JP3994238B2 - Nonaqueous electrolyte lithium secondary battery - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属酸化物系負極の放電容量が改善された高容量型リチウムイオン非水電解質二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
リチウムおよびリチウム合金を負極活物質とするリチウム二次電池では負極が高容量密度であることを利点とするが金属リチウムの析出(デンドライト発生)による安全上の問題とこれが原因となるサイクル寿命の低下が実用上の障害となる。これを改善するため、負極にリチウムをイオン状態で可逆的にインターカレートする材料として各種の炭素質材料が開発され、同じくリチウムイオンの可逆的な挿入放出が可能なリチウム含有酸化物を正極活物質に組み合わせて、いわゆるロッキングチェア型のリチウムイオン二次電池が開発され、現在汎用の4V級二次電池として量産されている。正極活物質としては、LiCoO2 、LiCo1-x Nix 2 、LiNiO2 、LiMn2 4 等が用いられ、なかでも特開昭55−136131で開示されるLiCoO2 は3.5Vvs.Li以上の高い充放電電位に加え高容量を有する点で有利である。また、Co系に比べて原料供給量が多く低コストで、安全性に優れるメリットからLiMn2 4 を正極材料に用いた二次電池が、特開平3−147276、同4−123769等に提案されている。
負極活物質として用いられる炭素質材料には、黒鉛質炭素材料、ピッチコークス、繊維状カーボン、低温で焼成される高容量型のソフトカーボンなどがあるが、炭素材料は一般に嵩比重が2.20以下と比較的小さいため、化学量論限界のまでのリチウム挿入容量(372mAh/g)で用いた場合は、電池体積当りの容量を高く設計することが難しい。そこで炭素質材料を越える高い容量密度を有するリチウム挿入可能な負極材料として、特開平6−60867、同7−220721、同7−122274、同7−288123には錫酸化物を主体とする複合酸化物からなる非晶質型の活物質が開示されている。
このように電池材料が高容量化してくると、放電使用時の電流密度も増加し、高電流(ハイレート)使用に対しても電池容量を高く維持できることがますます重要となってくる。従来、負極にリチウム挿入化合物として金属酸化物などを用いる場合は、金属酸化物固有の導電性が十分でないことから、ハイレート充電でのリチウムイオンの均一な挿入を行うために導電材料の添加、併用が不可欠である。導電材料としてはアセチレンブラックや黒鉛質カーボンが一般的に用いられるが、これらの粉末を活物質粒子に混合して電極合剤を作製すると、合剤層中の負極活物質の実質含量(充填度)が低下する結果、負極塗布層の体積当り容量が減少し、電池容量が目減りすることにつながる。酸化物負極材料の容量を最大とするためには、導電材料を利用効率よく活物質粒子と共存させるための技術が必要となる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は上述のような問題を解決し、導電剤の使用形態を改善し充放電特性とくにハイレート放電容量に優れた高容量型のリチウムイオン非水電解質二次電池を提供することである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、リチウム含有遷移金属複合酸化物からなる正極、リチウムを挿入可能な金属酸化物粒子を含む負極および非水電解質からなるリチウムイオン非水電解質二次電池に於いて、該負極の負極活物質層に含有する金属酸化物粒子が、金属複合酸化物からなる粒子の表面に導電性の無機材料の薄膜が被覆された複合粒子であり、該負極活物質層の上に酸化アルミニウムを含有する保護層が形成された負極であることを特徴とするリチウムイオン非水電解質二次電池により解決するにいたった。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい形態について列挙するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(1)リチウム含有遷移金属複合酸化物からなる正極、リチウムを挿入可能な金属酸化物粒子を含む負極および非水電解質からなるリチウムイオン非水電解質二次電池に於いて、該負極の負極活物質層に含有する金属酸化物粒子が、金属複合酸化物からなる粒子の表面に導電性の無機材料の薄膜が被覆された複合粒子であり、該負極活物質層の上に酸化アルミニウムを含有する保護層が形成された負極であることを特徴とするリチウムイオン非水電解質二次電池。
(2)該保護層が、黒鉛と酸化アルミニウムを含有することを特徴とする項1記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。
(3)該導電性の無機材料が、炭素質材料であることを特徴とする項1または2に記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。
(4)該導電性の無機材料が、金属であることを特徴とする項1に記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。
(5)該導電性の無機材料が、無電解めっき法によって金属酸化物粒子表面に被覆された金属であることを特徴とする項1に記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。
(6)該導電性の無機材料が、Cu、Ag、Ni、Au、Pt、Al、Mg、Ti、Zn、Sn、In、W、Pbから選ばれる1種以上の金属もしくはこれらの金属とLiとの合金であることを特徴とする項4または5に記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。
(7)該導電性の無機材料の表面被覆率が、20%以上100%以下である項1〜6のいずれかに記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。
(8)該導電性の無機材料の表面被覆量が、金属酸化物粒子に対し0.01重量%以上、15重量%以下である項1〜7のいずれかに記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。
(9)該保護層の上に更にリチウム金属、またはリチウム合金を付着させることを特徴とする項1または2記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。
(10)該金属酸化物が錫を主体として含み非晶質構造を含む複合酸化物であることを特徴とする項1〜のいずれかに記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。
【0006】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のリチウムイオン非水電解質二次電池は、正極活物質、金属酸化物系負極材料およびリチウム塩を含む非水電解質からなる基本構成をもち、炭素材料負極を用いる従来型のリチウム電池に比べて高容量であることを特徴とする。高容量を担っているのは金属酸化物からなる負極材料であり、負極材料としてとくに好ましくは、錫酸化物を主体として含む金属複合酸化物が用いられる。この負極材料は、活物質前駆体である金属複合酸化物に電池内でリチウムイオンを電気化学的に挿入(インターカレート)することにより活性化される。また、正極活物質には、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウムを代表とする高電位型のリチウム含有金属複合酸化物が用いられる。これらの正極活物質はリチウム含有非水電解液とともに、負極へのリチウムイオンの供給源となって、ロッキングチェア型二次電池を構成する。
【0007】
本発明の正極と負極は、集電体(一般に金属支持体)とその上に塗設された活物質合剤層すなわち活物質粉末を含む導電層から成る。このうち負極の合剤層中に、本発明では、無機材料からなる導電材料が金属酸化物からなる負極材料の粒子の表面上に薄膜として被覆された状態で用いられる。従来のやりかたである負極粒子と導電剤粒子を混合する方法でなく、本発明のように負極粒子に負極粒子間の導電性付与に有効な最小量の導電材料を被覆させる方法により、第1に、導電剤の使用量を最小として負極の体積当り容量を増加することができ、第2に、負極粒子のリチウム挿入放出のサイクルの過程で、導電材料マトリクスから負極粒子が機械的に剥離し負極の内部抵抗が増加するといった問題が解消され、電池のサイクル寿命を向上させることができる。
本発明においては、被覆は粒子全体を覆うことだけでなく、部分的に覆うことを含む。部分的に覆う場合は、付着している場合も含む。
上記の目的で本発明において負極粒子表面に被覆する導電材料として好ましいものの1つは、黒鉛化炭素類、繊維状炭素、ピッチコークス、グラシーカーボン、カーボンブラック、あるいはフッ素化カーボンなどに代表される結晶質もしくは非晶質の炭素質材料である。これらの炭素材料を負極粒子の表面に薄膜として被覆する方法として、たとえば1)電気的に帯電させた粒子上に静電引力によって炭素粉末を気体中もしくは液体中で付着させて被覆する方法、2)負極粒子上に真空蒸着法によって炭素の薄膜を付着させる方法、3)含炭素化合物で表面を修飾もしくは被覆した負極粒子を還元性気体中で高温加熱し該化合物を炭化させて皮膜を形成する方法などの化学的方法、を用いることができる。被覆する炭素質材料の中でとくに好ましいものは、黒鉛類炭素とアセチレンブラックなどに代表されるカーボンブラックである。
【0008】
負極粒子表面に被覆する導電材料として用いる他の種類は、金属材料である。金属材料の中でも好ましいものとしては、Cu、Ag、Ni、Au、Pt、Al、Mg、Ti、Zn、Sn、In、W、Pbから選ばれる1種以上の金属もしくはこれらの金属とLiとの合金が用いられる。これらの中でも特に好ましいものは、Cu、Ag、Ni、Al、Snである。これらの金属とLiとの合金が表面導電膜として用いられる場合は、合金は電池の内部で負極粒子へのLiイオンの電気化学的挿入の際に形成されてよい。
これらの金属材料の薄膜を負極粒子表面上に形成する方法としては、たとえば、1)無電解めっきによって金属イオンと還元剤の存在下の溶液中で粒子表面に金属を析出し薄膜を形成する方法、2)真空蒸着法、スパッタリング法によって負極粒子上に金属薄膜を形成する方法、3)含金属化合物(主に有機金属化合物)を表面修飾あるいは表面に付着させた負極粒子の熱分解もしくは酸化還元分解などの化学反応によって、粒子上に金属を析出させ薄膜を形成する方法(化学分解法)、などを利用することができる。
これらの中で特に好ましい方法は、無電解めっき法と化学分解法である。
粉体の無電解めっきは、金属イオンを金属原料に用いて、粉体の分散する溶液中攪拌下で、金属イオンを還元剤ならびに錯化剤の存在下で還元し、粉体表面に金属をめっきさせる方法である。反応法には大きく分けてバッチ法と滴下法がある。
無電解銅めっきにはたとえば特公平4−53949、特開平2−153076に記載されている。銅原料として硫酸銅、錯化剤にEDTA、還元剤にホルムアルデヒドを用い、液温40〜90℃、pH8〜11の条件下で、あらかじめ表面活性化の前処理を施した粉体を分散した硫酸銅とEDTAの水溶液に攪拌下で還元剤を滴下してめっき反応を進行させる。
ニッケルめっきの場合は、たとえばニッケル源に硫酸ニッケル、錯化剤にリンゴ酸、コハク酸、還元剤に、次亜燐酸ソーダをもちいてpH5〜8で反応を進行させることができる。
銀めっきの目的には、たとえば特開昭63−79975、特開平2−173272に示されるように、非シアン系のめっき浴を用いて行う場合は、銀原料に硝酸銀、錯化剤にエチレンジアミン、グルタミン酸、還元剤にロッシェル塩などを用い、pH9〜13の範囲で、塩化錫(SnCl2)で活性化処理した粒子上に銀をめっきさせることができる。
【0009】
本発明において導電材料として負極粒子に被覆される炭素材料もしくは金属材料は、負極材料の金属酸化物粒子を含む合剤層中に、金属酸化物粒子の乾燥総重量に対して、0.01〜15重量%の含量で添加され、好ましい添加量は0.1〜7重量%の範囲であり、さらに好ましくは1〜5重量%の範囲である。これらの粒子上に被覆される導電材に加えて合剤層中にバインダーとともに更に導電材の粒子を混合することもできる。
