JP4240422B2 - Organic electrolyte secondary battery - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機電解液二次電池に関し、さらに詳しくは、高容量で、かつ安全性の高い有機電解液二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
リチウムイオン二次電池に代表される有機電解液二次電池は、高容量で、かつ高電圧、高エネルギーであることから、その発展に対して大きな期待が寄せられている。
【0003】
この有機電解液二次電池では、負極活物質としてリチウムまたはリチウム合金が用いられてきたが、これらの負極活物質による場合、高容量化を期待できるものの、充電時のリチウムのデンドライト成長により内部短絡を起こしやすく、そのため、電池性能が低下したり、安全性に欠けるという問題があった。
【0004】
そこで、リチウムやリチウム合金に代えて、リチウムイオンをドープ・脱ドープすることが可能な活性炭や黒鉛などの炭素材料を負極活物質として用いることが提案されている(特公平4−24831号公報、特公平5−17669号公報など)。
【0005】
上記黒鉛は炭素原子6個に対して1個のリチウムイオンを捕らえることができ、これを単位体積当たりの容量で示すと830mAh/mlに相当する。しかし、この黒鉛は、充放電によるリチウムイオンの出入りにより、完全充電(372mAh/g相当のリチウムを含む状態)時には、完全放電(リチウムを含まない状態)に対して層間距離が約10%拡大し、充電、放電を繰り返すと、この伸び縮みにより負極活物質の黒鉛が集電体から剥離したり、微粉化が生じて電池性能が低下する。そのため、黒鉛で500サイクル以上の寿命を得るためには、通常250mAh/g(600mAh/ml)以下の範囲で使用しなければならないという制約があった。
【0006】
この黒鉛よりも高容量のものとしては低結晶炭素がある。この低結晶炭素は層間以外にも非晶質部分の空隙にリチウムイオンを挿入することができ、しかも充放電中に格子間隔の伸び縮みがほとんどないので、サイクル寿命が長くなるものと期待されている。ところが、この低結晶炭素は理論上最大1200mAh/g(すなわち、C2 Liの状態)まで高容量化が期待できるものの、真密度が低いため、体積当たりの容量では黒鉛と大差がない。
【0007】
そのため、周期律表で14族または15族の金属または半金属を主体とした酸化物を負極活物質として用いることによって高容量化を図ること(特開平6−275268号公報、特開平7−122274号公報)や、シリコンオキサイドを負極活物質として用いることによって高容量化を図ることが提案されている(特開平6−325765号公報、特開平7−29602号公報、特開平9−7638号公報)。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような有機電解液二次電池では、電解液の構成溶媒として有機溶媒を使用するため、引火・発火の危険性がないことが要求され、そのような要求に応えるべく保護回路などを設け、それによって、過充電を防止して内部短絡が生じないようにするなどの対策が行われており、また、一般の内部短絡では電池が発熱するだけで安全性にまでは問題が生じないようにされている。
【0009】
しかしながら、上記のような高容量化が期待できる負極活物質を用いて高容量化を図った場合やユーザーから要求される仕様によっては、電池の構成を充分に工夫しておかないと、故意の異常使用を想定した苛酷な条件下での安全性確認試験である圧壊試験や釘刺し試験をした場合に、安全性が低下する傾向にあることが判明した。
【0010】
このような圧壊試験や釘刺し試験は、電池が故意あるいは何らかの事故などにより破壊された場合を想定したものであって、通常の使用条件下では起こり得ないものではあるが、電池をこのような圧壊試験や釘刺し試験においても引火・発火の危険性のない安全性の高いものにしておくことが望ましい。特に前記のような酸化物系の負極活物質は、リチウムを多量に包摂できるので高容量化に適しているものの、短絡すると瞬時に膨大な電流が流れ、そのジュール熱により急激に発熱して高温に達するため、異常使用時などにおいては引火・発火の可能性が高くなるという問題があった。
【0011】
本発明は、上記のような高容量化を図った場合の異常使用によって生じ得る安全性面での問題点を解決し、高容量化が期待できる負極活物質を用いた場合でも、引火・発火の危険性を解消し、高容量で、かつ安全性の高い有機電解液二次電池を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、負極活物質として周期律表で13族から15族の金属または半金属の酸化物、硫化物および窒化物よりなる群から選ばれる少なくとも1種からなるリチウムイオンを包摂しうるリチウムホスト化合物を用い、かつ有機電解液中に環状炭酸エステルまたは炭酸エステルの多量体のうち少なくとも1種と、リン酸トリエステルとを含有させ、リン酸トリエステルと環状炭酸エステルおよび炭酸エステルの多量体との混合比を、体積比で99:1〜50:50とし、上記有機電解液の構成溶媒全体におけるリン酸トリエステル、環状炭酸エステルおよび炭酸エステルの多量体以外の有機溶媒の含有量を20体積%以下とすることによって、上記課題を解決したものである。
【0013】
本発明においては、上記のように、負極活物質として周期律表で13族から15族の金属または半金属の酸化物、硫化物および窒化物よりなる群から選ばれる少なくとも1種からなるリチウムイオンを包摂しうるリチウムホスト化合物を用いることによって、高電位で、高容量の有機電解液二次電池を得ることができる。
【0014】
そして、有機電解液中にリン酸トリエステルを含有させることによって引火・発火の危険性を解消し、環状炭酸エステルまたは炭酸エステルの多量体の少なくとも1種を上記リン酸トリエステルと併用することによって、上記リン酸トリエステルの使用に基づく放電容量の低下を防止し、上記特定の負極活物質の使用と相まって、高容量で、かつ安全性の高い有機電解液二次電池を得ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明において、上記の周期律表で13族から15族の金属または半金属としては、周期律表で第3周期以降の元素が好ましく、例えば、B、Al、Si、P、Ga、Ge、In、Snなどが好適なものとして挙げられる。
【0016】
