JP4237659B2 - Non-aqueous electrolyte battery - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質電池に関するものである。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte battery.
近年、エレクトロニクス分野における急速な技術発展により、電子機器の小型・軽量化が進んでいる。その結果、電子機器のポータブル化、コードレス化が進行し、その駆動源となる二次電源にも小型、軽量、高エネルギー密度化が切望されている。このような要望に応えるべく、高エネルギー密度なリチウム二次電池が開発され、最近では、アルミラミネートフィルムから形成された容器を用いた超薄型・軽量二次電池も開発・商品化されている。 In recent years, due to rapid technological development in the electronics field, electronic devices are becoming smaller and lighter. As a result, electronic devices have become more portable and cordless, and a secondary power source that is a driving source of the electronic devices is also demanded to be smaller, lighter, and have higher energy density. In response to these demands, high energy density lithium secondary batteries have been developed. Recently, ultra-thin and lightweight secondary batteries using containers made of aluminum laminate film have also been developed and commercialized. .
このアルミラミネートフィルム製容器を用いた二次電池において、負極にリチウムイオンを吸蔵・放出する炭素材料を使用すると、充放電に伴う負極の体積膨張・収縮による電池厚さの変化量が大きくなり、電池がよれたり、電極間が広がって、内部抵抗が大きくなり、電池特性の低下を招く。 In a secondary battery using this aluminum laminate film container, if a carbon material that occludes / releases lithium ions is used for the negative electrode, the amount of change in battery thickness due to volume expansion / contraction of the negative electrode accompanying charge / discharge increases, The battery is swung or the space between the electrodes is expanded, the internal resistance is increased, and the battery characteristics are deteriorated.
このような問題を回避できる材料系として、特許文献1では、チタン酸リチウムを負極活物質に利用した電池が提案されている。チタン酸リチウムは、充放電に伴う体積変化が殆ど無く、その結果、電池厚さの変化が極めて小さい。この化合物を負極活物質に利用することで、上述した問題が解決される。
As a material system that can avoid such a problem,
チタン酸リチウムは、リチウムの吸蔵放出反応が約1.55Vで進行するため、正極活物質に、例えば、LiCoO2を用いた場合には、その電池電圧は2.3Vとなる。この電位は、広く商用化されているリチウムイオン二次電池である炭素負極/LiCoO2正極の電池電圧3.8Vに比べて低く、エネルギー密度の低下を招く。
本発明は、エネルギー密度が向上された非水電解質電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte battery with improved energy density.
本発明に係る非水電解質電池は、空間群がCmcaである結晶構造を有すると共にリチウムイオンを吸蔵・放出する活物質を含む負極と、正極と、非水電解質とを備えることを特徴とするものである。 A non-aqueous electrolyte battery according to the present invention includes a negative electrode including an active material that has a crystal structure in which a space group is Cmca and absorbs and releases lithium ions, a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte. It is.
本発明によれば、エネルギー密度が向上された非水電解質電池を提供することができる。 According to the present invention, a nonaqueous electrolyte battery with improved energy density can be provided.
本発明では、負極活物質として、空間群がCmcaである結晶構造を有すると共にリチウムイオンを吸蔵・放出する金属酸化物を用いているため、負極において金属リチウムの電位に対して1Vよりも貴で、かつチタン酸リチウムの場合よりも卑な電位でリチウムの吸蔵放出反応を進行させることができ、平均放電電圧を大きくすることができ、エネルギー密度を向上させることができる。また、この負極活物質を含む負極を備えた非水電解質二次電池は、チタン酸リチウムを使用する場合と同等もしくはそれ以上の充放電サイクル寿命を実現することができる。 In the present invention, a metal oxide that has a crystal structure with a space group of Cmca and that absorbs and releases lithium ions is used as the negative electrode active material. In addition, the occlusion and release reaction of lithium can proceed at a base potential lower than that of lithium titanate, the average discharge voltage can be increased, and the energy density can be improved. Moreover, the nonaqueous electrolyte secondary battery provided with the negative electrode containing this negative electrode active material can implement | achieve the charge / discharge cycle life equivalent to or more than the case where lithium titanate is used.
この負極活物質が下記(1)式で表わされる組成を有することによって、エネルギー密度と充放電サイクル寿命をより向上することができるばかりか、LiCoO2を含む正極と組み合わせた場合に平均放電電圧を2.4〜2.6Vの範囲にすることができるため、既存の乾電池やニッケル水素二次電池2直列との互換性を持たせることができる。 When this negative electrode active material has a composition represented by the following formula (1), not only can the energy density and the charge / discharge cycle life be improved, but also the average discharge voltage when combined with a positive electrode containing LiCoO 2 is increased. Since the voltage can be in the range of 2.4 to 2.6 V, compatibility with existing dry batteries and nickel hydride secondary battery 2 series can be provided.
Li2+xAT6O14 (1)
但し、AはNa、K、Mg、Ca、Ba及びSrよりなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素で、TはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、B、Al、Ga及びInよりなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素で、xは0≦x≦5である。
Li 2 + x AT 6 O 14 (1)
However, A is at least one element selected from the group consisting of Na, K, Mg, Ca, Ba and Sr, and T is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, X is 0 ≦ x ≦ 5 with at least one element selected from the group consisting of Nb, Mo, Hf, Ta, W, B, Al, Ga and In.