また、本発明において、上記の導電性の無機材料が負極粒子表面を覆う割合(表面被覆率)は、粒子群の表面の電子伝導性を高めながらも、粒子と電解液の界面でのLiイオンの透過性を損じない目的から、好ましくは20%以上100%以下であり、さらに好ましくは40%以上90%以下である。
【0010】
本発明において好ましい正極活物質は、リチウム含有遷移金属酸化物である。その1つは、Lix MO2 (ここでM=Co、Mn、Ni、V、Feから選ばれる少なくとも1種を含む遷移金属)、x=0.3〜1.2)で示される化合物である。とくに好ましいのは、コバルトあるいはニッケルの酸化物を主体とする層状構造の活物質である。Mは異種の元素を固溶していても良く、固溶元素としては上記のM以外にたとえばTi、Ge、Zr、Cr、Fe、Sn、Al、B、Gaなどを挙げることができる。これらの正極活物質としては、Lix CoO2 、Lix NiO2 、Lix MnO2 、Lix Coa Ni1-a 2 、Lix Cob Fe1-b 2 、(ここでx=0.02〜1.2、a=0.1〜0.9、b=0.8〜0.98)を挙げることができる。
【0011】
正極活物質として用いられるもう1つは、A〔B2 〕O4 型のスピネル構造を持つLiMn24 系酸化物である。
LiMn24 系酸化物として好ましいものとしては、LiMn24 、Lix Mnc Co2-c 4 、Lix Mnc Ni2-c 4 、Lix Mnc 2-c 4 、Lix Mnc Fe2-c 4 (ここでx=0.02〜1.2、c=1.6〜1.96、)をあげることができる。
更には一般式Li1+x 〔Mn2-y 〕O4(0<x <1.7,0≦y<0.7)、または、Li1-x 〔Mn2-y 〕O4(0<x<1.0,0≦y<0.5)で示されるような非化学量論的組成をもち欠陥を含む構造の化合物も含まれる。これらの化合物の例としては、Li4 Mn512あるいはスピネル構造表示でLi〔Li1/3 Mn5/3 〕O4 、Li4 Mn49 、LiMnO2 あるいはLi2 Mn24 、Li2 MnO3 、Li5 Mn49 、Li4 Mn512、Li2 Mn4 9 等の化合物も上記一般式の範囲に含まれる(構造式は一般式表示の整数倍もしくは少数倍で示すものも含む)。
【0012】
これらの正極活物質は、リチウム化合物と遷移金属化合物を混合、焼成する固相反応方法やゾル−ゲル反応あるいは沈殿法などの溶液反応により合成することができる。焼成による固相反応法を用いる場合、焼成温度は、正極活物質原料として用いる原料化合物の一部が分解、溶融する温度であればよく、通常600〜1000℃である。
正極活物質の平均粒子サイズは、0.1〜50μmが好ましく、とくに1〜9.5μmが好ましい。正極活物質の好ましい比表面積は0.1m2 /gより大きく5m2 /g以下であり、特に好ましくは0.1m2 /gより大きく3m2 /g以下である。
【0013】
本発明の二次電池の用いる負極の金属酸化物の金属種は特に限定しないが、周期率表の第3族から15族までの元素の酸化物もしくは複合酸化物が通常用いられ、好ましくは第3族から第7族、13族から15族の元素の酸化物もしくは複合酸化物が用いられる。
本発明の目的の電池性能を確保する上で、負極の金属酸化物として好ましいものは、錫を主体として含み非晶質構造を含む複合酸化物である。
この錫を主体とし非晶質構造を含む複合酸化物の好ましい形態は、錫酸化物を主体とし周期率表第1族、第2族、第13族、第14族、第15族、遷移金属、ハロゲン元素から選ばれる一種以上を含む非晶質構造を含む複合酸化物からなることを特徴とする。
とくに好ましい負極の複合酸化物は、一般式Snx 1 1-x 2 y z (M1 はMn、Fe、Pb、Geから選ばれる1種以上を、M2 はAl、B、P、Si、周期率表第1族、第2族、第3族、ハロゲン元素から選ばれる2種以上の元素を示し、0<x≦1,0.1≦y≦3,1≦z≦8)で示される非晶質のリチウム吸蔵可能な負極活物質前駆体にリチウムを挿入して得られる非晶質の複合酸化物である。上式の負極活物質前駆体においてSnとM1 はリチウムイオンの電気化学的挿入放出に関わる機能元素であり、M2 は複合酸化物の非晶質化に有効なマトリクスを構成する元素である。
【0014】
上記の負極活物質前駆体の複合酸化物は構造中に非晶質構造を含むかもしくは非晶質であることを特徴とする。本発明の複合酸化物が非晶質構造を含むとは、具体的にはCuKα線を用いたX線回折法で2θ値で20°から40°にかけて強度が弱くブロードな頂点を有する回折散乱帯を与える状態を意味し、このブロードな散乱帯中に結晶性の回折線を有してもよい。この結晶性の回折線は非晶質構造中にわずかに秩序性を持った構造部分が反映されたものである。さらに好ましくは、2θ値で40°以上70°以下に結晶性の回折線が見られる場合、この結晶性の回折線のうち最も強い強度が、2θ値で20°以上40°以下に見られる上記のブロードな散乱帯の頂点の回折線の強度の500倍以下であることが好ましく、さらに好ましくは100倍以下、特に好ましくは5倍以下、最も好ましくは結晶性の回折線を有しないことである。
【0015】
以下に、本発明の負極活物質前駆体に用いる金属複合酸化物の好ましい例を示す。
PbO
PbSiO3
SnSiO3
PbSi0.5 0.2 0.2 1.85
PbK0.1 Si0.8 0.2 1.95
FeK0.1 Si0.8 0.2 1.95
MnB0.5 0.5 3
GeSi0.5 0.2 0.2 1.85
SnSi0.8 0.2 3.1
SnSi0.5 0.2 0.2 1.85
SnSi0.8 0.2 2.9
SnSi0.8 Al0.2 2.9
SnSi0.6 Al0.1 0.2 1.65
SnSi0.3 Al0.1 0.6 2.25
SnSi0.4 0.2 0.4 2.1
SnSi0.6 Al0.1 0.5 2.1
SnB0.5 0.5 3
SnK0.2 PO3.6
SnRb0.2 0.8 3.2
SnBa0.1 1.454.5
SnLa0.1 0.9 3.4
SnNa0.1 0.451.75
SnLi0.2 0.5 0.5 3.1
SnCs0.1 0.4 0.4 2.65
SnBa0.1 0.4 0.4 2.7
SnCa0.1 Al0.150.450.553.9
SnY0.1 0.6 0.6 3.55
SnRb0.2 0.3 0.4 2.55
SnCs0.2 0.3 0.4 2.55
SnCs0.1 0.4 0.4 2.65
SnK0.1 Cs0.1 0.4 0.4 2.7
SnBa0.1 Cs0.1 0.4 0.4 2.75
SnMg0.1 0.1 0.4 0.4 2.75
SnCa0.1 0.1 0.4 0.5 3
SnBa0.1 0.1 Al0.1 0.3 0.4 2.75
SnMg0.1 Cs0.1 Al0.1 0.3 0.4 2.75
SnCa0.1 0.1 Al0.1 0.3 0.4 2.75
SnMg0.1 Rb0.1 Al0.1 0.3 0.4 2.75
SnCa0.1 0.2 0.2 0.2 2.6
SnMg0.1 Cs0.1 0.4 0.4 0.2 3.3
Sn0.5 Mn0.5 Mg0.1 0.9 2.45
Sn0.5 Mn0.5 Ca0.1 0.9 3.35
Sn0.5 Ge0.5 Mg0.1 0.9 3.35
Sn0.5 Fe0.5 Ba0.1 0.9 3.35
Sn0.8 Fe0.2 Ca0.1 0.9 3.35
Sn0.3 Fe0.7 Ba0.1 0.9 3.35
Sn0.9 Mn0.1 Mg0.1 0.9 3.35
Sn0.2 Mn0.8 Mg0.1 0.9 3.35
Sn0.7 Pb0.3 Ca0.1 0.9 3.35
Sn0.2 Ge0.8 Ba0.1 0.9 3.35
Sn1.0 Al0.1 0.5 0.5 3.15
Sn1.0 Cs0.1 Al0.4 0.5 0.5 3.65
Sn1.0 Cs0.1 0.5 0.5 3.05
Sn1.0 Cs0.1 Ge0.050.5 0.5 3.15
Sn1.0 Cs0.1 Ge0.05Al0.3 0.5 0.5 3.60
【0016】
二次電池の製造において、本発明の方法で合成される負極材料と共に用いることができる負極活物質としては、リチウム金属、上記のリチウム合金などやリチウムイオンまたはリチウム金属を吸蔵・放出できる炭素質化合物(例えば、特開昭58−209,864、同61−214,417、同62−88,269、同62−216,170、同63−13,282、同63−24,555、同63−121,247、 同63−121,257、同63−155,568、同63−276,873、 同63−314,821、特開平1−204,361、同1−221,859、 同1−274,360など)があげられる。上記リチウム金属やリチウム合金の併用目的は、リチウムイオンを電池内で挿入させるためのものであり、電池反応としてリチウム金属などの溶解析出反応を利用するものではない。
【0017】
正極と負極の電極合剤には、導電剤や結着剤やフィラーなどを添加することができる。また、負極合剤中に、粒子表面の被覆に用いる導電剤に加えて、補助的に導電剤を加えることができる。導電剤は、構成された電池において、化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば何でもよい。通常、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛など)、人工黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維や金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀(特開昭63−148,554)など)粉、金属繊維あるいはポリフェニレン誘導体(特開昭59−20,971)などの導電性材料を1種またはこれらの混合物として含ませることができる。黒鉛とアセチレンブラックの併用がとくに好ましい。その添加量は、特に限定されないが、1〜50重量%が好ましく、特に2〜30重量%が好ましい。カーボンや黒鉛では、2〜15重量%が特に好ましい。
【0018】
結着剤には、通常、でんぷん、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ジアセチルセルロース、ポリビニルクロリド、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリ弗化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム、 ポリブタジエン、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシドなどの多糖類、熱可塑性樹脂、ゴム弾性を有するポリマーなどが1種またはこれらの混合物として用いられる。結着剤の添加量は、2〜30重量%が好ましい。フィラーは、構成された電池において、化学変化を起こさない繊維状材料であれば何でも用いることができる。通常、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素などの繊維が用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、0〜30重量%が好ましい。
【0019】