そして、本発明において、負極活物質として用いるリチウムイオンを包摂しうるリチウムホスト化合物であって、周期律表で13族から15族の金属または半金属の酸化物としては、例えば、SiO、SnO、SnO2 、PbO、PbO2 などが好適なものとして挙げられ、13族から15族の金属または半金属の硫化物としては、例えば、SnS、SnS2 、PbS、PbS2 などが好適なものとして挙げられ、これらは単独でまたは2種以上混合して用いられる。そして、これらのリチウムホスト化合物は充電時にリチウムイオンを包摂することにより負極活物質として作用するようになる。また、本発明におけるリチウムイオンを包摂しうるリチウムホスト化合物は、合成時(すなわち、電池組立後で充電前)にリチウムを含有しているものでもよく、このような合成時にリチウムを含有している化合物としては、例えば、Lix y z 、Lix y z 、Lix y z (ここで、Mは周期律表で13族から15族の金属または半金属で、x、y、zはそれぞれ、0≦x≦6、1≦y≦4、1≦z≦18である)などが挙げられ、これらの中でも高電位、高容量が期待できる酸化物系のLip SiOq 、 Lip SnOq (ここで、p、qはそれぞれ、0≦p≦6、1≦q≦14である)などが好ましい。
【0017】
本発明において負極活物質として用いるリチウムホスト化合物であって、合成時にリチウムを含有する酸化物、硫化物、窒化物の合成法の一例を示すと、リチウム源として、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、窒化リチウム、硫化リチウム、硫酸リチウム、亜硫酸リチウム、リン酸リチウム、四硼酸リチウム、塩素酸リチウム、過塩素酸リチウム、チオシアン酸リチウム、蓚酸リチウム、クエン酸リチウム、乳酸リチウム、酒石酸リチウム、トリフルオロメタン酸リチウムなどを用い、これらのリチウム源と前記の周期律表で13族から15族の金属または半金属の酸化物、硫化物、窒化物などを混合し、得られた混合物を焼成することにより、合成時にリチウムを含有するリチウムホスト化合物を得ることができる。この際、リチウム源と前記周期律表で13族から15族の金属または半金属の酸化物、硫化物、窒化物などとの混合モル比は1:10〜12:1の範囲にすることが好ましく、得られた混合物を真空または不活性ガス雰囲気下で250〜2000℃、特にリチウム源の融点または分解点付近で焼成することが好ましい。
【0018】
また、本発明において負極活物質として用いるリチウムホスト化合物は、前記周期律表で13族から15族の金属または半金属の酸化物、硫化物、窒化物などを用い、電池組み込み前に電解槽中で電気化学的にリチウムイオンを挿入することによっても得ることができる。
【0019】
さらに、本発明において負極活物質として用いるリチウムホスト化合物は、単一の金属または半金属の酸化物、硫化物、窒化物でなくてもよく、複数の金属または半金属の酸化物、硫化物、窒化物であってもよい。そして、それらの中でも特に安定性が良好な酸化物系が好ましい。このようなリチウムホスト化合物の具体例としては、例えば、SnSiO3 、SnPbO3 、SnBPO6 などが挙げられる。また、これらの酸化物、硫化物、窒化物は単独での使用はもとより2種以上を併用してもよい。
【0020】
本発明においては負極活物質として用いるリチウムホスト化合物は、結晶体であっても、非晶質であってもよいが、非晶質の方がリチウムイオン伝導度が高く、高容量で、サイクル特性が優れているので好ましい。
【0021】
本発明においては、上記のような周期律表で13族から15族の金属または半金属の酸化物、硫化物、窒化物からなるリチウムイオンを包摂しうるリチウムホスト化合物を負極活物質として用いることにより、高電位で、かつ高容量の有機電解液二次電池が得られるが、これらの負極活物質は内包するエネルギーが大きいため、従来の安全弁やPTC素子などの安全素子による対策では急激な発熱を抑えられず、異常が発生した場合には引火・発火は生じるおそれがある。しかしながら、高容量化を達成していくためには、このような高容量化が期待できる負極活物質を使用していかなければならない。
【0022】
そこで、本発明では、有機電解液中にリン酸トリエステルを含有させることにより、引火・発火の問題を解決したのである。上記リン酸トリエステルは、一般式:(RO)3 P=O(ただし、Rは有機基で3個の有機基は同一であってもよく、また異なっていてもよい)で表され、引火性の低い有機溶媒であって、前記のような高容量化が期待できる負極活物質を用いた有機電解液二次電池でも、充分に安全性を向上させることができる。特に苛酷な条件下での安全性確認試験、例えば、釘刺し試験などでは強制的に内部短絡を発生させ、有機電解液を電池外に漏出させるが、このような釘刺し試験においてもリン酸トリエステルを有機電解液中に含有させておくことにより、引火・発火の危険性を低減させることができる。このようなリン酸トリエステルとしては、上記一般式(RO)3 P=Oにおいて、Rが炭素数1〜6のアルキル基であるリン酸トリアルキル、例えば、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリプロピル、リン酸トリブチルなどが好適に用いられる。
【0023】
しかし、リン酸トリエステルを有機電解液中に含有させると、前記のようなリチウムホスト化合物などからなる負極活物質では放電容量が著しく低下し、場合によってはまったく放電しなくなることがある。この原因は必ずしも明確ではないが、負極表面にリン酸トリエステルの分解によって生じた被膜が形成され、それがリチウムイオンの移動を妨げることによるものと考えられる。
【0024】
そこで、本発明では、環状炭酸エステルまたは炭酸エステルの多量体のうち少なくとも1種を前記リン酸トリエステルと併用することにより、リン酸トリエステルの使用に基づく放電容量の低下を抑制し、高容量で、かつ安全性の高い有機電解液二次電池を得ることに成功したのである。すなわち、環状炭酸エステルまたは炭酸エステルの多量体のうち少なくとも1種を併用することにより、負極の表面に上記のようなリン酸トリエステルに基づく被膜が形成されるよりも先に充放電反応に適した環状炭酸エステルまたは炭酸エステルの多量体のうち少なくとも1種に基づく被膜が形成され、負極の表面にこの環状炭酸エステルまたは炭酸エステルの多量体のうち少なくとも1種に基づく被膜が形成されると、その環状炭酸エステルまたは炭酸エステルの多量体のうち少なくとも1種に基づく被膜が負極の表面を不活性化するリン酸トリエステルが負極の表面に直接接触するのを防止し、しかもこの環状炭酸エステルまたは炭酸エステルの多量体のうち少なくとも1種に基づく被膜がイオン伝導にも寄与するので、リチウムイオンのドープ・脱ドープが円滑に行われるようになり、リン酸トリエステルの使用に基づく放電容量の低下を防止することができる。