Li4Ti15O12のようなチタン酸リチウムを負極活物質として用い、例えば、LiCoO2を含む正極と組み合わせると、チタン酸リチウムのリチウム吸蔵放出電位が1.55Vであるため、電池電圧が2.3Vと低くなり、エネルギー密度が小さくなる。 When lithium titanate such as Li 4 Ti 15 O 12 is used as the negative electrode active material, for example, when combined with a positive electrode containing LiCoO 2 , the lithium storage / release potential of lithium titanate is 1.55 V, so the battery voltage is 2 .3V and energy density is reduced.
前述した(1)式で表わされる負極活物質を用いた場合、単位重量あたりの容量はチタン酸リチウムと同等であるが、リチウムの吸脱放出反応が1.3〜1.4V(vs.Li/Li+)で進行する。LiCoO2を含む正極と組み合わせた場合、電池電圧は2.45〜2.55Vとなり、エネルギー密度を約10%増加させることができる。また、この電圧は、既存の乾電池やニッケル水素電池2直列と互換性をもたせることができ、商用的価値も極めて大きい。このようにリチウムの吸脱放出反応電位がチタン酸リチウムに比べて卑側にシフトする要因として、空間群がCmcaである結晶構造を有する負極活物質では、A元素の添加によりリチウムイオンの吸蔵・放出サイトが、チタン酸リチウムの場合と異なるものになることが考えられる。 When the negative electrode active material represented by the formula (1) described above is used, the capacity per unit weight is equivalent to that of lithium titanate, but the lithium adsorption / desorption reaction is 1.3 to 1.4 V (vs. Li). / Li + ). When combined with a positive electrode containing LiCoO 2 , the battery voltage is 2.45 to 2.55 V, and the energy density can be increased by about 10%. In addition, this voltage can be compatible with an existing dry battery or a series of nickel metal hydride batteries 2 and has a very high commercial value. As described above, the negative electrode active material having a crystal structure in which the space group is Cmca as a factor that shifts the lithium adsorption / desorption reaction potential to the base side as compared with lithium titanate. It is conceivable that the emission site is different from that of lithium titanate.
前述した(1)式で表わされる負極活物質を構成する元素Tは、サイクル寿命の観点からTiを主成分とすることが好ましい。Tiを主成分とすることで、結晶構造の安定性を高くすることができるため、良好なサイクル寿命を実現することができる。 The element T constituting the negative electrode active material represented by the formula (1) described above preferably contains Ti as a main component from the viewpoint of cycle life. By using Ti as the main component, the stability of the crystal structure can be increased, so that a good cycle life can be realized.
空間群がCmcaである結晶構造を有する負極活物質が下記(2)式で表わされる組成を有することによって、高エネルギー密度と優れた充放電サイクル寿命を実現しつつ、大電流特性(負荷特性)を向上することができる。 The negative electrode active material having a crystal structure in which the space group is Cmca has a composition represented by the following formula (2), thereby realizing a high energy density and an excellent charge / discharge cycle life, and a large current characteristic (load characteristic). Can be improved.
Li2+xATi6-yMyO14 (2)
但し、AはNa、K、Mg、Ca、Ba及びSrよりなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素で、MはV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、B、Al、Ga及びInよりなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素で、xは0≦x≦5で、yは0<y<6である。
Li 2 + x ATi 6- y My O 14 (2)
However, A is at least one element selected from the group consisting of Na, K, Mg, Ca, Ba and Sr, and M is V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, At least one element selected from the group consisting of Mo, Hf, Ta, W, B, Al, Ga and In, where x is 0 ≦ x ≦ 5 and y is 0 <y <6.
元素Mの原子比yを前記範囲に限定するのは、元素Mを添加すると大電流特性(負荷特性)を改善することができるものの、原子比yの増加に伴って放電容量が低下する恐れがあるからである。Tiが有する良好なサイクル特性と、M元素添加による大電流特性を両立させるためには、yは0.001≦y≦3であることがより好ましく、さらに好ましくは0.01≦y≦1である。 The reason why the atomic ratio y of the element M is limited to the above range is that, if the element M is added, the large current characteristic (load characteristic) can be improved, but the discharge capacity may be lowered as the atomic ratio y increases. Because there is. In order to achieve both good cycle characteristics of Ti and large current characteristics due to the addition of M element, y is more preferably 0.001 ≦ y ≦ 3, and more preferably 0.01 ≦ y ≦ 1. is there.
本発明は、二次電池のみならず、一次電池にも適用することができる。以下、本発明に係る非水電解質電池の一実施形態を詳細に説明する。まず、正極、負極及び非水電解質について説明する。 The present invention can be applied not only to secondary batteries but also to primary batteries. Hereinafter, an embodiment of the nonaqueous electrolyte battery according to the present invention will be described in detail. First, the positive electrode, the negative electrode, and the nonaqueous electrolyte will be described.
1)正極
この正極は、正極集電体と、前記正極集電体の片面もしくは両面に担持され、活物質及び結着剤を含む正極層とを有する。
1) Positive electrode The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode layer that is supported on one or both surfaces of the positive electrode current collector and includes an active material and a binder.
前記正極集電体は、たとえば、アルミニウム、アルミニウム合金から形成することができる。 The positive electrode current collector can be formed of, for example, aluminum or an aluminum alloy.
