JP4067258B2 - Method for evaluating cycle life characteristics of secondary batteries - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池のサイクル寿命特性を評価する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、二次電池、特にリチウム二次電池などの非水電解質電池の開発が盛んに行われており、充放電サイクル寿命特性に優れた非水電解質二次電池の開発が重要な課題となっている。
【0003】
この中で、リチウムを複合させた金属カルコゲン化合物を正極活物質として用いたリチウム二次電池が開示されている(特開平5−325964号公報)。この電池では、充放電に伴う膨張の少ない活物質として金属カルコゲン化合物を用いることにより、充放電サイクル寿命特性の向上を可能にしている。
【0004】
このように、充放電に伴う活物質の膨張は充放電サイクル寿命特性に大きな影響を与えるものであり、正極及び負極に圧力がかかることにより、サイクル寿命特性は大きく左右される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、正極及び負極にかかる圧力とサイクル寿命特性との関係を評価する方法は従来知られていない。
【0006】
本発明の目的は、正極及び負極にかかる圧力とサイクル寿命特性との関係を簡単かつ確実に評価することができる方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、正極と負極とからなる少なくとも1つの電極群が、これら両電極を隔離するセパレータと、電解質と共に金属箔を合成樹脂でラミネートしたフィルム材から形成されている電池ケースに収納された二次電池のサイクル寿命特性を評価する方法であり、上記電池ケースに外部から圧力を加えてその内部の正極及び負極に圧力を加えた状態で充放電サイクル試験を行うことにより、サイクル寿命特性を評価することを特徴としている。
【0008】
本発明においては、電池ケースに外部から圧力が加えられた際、その内部の正極及び負極に圧力が加わるように、電池ケースはフレキシブルな材料から形成されていることが好ましい。このような材料としては、例えば金属箔を合成樹脂でラミネートしたフィルム材が挙げられる。
【0009】
本発明では、金属箔を合成樹脂でラミネートしたフィルム材から形成されている電池ケースに外部から圧力を加えてその内部の正極及び負極に圧力を加えた状態で充放電サイクル試験を行う。充放電サイクル試験の間、この圧力によって正極及び負極の活物質は充放電に伴う膨脹を抑制され負荷を受ける。このような圧力負荷を受けた状態で、繰り返し充放電サイクル試験を行うことにより、様々な正極及び負極活物質の膨脹の程度に応じた電極の劣化、ひいては充放電サイクル特性の低下が起こる。すなわち、正極及び負極に圧力を加えた状態で充放電サイクル試験を行うことにより、正極及び負極活物質の充放電に伴う膨脹による充放電サイクル特性への影響を促進させることができ、様々な正極及び負極活物質を用いた場合のサイクル寿命特性を簡単かつ確実に評価することができる。
【0010】
本発明に従う好ましい実施形態においては、金属箔を合成樹脂でラミネートしたフィルム材から形成されている電池ケースを締付圧力を加えるための締付冶具に取り付け、上記電池ケースの少なくとも一部に締付圧力を加えることにより、外部からの圧力を上記電池ケースに加える。電極群が特定の面方向に延びる電極面を有する場合には、締付圧力がこの電極面に対し垂直方向となるように加えられる。
【0011】
締付冶具は、例えば、金属箔を合成樹脂でラミネートしたフィルム材から形成されている電池ケースを両側から挟むための平板状冶具と、平板状冶具で上記電池ケースを挟みつけた状態で平板状冶具を固定するための固定冶具とから構成される。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。
【0013】
(実施例)
負極活物質として天然黒鉛を用い、正極活物質としてリチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)を用いた薄型電池と、負極活物質として天然黒鉛を用い、正極活物質としてリチウム含有マンガン酸化物(LiMn2O4)を用いた薄型電池を作製し、これらについて電池ケースに圧力を加えながら充放電サイクル寿命特性を評価した。これらの薄型電池については、以下のようにして作製した。
【0014】
〔正極の作製1:LiCoO2〕
正極主材料としてのリチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)粉末90重量部と、人造黒鉛粉末5重量部と、ポリフッ化ビニリデン5重量部のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液とを混合して、スラリーを調製した。このスラリーをアルミニウム箔の両面にドクターブレード法により塗布して活物質層を形成した。その後、150℃で2時間真空乾燥して、正極を作製した。
【0015】
〔正極の作製2:LiMn2O4〕
LiOHとMnO2 を、各元素のモル比がLi:Mn(=1:2)になるように乳鉢にて混合した後、酸素雰囲気下で750℃で20時間熱処理後、粉砕し、リチウム含有マンガン酸化物LiMn2O4 を得た。
【0016】
この正極主材料としてのリチウム含有マンガン酸化物LiMn2O4 粉末90重量部と、人造黒鉛粉末5重量部と、ポリフッ化ビニリデン5重量部のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液とを混合して、スラリーを調製した。このスラリーをアルミニウム箔の両面にドクターブレード法により塗布して活物質層を形成した。その後、150℃で2時間真空乾燥して、正極を作製した。