【0025】
上記のような環状炭酸エステルとしては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ペンテンカーボネートなどが挙げられるが、特にエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどが好ましい。
【0026】
また、上記のような炭酸エステルの多量体としては、一般式:R1 OC(O)OR2 OC(O)OR3 (ただし、R1 、R3 は炭素数1〜4のアルキル基、R2 は炭素数2〜4のアルキル基であり、それぞれ同一であってもよく、また異なってもよい)で表されるもので、例えば、1,2−ビスメトキシカルボニルオキシエチレン、1,2−ビスメトキシカルボニルオキシプロピレン、1,2−ビスエトキシカルボニルオキシエチレン、1,2−ビスエトキシカルボニルオキシプロピレンなどが挙げられる。
【0027】
上記環状炭酸エステルと炭酸エステルの多量体とは、いずれか一方を用いればよいが、両者を併用してもよい。
【0028】
リン酸トリエステルと環状炭酸エステルまたは炭酸エステルの多量体のうち少なくとも1種との混合比は、体積比で99:1〜50:50にすることが好ましく、98:2〜80:20にすることがより好ましい。リン酸トリエステルの量が環状炭酸エステルまたは炭酸エステルの多量体のうち少なくとも1種との合計量に対して体積比(全体の体積を100とする体積比)で50以上(つまり、50体積%以上)にすることにより有機電解液の引火性を充分に低下することができ、また、環状炭酸エステルまたは炭酸エステルの多量体のうち少なくとも1種の量をリン酸トリエステルとの合計量に対して体積比で1以上(つまり、1体積%以上)にすることにより高い誘導率を確保することができ、高容量化を達成することができる。
【0029】
また、上記有機電解液には従来から使用されている有機溶媒を添加してもよく、そのような有機溶媒としては、例えば、鎖状エステル、鎖状エーテル、環状エーテル、鎖状炭酸エステルなどが挙げられるが、この場合、これらの有機溶媒の添加量としては、リン酸トリエステルと環状炭酸エステルまたは炭酸エステルの多量体のうち少なくとも1種とに基づく効果を確保するために、有機電解液の構成溶媒全体に対して20体積%以下であり、5体積%以下が好ましい。
【0030】
上記有機電解液の電解質としては、例えば、LiClO4 、LiPF6 、LiBF4 、LiAsF6 、LiSbF6 、LiCF3 SO3 、LiC4 9 SO3 、LiCF3 CO2 、Li2 2 4 (SO3 2 、LiN(CF3 SO2 2 、LiC(CF3 SO2 3 、LiCn 2n+1SO3 (n≧2)などが、単独でまたは2種以上混合して用いられる。それらの中でも、LiPF6 やLiC4 9 SO3 は充放電特性が良好なので、特に好適に用いられる。これらの電解質の有機電解液中の濃度は、特に限定されるものではないが、通常、0.1〜2モル/リットル、特に0.4〜1モル/リットル程度が好ましい。
【0031】
さらに、本発明においては、上記のような有機電解液中に二酸化炭素を溶解させると、高容量化が達成されやすくなる。これは、有機電解液二次電池では、負極活物質と有機電解液の構成溶媒との反応が起こりやすく、その反応生成物によって、充放電反応が阻害されたり、容量が低下する傾向がみられるが、有機電解液中に二酸化炭素を含有させておくと、二酸化炭素によってそれを防止できるからである。これを詳しく説明すると、有機電解液中に二酸化炭素を含有させておくと、負極活物質の表面に有機・無機の炭酸塩を主体とする薄い被膜が形成され、この被膜により負極活物質と有機電解液の構成溶媒との反応が抑制され、しかもその被膜が充放電反応に悪影響を及ぼさず、また容量の低下を引き起こさないので、正極材料、負極材料の有する能力を最大限に発揮させることができ、電池の容量を向上させることができる。
【0032】
また、有機電解液中への二酸化炭素の含有は、正極活物質としてLiNiO2 、LiCoO2 、LiMnO4 などの充電時の閉路電圧がLi基準で4V以上を示すリチウム複合酸化物を用いたときに、特に有効である。これらの正極活物質は高電位であり、通常の条件では有機電解液の構成溶媒が酸化されて放電性能が低下するが、有機電解液中に耐酸化性の優れた二酸化炭素を含有させておくと、二酸化炭素が正極表面での酸化による有機電解液の構成溶媒の分解を抑制する。特にLiNiO2 は他の金属酸化物より有機電解液の構成溶媒との反応性が強いことから使用しにくかったが、有機電解液中に二酸化炭素を含有させておくことにより、このようなLiNiO2 を用いる場合でも有機電解液の構成溶媒との反応性が抑制されて、電池の高容量化が達成される。
【0033】
本発明においては、負極の作製にあたり、上記負極活物質に、必要に応じて、導電助剤や結着剤などを添加することができる。上記導電助剤としては、例えば、ニッケル粉末などの非炭素系材料や、黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、コークスなどの炭素系材料が挙げられ、これらの導電助剤の中でも(002)面の層間距離(d002 )が0.338nm以上の低結晶炭素材料が好ましい。この導電助剤の添加量は、特に制限されることはないが、負極活物質に対して1〜30重量%が好ましく、特に2〜15重量%が好ましい。また、結着剤としては、例えば、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレンプロピレンジエンゴムなどが挙げられ、特にポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロースなどが好ましい。この結着剤の添加量は、特に制限されることはないが、負極活物質に対して1〜50重量%が好ましく、特に2〜20重量%が好ましい。
【0034】
負極の作製にあたっては、例えば、上記のような負極活物質と導電助剤、結着剤などからなる負極合剤に、水または溶剤を加え、混合してスラリー状の塗料を調製し、その塗料を集電体に塗布し、乾燥して、塗膜を形成する工程を経て負極を作製する方法が採用される。ただし、負極の作製方法は上記方法に限られることなく、他の方法を採用してもよい。
【0035】