二次電池の製造に用いられる非水電解液としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、 γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルフォキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、蟻酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル(特開昭60−23,973)、トリメトキシメタン(特開昭61−4,170)、ジオキソラン誘導体(特開昭62−15,771、同62−22,372、同62−108,474)、スルホラン(特開昭62−31,959)、3−メチル−2−オキサゾリジノン(特開昭62−44,961)、プロピレンカーボネート誘導体(特開昭62−290,069、同62−290,071)、テトラヒドロフラン誘導体(特開昭63−32,872)、ジエチルエーテル(特開昭63−62,166)、1,3−プロパンサルトン(特開昭63−102,173)などの非プロトン性有機溶媒の少なくとも1種以上を混合した溶媒とその溶媒に溶けるリチウム塩、例えば、LiClO4 、LiBF6 、LiPF6 、LiCF3 SO3 、LiCF3 CO2 、LiAsF6 、LiSbF6 、LiB10Cl10(特開昭57−74,974)、低級脂肪族カルボン酸リチウム(特開昭60−41,773)、LiAlCl4 、LiCl、LiBr、LiI(特開昭60−247,265)、クロロボランリチウム(特開昭61−165,957)、四フェニルホウ酸リチウム(特開昭61−214,376)、LiOSO2 n 2n+1で表されるフルオロスルホン酸(nは6以下の正の整数)、LiN(SO2n 2n+1)(SO2m 2m+1)で表されるイミド塩(m、nはそれぞれ6以下の正の整数)、LiN(SO2p 2p+1)(SO2q 2q+1)(SO2r 2r+1)で表されるメチド塩(p、q、rはそれぞれ6以下の正の整数)などの1種以上の塩から構成されている。なかでも、プロピレンカーボネートあるいはエチレンカボートと1,2−ジメトキシエタンおよび/あるいはジエチルカーボネートの混合液にLiCF3 SO3 、LiClO4 、LiBF4 および/あるいはLiPF6 を含む電解質が好ましいこれら電解質を電池内に添加する量は、特に限定されないが、正極活物質や負極活物質の量や電池のサイズによって必要量用いることができる。溶媒の体積比率は、特に限定されないが、プロピレンカーボネートあるいはエチレンカボート対1,2−ジメトキシエタンおよび/あるいはジエチルカーボネートの混合液の場合、0.4/0.6〜0.6/0.4(1,2−ジメトキシエタンとジエチルカボネートを両用するときの混合比率は0.4/0.6〜0.6/0.4)が好ましい。支持電解質の濃度は、特に限定されないが、電解液1リットル当たり0.2〜3モルが好ましい。
【0020】
また、電解液の他に次の様な有機固体電解質も用いることができる。たとえばポリエチレンオキサイド誘導体か該誘導体を含むポリマー(特開昭63−135,447)、ポリプロピレンオキサイド誘導体か該誘導体を含むポリマー、イオン解離基を含むポリマー(特開昭62−254,302、同62−254,303、同63−193,954)、イオン解離基を含むポリマーと上記非プロトン性電解液の混合物(米国特許第4,792,504、同4,830,939、特開昭62−22,375、同62−22,376、同63−22,375、同63−22,776、特開平1−95,117)、リン酸エステルポリマー(特開昭61−256,573)が有効である。さらに、ポリアクリロニトリルを電解液に添加する方法もある(特開昭62−278,774)。また、無機と有機固体電解質を併用する方法(特開昭60−1,768)も知られている。
【0021】
二次電池に用いるセパレーターとしては、大きなイオン透過度を持ち、所定の機械的強度を持ち、絶縁性の薄膜が用いられる。耐有機溶剤性と疎水性からポリプレピレンなどのオレフィン系ポリマーあるいはガラス繊維あるいはポリエチレンなどからつくられたシートや不織布が用いられる。セパレーターの孔径は、一般に電池用として有用な範囲が用いられる。例えば、0.01〜10μmが用いられる。セパレターの厚みは、一般に電池用の範囲で用いられる。例えば、5〜300μmが用いられる。
電解質にポリマーなどの固体電解質が用いられる場合には、固体電解質がセパレーターを兼ねる場合がある。
【0022】
充放電特性を改良する目的で、以下で示す化合物を電解質に添加することが知られている。例えば、ピリジン(特開昭49−108,525)、トリエチルフォスファイト(特開昭47−4,376)、トリエタノールアミン(特開昭52−72,425)、環状エーテル(特開昭57−152,684)、エチレンジアミン(特開昭58−87,777)、n−グライム(特開昭58−87,778)、ヘキサリン酸トリアミド(特開昭58−87,779)、ニトロベンゼン誘導体(特開昭58−214,281)、硫黄(特開昭59−8,280)、キノンイミン染料(特開昭59−68,184)、N−置換オキサゾリジノンとN,N’−置換イミダゾリジノン(特開昭59−154,778)、エチレングリコールジアルキルエーテル(特開昭59−205,167)、四級アンモニウム塩(特開昭60−30,065)、ポリエチレングリコール(特開昭60−41,773)、ピロール(特開昭60−79,677)、2−メトキシエタノール(特開昭60−89,075)、三塩化アルミニウム(特開昭61−88,466)、導電性ポリマー電極活物質のモノマー(特開昭61−161,673)、トリエチレンホスホンアミド(特開昭61−208,758)、トリアルキルホスフィン(特開昭62−80,976)、モルフォリン(特開昭62−80,977)、カルボニル基を持つアリール化合物(特開昭62−86,673)、ヘキサメチルホスホリックトリアミドと4−アルキルモルフォリン(特開昭62−217,575)、二環性の三級アミン(特開昭62−217,578)、オイル(特開昭62−287,580)、四級ホスホニウム塩(特開昭63−121,268)、三級スルホニウム塩(特開昭63−121,269)などが挙げられる。
また、電解液を不燃性にするために含ハロゲン溶媒、例えば、四塩化炭素、三弗化塩化エチレンを電解液に含ませることができる(特開昭48−36,632)。また、高温保存に適性をもたせるために電解液に炭酸ガスを含ませることができる(特開昭59−134,567)。
【0023】
電極活物質の集電体としては、構成された電池において化学変化を起こさない電子伝導体であれば何でもよい。例えば、正極には、材料としてステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、焼成炭素などの他に、アルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたもの、負極には、材料としてステンレス鋼、ニッケル、銅、チタン、アルミニウム、焼成炭素などの他に、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたもの)、Al−Cd合金などが用いられる。これらの材料の表面を酸化することも用いられる。形状は、フォイルの他、フィルム、シート、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体などが用いられる。厚みは、特に限定されないが、5〜100μmのものが用いられる。
【0024】
電池の形状はコイン、ボタン、シート、シリンダー、角などいずれにも適用できる。コインやボタンでは、正極活物質や負極活物質の合剤はペレットの形状にプレスされて用いられる。また、シート、シリンダー、角では、正極活物質や負極活物質の合剤は、集電体の上に塗布、乾燥、脱水、プレスされて用いられる。その塗布厚みは、電池の大きさにより決められるが、乾燥後の圧縮された状態で10〜500μmが特に好ましい。
本発明の非水二次電池の用途は、特に限定されないが、例えば、電子機器に搭載する場合、カラーノートパソコン、白黒ノートパソコン、ペン入力パソコンポケット(パームトップ)パソコン、ノート型ワープロ、ポケットワープロ、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディタミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニデスク、電気シェーバー、電子翻訳機、自動車電話、トランシーバー、電動工具、電子手帳、電卓、メモリーカード、テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、メモリーカードなどが挙げられる。その他民生用として、自動車、電動車両モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、アイロン、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。更に、各種軍需用、宇宙用として用いることができる。また太陽電池と組み合わせることもできる。
【0025】
【実施例】
以下に電池作製の実施例をあげて本発明をさらに詳しく説明するが、発明の主旨を越えない限り、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0026】
実施例
〔負極材料の合成例,溶融焼成法〕
SnO 67.4g、B2 3 17.4g、Sn2 2 7 102.8gを混合し、自動乳鉢で十分に粉砕、混合した後、アルミナ製るつぼにセットしてアルゴンガス雰囲気下で1000℃で10時間焼成を行った。焼成後、100℃/分の速度で急冷し、黄色透明ガラス状の負極材料SnB0.5 0.5 3 を得た(化合物A−1)。活物質のX線回折を測定したところ、Cu−α線の照射下で2θ=20−35°の領域にブロードな回折のバンドを示したが、結晶構造に帰属するシャープな回折線は検出されず、活物質構造がアモルファス(非晶質)であることが判明した。
また、Si原料にSiO2 、あるいはAl原料にAl2 3 を用いて、アルゴンガス雰囲気下で1200℃で10時間の焼成により、下記のA−2、3非晶質の負極材料を合成した。
SnSiO3 (化合物A−2)
Sn0.8 Si0.5 0.3 0.2 Al0.1 3.70(化合物A−3)
A−1〜A−3はともにジェットミルを用いて平均粒径7μmの無定形の粒子に粉砕した。これらの粒子のBET法による比表面積は0.7〜1.2m2 /gの範囲であった。
【0027】
〔負極材料粒子の導電材料による表面被覆〕
負極材料の粒子A−1〜A−3の表面に下記の方法で、炭素および銅の被覆をおこなった。
▲1▼炭素の被覆:負極粒子の粉体を150℃で真空中で5時間乾燥させた後、10-5パスカルの真空蒸着器中の底のトレイにセットして粉体の攪拌を行った。蒸着原料の炭素電極を通電して赤熱させ、攪拌中の粉体に対して炭素の蒸着を行った。蒸着量は蒸着源の量と、蒸着時間(通電時間)を変えて制御した。蒸着前後の粉体の重量の差から測定された粉体100g当りの炭素の蒸着量は3gであった。また、粒子の走査電子顕微鏡写真から評価した炭素の表面被覆率は50%であった。
また、比較として、蒸着量と表面被覆率をそれぞれ100g当り0.3g、10%に変えた試料を調製した。
▲2▼銅の被覆:負極粒子の粉体100gをpH3のSnCl2 水溶液1000ccに分散し、Snイオンを吸着させた後、粉体をろ過し水洗し、次いでPdCl2 を0.02g含む塩酸酸性(pH4)の水溶液に浸漬しPd2+を吸着させて表面活性化処理を行った。
銅原料としてCuSO4 ・5H2 Oを20g、錯化剤としてEDTA・4Naを銅に対して1.2当量、ホルムアルデヒドを銅に対して2当量含む、NaOH水溶液(pH10)1000ccに上記の活性化処理をほどこした負極粒子60gを分散し、水温を65℃に保ってめっき反応を開始したのち、反応液のpHを8.5に制御し、続いて3時間めっき反応を行い、粒子表面に銅をめっきさせた。粉体をろ過、水洗し、150℃で24時間乾燥させた。粒子の走査電子顕微鏡写真から評価した銅の表面被覆率は60%であった。
また、比較として、銅原料仕込み量を減らし、めっき量を減じて表面被覆率を35%に変えた試料を調製した。
【0028】
〔正極活物質の調製の例〕
LiCoO2 (化合物C−1)を以下の方法で合成した。Co3 4 ,Co2 3 の混合物と炭酸リチウムをLi/Coモル比が1.05となるように混合し、空気中で600℃で4時間、さらに880℃で8時間焼成を行った。焼成物を自動乳鉢で粉砕した結果得られた粒子は、粒径がメジアン径で6μm、BET法比表面積が0.5m2 /gであり、X線回折によってLiCoO2 と同定された。この活物質は水分散においてpH10.5を与えた。
【0029】
また、正極活物質としてリチウムマンガンコバルト複合酸化物のLi1.05Mn1.95Co0.054 (C−2)を下記の方法で合成した。