【0017】
〔負極の作製〕
天然黒鉛粉末が95重量部、ポリフッ化ビニリデン粉末が5重量部となるように混合し、これをNMP溶液と混合してスラリーを調製し、このスラリーを厚さ20μmの銅製の集電体の片面にドクターブレード法により塗布して活物質層を形成した後、150℃で乾燥して負極を作製した。
【0018】
〔電解液の作製〕
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの等体積混合溶媒に、LiPF6 を1.0mol/リットルとなるように溶かして非水電解液を調製した。
【0019】
〔電池の作製〕
以上のようにして得られた正極、負極及び電解液を用いて、図2に示すような薄型の非水電解質電池(リチウム二次電池、電池寸法:厚み3mm、幅30mm、長さ50mm)を作製した。図2に示すように、正極12と負極13の間に、セパレーター14を挟み、これを扁平渦巻状に巻回して電極群を作製し、これを一方端が開口した袋状収納体15内に収納し、非水電解液を注入した後、袋状収納体15の開口部を熱溶着することにより密閉して、非水電解質電池10を作製した。正極12には、正極集電タブ11aが接続されており、負極13には、負極集電タブ11bが接続されている。セパレーター14としては、ポリプロピレン製微多孔膜を用いた。
【0020】
なお、図2においては、袋状収納体15の一方面のみを図示し、他方面を図示省略しているが、袋状収納体15は袋状に形成されているものである。また、袋状収納体15は、アルミニウム箔の両面にポリエチレンをラミネートしたフィルムから形成されている。
【0021】
〔充放電サイクル寿命特性の測定〕
図1に示す締付冶具を用いて、非水電解質電池の電池ケースに外部から圧力を加えてその内部の正極及び負極に圧力を加えた状態で充放電サイクル試験を行った。図1(a)は側面図であり、図1(b)は平面図である。図1に示すように、締付冶具は、平板状冶具1及び2と固定冶具3とから構成される。平板状冶具1及び2としては、鉄製の平板(寸法:厚み5mm、幅50mm、長さ80mm)を用いた。固定冶具3としては、ボルト(ネジ部の直径5mm)を用いた。
【0022】
平板状冶具1及び2には、それぞれボルト3のネジ部を通すための穴が6箇所設けてあり、平板状冶具2の穴には、ボルト3のネジ部と嵌まり合うネジ穴が形成されている。従って、このボルト3を回すことにより、平板状冶具2を平板状冶具1側に近づけることができ、平板状冶具1と平板状冶具2の間に電池10を挿入することにより、電池10に対し締付圧力を加えることができる。電池10との短絡を防止するため、平板状冶具1及び2の表面には絶縁物による皮膜処理が施されている。
【0023】
上記の締付冶具の組立の手順としては、まず電池10を、平板状冶具1及び2の間に挟み込む。このとき、電池10の電極群の扁平方向に延びる電極面に対し垂直方向に締付圧力が加えられるように平板状冶具1及び2の間に配置する。次に、電池10に対する締付圧力が所定の値となるように、固定冶具3を回して電池10を締付ける。締付圧力の調整は、固定冶具3を締付ける際のトルクを、それぞれ10、20、30及び40kgf・cmと変化させることにより行った。なお、締付圧力(締付トルク)が0kgf・cmのものとしては、締付冶具を取り付けていない電池を用いた。
【0024】
上記のように締付圧力を加えた各電池について、充放電サイクル試験を行った。このときの実験条件は、各電池をそれぞれ25℃において、電流値200mAで4.2Vまで定電流充電した後、電流値200mAで2.75Vまで定電流放電を行い、初期放電容量を求めた。
【0025】
次に、200mAで4.2Vまで定電流充電した後、200mAで2.75Vまで定電流放電する工程を1サイクルとする充放電サイクル試験を繰り返して行い、200サイクル後の放電容量から、容量残存率を算出した。結果を図3に示す。
【0026】
図3に示す結果から明らかなように、正極活物質としてリチウム含有マンガン酸化物(LiMn2O4)を用いた薄型電池は、電池の締付圧力にかかわらず、優れた充放電サイクル特性を示した。一方、正極活物質としてリチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)を用いた薄型電池は、締付圧力の増加に伴い、充放電サイクル特性の低下が認められた。
【0027】
これは、リチウム含有マンガン酸化物(LiMn2O4)の充放電に伴う膨張が小さく、電極に加えられた締付圧力による負荷を受けにくいため、繰り返し充放電サイクル試験を行っても、正極活物質の劣化が起こらないためと考えられる。一方、リチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)は、充放電に伴う膨張が大きいため、電極に締付圧力を加えた場合、大きな圧力負荷を受ける。このように大きな圧力負荷を受けた状態で、繰り返し充放電サイクル試験を行うことにより、活物質の劣化、ひいてはサイクル寿命特性の低下を招いたものと考えられる。
【0028】
以上のように、電池に圧力を加えた状態で充放電サイクル試験を行うことにより、様々な材料を用いた電池について、正極及び負極にかかる圧力とサイクル寿命特性との関係を簡単かつ確実に評価することができる。
【0029】
上記の実施例では、二次電池として非水電解質二次電池についてサイクル寿命特性を評価しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、アルカリ蓄電池などその他の二次電池に対しても適用することが可能なものである。
【0030】
【発明の効果】
本発明によれば、正極及び負極にかかる圧力とサイクル寿命特性との関係を簡単かつ確実に評価することができる。従って、電極活物質の充放電に伴う膨張収縮による活物質の劣化について簡単かつ確実に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に従う実施例において用いた締付冶具を示す側面図(a)及び平面図(b)。