本発明において、正極活物質としては、特に限定されることなく各種のものを用い得るが、例えば、LiNiO2 、LiCoO2 、LiMn2 4 などのリチウム複合酸化物が高電圧が得られることから好適に用いられる。そして、正極の作製にあたっては、例えば、上記正極活物質に、必要に応じて、導電助剤、結着剤などを加え、さらに溶剤などを加え、混合してスラリー状の塗料を作製し、乾燥して、塗膜を形成する工程を経て正極を作製する方法が採用される。ただし、正極の作製方法は上記例示のものに限られることなく、他の方法を採用してもよい。また、導電助剤や結着剤としては、前記負極の場合と同様のものを用いることができ、それらの正極活物質に対する使用量も前記負極活物質に対する使用量と同程度でよい。
【0036】
本発明において、上記負極活物質や正極活物質などを含有する塗料を集電体に塗布する際の塗布方法としては、例えば、押し出しコーター、リバースローラー、ドクターフレードなどをはじめ、各種の塗布方法を採用することができる。
【0037】
また、本発明において、正極、負極などの電極の集電体としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、銅などの金属の網、パンチドメタル、エキスパンドメタル、フォームメタル、箔などが用いられる。
【0038】
セパレータとしては、例えば、厚さ10〜15μmで、開孔率30〜70%の微多孔性ポリエチレンフィルムや微多孔性ポリプロピレンフィルムなどが好適に用いられる。
【0039】
電池は、例えば、上記のように作製された正極と負極との間にセパレータを介在させて重ね合わせ、それを渦巻状に巻回して作製した渦巻状電極体などの巻回構造の電極体をニッケルメッキを施した鉄やステンレス鋼製の電池ケース内に挿入し、封口する工程を経て作製される。また、上記電池には、通常、電池内部に発生したガスをある一定圧力まで上昇した段階で電池外部に排出して、電池の高圧下での破裂を防止するための防爆機構が取り入れられる。
【0040】
【実施例】
つぎに、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定されるものではない。
【0041】
実施例1
LiPF6 をリン酸トリメチルに溶解させた後、エチレンカーボネートを加えて混合することにより、リン酸トリメチルとエチレンカーボネートとの体積比98:2の混合溶媒にLiPF6 を1.0モル/リットル溶解させた有機電解液を調製した。
【0042】
また、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2 )91重量部に黒鉛6重量部とポリフッ化ビニリデン3重量部とを加えて混合して正極合剤を調製し、それをN−メチルピロリドンで分散させてスラリー状の塗料を調製した。この正極合剤を含有するスラリー状の塗料を厚さ20μmのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に均一に塗布し、乾燥して正極合剤からなる塗膜を形成した後、ローラプレス機により圧縮成形し、リード体の溶接を行い、厚さ160μmのシート状の正極を作製した。
【0043】
上記とは別に、一酸化ケイ素(SiO)45重量部に黒鉛40重量部とポリアクリル酸15重量部とを混合して負極合剤を調製し、それを水で分散させてスラリー状の塗料を調製した。この負極合剤を含有するスラリー状の塗料を厚さ18μmの銅箔からなる負極集電体の両面に均一に塗布し、乾燥して負極合剤からなる塗膜を形成した後、ローラープレス機で圧縮成形し、リード体の溶接を行って、厚さ40μmのシート状の負極を作製した。
【0044】
つぎに、上記シート状の正極とシート状の負極を両者の間に厚さ25μmの微多孔性ポリエチレンフィルムからなるセパレータを介在させて重ね合わせ、渦巻状に巻回して渦巻状電極体を作製し、その渦巻状電極体を外径18mmの有底円筒状の電池ケース内に充填し、ついで、電池ケースの開口部を封口して、図1に示す筒形の有機電解液二次電池を作製した。
【0045】
図1に示す電池について説明すると、1は前記のシート状の正極で、2はシート状の負極である。ただし、図1では、煩雑化を避けるため、正極1や負極2の作製に当たって使用した集電体として金属箔などは図示していない。そして、これらの正極1と負極2はセパレータ3を介して渦巻状に巻回され、渦巻状電極体として上記の有機電解液4と共に電池ケース5内に収容されている。
【0046】
電池ケース5はステンレス鋼製で、負極端子を兼ねており、この電池ケース5の底部には上記渦巻状電極体の挿入に先立って、ポリテトラフルオロエチレンからなる絶縁体6が配置されている。封口板7はアルミニウム製で、円板状をしていて、中央部に薄肉部7aを設け、かつ上記薄肉部7aの周囲に電池内圧を防爆弁9に作用させるための圧力導入口7bとしての孔が設けられている。そして、この薄肉部7aの上面に防爆弁9の突出部9aが溶接され、溶接部分11を構成している。なお、上記の封口板7に設けた薄肉部7aや防爆弁9aなどは、図面上での理解がしやすいように、切断面のみを図示しており、切断面後方の輪郭線は図示を省略している。また、封口版7の薄肉部7aと防爆弁9の突出部9aとの溶接部分11も、図面上での理解が容易なように、実際よりは誇張した状態に図示している。
【0047】
端子板8は、圧延銅製で表面にニッケルメッキが施され、周縁部が鍔状になった帽子状をしており、この端子板8にはガス排出孔8aが設けられている。防爆弁9は、アルミニウム製で、円板状をしており、その中央部には発電要素側(図1では、下側)に先端部を有する突出部9aが設けられ、その突出部9aの下面が、前記したように、封口板7の薄肉部7aの上面に溶接され、溶接部分11を構成している。絶縁パッキング10は、ポリプロピレン製で、環状をしており、封口板7の周縁部の上部に配置され、その上部に防爆弁9が配置していて、封口板7と防爆弁9を絶縁するとともに、両者の間から有機電解液が漏れないように両者の間隙を封止している。環状ガスケット12はポリプロピレン製で、リード体13はアルミニウム製で、前記封口板7と正極1とを接続し、渦巻状電極体の上記には絶縁体14が配置され、負極2と電池ケース5の底部とはニッケル製のリード体15で接続されている。
【0048】
前記のように、電池ケース5の底部には絶縁体6が配置され、前記正極1、負極2およびセパレータ3からなる渦巻状電極体や、有機電解液4、渦巻状電極体上部の絶縁体14などは、この電池ケース5内に収容され、それらの収容後、電池ケース5の開口端近傍部分に底部が内方に突出した環状の溝が形成される。そして、上記電池ケース5の開口部に、封口板7、絶縁パッキング10、防爆弁9が挿入された環状ガスケット12を入れ、さらにその上から端子板8を挿入し、電池ケース5の溝から先の部分を内方に締め付けることによって、電池ケース5の開口部が封口されている。ただし、上記のような電池組立にあたっては、あらかじめ負極2と電池ケース5とをリード体15で接続し、正極1と封口板7とをリード体13で接続しておくことが好ましい。