粒径0.5〜30μm(1次粒子、2次粒子を含む)、BET表面積40〜70m2 /gの化学合成二酸化マンガン(CMD、不純物としてそれぞれ1重量%以下のMn2 3 とMn3 4 および3重量%以下の硫酸塩と水分、0.5重量%以下のNa、K、Caを含む)と平均粒径を1〜10μmに粉砕した水酸化リチウム、および炭酸コバルトを上記化学式の化学量論量比で混合し、混合物を、600℃で4時間加熱処理した後に、650℃から750℃の範囲で温度条件を変えて18時間空気中で焼成した。最終焼成物を室温まで徐冷して粉砕した結果、得られた粒子は、レーザー式粒度分布測定により一次粒子の平均メジアン径が0.5μmであり、二次粒子の粒径は10μmであった。BET法表面積は2m2 /gの範囲であった。構造と組成をICPとX線回折で同定した結果、焼成物はスピネル結晶型構造のLi1.05Mn1.95Co0.054 であり、Cu−α線を用いたX線回折における2θ=36の回折ピークの半値幅はおよそ0.3であり、その強度は2θ=18.6のピークに対して27%の値であった。また結晶のa軸の格子定数は8.22Aであった。また、焼成物中には微量のLiMnO2 が混入されていることもわかった。この焼成物5gを100ccの純水に分散してpHを測定した結果、8.0であった。
【0030】
〔電極合剤シートの作製例〕
導電材料被覆を施した負極活物質前駆体を93重量%、補助導電剤としてアセチレンブラック2重量%、結着剤としてスチレン−ブタジエンゴムの水分散物4重量%およびカルボキシメチルセルロース1重量%からなる混合物に水を加えてホモジナーザーで10000回転で10分以上混練し、負極合剤スラリーを調製した。得られたスラリーを厚さ18μmの銅フィルムの両面に塗布して、負極シートを作製した。塗布シートを乾燥、プレスした結果、乾膜の塗布量はおよそ65g/m2 、塗布膜の厚みはおよそ27μmであった。
次に、負極シートの活物質層の表面に、鱗片状黒鉛と酸化アルミニウムの1:4(重量比)の混合物からなる保護層(平均厚さ5μm)を塗設し、活物質前駆体を塗設した表面保護層付きの負極シートを作製した。
【0031】
正極合剤として、正極活物質の化合物C−1を90重量%、アセチレンブラック6重量%、結着剤としてポリテトラフルオロエチレンの水分散物3重量%とポリアクリル酸ナトリウム1重量%からなる混合物に水を加えて混練し、得られたスラリーを厚さ30μmのアルミニウムフィルムの両面に塗布して、正極シートを作製した。塗布シートを乾燥、プレスした結果、乾膜の塗布量は285g/m2 、塗布膜の厚みはおよそ100μmであった。
同様にして、化合物C−2を正極活物質に用いて、正極塗布シートを作製した。乾膜の塗布量は340g/m2 、塗布膜の厚みは120μmであった。
【0032】
〔シリンダー型電池の作製例〕
厚さ35μmの金属Li箔を幅5mm長さ37mmの断片に裁断し、露点−60℃の乾燥空気中で、上記の負極活物質前駆体A−1〜3を塗布した負極シートの両面の表面保護層の上に、2mmの規則的間隔を置いて圧着ローラーを用いて付着させた。負極シートへのLi付着量は重量としておよそ110mgであった。
上記の正極シートを35mmの幅に裁断し、負極シートを37mmの幅に裁断して、シートの末端にそれぞれアルミニウム、ニッケルのリード板をスポット溶接した後、露点−40℃の乾燥空気中で150℃で2時間脱水乾燥した。第1図の電池断面図に示したように、脱水乾燥済みの正極シート、セパレーターとして多孔性ポリエチレンフィルム、脱水乾燥済みの負極シート、そしてセパレーターの順でこれらを積層し、巻き込み機で渦巻き状に巻回した。この巻回電極群(2)をニッケルメッキを施した鉄製の有底円筒型電池缶(1)(負極端子を兼ねる)に収納した。この電池缶の中に電解質として1mol/リットル LiPF6 (エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネートの2:2:6(体積比)混合液)を注入した。
正極端子を有する電池蓋(6)をガスケット(5)を介してかしめて直径14mm高さ50mmの円筒型電池を作製した。なお、正極端子(6)は正極シートと、電池缶(1)は負極シートとあらかじめリード端子により接続し、電池内の封口部には圧力感応弁体(61)、電流遮断体(62)、PTC素子(63)を設けた。
以上のようにして、正極活物質としてC−1、C−2、表面導電材料被覆を施した負極活物質前駆体としてA−1〜A−3をそれぞれ選択して組み合わせて作製した。
【0033】
以上のように作製した電池は負極活物質前駆体に塗布シート保護層上のリチウムが電気化学的に挿入されるプロセスが完成されていない電池前駆体である。そこで、負極活物質前駆体にリチウムを挿入させて負極活物質に変換し、電池前駆体を充放電サイクル可能な二次電池とするための操作を、以下のように実施した。
電池前駆体を、室温で12時間放置後、0.1Aの一定電流のもとで1時間予備充電を行い、次いで50℃のもとで10日間エージングを実施した。このエージングの工程で、負極上に担持したLiのほとんど溶解し、負極活物質前駆体の中に挿入されたことを確認した。
この電池を活性化のために、2mA/cm2 で室温下で4.2Vまで充電を行った。さらに、充電状態で電池を55℃に保持し、3日間エージングを実施した。
これらの電池を、充電終止電圧4.2V(開回路電圧(OCV))、放電終止電圧2.8V(回路電圧)、の条件で定電流で繰り返し充放電させてサイクルさせた。このとき、電池を2mA/cm2 (本電池では0.2C相当)の電流密度で充電した後に、10mA/cm2 (本電池では1.0C相当)の放電電流で与える容量(Ah)と2mA/cm2 (0.2C)の放電電流で与える容量の比を求め、これをハイレート放電効率(%)として評価した(ただし1Cは1時間で電池の公称容量を放電するのに相当する電流の値を示す)。
【0034】
上記のリチウムイオン二次電池について、正極活物質と負極材料の組み合わせを変えた条件で、測定されたハイレート効率および1Cの高電流放電における容量を表1に示した。
【0035】

Figure 0003994238
【0036】
表1の結果から、本発明に記載する表面導電材料被覆を施した金属酸化物系負極材料を負極の合剤層中に含有するリチウムイオン二次電池が、ハイレート放電効率と容量の点において優れた性能を示すことがわかる。なお、本発明のリチウムイオン二次電池は、C−1と炭素被覆したA−3、およびC−1と銅被覆したA−3の組み合わせの場合、室温での充放電のサイクル寿命として、それぞれ100サイクル当たり95%および92%の放電容量維持率を示した。
【0037】
【発明の効果】
リチウム含有遷移金属複合酸化物からなる正極材料、リチウムを挿入可能な金属酸化物からなる負極材料と、非水電解質によって構成され、負極の金属酸化物粒子が、金属複合酸化物からなる粒子の表面に導電性の無機材料の薄膜が被覆された複合粒子であることを特徴とするリチウムイオン非水電解質二次電池を用いることにより、電池容量とハイレート放電特性を向上する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例で作製したシリンダー型二次電池の断面図を示したものである。
【符号の説明】
1 負極端子を兼ねる電池缶
2 巻回電極群(正極、セパレーター、負極)
3 上部絶縁板
4 正極リード
5 ガスケット
6 正極端子を兼ねる電池蓋
61 圧力感応弁体
62 電流遮断体
63 PTC素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high capacity type lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery in which the discharge capacity of a metal oxide negative electrode is improved.
[0002]
[Prior art]
Lithium secondary batteries that use lithium and lithium alloys as the negative electrode active material have the advantage that the negative electrode has a high capacity density, but the safety problem due to the deposition of metallic lithium (dendritic generation) and the decrease in cycle life caused by this Is a practical obstacle. In order to improve this, various carbonaceous materials have been developed as materials for reversibly intercalating lithium in the ionic state to the negative electrode, and lithium-containing oxides that can reversibly insert and release lithium ions are also used as the positive electrode active material. In combination with materials, so-called rocking chair type lithium ion secondary batteries have been developed and are currently mass-produced as general-purpose 4V class secondary batteries. As the positive electrode active material, LiCoO2LiCo1-xNixO2, LiNiO2, LiMn2OFourIn particular, LiCoO disclosed in JP-A-55-136131 is used.2Is 3.5 Vvs. This is advantageous in that it has a high capacity in addition to a high charge / discharge potential higher than Li. In addition, LiMn is advantageous because it has a large amount of raw material supply compared to Co and is low in cost and excellent in safety.2OFourJapanese Patent Application Laid-Open Nos. 3-147276 and 4-123769 have proposed secondary batteries using as a positive electrode material.
Examples of the carbonaceous material used as the negative electrode active material include graphitic carbon material, pitch coke, fibrous carbon, and high-capacity soft carbon fired at a low temperature. Carbon materials generally have a bulk specific gravity of 2.20. Since it is relatively small as follows, it is difficult to design a high capacity per battery volume when it is used at a lithium insertion capacity (372 mAh / g) up to the stoichiometric limit. Therefore, as a negative electrode material capable of inserting lithium having a high capacity density exceeding that of a carbonaceous material, JP-A-6-60867, 7-220721, 7-122274, and 7-288123 disclose composite oxidation mainly composed of tin oxide. An amorphous active material made of a material is disclosed.