【図2】 本発明に従う実施例において評価対象として用いた非水電解質二次電池の構造を示す分解斜視図。
【図3】 本発明に従う実施例において評価した非水電解質二次電池の締付圧力と容量維持率との関係を示す図。
【符号の説明】
1,2・・・平板状冶具
3・・・固定冶具
10・・・非水電解質二次電池
11a,11b・・・電極集電タブ
12・・・正極
13・・・負極
14・・・セパレーター
15・・・電池ケース(袋状収納体)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for evaluating cycle life characteristics of a secondary battery.
[0002]
[Prior art]
In recent years, non-aqueous electrolyte batteries such as secondary batteries, particularly lithium secondary batteries, have been actively developed, and the development of non-aqueous electrolyte secondary batteries having excellent charge / discharge cycle life characteristics has become an important issue. Yes.
[0003]
Among these, a lithium secondary battery using a metal chalcogen compound combined with lithium as a positive electrode active material is disclosed (Japanese Patent Laid-Open No. 5-325964). In this battery, the use of a metal chalcogen compound as an active material with less expansion associated with charge / discharge makes it possible to improve charge / discharge cycle life characteristics.
[0004]
Thus, the expansion of the active material accompanying charge / discharge has a great influence on the charge / discharge cycle life characteristics, and the cycle life characteristics are greatly influenced by the pressure applied to the positive electrode and the negative electrode.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, a method for evaluating the relationship between the pressure applied to the positive electrode and the negative electrode and cycle life characteristics has not been known.
[0006]
An object of the present invention is to provide a method capable of simply and reliably evaluating the relationship between the pressure applied to a positive electrode and a negative electrode and cycle life characteristics.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, at least one electrode group composed of a positive electrode and a negative electrode is housed in a battery case formed of a separator that separates both electrodes and a film material in which a metal foil is laminated with a synthetic resin together with an electrolyte. a method for evaluating the cycle life characteristics of the next cell by charging and discharging cycle test in a state where the pressure in the interior of the positive electrode and the negative electrode was added by applying pressure from the outside to the battery case, evaluate the cycle life characteristics It is characterized by doing.