前記正極活物質としては、種々の酸化物、硫化物などが挙げられる。例えば、二酸化マンガン(MnO2)、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLixMn2O4またはLixMnO2)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(LixCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLiNi1-yCoyO2)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLixMnyCo1-yO2)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(LixMn2-yNiyO4)、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(LixFePO4、LixFe1-yMnyPO4、LixCoPO4など)、硫酸鉄(Fe2(SO4)3)、バナジウム酸化物(例えばV2O5)などが挙げられる。 また、ポリアニリンやポリピロールなどの導電性ポリマー材料、ジスルフィド系ポリマー材料、イオウ(S)、フッ化カーボンなどの有機材料および無機材料も挙げられる。より好ましい二次電池用の正極活物質としては、電池電圧が高いリチウムマンガン複合酸化物(LixMn2O4)、リチウムニッケル複合酸化物(LixNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(LixCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(LiNi1-yCoyO2)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(LixMn2-yNiyO4)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(LixMnyCo1-yO2)、リチウムリン酸鉄(LixFePO4)などが挙げられる(なお、x,yは0〜1の範囲であることが好ましい。)
前記結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴムなどが挙げられる。
Examples of the positive electrode active material include various oxides and sulfides. For example, manganese dioxide (MnO 2 ), iron oxide, copper oxide, nickel oxide, lithium manganese composite oxide (eg, Li x Mn 2 O 4 or Li x MnO 2 ), lithium nickel composite oxide (eg, Li x NiO 2 ) , lithium-cobalt composite oxide (Li x CoO 2), lithium nickel cobalt composite oxide (e.g., LiNi 1-y Co y O 2 ), lithium manganese cobalt composite oxides (e.g., Li x Mn y Co 1-y O 2) , spinel type lithium-manganese-nickel composite oxide (Li x Mn 2-y Ni y O 4), lithium phosphates having an olivine structure (Li x FePO 4, Li x Fe 1-y
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and fluorine-based rubber.
前記正極層には導電剤が含有されていても良い。導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等を挙げることができる。 The positive electrode layer may contain a conductive agent. Examples of the conductive agent include acetylene black, carbon black, and graphite.
前記正極活物質と導電剤と結着剤の配合比は、正極活物質80〜95重量%、導電剤3〜18重量%、結着剤2〜17重量%の範囲にすることが好ましい。 The mixing ratio of the positive electrode active material, the conductive agent and the binder is preferably in the range of 80 to 95% by weight of the positive electrode active material, 3 to 18% by weight of the conductive agent, and 2 to 17% by weight of the binder.
2)負極
負極は、負極集電体と、この集電体の片面もしくは両面に担持され、負極活物質を含有する負極層とを備えるものである。
2) Negative electrode The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode layer that is supported on one or both surfaces of the current collector and contains a negative electrode active material.
負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出し、かつ空間群がCmcaである結晶構造を有するものを含む。 The negative electrode active material includes those having a crystal structure in which lithium ions are occluded / released and the space group is Cmca.
空間群がCmcaである結晶構造を有する負極活物質の組成としては、前述した(1),(2)式で表わされるものの他に、Sr4Mn3O10、CuLaO4が挙げられる。 Examples of the composition of the negative electrode active material having a crystal structure in which the space group is Cmca include Sr 4 Mn 3 O 10 and CuLaO 4 in addition to those represented by the above formulas (1) and (2).
前述した(1),(2)式で表わされる組成において、リチウムの原子比は、充放電でリチウムが吸蔵放出されることで変動し、xは0≦x≦5まで取り得る。xを5以下としたのは、この構造の物質において、リチウムイオンが入りうるサイトに全て入りきった場合、x=5となるためである。 In the compositions represented by the above-described formulas (1) and (2), the atomic ratio of lithium varies as lithium is occluded and released by charging and discharging, and x can take up to 0 ≦ x ≦ 5. The reason why x is 5 or less is that x = 5 when the material having this structure has entered all the sites where lithium ions can enter.
前述した(1),(2)式で表わされる組成において、元素Aの中でもアルカリ土類金属(Mg、Ca、Ba、Sr)が好ましい。NaやKのようなアルカリ金属を用いると、結晶構造の安定性が低下するためにリチウム金属との交換反応が起きやすく、これにより特性劣化して放電容量の低下を招く恐れがあるからである。 Among the elements A, alkaline earth metals (Mg, Ca, Ba, Sr) are preferable in the compositions represented by the above-described formulas (1) and (2). When an alkali metal such as Na or K is used, the stability of the crystal structure is lowered, so that an exchange reaction with lithium metal is likely to occur, which may cause deterioration in characteristics and a reduction in discharge capacity. .
前述した(1)式で表わされる組成のうち、物質重量あたりのエネルギー密度の観点から、Li2+xMgT6O14、Li2+xCaT6O14が好ましい。元素AをMgあるいはCaとすることで、単位重量あたりの容量を増加させることができる。 Of the compositions represented by the above formula (1), Li 2 + x MgT 6 O 14 and Li 2 + x CaT 6 O 14 are preferable from the viewpoint of energy density per substance weight. By setting the element A to Mg or Ca, the capacity per unit weight can be increased.
負極活物質には、空間群がCmcaである結晶構造を有するもののみを使用しても良いが、リチウムを吸蔵放出する他の活物質を併用しても良い。他の活物質としては、例えば、炭素質物、合金、酸化物、窒化物、炭化物などを挙げることができる。 As the negative electrode active material, only a material having a crystal structure whose space group is Cmca may be used, or another active material that absorbs and releases lithium may be used in combination. Examples of other active materials include carbonaceous materials, alloys, oxides, nitrides, and carbides.
