと考えられる。開回路休止の際の温度条件は、低温での充放電容量およびサイクル耐久性により優れることから、-20℃以上10℃以下であることが好ましい。また、開回路休止の時間は、低温での充放電容量およびサイクル耐久性により優れることから、1~30時間であることが好ましい。開回路休止を行った後、適宜、放電を行い、その後充放電サイクルを行うことができる。この際の放電や、その後の充放電サイクルの条件は特に制限されない。 After the initial activation charge is completed, an open circuit rest is performed for at least 1 hour at a temperature of -20°C or higher and 25°C or lower. The open circuit rest refers to maintaining the battery in an open circuit at a specified temperature for a specified time after charging is completed. This allows the change in the crystal structure to proceed slowly, resulting in a more stabilized structure after the change, which is thought to further improve the charge/discharge cycle durability. The temperature conditions during the open circuit rest are preferably -20°C or higher and 10°C or lower, as this provides better charge/discharge capacity and cycle durability at low temperatures. In addition, the time for the open circuit rest is preferably 1 to 30 hours, as this provides better charge/discharge capacity and cycle durability at low temperatures. After the open circuit rest is performed, discharge can be performed as appropriate, and then a charge/discharge cycle can be performed. There are no particular restrictions on the conditions for the discharge at this time and the subsequent charge/discharge cycle.

以下、実施例および比較例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに何ら限定されるわけではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

《電池の作製》
[実施例1]
<正極の作製>
正極活物質として、下記組成式:Li1.5[Ni0.25Co0.1Mn0.85[Li]0.3]Oで表される組成を有するリチウム遷移金属複合酸化物(上記組成式(1)において、a=0.25、b=0.1、c=0.85、d=0.3、a+b+c+d=1.5、a+b+c=1.2で表される化合物)を用いた。
Making a Battery
[Example 1]
<Preparation of Positive Electrode>
As the positive electrode active material, a lithium transition metal composite oxide having a composition represented by the following composition formula: Li1.5 [ Ni0.25Co0.1Mn0.85 [Li] 0.3 ] O3 (a compound represented by the above composition formula (1) where a = 0.25, b = 0.1, c = 0.85, d = 0.3, a + b + c + d = 1.5, and a + b + c = 1.2) was used.

上記で準備した正極活物質93質量部、導電助剤であるカーボンブラック3質量部、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン(PVDF)4質量部からなる固形分を用意した。この固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を適量添加し、混合して、正極活物質スラリーを作製した。次に、得られた正極活物質スラリーを、集電体であるアルミニウム箔(厚み20μm)の片面にドクターブレードを用いて塗布し、塗膜を80℃のホットプレート上で1時間乾燥させた。その後、塗膜をプレスし、真空乾燥機に入れ、真空条件下、130℃にて8時間乾燥させて、集電体上に厚さ70μm、空孔率25%の正極活物質層が形成された正極を得た。 A solid content consisting of 93 parts by mass of the positive electrode active material prepared above, 3 parts by mass of carbon black as a conductive assistant, and 4 parts by mass of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder was prepared. An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a slurry viscosity adjusting solvent was added to this solid content and mixed to prepare a positive electrode active material slurry. Next, the obtained positive electrode active material slurry was applied to one side of an aluminum foil (thickness 20 μm) as a current collector using a doctor blade, and the coating film was dried on a hot plate at 80 ° C for 1 hour. Thereafter, the coating film was pressed, placed in a vacuum dryer, and dried under vacuum conditions at 130 ° C for 8 hours to obtain a positive electrode in which a positive electrode active material layer with a thickness of 70 μm and a porosity of 25% was formed on the current collector.

<リチウムイオン二次電池(コインセル)の作製>
上記で作製した正極と対極Liとを対向させ、この間にポリプロピレン製のセパレータを配置した。次いで、正極、セパレータおよび対極(Li金属)の積層体をコインセル(CR2032、材質:ステンレス鋼(SUS316))の底部側に配置した。さらに、電極同士の絶縁性を保つためガスケットを装着し、電解液をシリンジにより注入し、スプリングおよびスペーサを積層し、コインセルの上部側を重ねあわせ、かしめることにより密閉して、リチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との混合溶媒(体積比30:70)にLiPF 1mol/Lを溶解させて得られたものにフルオロエチレンカーボネート(FEC)を、最終的に得られる電解液の全量に対して1質量%となるように混合させて得られた電解液を用いた。
<Production of lithium-ion secondary battery (coin cell)>
The positive electrode and the counter electrode Li prepared above were placed opposite each other, and a polypropylene separator was placed between them. Next, a laminate of the positive electrode, the separator, and the counter electrode (Li metal) was placed on the bottom side of a coin cell (CR2032, material: stainless steel (SUS316)). Furthermore, a gasket was attached to maintain the insulation between the electrodes, the electrolyte was injected with a syringe, a spring and a spacer were laminated, and the upper side of the coin cell was overlapped and sealed by crimping to prepare a lithium ion secondary battery (coin cell). As the electrolyte, an electrolyte obtained by dissolving LiPF 6 1 mol/L in a mixed solvent (volume ratio 30:70) of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) and mixing fluoroethylene carbonate (FEC) so that the amount of the electrolyte finally obtained was 1 mass % with respect to the total amount of the electrolyte was used.