【0049】
上記のようにして組み立てられた電池においては、封口板7の薄肉部7aと防爆弁9の突出部9aとが溶接部分11は接触し、防爆弁9の周縁部と端子板8の周縁部とが接触し、正極1と封口板7とは正極側のリード体13で接続されているので、正極1と端子板8とはリード体13、封口板7、防爆弁9およびそれらの溶接部分11によって電気的接続が得られ、電路として正常に機能する。
【0050】
そして、電池に異常が起こり、電池内部にガスが発生して電池の内圧が上昇した場合には、その内圧上昇により、防爆弁9の中央部が内圧方向(図1では、上側の方向)に変形し、それに伴って溶接部分11で一体化されている薄肉部7aに剪弾力が働いて、該薄肉部7aが破断するか、または防爆弁9の突出部9aと封口板7の薄肉部7aとの溶接部分11が剥離し、それによって、正極1と端子板8との電気的接続が消失して、電流が遮断されるようになる。その結果、電池反応が進行しなくなるので、過充電時や短絡時でも、充電電流や短絡電流による電池の温度上昇や内圧上昇がそれ以上進行しなくなって、電池の発火や破裂を防止できるように設計されている。
【0051】
なお、上記防爆弁9には薄肉部9bが設けられており、例えば、充電が極度に進行して有機電解液や活物質などの発電要素が分解し、大量のガスが発生した場合は、防爆弁9が変形して、防爆弁9の突出部分9aと封口板7の薄肉部7aとの溶接部分11が剥離した後、この防爆弁9に設けた薄肉部9bが開裂してガスを端子板8のガス排出孔8aから電池外部に排出させて電池の破裂を防止することができるように設計されている。
【0052】
実施例2
負極活物質として、SnOとSiO2 とをモル比1:1で混合し、アルゴン雰囲気下1000℃で焼成し、急冷して得たSnSiO3 を用いた以外は、実施例1と同様にして有機電解液二次電池を作製した。
【0053】
実施例3
有機電解液の構成溶媒として、エチレンカーボネートに代えてプロピレンカーボネートを用いた以外は、実施例1と同様にして有機電解液二次電池を作製した。
【0054】
実施例4
有機電解液の構成溶媒として、エチレンカーボネートに代えて1,2−ビスエトキシカルボニルオキシエチレンを用いた以外は、実施例1と同様にして有機電解液二次電池を作製した。
【0055】
比較例1
有機電解液の構成溶媒として、リン酸トリメチルに代えてメチルエチルカーボネートを用いた以外は、実施例1と同様にして有機電解液二次電池を作製した。
【0056】
比較例2
有機電解液の構成溶媒として、リン酸トリメチルのみを用いた以外は、実施例1と同様にして有機電解液二次電池を作製した。
【0057】
上記のようにして得られた実施例1〜4および比較例1〜2の電池の放電容量を測定し、かつ引火性試験および発火性試験を行った。それらの測定方法や試験方法はつぎの通りである。
【0058】
放電容量:
実施例1〜4および比較例1〜2の電池を20℃、0.2Cで電圧2.75〜4.1Vの範囲で充放電させ、初回の放電容量を測定した。得られた放電容量を負極活物質の単位体積当たりの容量に換算した値で表1に示す。
【0059】
引火性試験:
実施例1〜4および比較例1〜2に電池について、電池が高温に加熱されて、安全弁が作動した状態(すなわち、図1に示す電池において、有機電解液中からの構成溶媒の蒸発などにより、電池内部にガスが発生し、電池内圧が上昇して、所定の圧力に達したとき、封口板7の厚み方向の両端面より内部側に設けた薄肉部7aが防爆弁9の内圧方向への変化に伴って生じる剪断力により破壊され、電池内部のガスがガス排出孔8aから電池外部の排出される状態)になったことを想定し、あらかじめ封口板7の薄肉部7aを破壊しておき、その状態で電池を100℃まで加熱し、電池のガス排出孔8aに火を近づけて、引火するか否かを調べた。その結果を表1に示す。
【0060】
発火性試験:
実施例1〜4および比較例1〜2の電池について、釘刺し試験を行った。釘刺し試験では、電池を4.18Vまで充電した状態にし、45℃の恒温槽中に4時間放置した後、直径3mmのステンレス鋼製釘を、治具を用いて電池の側面から電池の直径1/2のところまで突き刺し、各電池5個中で発火する電池の数を調べた。その結果を表1に示す。表1中において、発火性試験の結果を示す数値の分母は試験に供した電池個数であり、分子は発火した電池個数である。
【0061】
【表1】

Figure 0004240422
【0062】
表1に示す放電容量の測定結果から明らかなように、リン酸トリメチルを単独で有機電解液の構成溶媒として用いた比較例2は、まったく放電しなかった。しかし、リン酸トリメチルにエチレンカーボネートやプロピレンカーボネートなどの環状炭酸エステルまたは1,2−ビスエトキシカルボニルオキシエチレンなどの炭酸エステルの多量体を併用した実施例1〜4では、高容量が得られた。
【0063】
また、引火性試験の結果から明らかなように、リン酸トリメチルを含有しない通常の有機電解液を用いた比較例1では、約40℃に加熱した時点で引火し、燃えだしたが、有機電解液中にリン酸トリメチルを含有させた実施例1〜4では、100℃まで加熱しても引火せず、火災に対して高い安全性を有していた。
【0064】
また、発火性試験の結果から明らかなように、通常の有機電解液を用いた比較例1は、発火がみられたが、有機電解液中にリン酸トリメチルの含有させた実施例1〜4では、発火することなく、釘刺しにより内部短絡が生じても安全性の高い電池が得られた。
【0065】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、高容量で、かつ安全性の高い有機電解液二次電池を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の有機電解液二次電池の一実施例を模式的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 有機電解液[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an organic electrolyte secondary battery, and more particularly to an organic electrolyte secondary battery having a high capacity and high safety.