負極活物質の平均粒子径は、0.1〜10μmであることが好ましい。これは以下に説明する理由によるものである。平均粒子径を0.1μm未満にすると、集電性能を確保するために導電剤の量を増やす必要があり、実効的な負極容量が低下する恐れがある。また、製造上の作業性が格段に低下する可能性がある。一方、平均粒子径が10μmを超えると、集電性能が低下する恐れがある。平均粒子径のさらに好ましい範囲は、0.5〜5μmである。 The average particle diameter of the negative electrode active material is preferably 0.1 to 10 μm. This is due to the reason explained below. If the average particle size is less than 0.1 μm, it is necessary to increase the amount of the conductive agent in order to ensure the current collecting performance, and the effective negative electrode capacity may be reduced. In addition, workability in manufacturing may be significantly reduced. On the other hand, when the average particle diameter exceeds 10 μm, the current collecting performance may be deteriorated. A more preferable range of the average particle diameter is 0.5 to 5 μm.
負極活物質のBET法による比表面積は、5m2/g〜100m2/gの範囲にすることが好ましい。これは以下に説明する理由によるものである。比表面積を5m2/g未満にすると、集電性能が低下する恐れがある。一方、比表面積が100m2/gを超えると、導電剤の量を増やす必要があり、実効的な負極容量が低下する恐れがある。また、製造上の作業性が格段に低下する可能性がある。 BET specific surface area of the negative electrode active material is preferably in the range of 5m 2 / g~100m 2 / g. This is due to the reason explained below. If the specific surface area is less than 5 m 2 / g, the current collecting performance may be lowered. On the other hand, if the specific surface area exceeds 100 m 2 / g, it is necessary to increase the amount of the conductive agent, which may reduce the effective negative electrode capacity. In addition, workability in manufacturing may be significantly reduced.
負極集電体の形成材料としては、たとえば、アルミニウム、アルミニウム合金を挙げることができる。 Examples of the material for forming the negative electrode current collector include aluminum and aluminum alloys.
負極は、負極活物質と導電剤と結着剤とを適当な溶媒に懸濁させ、この懸濁物をアルミニウム箔などの集電体に塗布、乾燥、プレスして帯状電極にすることにより作製される。 The negative electrode is prepared by suspending the negative electrode active material, the conductive agent and the binder in a suitable solvent, and applying this suspension to a current collector such as an aluminum foil, drying and pressing to form a strip electrode. Is done.
前記導電剤としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等を挙げることができる。 Examples of the conductive agent include acetylene black, carbon black, and graphite.
前記結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴムなどが挙げられる。 Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and fluorine-based rubber.
前記負極活物質、導電剤及び結着剤の配合比は、負極活物質70〜96重量%、導電剤2〜28重量%、結着剤2〜28重量%の範囲にすることが好ましい。導電剤量が2重量%未満であると、集電性が欠如して大電流特性が低下する恐れがある。また、結着剤量が2重量%未満であると、負極層と集電体の結着性が欠如してサイクル性能が低下する可能性がある。一方、高容量化の観点から、導電剤および結着剤量は各々28重量%以下であることが好ましい。 The compounding ratio of the negative electrode active material, the conductive agent and the binder is preferably in the range of 70 to 96% by weight of the negative electrode active material, 2 to 28% by weight of the conductive agent, and 2 to 28% by weight of the binder. If the amount of the conductive agent is less than 2% by weight, there is a possibility that the current collecting property is lacking and the large current characteristic is deteriorated. In addition, if the amount of the binder is less than 2% by weight, the binding performance between the negative electrode layer and the current collector is lacking, and the cycle performance may be deteriorated. On the other hand, from the viewpoint of increasing the capacity, the amount of the conductive agent and the binder is preferably 28% by weight or less.
3)非水電解質
非水電解質としては、例えば、電解質を有機溶媒に溶解させた非水電解液、リチウム塩と常温溶融塩を含むものなどを使用することができる。
3) Non-aqueous electrolyte As the non-aqueous electrolyte, for example, a non-aqueous electrolyte in which an electrolyte is dissolved in an organic solvent, a lithium salt and a room temperature molten salt, or the like can be used.
まず、非水電解液について説明する。 First, the nonaqueous electrolytic solution will be described.
前記電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミトリチウム[LiN(CF3SO2)2]などのリチウム塩が挙げられる。前記電解質は、有機溶媒に対して、0.5〜2mol/Lの範囲で溶解させることが好ましい。 Examples of the electrolyte include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenide (LiAsF 6 ), and trifluoro Examples thereof include lithium salts such as lithium metasulfonate (LiCF 3 SO 3 ) and bistrifluoromethylsulfonylimitolithium [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ]. The electrolyte is preferably dissolved in the range of 0.5 to 2 mol / L with respect to the organic solvent.
前記有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ビニレンカーボネート(VC)などの環状カーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)などの鎖状カーボネート、テトラヒドロフラン(THF)、2メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)などの環状エーテル、ジメトキシエタン(DME)などの鎖状エーテル、γ−ブチロラクトン(BL)、アセトニトリル(AN)、スルホラン(SL)等を挙げることができる。これらの有機溶媒は、単独または2種以上の混合物の形態で用いることができる。 Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), and diethyl carbonate (DEC). Examples include chain carbonates, cyclic ethers such as tetrahydrofuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), chain ethers such as dimethoxyethane (DME), γ-butyrolactone (BL), acetonitrile (AN), sulfolane (SL), and the like. be able to. These organic solvents can be used alone or in the form of a mixture of two or more.