<活性化初充電>
-20℃に設定した恒温槽内に上記で作製したセルを設置し、セル温度が一定になった後、-20℃にて、2.0V vs.Li/Liから上限電位4.7V vs.Li/Liまで0.1Cのレートで定電流定電圧充電を行った。
<Initial activation charge>
The cell prepared above was placed in a thermostatic chamber set at −20° C., and after the cell temperature became constant, constant-current/constant-voltage charging was performed at −20° C. from 2.0 V vs. Li + /Li to an upper limit potential of 4.7 V vs. Li + /Li at a rate of 0.1 C.

<開回路休止>
次いで、-20℃で、開回路状態で12時間のエージングを行った。その後、0.1Cのレートで、CCモードで2.0Vまで放電を行った。
<Open circuit suspension>
Next, aging was performed for 12 hours in an open circuit state at −20° C. After that, discharging was performed to 2.0 V at a rate of 0.1 C in CC mode.

[実施例2~6、比較例1~9]
活性化初充電の温度と上限電位、および開回路休止の温度を下記表1のように変更した以外は、上述した実施例1と同様の手法により、リチウムイオン二次電池を作製した。
[Examples 2 to 6, Comparative Examples 1 to 9]
A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 described above, except that the temperature and upper limit potential of the initial activation charge, and the temperature of open circuit rest were changed as shown in Table 1 below.

《電池の評価》
<リチウム拡散係数の測定>
上記の実施例および比較例で作製したセルにおいて、25℃でのリチウム拡散係数を測定した。リチウム拡散係数は、Bio-Logic社製の電気化学測定装置を用いて定電流間欠滴定法(GITT法、Galvano static intermittent titration technique)により行った。
Battery evaluation
<Measurement of lithium diffusion coefficient>
The lithium diffusion coefficient at 25° C. was measured for the cells produced in the above examples and comparative examples. The lithium diffusion coefficient was measured by Galvano static intermittent titration technique (GITT method) using an electrochemical measurement device manufactured by Bio-Logic.

セルを満充電状態まで充電した後、電極に定電流パルスを与え、電流遮断後の経時的な電位変化を測定し、10~90%の充電状態(SOC)におけるリチウム拡散係数を求めた。ここで、充電状態(SOC)とは、電池の満充電時の容量に対する充電の割合を示す指標であり、満充電状態におけるSOCは100%であり、完全放電状態におけるSOCは0%である。このSOCの算出方法としては、満充電状態から取り出すことのできる容量(電流×時間)を求めておいて、そこから、放電および充電を行った電流値と時間をかけたものを引けば(または足せば)残存容量を推定することができる。 After charging the cell to a fully charged state, a constant current pulse was applied to the electrode, and the change in potential over time after the current was cut off was measured to determine the lithium diffusion coefficient at states of charge (SOC) of 10 to 90%. Here, state of charge (SOC) is an index that indicates the ratio of charge to the capacity when the battery is fully charged, with the SOC at a fully charged state being 100% and the SOC at a fully discharged state being 0%. The SOC is calculated by first determining the capacity (current x time) that can be extracted from a fully charged state, and then subtracting (or adding) from this the current value multiplied by the time used for discharging and charging, and the remaining capacity can be estimated.

図3に、実施例1および比較例4で作製したセルの10~90%の充電状態(SOC)におけるリチウム拡散係数DLiを示す。また、表1に、各実施例および比較例で作製したセルのSOC80%におけるリチウム拡散係数に対するSOC15%におけるリチウム拡散係数の比DLi15/DLi80、SOC60%におけるリチウム拡散係数に対するSOC15%におけるリチウム拡散係数の比DLi15/DLi60、SOC15%におけるリチウム拡散係数DLi15をそれぞれ示す。 3 shows the lithium diffusion coefficient D Li at 10 to 90% state of charge (SOC) for the cells produced in Example 1 and Comparative Example 4. Table 1 also shows the ratio D Li15 /D Li80 of the lithium diffusion coefficient at SOC 15% to the lithium diffusion coefficient at SOC 80%, the ratio D Li15 /D Li60 of the lithium diffusion coefficient at SOC 15% to the lithium diffusion coefficient at SOC 60%, and the lithium diffusion coefficient D Li15 at SOC 15%, for the cells produced in each Example and Comparative Example.