As the battery material increases in capacity as described above, the current density at the time of discharge use increases, and it becomes increasingly important that the battery capacity can be kept high even when using a high current (high rate). Conventionally, when a metal oxide or the like is used as a lithium insertion compound in the negative electrode, the conductivity inherent to the metal oxide is not sufficient, so the addition of a conductive material and the combined use to perform uniform insertion of lithium ions during high-rate charging Is essential. As the conductive material, acetylene black or graphitic carbon is generally used. When an electrode mixture is prepared by mixing these powders with active material particles, the substantial content of the negative electrode active material in the mixture layer (filling degree) As a result, the capacity per volume of the negative electrode coating layer decreases, leading to a decrease in battery capacity. In order to maximize the capacity of the oxide negative electrode material, a technique for coexisting the conductive material with the active material particles efficiently is required.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a high capacity type lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery that solves the above-described problems, improves the usage of the conductive agent, and has excellent charge / discharge characteristics, particularly high rate discharge capacity. .
[0004]
[Means for Solving the Problems]
  The above-described problems are solved in a positive electrode made of a lithium-containing transition metal composite oxide, a negative electrode containing metal oxide particles into which lithium can be inserted, and a lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery made of a non-aqueous electrolyte. The metal oxide particles contained in the active material layer are composite particles in which the surface of particles made of a metal composite oxide is coated with a thin film of a conductive inorganic material, on the negative electrode active material layerContains aluminum oxideA lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery characterized by being a negative electrode with a protective layer formed has been solved.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Although the preferable form of this invention is enumerated below, this invention is not limited to these.
(1) In a positive electrode made of a lithium-containing transition metal composite oxide, a negative electrode containing metal oxide particles into which lithium can be inserted, and a lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery made of a non-aqueous electrolyte, the negative electrode active material of the negative electrode The metal oxide particles contained in the layer are composite particles in which a thin film of a conductive inorganic material is coated on the surface of a particle made of a metal composite oxide, on the negative electrode active material layerContains aluminum oxideA lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery, which is a negative electrode on which a protective layer is formed.
(2)The protective layer contains graphite and aluminum oxideThe lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery according to Item 1, wherein
(3) Item 1 is characterized in that the conductive inorganic material is a carbonaceous material.Or 2A lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery according to 1.
(4) The lithium ion nonaqueous electrolyte secondary battery according to item 1, wherein the conductive inorganic material is a metal.
(5) The lithium ion nonaqueous electrolyte secondary battery according to item 1, wherein the conductive inorganic material is a metal coated on the surface of metal oxide particles by an electroless plating method.
(6) The conductive inorganic material is one or more metals selected from Cu, Ag, Ni, Au, Pt, Al, Mg, Ti, Zn, Sn, In, W, and Pb, or these metals and Li Item 6. The lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery according to Item 4 or 5, wherein
(7) The lithium ion nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of Items 1 to 6, wherein the surface coverage of the conductive inorganic material is 20% or more and 100% or less.
(8) The lithium ion nonaqueous electrolyte 2 according to any one of Items 1 to 7, wherein the surface coverage of the conductive inorganic material is 0.01% by weight or more and 15% by weight or less with respect to the metal oxide particles. Next battery.
(9) The lithium metal or lithium alloy is further deposited on the protective layer.Or 2The lithium ion nonaqueous electrolyte secondary battery as described.
(10) Items 1 to 3, wherein the metal oxide is a composite oxide mainly containing tin and having an amorphous structure.9The lithium ion nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of the above.
[0006]
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention has a basic configuration comprising a positive electrode active material, a metal oxide-based negative electrode material and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, compared with a conventional lithium battery using a carbon material negative electrode. And high capacity. A negative electrode material made of a metal oxide is responsible for the high capacity, and a metal composite oxide mainly containing tin oxide is particularly preferably used as the negative electrode material. This negative electrode material is activated by electrochemically inserting (intercalating) lithium ions into the metal composite oxide as an active material precursor in the battery. As the positive electrode active material, a high potential type lithium-containing metal composite oxide represented by lithium cobaltate and lithium manganate is used. These positive electrode active materials together with the lithium-containing non-aqueous electrolyte serve as a supply source of lithium ions to the negative electrode to constitute a rocking chair type secondary battery.
[0007]
The positive electrode and the negative electrode of the present invention are composed of a current collector (generally a metal support) and an active material mixture layer coated thereon, that is, a conductive layer containing an active material powder. Among these, in the mixture layer of the negative electrode, in the present invention, the conductive material made of an inorganic material is used in a state of being coated as a thin film on the surface of the negative electrode material particles made of a metal oxide. Rather than the conventional method of mixing negative electrode particles and conductive agent particles, the first method is to coat the negative electrode particles with a minimum amount of conductive material effective for imparting conductivity between the negative electrode particles as in the present invention. The capacity per volume of the negative electrode can be increased by minimizing the amount of the conductive agent used. Second, the negative electrode particles are mechanically separated from the conductive material matrix during the lithium insertion / release cycle of the negative electrode particles. The problem that the internal resistance of the battery increases increases, and the cycle life of the battery can be improved.
In the present invention, coating includes not only covering the entire particle but also partially covering it. In the case of partially covering, the case of adhering is also included.
For the above purpose, one of the preferred conductive materials to be coated on the surface of the negative electrode particles in the present invention is represented by graphitized carbons, fibrous carbon, pitch coke, glassy carbon, carbon black, fluorinated carbon, or the like. A crystalline or amorphous carbonaceous material. As a method of coating these carbon materials as a thin film on the surface of negative electrode particles, for example, 1) a method of coating carbon particles by attaching them in gas or liquid by electrostatic attraction on electrically charged particles; 3) A method of depositing a carbon thin film on the negative electrode particles by vacuum deposition. 3) A negative electrode particle whose surface has been modified or coated with a carbon-containing compound is heated at high temperature in a reducing gas to carbonize the compound to form a film. Chemical methods such as methods can be used. Among the carbonaceous materials to be coated, carbon black represented by graphite carbon and acetylene black is particularly preferable.
[0008]
Another type used as a conductive material that coats the surface of the negative electrode particles is a metal material. Among metal materials, preferred are one or more metals selected from Cu, Ag, Ni, Au, Pt, Al, Mg, Ti, Zn, Sn, In, W, and Pb, or a combination of these metals and Li. An alloy is used. Of these, Cu, Ag, Ni, Al, and Sn are particularly preferable. When an alloy of these metals and Li is used as the surface conductive film, the alloy may be formed during the electrochemical insertion of Li ions into the negative electrode particles inside the battery.
As a method for forming a thin film of these metal materials on the surface of the negative electrode particle, for example, 1) a method of forming a thin film by depositing metal on the particle surface in a solution in the presence of metal ions and a reducing agent by electroless plating 2) A method of forming a metal thin film on the negative electrode particles by a vacuum deposition method or a sputtering method. 3) Thermal decomposition or redox of negative electrode particles in which metal-containing compounds (mainly organometallic compounds) are surface-modified or adhered. A method of forming a thin film by depositing a metal on particles by a chemical reaction such as decomposition (chemical decomposition method) can be used.
Among these, particularly preferable methods are an electroless plating method and a chemical decomposition method.
In electroless plating of powder, metal ions are used as a metal raw material, the metal ions are reduced in the presence of a reducing agent and a complexing agent under stirring in a solution in which the powder is dispersed, and the metal is deposited on the powder surface. It is a method of plating. The reaction method is roughly divided into a batch method and a dropping method.
The electroless copper plating is described in, for example, Japanese Patent Publication No. 4-53949 and Japanese Patent Laid-Open No. 2-153076. Copper sulfate as a copper raw material, EDTA as a complexing agent, formaldehyde as a reducing agent, and sulfuric acid in which a powder subjected to surface activation pretreatment is dispersed under conditions of a liquid temperature of 40 to 90 ° C. and pH 8 to 11 A reducing agent is dropped into an aqueous solution of copper and EDTA while stirring to allow the plating reaction to proceed.
In the case of nickel plating, for example, nickel sulfate can be used as the nickel source, malic acid, succinic acid as the complexing agent, and sodium hypophosphite as the reducing agent, and the reaction can proceed at pH 5-8.
For the purpose of silver plating, for example, as shown in JP-A-63-79975 and JP-A-2-173272, when using a non-cyan plating bath, silver nitrate is used as a silver raw material, ethylenediamine is used as a complexing agent, Using glutamic acid, Rochelle salt as the reducing agent, and tin chloride (SnCl) in the pH range of 9-13.2) Can be plated on the particles activated in step (1).
[0009]
In the present invention, the carbon material or the metal material coated on the negative electrode particles as the conductive material is 0.01 to 0.01% of the total weight of the metal oxide particles in the mixture layer containing the metal oxide particles of the negative electrode material. It is added at a content of 15% by weight, and the preferred addition amount is in the range of 0.1 to 7% by weight, more preferably in the range of 1 to 5% by weight. In addition to the conductive material coated on these particles, the conductive material particles can be further mixed with the binder in the mixture layer.
In the present invention, the ratio of the conductive inorganic material covering the surface of the negative electrode particle (surface coverage) is that the Li ion at the interface between the particle and the electrolyte is increased while increasing the electron conductivity of the surface of the particle group. For the purpose of not impairing the permeability of the film, it is preferably 20% or more and 100% or less, and more preferably 40% or more and 90% or less.
[0010]
A preferred positive electrode active material in the present invention is a lithium-containing transition metal oxide. One of them is LixMO2 (Where M = Co, Mn, Ni, V, and transition metal including at least one selected from Fe), x = 0.3 to 1.2). Particularly preferred is an active material having a layered structure mainly composed of an oxide of cobalt or nickel. M may be a solid solution of different kinds of elements, and examples of the solid solution element include Ti, Ge, Zr, Cr, Fe, Sn, Al, B, and Ga other than the above M. As these positive electrode active materials, LixCoO2, LixNiO2, LixMnO2, LixCoaNi1-aO2, LixCobFe1-bO2(Where x = 0.02 to 1.2, a = 0.1 to 0.9, b = 0.8 to 0.98).
[0011]
Another used as the positive electrode active material is A [B2 ] OFour Type LiMn with spinel structure2 OFour It is a system oxide.
LiMn2 OFour As a preferred oxide, LiMn2 OFour, LixMncCo2-cOFour, LixMncNi2-cOFour , LixMncV2-cOFour , LixMncFe2-cOFour (Where x = 0.02 to 1.2, c = 1.6 to 1.96).