[0002]
[Prior art]
An organic electrolyte secondary battery represented by a lithium ion secondary battery has high capacity, high voltage, and high energy, and therefore has high expectations for its development.
[0003]
In this organic electrolyte secondary battery, lithium or a lithium alloy has been used as the negative electrode active material. However, when these negative electrode active materials are used, high capacity can be expected, but internal short circuit occurs due to lithium dendrite growth during charging. As a result, there are problems that the battery performance is lowered and the safety is poor.
[0004]
Therefore, it has been proposed to use a carbon material such as activated carbon or graphite that can be doped / undoped with lithium ions as a negative electrode active material instead of lithium or a lithium alloy (Japanese Patent Publication No. 4-24831, Japanese Patent Publication No. 5-17669).
[0005]
The graphite can capture one lithium ion for every six carbon atoms, which corresponds to 830 mAh / ml in terms of capacity per unit volume. However, due to the entry and exit of lithium ions due to charge and discharge, the graphite has an interlayer distance of about 10% larger than that of complete discharge (a state that does not include lithium) during a full charge (a state that includes lithium corresponding to 372 mAh / g). When charging and discharging are repeated, the negative electrode active material graphite is peeled off from the current collector due to the expansion and contraction, or finely pulverized, resulting in a decrease in battery performance. Therefore, in order to obtain a life of 500 cycles or more with graphite, there is a restriction that it must be used in a range of usually 250 mAh / g (600 mAh / ml) or less.
[0006]
As a material having a higher capacity than graphite, there is low crystalline carbon. This low crystalline carbon can insert lithium ions into the voids in the amorphous part as well as between the layers, and since there is almost no expansion or contraction of the lattice spacing during charging / discharging, it is expected to increase the cycle life. Yes. However, this low crystalline carbon has a theoretical maximum of 1200 mAh / g (ie, C 2 Although a high capacity can be expected up to the Li state), since the true density is low, the capacity per volume is not much different from graphite.
[0007]
Therefore, the capacity is increased by using an oxide mainly composed of a group 14 or group 15 metal or semimetal in the periodic table as a negative electrode active material (JP-A-6-275268, JP-A-7-122274). And the use of silicon oxide as a negative electrode active material has been proposed (JP-A-6-325765, JP-A-7-29602, JP-A-9-7638). ).
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the organic electrolyte secondary battery as described above, since an organic solvent is used as a constituent solvent of the electrolyte, it is required that there is no risk of ignition and ignition. Measures are taken to prevent overcharging and prevent internal short circuiting, and in general internal short circuiting, the battery only generates heat, causing problems with safety. Not to be.
[0009]
However, if the negative electrode active material that can be expected to increase in capacity as described above is used to increase the capacity or depending on the specifications required by the user, the battery configuration must be deliberately devised. It was found that the safety tends to decrease when a crushing test and a nail penetration test, which are safety confirmation tests under severe conditions assuming abnormal use.
[0010]
Such crushing tests and nail penetration tests are based on the assumption that the battery is destroyed intentionally or due to some accident, and cannot occur under normal use conditions. In crushing tests and nail penetration tests, it is desirable to make them safe so that there is no risk of ignition or ignition. In particular, the oxide-based negative electrode active material as described above is suitable for high capacity because it can contain a large amount of lithium. However, when short-circuited, an enormous current flows instantaneously, and the Joule heat rapidly generates heat, resulting in a high temperature. Therefore, there is a problem that the possibility of ignition or ignition increases during abnormal use.
[0011]
The present invention solves the safety problems that may occur due to abnormal use in the case of increasing the capacity as described above, and even when a negative electrode active material that can be expected to increase in capacity is used, ignition and ignition are possible. An object of the present invention is to provide a high-capacity and high-safety organic electrolyte secondary battery.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a lithium host that can include at least one lithium ion selected from the group consisting of oxides, sulfides and nitrides of metals or metalloids of group 13 to group 15 in the periodic table as a negative electrode active material. And at least one of a cyclic carbonate or a carbonate ester multimer and a phosphate triester in an organic electrolyte, and a phosphate triester, a cyclic carbonate and a carbonate ester multimer, The volume ratio of the mixture is 99: 1 to 50:50, and the content of the organic solvent other than the phosphate triester, cyclic carbonate and carbonate ester multimer in the entire constituent solvent of the organic electrolyte is 20 volumes. The above-mentioned problem has been solved by setting the ratio to not more than%.
[0013]
In the present invention, as described above, as the negative electrode active material, lithium ions comprising at least one selected from the group consisting of oxides, sulfides and nitrides of metals or metalloids of Group 13 to Group 15 or 15 in the periodic table. By using a lithium host compound that can include the above, a high-potential, high-capacity organic electrolyte secondary battery can be obtained.
[0014]
And by containing phosphoric acid triester in the organic electrolyte solution, the danger of ignition and ignition is eliminated, and by using at least one of cyclic carbonate or carbonic acid ester multimer in combination with the above phosphate triester Further, it is possible to prevent a decrease in discharge capacity based on the use of the phosphoric acid triester, and in combination with the use of the specific negative electrode active material, an organic electrolyte secondary battery having a high capacity and high safety can be obtained.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, the group 13 to group 15 metal or semimetal in the periodic table is preferably an element from the third period onward in the periodic table, for example, B, Al, Si, P, Ga, Ge, In, Sn and the like are preferable.