次いで、リチウム塩と常温溶融塩とを含む非水電解質について説明する。 Next, a nonaqueous electrolyte containing a lithium salt and a room temperature molten salt will be described.
常温溶融塩とは、常温において少なくとも一部が液状を呈する塩をいい、常温とは電源が通常作動すると想定される温度範囲をいう。電源が通常作動すると想定される温度範囲とは、上限が120℃程度、場合によっては60℃程度であり、下限は−40℃程度、場合によっては−20℃程度である。 The room temperature molten salt refers to a salt that is at least partially in a liquid state at room temperature, and the room temperature refers to a temperature range in which a power supply is assumed to normally operate. The temperature range in which the power supply is assumed to normally operate has an upper limit of about 120 ° C. and in some cases about 60 ° C., and a lower limit of about −40 ° C. and in some cases about −20 ° C.
リチウム塩としては、リチウム二次電池に一般的に利用されているような、広い電位窓を有するリチウム塩が用いられる。たとえば、LiBF4、LiPF6、LiClO4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2),LiN(CF3SC(C2F5SO2)3などを挙げられるが、これらの限定されるものではない。これらは、単独で用いても、2種類以上を混合して用いても良い。 As the lithium salt, a lithium salt having a wide potential window, which is generally used for lithium secondary batteries, is used. For example, LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ), LiN (CF 3 SC (C 2 F 5 SO 2 ) 3, etc. However, these are not limited, and these may be used alone or in combination of two or more.
非水電解質中のリチウム塩の含有量は、0.1〜3mol/Lであることが望ましい。これは以下に説明する理由によるものである。リチウム塩の含有量を0.1mol/L未満にすると、非水電解質のイオン伝導性が低下して高い大電流・低温放電特性を得られない恐れがある。一方、リチウム塩の含有量が3mol/Lを超えると、非水電解質の融点が上昇して常温で液状を保つのが困難になる可能性がある。リチウム塩含有量のさらに好ましい範囲は、1〜2mol/Lである。 The content of the lithium salt in the nonaqueous electrolyte is desirably 0.1 to 3 mol / L. This is due to the reason explained below. If the content of the lithium salt is less than 0.1 mol / L, the ion conductivity of the non-aqueous electrolyte is lowered and high high current / low temperature discharge characteristics may not be obtained. On the other hand, when the content of the lithium salt exceeds 3 mol / L, the melting point of the non-aqueous electrolyte is increased and it may be difficult to maintain a liquid state at room temperature. A more preferable range of the lithium salt content is 1 to 2 mol / L.
常温溶融塩としては、たとえば、化1の式(A)で示される骨格を有する4級アンモニウム有機物カチオンを有するもの、あるいは、化2の式(B)で示される骨格を有するイミダゾリウムカチオンを有するものである。
但し、式(B)において、R1とR2は、それぞれ、CnH2n+1(n=1〜6)であり、また、互いに同じでも異なっていても良く、R3はHまたはCnH2n+1(n=1〜6)である。 However, in the formula (B), R1 and R2 are each C n H 2n + 1 (n = 1 to 6), and may be the same or different from each other, and R3 is H or C n H 2n +1 (n = 1 to 6).
式(A)で示される骨格を有する4級アンモニウム有機物カチオンとしては、ジアルキルイミダゾリウムやトリアルキルイミダゾリウムなどのイミダゾリウムイオン、テトラアルキルアンモニウムイオン、アルキルピリジニウムイオン、ピラゾリウムイオン、ピロリジニウムイオン、ピペリジニウムイオンなどが挙げられる。特に、式(B)で示される骨格を有するイミダゾリウムカチオンが好ましい。 Examples of the quaternary ammonium organic cation having a skeleton represented by the formula (A) include imidazolium ions such as dialkylimidazolium and trialkylimidazolium, tetraalkylammonium ions, alkylpyridinium ions, pyrazolium ions, pyrrolidinium ions, pipettes. Examples include ridinium ions. In particular, an imidazolium cation having a skeleton represented by the formula (B) is preferable.
なお、テトラアルキルアンモニウムイオンとしては、トリメチルエチルアンモニウムイオン、トリメチルエチルアンモニウムイオン、トリメチルプロピルアンモニウムイオン、トリメチルヘキシルアンモニウムイオン、テトラペンチルアンモニウムイオンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Examples of the tetraalkylammonium ion include, but are not limited to, trimethylethylammonium ion, trimethylethylammonium ion, trimethylpropylammonium ion, trimethylhexylammonium ion, and tetrapentylammonium ion.
また、アルキルピリジウムイオンとしては、N−メチルピリジウムイオン、N−エチルピリジニウムイオン、N−プロピルピリジニウムイオン、N−ブチルピリジニウムイオン、1−エチルー2メチルピリジニウムイオン、1−ブチル−4−メチルピリジニウムイオン、1−ブチル−2,4ジメチルピリジニウムイオンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。 Examples of the alkylpyridium ion include N-methylpyridinium ion, N-ethylpyridinium ion, N-propylpyridinium ion, N-butylpyridinium ion, 1-ethyl-2-methylpyridinium ion, 1-butyl-4-methylpyridinium ion Ions, 1-butyl-2,4 dimethylpyridinium ions and the like, but are not limited thereto.