Furthermore, the general formula Li1 + x[Mn2-y] OFour(0 <x <1.7, 0 ≦ y <0.7) or Li1-x[Mn2-y] OFourA compound having a non-stoichiometric composition and a structure containing a defect as shown by (0 <x <1.0, 0 ≦ y <0.5) is also included. Examples of these compounds include LiFour MnFive O12Alternatively, Li [Li1/3Mn5/3] OFour , LiFour MnFour O9LiMnO2 Or Li2 Mn2 OFour , Li2 MnOThree , LiFive MnFour O9, LiFour MnFive O12, Li2MnFourO9And the like are also included within the range of the above general formula (the structural formula includes those represented by an integer multiple or a decimal multiple of the general formula).
[0012]
These positive electrode active materials can be synthesized by a solid phase reaction method in which a lithium compound and a transition metal compound are mixed and fired, or a solution reaction such as a sol-gel reaction or a precipitation method. When using the solid phase reaction method by baking, the baking temperature should just be a temperature at which a part of raw material compound used as a positive electrode active material raw material decomposes | disassembles and fuse | melts, and is 600-1000 degreeC normally.
The average particle size of the positive electrode active material is preferably from 0.1 to 50 μm, particularly preferably from 1 to 9.5 μm. The preferred specific surface area of the positive electrode active material is 0.1 m2/ M larger than 5g2/ G or less, particularly preferably 0.1 m2Larger than 3g / g2/ G or less.
[0013]
The metal species of the metal oxide of the negative electrode used in the secondary battery of the present invention is not particularly limited, but oxides or complex oxides of elements from Group 3 to Group 15 of the periodic table are usually used, preferably Oxides or complex oxides of elements from Group 3 to Group 7 and Group 13 to 15 are used.
In order to ensure the battery performance of the object of the present invention, a preferable metal oxide for the negative electrode is a composite oxide mainly containing tin and containing an amorphous structure.
A preferable form of the composite oxide mainly containing tin and containing an amorphous structure is mainly composed of tin oxide, and the periodic table includes Group 1, Group 2, Group 13, Group 14, Group 15, and transition metal. And a composite oxide containing an amorphous structure containing at least one selected from halogen elements.
Particularly preferred composite oxides for the negative electrode are those represented by the general formula Sn.xM1 1-xM2 yOz(M1Is one or more selected from Mn, Fe, Pb and Ge,2Represents two or more elements selected from Al, B, P, Si, Periodic Table Group 1, Group 2, Group 3, and halogen elements, and 0 <x ≦ 1, 0.1 ≦ y ≦ 3 , 1 ≦ z ≦ 8), an amorphous composite oxide obtained by inserting lithium into an amorphous lithium-occlusion negative electrode active material precursor. In the above negative electrode active material precursor, Sn and M1Is a functional element involved in electrochemical insertion and release of lithium ions.2Is an element constituting a matrix effective for amorphization of the composite oxide.
[0014]
The negative electrode active material precursor composite oxide includes an amorphous structure in the structure or is amorphous. The complex oxide of the present invention includes an amorphous structure. Specifically, the X-ray diffraction method using CuKα rays is a diffraction scattering band having a broad apex that is weak in intensity from 20 ° to 40 ° as a 2θ value. In this broad scattering band, a crystalline diffraction line may be included. This crystalline diffraction line is a reflection of a slightly ordered structure in the amorphous structure. More preferably, when a crystalline diffraction line is observed at a 2θ value of 40 ° or more and 70 ° or less, the strongest intensity of the crystalline diffraction lines is observed at a 2θ value of 20 ° or more and 40 ° or less. The intensity of the diffraction line at the apex of the broad scattering band is preferably 500 times or less, more preferably 100 times or less, particularly preferably 5 times or less, and most preferably no crystalline diffraction line. .
[0015]
Below, the preferable example of the metal complex oxide used for the negative electrode active material precursor of this invention is shown.
PbO
PbSiOThree
SnSiOThree
PbSi0.5B0.2P0.2O1.85
PbK0.1Si0.8P0.2O1.95
FeK0.1Si0.8P0.2O1.95
MnB0.5P0.5OThree
GeSi0.5B0.2P0.2O1.85
SnSi0.8P0.2O3.1
SnSi0.5B0.2P0.2O1.85
SnSi0.8B0.2O2.9
SnSi0.8Al0.2O2.9
SnSi0.6Al0.1B0.2O1.65
SnSi0.3Al0.1P0.6O2.25
SnSi0.4B0.2P0.4O2.1
SnSi0.6Al0.1B0.5O2.1
SnB0.5P0.5OThree
SnK0.2PO3.6,
SnRb0.2P0.8O3.2
SnBa0.1P1.45O4.5
SnLa0.1P0.9O3.4
SnNa0.1B0.45O1.75
SnLi0.2B0.5P0.5O3.1
SnCs0.1B0.4P0.4O2.65
SnBa0.1B0.4P0.4O2.7
SnCa0.1Al0.15B0.45P0.55O3.9,
SnY0.1B0.6P0.6O3.55
SnRb0.2B0.3P0.4O2.55
SnCs0.2B0.3P0.4O2.55
SnCs0.1B0.4P0.4O2.65
SnK0.1Cs0.1B0.4P0.4O2.7
SnBa0.1Cs0.1B0.4P0.4O2.75
SnMg0.1K0.1B0.4P0.4O2.75
SnCa0.1K0.1B0.4P0.5OThree
SnBa0.1K0.1Al0.1B0.3P0.4O2.75
SnMg0.1Cs0.1Al0.1B0.3P0.4O2.75
SnCa0.1K0.1Al0.1B0.3P0.4O2.75
SnMg0.1Rb0.1Al0.1B0.3P0.4O2.75
SnCa0.1B0.2P0.2F0.2O2.6
SnMg0.1Cs0.1B0.4P0.4F0.2O3.3
Sn0.5Mn0.5Mg0.1B0.9O2.45
Sn0.5Mn0.5Ca0.1P0.9O3.35
Sn0.5Ge0.5Mg0.1P0.9O3.35
Sn0.5Fe0.5Ba0.1P0.9O3.35
Sn0.8Fe0.2Ca0.1P0.9O3.35
Sn0.3Fe0.7Ba0.1P0.9O3.35
Sn0.9Mn0.1Mg0.1P0.9O3.35
Sn0.2Mn0.8Mg0.1P0.9O3.35
Sn0.7Pb0.3Ca0.1P0.9O3.35
Sn0.2Ge0.8Ba0.1P0.9O3.35
Sn1.0Al0.1B0.5P0.5O3.15
Sn1.0Cs0.1Al0.4B0.5P0.5O3.65
Sn1.0Cs0.1B0.5P0.5O3.05
Sn1.0Cs0.1Ge0.05B0.5P0.5O3.15
Sn1.0Cs0.1Ge0.05Al0.3B0.5P0.5O3.60
[0016]
Examples of the negative electrode active material that can be used together with the negative electrode material synthesized by the method of the present invention in the production of a secondary battery include lithium metal, the above lithium alloy, and the like, and a carbonaceous compound that can occlude and release lithium ions or lithium metal. (For example, JP-A-58-209,864, 61-214,417, 62-88,269, 62-216,170, 63-13,282, 63-24,555, 63- 121,247, 63-121,257, 63-155,568, 63-276,873, 63-314,821, JP-A-1-204,361, 1-221,859, 1- 274, 360). The purpose of the combined use of the lithium metal and the lithium alloy is to insert lithium ions in the battery, and does not use a dissolution and precipitation reaction of lithium metal or the like as the battery reaction.
[0017]
A conductive agent, a binder, a filler, or the like can be added to the electrode mixture of the positive electrode and the negative electrode. In addition to the conductive agent used for coating the particle surface, a conductive agent can be supplementarily added to the negative electrode mixture. The conductive agent may be anything as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Usually, natural graphite (scale-like graphite, scale-like graphite, earth-like graphite, etc.), artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber or metal (copper, nickel, aluminum, silver (JP-A-63-148)) , 554) etc.) Conductive materials such as powder, metal fibers or polyphenylene derivatives (Japanese Patent Laid-Open No. 59-20,971) can be included as one kind or a mixture thereof. The combined use of graphite and acetylene black is particularly preferred. The addition amount is not particularly limited, but is preferably 1 to 50% by weight, particularly preferably 2 to 30% by weight. In the case of carbon or graphite, 2 to 15% by weight is particularly preferable.
[0018]
The binder is usually starch, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, diacetyl cellulose, polyvinyl chloride, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-di. Enter polymers (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, polybutadiene, fluororubber, polyethylene oxide and other polysaccharides, thermoplastic resins, rubber elastic polymers and the like are used as one kind or a mixture thereof. The addition amount of the binder is preferably 2 to 30% by weight. Any filler can be used as long as it is a fibrous material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Usually, olefin polymers such as polypropylene and polyethylene, fibers such as glass and carbon are used. Although the addition amount of a filler is not specifically limited, 0 to 30 weight% is preferable.
[0019]
Non-aqueous electrolytes used for the production of secondary batteries include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, γ-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfate. Foxoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid triester (JP 60-23973), trimethoxymethane (JP 61- 4,170), dioxolane derivatives (Japanese Patent Laid-Open Nos. 62-15771, 62-22,372, 62-108,474), sulfolane (Japanese Patent Laid-Open No. 62-31,959), 3-methyl-2- Oxazolidinone ( No. 62-44,961), propylene carbonate derivatives (JP-A 62-290,069, 62-290,071), tetrahydrofuran derivatives (JP-A 63-32,872), diethyl ether (JP-A 63) -62,166), 1,3-propane sultone (Japanese Patent Laid-Open No. Sho 63-102,173) and a mixture of at least one aprotic organic solvent and a lithium salt soluble in the solvent, such as LiClOFour, LiBF6, LiPF6, LiCFThreeSOThree, LiCFThreeCO2, LiAsF6, LiSbF6, LiBTenClTen(JP-A 57-74,974), lower aliphatic lithium carboxylate (JP-A 60-41,773), LiAlClFourLiCl, LiBr, LiI (JP 60-247,265), lithium chloroborane (JP 61-165,957), lithium tetraphenylborate (JP 61-214,376), LiOSO2CnF2n + 1(N is a positive integer of 6 or less), LiN (SO2 CnF2n + 1) (SO2 CmF2m + 1) Imide salt (m and n are each a positive integer of 6 or less), LiN (SO2 CpF2p + 1) (SO2 CqF2q + 1) (SO2 CrF2r + 1) And the like (p, q, and r are each a positive integer of 6 or less). Among them, LiCF is added to a mixed solution of propylene carbonate or ethylene carbonate and 1,2-dimethoxyethane and / or diethyl carbonate.ThreeSOThreeLiClOFour, LiBFFourAnd / or LiPF6The amount of these electrolytes preferably added to the battery is not particularly limited, but can be used depending on the amount of the positive electrode active material and the negative electrode active material and the size of the battery. The volume ratio of the solvent is not particularly limited, but is 0.4 / 0.6 to 0.6 / 0.4 in the case of a mixed solution of propylene carbonate or ethylene carbonate and 1,2-dimethoxyethane and / or diethyl carbonate. (The mixing ratio when both 1,2-dimethoxyethane and diethyl carbonate are used is preferably 0.4 / 0.6 to 0.6 / 0.4). The concentration of the supporting electrolyte is not particularly limited, but is preferably 0.2 to 3 mol per liter of the electrolytic solution.