[0016]
In the present invention, a lithium host compound that can include lithium ions used as a negative electrode active material, and examples of oxides of metals or metalloids of Groups 13 to 15 in the periodic table include, for example, SiO, SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 The group 13 to group 15 metal or metalloid sulfides include, for example, SnS and SnS. 2 , PbS, PbS 2 And the like are preferable, and these are used alone or in combination of two or more. And these lithium host compounds come to act as a negative electrode active material by including lithium ion at the time of charge. In addition, the lithium host compound that can include lithium ions in the present invention may contain lithium during synthesis (that is, after battery assembly and before charging), and contains lithium during such synthesis. Examples of the compound include Li x M y O z , Li x M y S z , Li x M y N z (Here, M is a metal or semimetal of Groups 13 to 15 in the periodic table, and x, y, and z are 0 ≦ x ≦ 6, 1 ≦ y ≦ 4, and 1 ≦ z ≦ 18, respectively) Among these, oxide-based Li that can be expected to have a high potential and a high capacity p SiO q, Li p SnO q Here, p and q are 0 ≦ p ≦ 6 and 1 ≦ q ≦ 14, respectively.
[0017]
In the present invention, a lithium host compound used as a negative electrode active material, and an example of a method for synthesizing oxides, sulfides, and nitrides containing lithium at the time of synthesis is shown. As a lithium source, lithium hydroxide, lithium carbonate, nitric acid Lithium, lithium acetate, lithium nitride, lithium sulfide, lithium sulfate, lithium sulfite, lithium phosphate, lithium tetraborate, lithium chlorate, lithium perchlorate, lithium thiocyanate, lithium oxalate, lithium citrate, lithium lactate, lithium tartrate , Using lithium trifluoromethanoate, etc., mixing these lithium sources and oxides, sulfides, nitrides, etc. of metals or metalloids of group 13 to group 15 in the above periodic table, and firing the resulting mixture By doing so, it is possible to obtain a lithium host compound containing lithium during synthesis. That. At this time, the mixing molar ratio between the lithium source and the group 13 to group 15 metal or metalloid oxide, sulfide, nitride, etc. in the periodic table should be in the range of 1:10 to 12: 1. Preferably, the obtained mixture is calcined in a vacuum or an inert gas atmosphere at 250 to 2000 ° C., particularly near the melting point or decomposition point of the lithium source.
[0018]
Further, the lithium host compound used as the negative electrode active material in the present invention uses an oxide, sulfide, nitride, or the like of a metal or a metal of group 13 to group 15 in the periodic table, and is contained in an electrolytic cell before the battery is incorporated. It can also be obtained by electrochemically inserting lithium ions.
[0019]
Furthermore, the lithium host compound used as the negative electrode active material in the present invention may not be a single metal or metalloid oxide, sulfide, or nitride, but may be a plurality of metal or metalloid oxides, sulfides, Nitride may be used. Of these, oxides having particularly good stability are preferred. As a specific example of such a lithium host compound, for example, SnSiO Three , SnPbO Three , SnBPO 6 Etc. These oxides, sulfides and nitrides may be used alone or in combination of two or more.
[0020]
In the present invention, the lithium host compound used as the negative electrode active material may be crystalline or amorphous, but the amorphous one has higher lithium ion conductivity, higher capacity, and cycle characteristics. Is preferable because it is excellent.
[0021]
In the present invention, a lithium host compound that can include lithium ions composed of oxides, sulfides, and nitrides of metals or metalloids of groups 13 to 15 in the periodic table as described above is used as the negative electrode active material. As a result, high-potential and high-capacity organic electrolyte secondary batteries can be obtained. However, since these negative electrode active materials contain a large amount of energy, sudden heat generation is required in the countermeasures using conventional safety elements such as safety valves and PTC elements. If there is an abnormality that cannot be suppressed, ignition or ignition may occur. However, in order to achieve high capacity, it is necessary to use a negative electrode active material that can be expected to have such high capacity.
[0022]
Therefore, in the present invention, the problem of ignition / ignition is solved by including a phosphoric triester in the organic electrolyte. The phosphate triester has the general formula: (RO) Three P = O (wherein R is an organic group, and the three organic groups may be the same or different), and is an organic solvent with low flammability, Even in an organic electrolyte secondary battery using a negative electrode active material that can be expected to have a large capacity, safety can be sufficiently improved. Particularly in safety confirmation tests under severe conditions, such as a nail penetration test, an internal short circuit is forcibly generated, and the organic electrolyte leaks out of the battery. By including the ester in the organic electrolyte, the risk of ignition and ignition can be reduced. Examples of such phosphoric acid triesters include the above general formula (RO). Three In P = O, trialkyl phosphates in which R is an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, for example, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tripropyl phosphate, tributyl phosphate and the like are preferably used.
[0023]
However, when the phosphoric acid triester is contained in the organic electrolyte, the discharge capacity of the negative electrode active material composed of the above-described lithium host compound or the like is remarkably lowered, and in some cases, the discharge may not be performed at all. Although this cause is not necessarily clear, it is thought that a film formed by the decomposition of the phosphoric acid triester is formed on the negative electrode surface, which prevents the movement of lithium ions.
[0024]
Therefore, in the present invention, by using at least one of cyclic carbonates or multimers of carbonates together with the phosphoric acid triester, a reduction in discharge capacity based on the use of the phosphoric acid triester is suppressed, and a high capacity is achieved. And succeeded in obtaining a highly safe organic electrolyte secondary battery. That is, by using at least one of cyclic carbonate or carbonic acid ester multimer in combination, it is suitable for the charge / discharge reaction before the coating based on the phosphate triester is formed on the surface of the negative electrode. When a coating based on at least one of the cyclic carbonate or carbonate ester multimer is formed, and on the surface of the negative electrode, a coating based on at least one of the cyclic carbonate or carbonate multimer is formed, A coating based on at least one of the cyclic carbonate or carbonate multimer prevents the phosphoric triester that inactivates the surface of the negative electrode from coming into direct contact with the surface of the negative electrode. Since the coating based on at least one of the carbonate ester multimers also contributes to ionic conduction, lithium ion It can be doped and dedoped now be performed smoothly, to prevent a decrease in discharge capacity based on the use of phosphoric acid triesters.
[0025]
Examples of the cyclic carbonate as described above include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, pentene carbonate and the like, and ethylene carbonate, propylene carbonate and the like are particularly preferable.