図3に示されるように、SOC60%以上の高SOC領域では、所定の条件で活性化初充電および開回路休止を行った実施例1の電池および所定の条件を満たさない比較例4の電池のリチウム拡散係数DLiは大きく相違しない。しかしながら、SOC40%以下の低SOC領域では、実施例1のように所定の条件で活性化初充電および開回路休止を行うことでリチウム拡散係数DLiが高くなり、リチウム拡散性が大幅に改善されることがわかる。表1から、実施例2~6においても同様に比較例1~9と比較して低SOC領域でのリチウム拡散性が改善されていることがわかる。 As shown in Fig. 3, in the high SOC region of 60% or more, the lithium diffusion coefficient D Li of the battery of Example 1, which was subjected to the initial activation charge and open circuit rest under the specified conditions, and the battery of Comparative Example 4, which does not satisfy the specified conditions, do not differ significantly. However, in the low SOC region of 40% or less, it can be seen that the lithium diffusion coefficient D Li is increased by performing the initial activation charge and open circuit rest under the specified conditions as in Example 1, and the lithium diffusibility is significantly improved. From Table 1, it can be seen that the lithium diffusibility in the low SOC region is also improved in Examples 2 to 6 compared to Comparative Examples 1 to 9.

<サイクル耐久性の測定>
上記で作製した各実施例および比較例の電池について、25℃において充放電サイクル耐久性試験を行った。具体的には、0.33Cのレートで2.0~4.6Vの範囲で100サイクルの充放電を実施した。そして、1サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の割合をサイクル容量維持率(%)として算出した。結果を下記の表1に示す。
<Measurement of cycle durability>
A charge-discharge cycle durability test was carried out at 25° C. for each of the batteries of the examples and comparative examples prepared above. Specifically, 100 cycles of charge-discharge were carried out in the range of 2.0 to 4.6 V at a rate of 0.33 C. Then, the ratio of the discharge capacity at the 100th cycle to the discharge capacity at the 1st cycle was calculated as the cycle capacity retention rate (%). The results are shown in Table 1 below.

<低温特性の測定>
上記で作製した各実施例および比較例の電池について、0.33Cレートで、CCCVモードで4.6Vまでの充電を行うことにより満充電にし、その後、1Cレートで、CCモードで2.0Vまで放電を行う充放電試験を-20℃と25℃で実施した。そして、25℃における1Cレートでの放電容量に対する-20℃における1Cレートでの放電容量の比を求め、放電容量比(%)とした。結果を下記の表1に示す。
<Measurement of low-temperature characteristics>
For the batteries of each of the examples and comparative examples prepared above, a charge/discharge test was carried out at -20°C and 25°C, in which the batteries were fully charged by charging to 4.6V in CCCV mode at a rate of 0.33C, and then discharged to 2.0V in CC mode at a rate of 1C. The ratio of the discharge capacity at 1C rate at -20°C to the discharge capacity at 1C rate at 25°C was calculated and taken as the discharge capacity ratio (%). The results are shown in Table 1 below.

表1に示す結果から、所定の正極活物質を用い、DLi15/DLi80が0.05以上である実施例1~6の電池は、室温での容量に比較して低温での容量の低下が抑制されることがわかった。また、サイクル耐久性に優れることがわかった。これに対して、DLi15/DLi80が0.05よりも小さい比較例1~9の電池では低温での容量の低下が大きいことがわかった。 From the results shown in Table 1, it was found that the batteries of Examples 1 to 6, which use a predetermined positive electrode active material and have a D Li15 /D Li80 of 0.05 or more, have a suppressed capacity decrease at low temperatures compared to the capacity at room temperature. They also have excellent cycle durability. In contrast, it was found that the batteries of Comparative Examples 1 to 9, which have a D Li15 /D Li80 of less than 0.05, have a large capacity decrease at low temperatures.

10a 積層型二次電池、
10b 双極型二次電池
11 集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
11’ 正極集電体
11” 負極集電体
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
23 双極型電極、
25 正極集電板(正極タブ)、
27 負極集電板(負極タブ)、
29 ラミネートフィルム、
31 シール部。
10a: stacked secondary battery;
10b Bipolar secondary battery 11 Current collector,
11a: outermost current collector on the positive electrode side;
11b: outermost current collector on the negative electrode side;
11' Positive electrode current collector 11" Negative electrode current collector 13 Positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generating element,
23 bipolar electrodes,
25 Positive electrode current collector (positive electrode tab),
27 negative electrode current collector (negative electrode tab),
29 Laminate film,
31 Sealing portion.