[0008]
In the present invention, the battery case is preferably formed of a flexible material so that when a pressure is applied to the battery case from the outside, the pressure is applied to the positive electrode and the negative electrode inside the battery case. An example of such a material is a film material obtained by laminating a metal foil with a synthetic resin.
[0009]
In the present invention, a charge / discharge cycle test is performed in a state in which pressure is applied from the outside to a battery case formed of a film material obtained by laminating a metal foil with a synthetic resin, and pressure is applied to the positive electrode and the negative electrode inside the battery case. During the charge / discharge cycle test, the active material of the positive electrode and the negative electrode is restrained from expanding due to charge / discharge and is subjected to a load by this pressure. By repeatedly performing the charge / discharge cycle test under such a pressure load, the electrode is deteriorated according to the degree of expansion of various positive and negative electrode active materials, and the charge / discharge cycle characteristics are lowered. That is, by performing a charge / discharge cycle test with pressure applied to the positive electrode and the negative electrode, it is possible to promote the influence on the charge / discharge cycle characteristics due to expansion associated with charge / discharge of the positive electrode and the negative electrode active material. In addition, the cycle life characteristics when the negative electrode active material is used can be easily and reliably evaluated.
[0010]
In a preferred embodiment according to the present invention, the attachment fastening 冶 again and again for applying clamping pressure to the battery case being formed from a laminated film material of the metal foil with synthetic resin, clamping at least a portion of said battery case by applying a biasing pressure, applying pressure from outside to the battery case. When the electrode group has an electrode surface extending in a specific surface direction, the clamping pressure is applied so as to be perpendicular to the electrode surface.
[0011]
State 冶 fastening tool, for example, that pinched a flat 冶 tool for sandwiching the battery case being formed from a laminated film material of the metal foil with synthetic resin from both sides, the battery case tabular 冶 tool in and has a stationary 冶 device for fixing a flat 冶 tool.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples, and can be implemented with appropriate modifications within a range not changing the gist thereof. Is.
[0013]
(Example)
A thin battery using natural graphite as the negative electrode active material, lithium-containing cobalt oxide (LiCoO 2 ) as the positive electrode active material, natural graphite as the negative electrode active material, and lithium-containing manganese oxide (LiMn 2 as the positive electrode active material) Thin batteries using O 4 ) were prepared, and the charge / discharge cycle life characteristics were evaluated while applying pressure to the battery case. These thin batteries were produced as follows.
[0014]
[Fabrication 1: LiCoO 2 ]
90 parts by weight of lithium-containing cobalt oxide (LiCoO 2 ) powder as a positive electrode main material, 5 parts by weight of artificial graphite powder, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution of 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride were mixed. A slurry was prepared. This slurry was applied to both surfaces of an aluminum foil by a doctor blade method to form an active material layer. Then, it vacuum-dried at 150 degreeC for 2 hours, and produced the positive electrode.
[0015]
[Preparation of positive electrode 2: LiMn 2 O 4 ]
LiOH and MnO 2 were mixed in a mortar so that the molar ratio of each element was Li: Mn (= 1: 2), heat-treated at 750 ° C. for 20 hours in an oxygen atmosphere, pulverized, and lithium-containing manganese The oxide LiMn 2 O 4 was obtained.
[0016]
Mixing 90 parts by weight of lithium-containing manganese oxide LiMn 2 O 4 powder as the positive electrode main material, 5 parts by weight of artificial graphite powder, and 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution Thus, a slurry was prepared. This slurry was applied to both surfaces of an aluminum foil by a doctor blade method to form an active material layer. Then, it vacuum-dried at 150 degreeC for 2 hours, and produced the positive electrode.
[0017]
(Production of negative electrode)
A natural graphite powder is mixed with 95 parts by weight and a polyvinylidene fluoride powder is mixed with 5 parts by weight. This is mixed with an NMP solution to prepare a slurry, and this slurry is coated on one side of a copper current collector having a thickness of 20 μm. An active material layer was formed by coating with a doctor blade method, and then dried at 150 ° C. to prepare a negative electrode.
[0018]
(Preparation of electrolyte)
LiPF 6 was dissolved in an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate so as to be 1.0 mol / liter to prepare a nonaqueous electrolytic solution.