なお、これらのカチオンを有する常温溶融塩は、単独で用いてもよく、または2種以上混合して用いても良い。 In addition, the normal temperature molten salt which has these cations may be used independently, or may be used in mixture of 2 or more types.
式(B)で示される骨格を有するイミダゾリウムカチオンについて説明する。ジアルキルイミダゾリウムイオンとしては、1,3−ジメチルイミダゾリウムイオン、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムイオン、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムイオン、1−メチル−3−ブチルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムイオンなどが挙げられ、一方、トリアルキルイミダゾリウムイオンとしては、1,2,3−トリメチルイミダゾリウムイオン、1,2−ジメチル−3−エチルイミダゾリウムイオン、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムイオン、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムイオンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。 The imidazolium cation having a skeleton represented by the formula (B) will be described. Examples of the dialkylimidazolium ion include 1,3-dimethylimidazolium ion, 1-ethyl-3-methylimidazolium ion, 1-methyl-3-ethylimidazolium ion, 1-methyl-3-butylimidazolium ion, 1 -Butyl-3-methylimidazolium ion and the like. On the other hand, as the trialkylimidazolium ion, 1,2,3-trimethylimidazolium ion, 1,2-dimethyl-3-ethylimidazolium ion, 1, Examples thereof include, but are not limited to, 2-dimethyl-3-propylimidazolium ion and 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium ion.
なお、これらのカチオンを有する常温溶融塩は、単独で用いてもよく、または2種以上を混合して用いても良い。 In addition, the normal temperature molten salt which has these cations may be used independently, or may mix and use 2 or more types.
上述した正極と負極の間にはセパレータを配置することができる。 A separator can be disposed between the positive electrode and the negative electrode.
セパレータには、例えば、多孔質セパレータが用いられる。 For example, a porous separator is used as the separator.
多孔質セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロースまたはポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、合成樹脂製不織布等を挙げることができる。中でも、ポリエチレンか、あるいはポリプロピレン、または両者からなる多孔質フィルムは、二次電池の安全性を向上できるため、好ましい。 Examples of the porous separator include a porous film containing polyethylene, polypropylene, cellulose, or polyvinylidene fluoride (PVdF), and a synthetic resin nonwoven fabric. Among these, a porous film made of polyethylene, polypropylene, or both is preferable because it can improve the safety of the secondary battery.
正極、負極及び非水電解質が収容される容器には、金属製容器や、ラミネートフィルム製容器を使用することができる。 A metal container or a laminate film container can be used for the container in which the positive electrode, the negative electrode, and the nonaqueous electrolyte are accommodated.
金属製容器としては、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、ステンレスなどからなる金属缶で角形、円筒形の形状のものが使用できる。また、容器の板厚は、0.5mm以下にすることが望ましく、さらに好ましい範囲は0.2mm以下である。 As the metal container, a metal can made of aluminum, aluminum alloy, iron, stainless steel or the like having a square or cylindrical shape can be used. Further, the plate thickness of the container is desirably 0.5 mm or less, and a more preferable range is 0.2 mm or less.
ラミネートフィルムとしては、例えば、金属箔を樹脂フィルムで被覆した多層フィルムなどを挙げることができる。樹脂としては、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)などの高分子を用いることができる。また、ラミネートフィルムの厚さは0.2mm以下にすることが好ましい。 Examples of the laminate film include a multilayer film in which a metal foil is coated with a resin film. As the resin, polymers such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), nylon, polyethylene terephthalate (PET) can be used. The thickness of the laminate film is preferably 0.2 mm or less.
本発明に係る非水電解質二次電池の一例を図1に示す。 An example of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is shown in FIG.
図1に示すように、電極群1は、正極2及び負極3をその間にセパレータ4を介在させて偏平形状に捲回した構造を有する。前記電極群1は、正極2及び負極3をその間にセパレータ4を介在させて偏平形状に捲回した後、加熱プレスを施すことにより作製される。電極群1における正極2、負極3及びセパレータ4は、接着性を有する高分子により一体化されていても良い。帯状の正極端子5は、正極2に電気的に接続されている。一方、帯状の負極端子6は、負極3に電気的に接続されている。この電極群1は、ラミネートフィルム製容器7内に正極端子5と負極端子6の端部を容器7から突き出させた状態で収納されている。なお、ラミネートフィルム製容器7は、ヒートシールにより封止がなされている。
As shown in FIG. 1, the
[実施例]
以下に例を挙げ、本発明をさらに詳しく説明するが、発明の主旨を超えない限り本発明は以下に掲載される実施例に限定されるものでない。
[Example]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples as long as the gist of the invention is not exceeded.
(実施例1)
<正極の作製>
まず、正極活物質としてリチウムコバルト酸化物(LiCoO2)粉末90重量%、アセチレンブラック3重量%、グラファイト3重量%及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)4重量%をN−メチルピロリドン(NMP)に加えて混合してスラリーとし、このスラリーを15μmのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布した後、乾燥し、プレスすることにより電極密度が3.0g/cm3の正極を作製した。
Example 1
<Preparation of positive electrode>
First, 90% by weight of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) powder, 3% by weight of acetylene black, 3% by weight of graphite and 4% by weight of polyvinylidene fluoride (PVdF) are added to N-methylpyrrolidone (NMP) as a positive electrode active material. The slurry was mixed to form a slurry. The slurry was applied to both sides of a current collector made of 15 μm aluminum foil, dried, and pressed to prepare a positive electrode having an electrode density of 3.0 g / cm 3 .