Claims (7)

正極活物質として、下記組成式(1):
Li1.5[NiCoMn[Li]]O (1)
(式中、a、b、cおよびdは、0<a<1.4、0≦b<1.4、0<c<1.4、0.1<d≦0.4、a+b+c+d=1.5、1.1≦a+b+c<1.4の関係を満足する)で表される組成を有するリチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質層を含む正極と、負極と、電解液を含む電解質層と、を含む発電要素を備えたリチウムイオン二次電池であって、
25℃において、SOC80%におけるリチウム拡散係数(DLi80)に対するSOC15%におけるリチウム拡散係数(DLi15)の比DLi15/DLi80が0.05以上である、リチウムイオン二次電池。
The positive electrode active material is a material having the following composition formula (1):
Li1.5 [ NiCobMnc [ Li] d ] O3 ( 1 )
(wherein a, b, c and d satisfy the relationships 0<a<1.4, 0≦b<1.4, 0<c<1.4, 0.1<d≦0.4, a+b+c+d=1.5, 1.1≦a+b+c<1.4), a negative electrode, and an electrolyte layer containing an electrolyte solution,
A lithium ion secondary battery, in which the ratio D Li15 /D Li80 of the lithium diffusion coefficient (D Li15 ) at an SOC of 15% to the lithium diffusion coefficient (D Li80 ) at an SOC of 80% at 25° C. is 0.05 or more.
25℃において、SOC60%におけるリチウム拡散係数(DLi60)に対するSOC15%におけるリチウム拡散係数(DLi15)の比(DLi15/DLi60)が0.1以上である、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。 2. The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the ratio (D Li15 /D Li60 ) of the lithium diffusion coefficient (D Li15 ) at SOC 15% to the lithium diffusion coefficient (D Li60 ) at SOC 60% at 25° C. is 0.1 or more. 25℃において、SOC15%におけるリチウム拡散係数(DLi15)が1×10-16cm/s以上である、請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池。 3. The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the lithium diffusion coefficient (D Li15 ) at 25° C. and SOC 15% is 1×10 −16 cm 2 /s or more. 前記電解液は、非水溶媒、リチウム塩および含フッ素カーボネートを含む、請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the electrolyte solution contains a non-aqueous solvent, a lithium salt, and a fluorine-containing carbonate. 前記電解液は、前記含フッ素カーボネートとしてフルオロエチレンカーボネートを0.5~10質量%含む、請求項4に記載のリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to claim 4, wherein the electrolyte contains 0.5 to 10 mass % of fluoroethylene carbonate as the fluorine-containing carbonate. 正極活物質として、下記式(1):
Li1.5[NiCoMn[Li]]O (1)
(式(1)中、a、b、cおよびdは、0<a<1.4、0≦b<1.4、0<c<1.4、0.1<d≦0.4、a+b+c+d=1.5、1.1≦a+b+c<1.4の関係を満足する)で表される組成を有するリチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質層を含む正極と、負極と、電解液を含む電解質層と、を含む発電要素を備えたリチウムイオン二次電池の製造方法であって、
-20℃以上10℃以下の温度で、正極上限電位が4.5~4.8V vs.Li/Liとなる条件で活性化初充電を行う段階と、
前記活性化初充電の後、-20℃以上25℃以下の温度で1時間以上、開回路休止を行う段階と、を含む、方法。
As a positive electrode active material, the following formula (1):
Li1.5 [ NiCobMnc [ Li] d ] O3 ( 1 )
(wherein a, b, c and d satisfy the relationships 0<a<1.4, 0≦b<1.4, 0<c<1.4, 0.1<d≦0.4, a+b+c+d=1.5, 1.1≦a+b+c<1.4), a negative electrode, and an electrolyte layer containing an electrolyte solution,
A step of performing an initial activation charge under conditions where the upper limit potential of the positive electrode is 4.5 to 4.8 V vs. Li + /Li at a temperature of −20° C. or higher and 10° C. or lower;
and performing an open circuit rest at a temperature of -20°C or higher and 25°C or lower for 1 hour or more after the initial activation charge.
前記リチウムイオン二次電池は、25℃において、SOC80%におけるリチウム拡散係数(DLi80)に対するSOC15%におけるリチウム拡散係数(DLi15)の比DLi15/DLi80が0.05以上である、請求項6に記載の方法。 The method according to claim 6, wherein the lithium ion secondary battery has a ratio D Li15 /D Li80 of the lithium diffusion coefficient (D Li15 ) at SOC 15% to the lithium diffusion coefficient (D Li80 ) at SOC 80% at 25°C of 0.05 or more.
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