[0020]
In addition to the electrolytic solution, the following organic solid electrolyte can also be used. For example, a polyethylene oxide derivative or a polymer containing the derivative (Japanese Patent Laid-Open No. 63-135,447), a polypropylene oxide derivative or a polymer containing the derivative, a polymer containing an ionic dissociation group (Japanese Patent Laid-Open Nos. 62-254,302 and 62- 254,303, 63-193,954), a mixture of a polymer containing an ion dissociation group and the above aprotic electrolyte (US Pat. Nos. 4,792,504, 4,830,939, JP-A-62-22). , 375, 62-22, 376, 63-22, 375, 63-22, 776, JP-A-1-95,117), and phosphate ester polymers (JP-A-61-256,573). is there. Furthermore, there is a method of adding polyacrylonitrile to the electrolytic solution (Japanese Patent Laid-Open No. 62-278,774). In addition, a method using an inorganic and organic solid electrolyte in combination (Japanese Patent Laid-Open No. 60-1,768) is also known.
[0021]
As a separator used for the secondary battery, an insulating thin film having a large ion permeability and a predetermined mechanical strength is used. Sheets and non-woven fabrics made from olefin polymers such as polypropylene, glass fibers or polyethylene are used because of their organic solvent resistance and hydrophobicity. A range useful for batteries is generally used as the pore diameter of the separator. For example, 0.01 to 10 μm is used. The thickness of the separator is generally used in the battery range. For example, 5 to 300 μm is used.
When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.
[0022]
For the purpose of improving charge / discharge characteristics, it is known to add the following compounds to the electrolyte. For example, pyridine (JP 49-108,525), triethyl phosphite (JP 47-4,376), triethanolamine (JP 52-72,425), cyclic ether (JP 57-57). 152, 684), ethylene diamine (JP 58-87,777), n-glyme (JP 58-87,778), hexaphosphoric triamide (JP 58-87,779), nitrobenzene derivatives (JP 58-214,281), sulfur (JP 59-8,280), quinoneimine dyes (JP 59-68,184), N-substituted oxazolidinones and N, N'-substituted imidazolidinones (JP No. 59-154,778), ethylene glycol dialkyl ether (JP 59-205,167), quaternary ammonium salt (JP 60-30,065) Polyethylene glycol (JP 60-41,773), pyrrole (JP 60-79,677), 2-methoxyethanol (JP 60-89,075), aluminum trichloride (JP 61-88) , 466), monomers of conductive polymer electrode active materials (JP 61-161,673), triethylenephosphonamide (JP 61-208,758), trialkylphosphine (JP 62-80,976). ), Morpholine (JP 62-80,977), aryl compounds having a carbonyl group (JP 62-86,673), hexamethylphosphoric triamide and 4-alkylmorpholine (JP 62-62). 217,575), bicyclic tertiary amines (JP 62-217,578), oils (JP 62-287,580), quaternary phosphoniu. Salt (JP-63-121,268), and a tertiary sulfonium salt (JP 63-121,269).
In order to make the electrolyte nonflammable, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride chloride can be contained in the electrolyte (Japanese Patent Laid-Open No. 48-36,632). In addition, carbon dioxide gas can be included in the electrolytic solution to make it suitable for high-temperature storage (Japanese Patent Laid-Open No. 59-134,567).
[0023]
The current collector of the electrode active material may be anything as long as it is an electronic conductor that does not cause a chemical change in the constructed battery. For example, in addition to stainless steel, nickel, aluminum, titanium, calcined carbon, etc. as materials for the positive electrode, the surface of aluminum or stainless steel is treated with carbon, nickel, titanium, or silver. In addition to stainless steel, nickel, copper, titanium, aluminum, calcined carbon, etc., the surface of copper or stainless steel treated with carbon, nickel, titanium or silver), Al—Cd alloy, or the like is used. Oxidizing the surface of these materials is also used. As the shape, a film, a sheet, a net, a punched product, a lath body, a porous body, a foamed body, a molded body of a fiber group, and the like are used in addition to the foil. The thickness is not particularly limited, but a thickness of 5 to 100 μm is used.
[0024]
The battery shape can be applied to any of coins, buttons, sheets, cylinders, and corners. In coins and buttons, a mixture of a positive electrode active material and a negative electrode active material is used after being pressed into a pellet shape. In the sheet, cylinder, and corner, the positive electrode active material and the negative electrode active material mixture are applied onto a current collector, dried, dehydrated, and pressed. The coating thickness is determined by the size of the battery, and is preferably 10 to 500 μm in a compressed state after drying.
The use of the non-aqueous secondary battery of the present invention is not particularly limited. For example, when mounted on an electronic device, a color notebook computer, a monochrome notebook computer, a pen input personal computer pocket (palmtop) personal computer, a notebook word processor, a pocket word processor , Electronic book player, mobile phone, cordless phone, pager, handy terminal, mobile fax, mobile copy, mobile printer, headphones stereo video movie, LCD TV, handy cleaner, portable CD, mini desk, electric shaver, electronic translation Machine, car phone, transceiver, power tool, electronic notebook, calculator, memory card, tape recorder, radio, backup power supply, memory card, etc. Others for consumer use include automobiles, electric vehicle motors, lighting equipment, toys, game equipment, road conditioners, irons, watches, strobes, cameras, medical equipment (pacemakers, hearing aids, shoulder grinders, etc.). Furthermore, it can be used for various military use and space use. It can also be combined with solar cells.
[0025]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples of battery production. However, the scope of the present invention is not limited to these examples as long as the gist of the invention is not exceeded.
[0026]
Example
[Synthesis example of negative electrode material, melt firing method]
SnO 67.4g, B2OThree  17.4g, Sn2P2O7  102.8 g was mixed, sufficiently ground and mixed in an automatic mortar, then set in an alumina crucible and fired at 1000 ° C. for 10 hours in an argon gas atmosphere. After firing, it is rapidly cooled at a rate of 100 ° C./min, and a yellow transparent glassy negative electrode material SnB0.5P0.5OThree(Compound A-1) was obtained. When X-ray diffraction of the active material was measured, it showed a broad diffraction band in the region of 2θ = 20-35 ° under Cu-α radiation, but a sharp diffraction line attributed to the crystal structure was detected. Thus, the active material structure was found to be amorphous (amorphous).
In addition, Si raw material is SiO2Or Al as the Al raw material2OThreeThe following A-2 and 3 amorphous negative electrode materials were synthesized by firing at 1200 ° C. for 10 hours under an argon gas atmosphere.
SnSiOThree(Compound A-2)
Sn0.8Si0.5B0.3P0.2Al0.1O3.70(Compound A-3)
A-1 to A-3 were all pulverized into amorphous particles having an average particle diameter of 7 μm using a jet mill. The specific surface area of these particles by the BET method is 0.7 to 1.2 m.2/ G.
[0027]
[Surface coating of negative electrode material particles with conductive material]
The surfaces of the negative electrode material particles A-1 to A-3 were coated with carbon and copper by the following method.
(1) Coating of carbon: After the negative electrode particle powder was dried in vacuum at 150 ° C. for 5 hours, 10-FiveThe powder was stirred by placing it on a tray at the bottom in a Pascal vacuum evaporator. The carbon electrode of the vapor deposition raw material was energized and heated red, and carbon was vapor deposited on the powder being stirred. The amount of deposition was controlled by changing the amount of the deposition source and the deposition time (energization time). The amount of carbon deposited per 100 g of powder measured from the difference in weight of the powder before and after deposition was 3 g. Further, the carbon surface coverage evaluated from the scanning electron micrograph of the particles was 50%.
For comparison, a sample was prepared in which the deposition amount and the surface coverage were changed to 0.3 g and 10% per 100 g, respectively.
(2) Copper coating: 100 g of negative electrode particle powder was added to pH 3 SnCl2After dispersing in 1000 cc of aqueous solution and adsorbing Sn ions, the powder is filtered and washed with water, then PdCl2Soaked in a hydrochloric acid (pH 4) aqueous solution containing 0.02 g of Pd2+Was adsorbed to perform surface activation treatment.
CuSO as a copper raw materialFour・ 5H260 g of negative electrode particles obtained by applying the above activation treatment to 1000 cc of an aqueous NaOH solution (pH 10) containing 20 g of O, 1.2 equivalents of EDTA · 4Na as a complexing agent with respect to copper and 2 equivalents of formaldehyde with respect to copper. After dispersing and maintaining the water temperature at 65 ° C. to start the plating reaction, the pH of the reaction solution was controlled to 8.5, and then the plating reaction was carried out for 3 hours to plate copper on the particle surfaces. The powder was filtered, washed with water, and dried at 150 ° C. for 24 hours. The copper surface coverage evaluated from the scanning electron micrographs of the particles was 60%.
As a comparison, a sample was prepared in which the amount of copper raw material was reduced, the amount of plating was reduced, and the surface coverage was changed to 35%.
[0028]
[Example of preparation of positive electrode active material]
LiCoO2(Compound C-1) was synthesized by the following method. CoThreeOFour, Co2OThreeThe mixture was mixed with lithium carbonate so that the Li / Co molar ratio was 1.05, and calcined in air at 600 ° C. for 4 hours and further at 880 ° C. for 8 hours. Particles obtained as a result of grinding the fired product with an automatic mortar have a median diameter of 6 μm and a BET specific surface area of 0.5 m.2/ G and LiCoO by X-ray diffraction2Was identified. This active material gave a pH of 10.5 in water dispersion.
[0029]
Further, as a positive electrode active material, lithium manganese cobalt composite oxide Li1.05Mn1.95Co0.05OFour(C-2) was synthesized by the following method.