<負極の作製>
負極活物質としての空間群がCmcaである結晶構造を有するLi2MgTi6O14と、導電材としての平均粒径が1μmでBET法による比表面積が8m2/gのアセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを重量比が90:5:5になるようにN−メチルピロリドン(NMP)溶液に加えて混合し、得られたスラリーを厚さが15μmのアルミニウム箔に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより負極を作製した。
<Production of negative electrode>
Li 2 MgTi 6 O 14 having a crystal structure with a space group of Cmca as a negative electrode active material, acetylene black having an average particle diameter of 1 μm and a specific surface area of 8 m 2 / g as a conductive material, and polyfluoride Vinylidene (PVdF) was added to an N-methylpyrrolidone (NMP) solution in a weight ratio of 90: 5: 5 and mixed, and the resulting slurry was applied to an aluminum foil having a thickness of 15 μm and dried. Then, the negative electrode was produced by pressing.
なお、負極活物質であるリチウムチタン含有複合酸化物の結晶構造の同定は、粉末X線回折測定によって行なった。 The crystal structure of the lithium-titanium-containing composite oxide that is the negative electrode active material was identified by powder X-ray diffraction measurement.
<電極群の作製>
前記正極、厚さ25μmのポリエチレン製の多孔質フィルムからなるセパレータ、前記負極、前記セパレータの順番に積層した後、渦巻き状に捲回した。これを90℃で加熱プレスすることにより、幅が30mmで、厚さが3.0mmの偏平状電極群を作製した。得られた電極群を、厚さが40μmのアルミニウム箔と前記アルミニウム箔の両面に形成されたポリプロピレン層とから構成された厚さが0.1mmのラミネートフィルムからなるパックに収納し、80℃で24時間真空乾燥を施した。
<Production of electrode group>
The positive electrode, a separator made of a polyethylene porous film with a thickness of 25 μm, the negative electrode, and the separator were laminated in this order, and then wound in a spiral shape. This was heated and pressed at 90 ° C. to produce a flat electrode group having a width of 30 mm and a thickness of 3.0 mm. The obtained electrode group is housed in a pack made of a laminate film having a thickness of 0.1 mm, which is composed of an aluminum foil having a thickness of 40 μm and a polypropylene layer formed on both surfaces of the aluminum foil. Vacuum drying was performed for 24 hours.
<液状非水電解質の調製>
エチレンカーボネート(EC)、γ−ブチロラクトン(BL)の混合溶媒(体積比率25:75)に電解質としての四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)を1.5mol/L溶解することにより液状非水電解質(非水電解液)を調製した。
<Preparation of liquid nonaqueous electrolyte>
A liquid nonaqueous electrolyte is prepared by dissolving 1.5 mol / L of lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) as an electrolyte in a mixed solvent (volume ratio 25:75) of ethylene carbonate (EC) and γ-butyrolactone (BL). (Nonaqueous electrolyte) was prepared.
前記電極群を収納したラミネートフィルムパック内に前記液状非水電解質を注入した後、前記パックをヒートシールにより完全密閉し、前述した図1に示す構造を有し、幅が35mmで、厚さが3.2mm、かつ高さが65mmの非水電解質二次電池を作製した。 After injecting the liquid non-aqueous electrolyte into the laminate film pack containing the electrode group, the pack is completely sealed by heat sealing, and has the structure shown in FIG. A nonaqueous electrolyte secondary battery having a size of 3.2 mm and a height of 65 mm was produced.
(実施例2〜7)
下記表1に示す組成を有する空間群がCmcaである結晶構造のリチウムチタン含有複合酸化物を負極活物質として用いること以外は、実施例1と同様な構成の非水電解質二次電池を製造した。
(Examples 2 to 7)
A non-aqueous electrolyte secondary battery having the same configuration as in Example 1 was manufactured except that a lithium-titanium-containing composite oxide having a crystal structure in which the space group having the composition shown in Table 1 below was Cmca was used as the negative electrode active material. .
(比較例1)
下記表1に示す組成で、かつ空間群Fd3-m(3-は3の上に-があることを示す)に属するスピネル構造のチタン酸リチウムを負極活物質として用いること以外は、実施例1と同様な構成の非水電解質二次電池を製造した。
(Comparative Example 1)
Example 1 except that lithium titanate having a spinel structure having the composition shown in Table 1 below and belonging to the space group Fd3-m (3- indicates that-is present on 3) is used as the negative electrode active material. A non-aqueous electrolyte secondary battery having the same configuration as in Example 1 was produced.
実施例1〜7及び比較例1の二次電池に対して、初回充放電を0.2C電流で行い、電池の平均作動電圧から電池のエネルギー密度を算出した。次いで、容量確認を終えた電池に対して、1C/1C充放電サイクルを500サイクル繰り返し、500サイクル後の電池容量を初回容量と比較した。結果を表1にまとめた。
表1から明らかなように、空間群がCmcaである結晶構造を有するリチウム含有複合酸化物を含む負極を備えた実施例1〜7の電池は、チタン酸リチウムを負極活物質に用いた比較例1の電池に比較して電池電圧が高く、エネルギー密度が大きくなることが分かった。 As is clear from Table 1, the batteries of Examples 1 to 7 including the negative electrode including a lithium-containing composite oxide having a crystal structure whose space group is Cmca are comparative examples using lithium titanate as a negative electrode active material. It was found that the battery voltage was higher and the energy density was higher than that of the first battery.