[0019]
[Production of battery]
A thin nonaqueous electrolyte battery (lithium secondary battery, battery dimensions:
[0020]
In FIG. 2, only one surface of the bag-shaped
[0021]
[Measurement of charge / discharge cycle life characteristics]
Using 冶 fasteners shown in FIG. 1, the charge-discharge cycle test was carried out while applying pressure to the positive and negative electrodes therein by applying pressure from the outside to the battery case of the nonaqueous electrolyte battery. FIG. 1A is a side view, and FIG. 1B is a plan view. As shown in FIG. 1, 冶 fastener is comprised of tabular 冶
[0022]
Tabular 冶
[0023]
The procedure for assembling the 冶 tool with the above clamping, the
[0024]
A charge / discharge cycle test was performed on each battery to which a clamping pressure was applied as described above. The experimental conditions were as follows: each battery was charged at a constant current of up to 4.2 V at a current value of 200 mA at 25 ° C., and then discharged at a current value of 200 mA to 2.75 V to obtain an initial discharge capacity.
[0025]
Next, after charging at a constant current of up to 4.2 V at 200 mA, a charge / discharge cycle test was repeated in which the process of discharging at a constant current of up to 2.75 V at 200 mA was repeated, and the remaining capacity was determined from the discharge capacity after 200 cycles. The rate was calculated. The results are shown in FIG.
[0026]
As is clear from the results shown in FIG. 3, the thin battery using lithium-containing manganese oxide (LiMn 2 O 4 ) as the positive electrode active material exhibits excellent charge / discharge cycle characteristics regardless of the tightening pressure of the battery. It was. On the other hand, in the thin battery using lithium-containing cobalt oxide (LiCoO 2 ) as the positive electrode active material, a decrease in charge / discharge cycle characteristics was observed as the tightening pressure increased.
[0027]
This is because the expansion associated with charging / discharging of lithium-containing manganese oxide (LiMn 2 O 4 ) is small, and it is difficult to receive a load due to the clamping pressure applied to the electrode. This is probably because the material does not deteriorate. On the other hand, since lithium-containing cobalt oxide (LiCoO 2 ) has a large expansion associated with charging and discharging, it receives a large pressure load when a clamping pressure is applied to the electrode. It is considered that the repeated charge / discharge cycle test under such a large pressure load resulted in the deterioration of the active material and consequently the cycle life characteristics.
[0028]
As described above, the charge / discharge cycle test is performed with the pressure applied to the battery, and the relationship between the pressure applied to the positive electrode and the negative electrode and the cycle life characteristics is easily and reliably evaluated for the battery using various materials. can do.
[0029]
In the above embodiment, the cycle life characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery are evaluated as the secondary battery, but the present invention is not limited to this, and other secondary batteries such as alkaline storage batteries are used. Can also be applied.
[0030]
【The invention's effect】
According to the present invention, the relationship between the pressure applied to the positive electrode and the negative electrode and the cycle life characteristics can be easily and reliably evaluated. Therefore, it is possible to easily and reliably evaluate the deterioration of the active material due to the expansion and contraction associated with the charge / discharge of the electrode active material.
[Brief description of the drawings]
[1] The present invention a side view showing the fastening 冶 tool used in the example according (a) and a plan view (b).
FIG. 2 is an exploded perspective view showing the structure of a nonaqueous electrolyte secondary battery used as an evaluation object in an example according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a tightening pressure and a capacity retention rate of a nonaqueous electrolyte secondary battery evaluated in an example according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 2, flat 冶
Claims (5)
前記電池ケースに外部から圧力を加えてその内部の正極及び負極に圧力を加えた状態で充放電サイクル試験を行うことにより、サイクル寿命特性を評価することを特徴とする二次電池のサイクル寿命特性評価方法。A cycle of a secondary battery housed in a battery case in which at least one electrode group consisting of a positive electrode and a negative electrode is formed of a separator that separates both electrodes, and a film material obtained by laminating a metal foil with a synthetic resin together with an electrolyte In a method for evaluating life characteristics,
A cycle life characteristic of a secondary battery, characterized by evaluating a cycle life characteristic by performing a charge / discharge cycle test in a state where pressure is applied to a positive electrode and a negative electrode inside the battery case from the outside. Evaluation methods.
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