Particle size 0.5-30 μm (including primary particles and secondary particles), BET surface area 40-70 m2/ G chemically synthesized manganese dioxide (CMD, each containing 1% by weight or less of Mn as an impurity)2OThreeAnd MnThreeOFourAnd 3 wt% or less of sulfate and water, 0.5 wt% or less of Na, K, and Ca), lithium hydroxide pulverized to an average particle size of 1 to 10 μm, and cobalt carbonate in the above chemical formula After mixing at stoichiometric ratio, the mixture was heat-treated at 600 ° C. for 4 hours, and then calcined in air for 18 hours with changing temperature conditions in the range of 650 ° C. to 750 ° C. As a result of gradually cooling the final fired product to room temperature and pulverizing, the obtained particles had an average median diameter of 0.5 μm of primary particles and a particle size of secondary particles of 10 μm as measured by laser particle size distribution measurement. . BET surface area is 2m2/ G. As a result of identifying the structure and composition by ICP and X-ray diffraction, the fired product was a spinel crystal type Li1.05Mn1.95Co0.05OFourThe half-width of the diffraction peak at 2θ = 36 in the X-ray diffraction using Cu-α rays is about 0.3, and the intensity is 27% of the peak at 2θ = 18.6. It was. The lattice constant of the a axis of the crystal was 8.22A. In addition, a small amount of LiMnO is contained in the fired product.2It was also found that was mixed. As a result of dispersing 5 g of this fired product in 100 cc of pure water and measuring the pH, it was 8.0.
[0030]
[Production example of electrode mixture sheet]
A mixture comprising 93% by weight of a negative electrode active material precursor coated with a conductive material, 2% by weight of acetylene black as an auxiliary conductive agent, 4% by weight of an aqueous dispersion of styrene-butadiene rubber as a binder and 1% by weight of carboxymethylcellulose. Water was added to the mixture and kneaded at 10,000 rpm for 10 minutes or more with a homogenizer to prepare a negative electrode mixture slurry. The obtained slurry was applied to both sides of a 18 μm thick copper film to prepare a negative electrode sheet. As a result of drying and pressing the coated sheet, the coating amount of the dry film was approximately 65 g / m.2The thickness of the coating film was approximately 27 μm.
Next, a protective layer (average thickness of 5 μm) made of a 1: 4 (weight ratio) mixture of scaly graphite and aluminum oxide is applied to the surface of the active material layer of the negative electrode sheet, and the active material precursor is applied. A prepared negative electrode sheet with a surface protective layer was produced.
[0031]
A mixture comprising 90% by weight of the positive electrode active material compound C-1 as a positive electrode mixture, 6% by weight of acetylene black, 3% by weight of an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene and 1% by weight of sodium polyacrylate as a binder. Water was added to and kneaded, and the resulting slurry was applied to both sides of an aluminum film having a thickness of 30 μm to produce a positive electrode sheet. As a result of drying and pressing the coated sheet, the coating amount of the dry film was 285 g / m.2The thickness of the coating film was about 100 μm.
Similarly, a positive electrode coated sheet was prepared using Compound C-2 as a positive electrode active material. The coating amount of the dry film is 340 g / m2The thickness of the coating film was 120 μm.
[0032]
[Production example of cylinder type battery]
Surfaces of both surfaces of a negative electrode sheet obtained by cutting a metal Li foil having a thickness of 35 μm into pieces having a width of 5 mm and a length of 37 mm and applying the negative electrode active material precursors A-1 to 3 in dry air having a dew point of −60 ° C. It was adhered on the protective layer using a pressure roller at regular intervals of 2 mm. The amount of Li attached to the negative electrode sheet was approximately 110 mg as a weight.
The positive electrode sheet was cut to a width of 35 mm, the negative electrode sheet was cut to a width of 37 mm, and aluminum and nickel lead plates were spot welded to the ends of the sheet, respectively. Dehydrated and dried at 2 ° C. for 2 hours. As shown in the cross-sectional view of the battery in FIG. 1, the positive electrode sheet after dehydration and drying, the porous polyethylene film as the separator, the negative electrode sheet after dehydration and drying, and the separator are laminated in this order, and then spirally formed by a wrapping machine. I wound it. This wound electrode group (2) was housed in an iron-bottomed cylindrical battery can (1) (also serving as a negative electrode terminal) plated with nickel. 1 mol / liter LiPF as electrolyte in this battery can6(A 2: 2: 6 (volume ratio) mixture of ethylene carbonate, butylene carbonate, and dimethyl carbonate) was injected.
A battery lid (6) having a positive terminal was caulked through a gasket (5) to produce a cylindrical battery having a diameter of 14 mm and a height of 50 mm. The positive electrode terminal (6) is connected to the positive electrode sheet, the battery can (1) is connected to the negative electrode sheet in advance by a lead terminal, and the pressure-sensitive valve element (61), current interrupter (62), A PTC element (63) was provided.
As described above, C-1 and C-2 as positive electrode active materials and A-1 to A-3 as negative electrode active material precursors coated with a surface conductive material were selected and combined.
[0033]
The battery produced as described above is a battery precursor in which the process of electrochemically inserting lithium on the coating sheet protective layer into the negative electrode active material precursor is not completed. Therefore, an operation for converting the battery precursor into a negative electrode active material by inserting lithium into the negative electrode active material precursor and making the battery precursor a chargeable / discharge cycleable secondary battery was performed as follows.
The battery precursor was allowed to stand at room temperature for 12 hours, precharged for 1 hour under a constant current of 0.1 A, and then aged at 50 ° C. for 10 days. In this aging step, it was confirmed that Li supported on the negative electrode was almost dissolved and inserted into the negative electrode active material precursor.
2 mA / cm for activation of this battery2The battery was charged to 4.2 V at room temperature. Further, the battery was kept at 55 ° C. in a charged state, and aging was performed for 3 days.
These batteries were repeatedly charged and discharged with a constant current under the conditions of a charge end voltage of 4.2 V (open circuit voltage (OCV)) and a discharge end voltage of 2.8 V (circuit voltage), and were cycled. At this time, the battery is 2 mA / cm.2After charging at a current density (equivalent to 0.2 C in this battery), 10 mA / cm2The capacity (Ah) given by the discharge current (equivalent to 1.0 C in this battery) and 2 mA / cm2The ratio of the capacity given by the discharge current of (0.2C) was determined and evaluated as the high rate discharge efficiency (%) (where 1C represents the value of the current corresponding to discharging the nominal capacity of the battery in 1 hour) ).
[0034]
Table 1 shows the measured high-rate efficiency and the capacity at high current discharge of 1 C under the conditions in which the combination of the positive electrode active material and the negative electrode material was changed for the above lithium ion secondary battery.
[0035]
Figure 0003994238
[0036]
From the results in Table 1, the lithium ion secondary battery containing the metal oxide negative electrode material coated with the surface conductive material described in the present invention in the negative electrode mixture layer is excellent in terms of high rate discharge efficiency and capacity. It can be seen that the performance is high. In addition, in the case of the combination of C-1 and carbon-coated A-3, and C-1 and copper-coated A-3, the lithium ion secondary battery of the present invention has a charge / discharge cycle life at room temperature, Discharge capacity maintenance ratios of 95% and 92% per 100 cycles were shown.
[0037]
【The invention's effect】
A positive electrode material made of a lithium-containing transition metal composite oxide, a negative electrode material made of a metal oxide into which lithium can be inserted, and a nonaqueous electrolyte, and the metal oxide particles of the negative electrode are surfaces of particles made of the metal composite oxide By using a lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery characterized in that it is a composite particle coated with a thin film of a conductive inorganic material, battery capacity and high rate discharge characteristics can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a cylinder type secondary battery manufactured in an example.
[Explanation of symbols]
1 Battery can also serves as a negative terminal
2 wound electrode group (positive electrode, separator, negative electrode)
3 Upper insulation plate
4 Positive lead
5 Gasket
6 Battery cover that also serves as a positive terminal
61 Pressure sensitive valve
62 Current interrupter
63 PTC element

Claims (10)

リチウム含有遷移金属複合酸化物からなる正極、リチウムを挿入可能な金属酸化物粒子を含む負極および非水電解質からなるリチウムイオン非水電解質二次電池に於いて、該負極の負極活物質層に含有する金属酸化物粒子が、金属複合酸化物からなる粒子の表面に導電性の無機材料の薄膜が被覆された複合粒子であり、該負極活物質層の上に酸化アルミニウムを含有する保護層が形成された負極であることを特徴とするリチウムイオン非水電解質二次電池。In a negative electrode active material layer of a negative electrode comprising a positive electrode comprising a lithium-containing transition metal composite oxide, a negative electrode comprising metal oxide particles capable of inserting lithium and a non-aqueous electrolyte, and a non-aqueous electrolyte. The metal oxide particles are composite particles in which the surface of particles made of a metal composite oxide is coated with a thin film of a conductive inorganic material, and a protective layer containing aluminum oxide is formed on the anode active material layer A lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery characterized by being a negative electrode. 該保護層が、黒鉛と酸化アルミニウムを含有することを特徴とする請求項1記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。The lithium ion nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 , wherein the protective layer contains graphite and aluminum oxide . 該導電性の無機材料が、炭素質材料であることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。The lithium ion nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2 , wherein the conductive inorganic material is a carbonaceous material. 該導電性の無機材料が、金属であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。  The lithium ion nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the conductive inorganic material is a metal. 該導電性の無機材料が、無電解めっき法によって金属酸化物粒子表面に被覆された金属であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。  2. The lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the conductive inorganic material is a metal coated on the surface of metal oxide particles by an electroless plating method. 該導電性の無機材料が、Cu、Ag、Ni、Au、Pt、Al、Mg、Ti、Zn、Sn、In、W、Pbから選ばれる1種以上の金属もしくはこれらの金属とLiとの合金であることを特徴とする請求項4または5に記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。  The conductive inorganic material is one or more metals selected from Cu, Ag, Ni, Au, Pt, Al, Mg, Ti, Zn, Sn, In, W, and Pb, or an alloy of these metals and Li The lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 4 or 5, wherein: 該導電性の無機材料の表面被覆率が、20%以上100%以下である請求項1〜6のいずれかに記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。  The lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 6, wherein the surface coverage of the conductive inorganic material is 20% or more and 100% or less. 該導電性の無機材料の表面被覆量が、金属酸化物粒子に対し0.01重量%以上、15重量%以下である請求項1〜7のいずれかに記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。  The lithium ion nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 7, wherein the surface coverage of the conductive inorganic material is 0.01 wt% or more and 15 wt% or less with respect to the metal oxide particles. . 該保護層の上に更にリチウム金属、またはリチウム合金を付着させることを特徴とする請求項1または2記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。 3. The lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein lithium metal or a lithium alloy is further adhered on the protective layer. 該金属酸化物が錫を主体として含み非晶質構造を含む複合酸化物であることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載のリチウムイオン非水電解質二次電池。Lithium ion nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the metal oxide is a composite oxide containing an amorphous structure containing mainly tin.
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