(実施例8)
負極活物質として空間群がCmcaである結晶構造を有するLi2BaTi6-yAlyO14を用いること以外は、実施例1と同様な構成の非水電解質二次電池を作製した。このとき、yの値を0、0.001、0.01、0.1、1、3、5に調整した7種の負極活物質を用いて、7種の非水電解質二次電池を作製した。7種類の負極活物質の組成を下記表2に示す。
(Example 8)
A non-aqueous electrolyte secondary battery having the same configuration as that of Example 1 was prepared except that Li 2 BaTi 6-y Al y O 14 having a crystal structure with a space group of Cmca was used as the negative electrode active material. At this time, seven types of nonaqueous electrolyte secondary batteries were prepared using seven types of negative electrode active materials in which the value of y was adjusted to 0, 0.001, 0.01, 0.1, 1, 3, and 5. did. The composition of the seven types of negative electrode active materials is shown in Table 2 below.
作製した実施例8の7種の電池に対して、0.2C電流と2C電流で容量確認を行い、0.2C放電でのエネルギー密度と、2C/0.2Cの放電容量比を求めた。次いで、容量確認を終えた電池に対して、1C/1C充放電サイクルを500サイクル繰り返し、500サイクル後の電池容量を初回容量と比較した。結果を表2にまとめた。また、比較例1の電池についても2C/0.2Cの放電容量比を測定し、その結果を下記表2に併記する。
表2から明らかなように、空間群がCmcaである結晶構造のLi2BaTi6O14に第3元素を添加することにより、大電流特性(負荷特性)が高められることが分かった。 As is apparent from Table 2, it was found that the large current characteristics (load characteristics) can be enhanced by adding the third element to Li 2 BaTi 6 O 14 having a crystal structure in which the space group is Cmca.
(実施例9〜21)
下記表3に示す組成で表わされ、かつ空間群がCmcaである結晶構造を有する負極活物質を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成の非水電解質二次電池を作製した。
(Examples 9 to 21)
A nonaqueous electrolyte secondary having the same structure as described in Example 1 except that a negative electrode active material represented by the composition shown in Table 3 below and having a crystal structure with a space group of Cmca is used. A battery was produced.
得られた実施例9〜21の二次電池について、0.2C電流と2C電流で容量確認を行い、2C/0.2Cの放電容量比を求め、その結果を下記表3に示す。
表3の結果から、空間群がCmcaである結晶構造を有し、かつ組成が前述した(2)で表わされる負極活物質を使用することにより、高い大電流特性を得られることを確認することができた。 From the results in Table 3, it is confirmed that a high current characteristic can be obtained by using the negative electrode active material having a crystal structure in which the space group is Cmca and the composition represented by (2) described above. I was able to.
(実施例22)
空間群がCmcaである結晶構造を有するSr4Mn3O10を負極活物質として用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成の非水電解質二次電池を作製した。得られた実施例22の二次電池に初回充放電を0.2C電流で行い、電池の平均作動電圧から電池のエネルギー密度を算出したところ、140Wh/Lと比較例1よりも高かった。
(Example 22)
A non-aqueous electrolyte secondary battery having the same configuration as described in Example 1 was prepared except that Sr 4 Mn 3 O 10 having a crystal structure with a space group of Cmca was used as the negative electrode active material. The obtained secondary battery of Example 22 was initially charged and discharged at a current of 0.2 C, and the energy density of the battery was calculated from the average operating voltage of the battery, which was 140 Wh / L, which was higher than that of Comparative Example 1.
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1…電極群、2…正極、3…負極、4…セパレータ、5…正極端子、6…負極端子、7…容器。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
Li2+xAT6O14 (1)
但し、AはNa、K、Mg、Ca、Ba及びSrよりなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素で、TはTi、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、B、Al、Ga及びInよりなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素で、xは0≦x≦5である。 The non-aqueous electrolyte battery according to claim 1, wherein the active material has a composition represented by the following formula (1).
Li 2 + x AT 6 O 14 (1)
However, A is at least one element selected from the group consisting of Na, K, Mg, Ca, Ba and Sr, and T is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, X is 0 ≦ x ≦ 5 with at least one element selected from the group consisting of Nb, Mo, Hf, Ta, W, B, Al, Ga and In.
Li2+xATi6-yMyO14 (2)
但し、AはNa、K、Mg、Ca、Ba及びSrよりなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素で、MはV、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、B、Al、Ga及びInよりなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素で、xは0≦x≦5で、yは0<y<6である。 The non-aqueous electrolyte battery according to claim 1, wherein the active material has a composition represented by the following formula (2).
Li 2 + x ATi 6- y My O 14 (2)
However, A is at least one element selected from the group consisting of Na, K, Mg, Ca, Ba and Sr, and M is V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, At least one element selected from the group consisting of Mo, Hf, Ta, W, B, Al, Ga and In, where x is 0 ≦ x ≦ 5 and y is 0 <y <6.
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