[0026]
In addition, the carbonate ester multimer as described above may be represented by the general formula: R 1 OC (O) OR 2 OC (O) OR Three (However, R 1 , R Three Is an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 2 Are alkyl groups having 2 to 4 carbon atoms, which may be the same or different, and are represented by, for example, 1,2-bismethoxycarbonyloxyethylene, 1,2-bis Examples include methoxycarbonyloxypropylene, 1,2-bisethoxycarbonyloxyethylene, 1,2-bisethoxycarbonyloxypropylene, and the like.
[0027]
Either one of the cyclic carbonate and the carbonate multimer may be used, but both may be used in combination.
[0028]
The mixing ratio of phosphoric acid triester and at least one of cyclic carbonate or carbonic acid ester multimer is preferably 99: 1 to 50:50, and 98: 2 to 80:20 in volume ratio. It is more preferable. The amount of phosphoric acid triester is 50 or more (that is, 50% by volume) with respect to the total amount with at least one of cyclic carbonates or multimers of carbonates (volume ratio with the total volume being 100). In this manner, the flammability of the organic electrolyte can be sufficiently reduced, and at least one amount of the cyclic carbonate or multimer of the carbonate is added to the total amount of the phosphate triester. By setting the volume ratio to 1 or more (that is, 1 volume% or more), a high induction rate can be ensured, and a high capacity can be achieved.
[0029]
In addition, a conventionally used organic solvent may be added to the organic electrolyte, and examples of such an organic solvent include a chain ester, a chain ether, a cyclic ether, a chain carbonate, and the like. In this case, the amount of the organic solvent added is, in order to ensure the effect based on at least one of a phosphate triester and a cyclic carbonate or a carbonate multimer, It is 20 volume% or less with respect to the whole constituent solvent, and 5 volume% or less is preferable.
[0030]
Examples of the electrolyte of the organic electrolyte include LiClO. Four , LiPF 6 , LiBF Four , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiCF Three SO Three , LiC Four F 9 SO Three , LiCF Three CO 2 , Li 2 C 2 F Four (SO Three ) 2 , LiN (CF Three SO 2 ) 2 , LiC (CF Three SO 2 ) Three , LiC n F 2n + 1 SO Three (N ≧ 2) and the like are used alone or in combination of two or more. Among them, LiPF 6 And LiC Four F 9 SO Three Is particularly suitable because of its good charge / discharge characteristics. The concentration of these electrolytes in the organic electrolytic solution is not particularly limited, but usually 0.1 to 2 mol / liter, particularly about 0.4 to 1 mol / liter is preferable.
[0031]
Furthermore, in the present invention, when carbon dioxide is dissolved in the organic electrolyte as described above, a high capacity is easily achieved. This is because in an organic electrolyte secondary battery, the reaction between the negative electrode active material and the constituent solvent of the organic electrolyte tends to occur, and the reaction product tends to inhibit the charge / discharge reaction or decrease the capacity. However, if carbon dioxide is contained in the organic electrolyte, it can be prevented by carbon dioxide. More specifically, when carbon dioxide is contained in the organic electrolyte, a thin film mainly composed of organic / inorganic carbonate is formed on the surface of the negative electrode active material. Since the reaction with the constituent solvent of the electrolytic solution is suppressed, and the coating does not adversely affect the charge / discharge reaction and does not cause a decrease in capacity, the ability of the positive electrode material and the negative electrode material can be maximized. Battery capacity can be improved.
[0032]
In addition, the carbon dioxide content in the organic electrolyte is LiNiO as the positive electrode active material. 2 LiCoO 2 LiMnO Four This is particularly effective when a lithium composite oxide having a closed circuit voltage at the time of charging such as 4 V or more based on Li is used. These positive electrode active materials have a high potential, and under normal conditions, the constituent solvent of the organic electrolyte is oxidized and the discharge performance is lowered. However, carbon dioxide having excellent oxidation resistance is contained in the organic electrolyte. Carbon dioxide suppresses decomposition of the constituent solvent of the organic electrolyte due to oxidation on the surface of the positive electrode. Especially LiNiO 2 Is difficult to use because it is more reactive with the constituent solvent of the organic electrolyte than other metal oxides, but by adding carbon dioxide in the organic electrolyte, such LiNiO 2 Even in the case of using, the reactivity of the organic electrolyte with the constituent solvent is suppressed, and the capacity of the battery is increased.
[0033]
In the present invention, when preparing the negative electrode, a conductive additive, a binder, or the like can be added to the negative electrode active material as necessary. Examples of the conductive aid include non-carbon materials such as nickel powder, and carbon-based materials such as graphite, acetylene black, carbon black, and coke. Among these conductive aids, the (002) plane interlayer is also included. Distance (d 002 ) Is preferably a low crystalline carbon material of 0.338 nm or more. Although the addition amount of this conductive support agent is not specifically limited, 1-30 weight% is preferable with respect to a negative electrode active material, and 2-15 weight% is especially preferable. Examples of the binder include polyacrylic acid, carboxymethyl cellulose, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and ethylene propylene diene rubber, and polyacrylic acid and carboxymethyl cellulose are particularly preferable. The addition amount of the binder is not particularly limited, but is preferably 1 to 50% by weight, and particularly preferably 2 to 20% by weight with respect to the negative electrode active material.
[0034]
In producing the negative electrode, for example, water or a solvent is added to and mixed with the negative electrode mixture composed of the negative electrode active material, a conductive additive, a binder, and the like to prepare a slurry paint. Is applied to a current collector and dried to form a negative electrode through a step of forming a coating film. However, the method for manufacturing the negative electrode is not limited to the above method, and other methods may be adopted.
[0035]
In the present invention, the positive electrode active material is not particularly limited, and various materials can be used. For example, LiNiO 2 LiCoO 2 , LiMn 2 O Four Lithium composite oxides such as are preferably used because a high voltage can be obtained. In preparation of the positive electrode, for example, a conductive auxiliary agent, a binder, etc. are added to the positive electrode active material as necessary, and a solvent is further added and mixed to prepare a slurry-like paint, followed by drying. And the method of producing a positive electrode through the process of forming a coating film is employ | adopted. However, the method for manufacturing the positive electrode is not limited to the above-described examples, and other methods may be adopted. Moreover, as a conductive support agent and a binder, the thing similar to the case of the said negative electrode can be used, The usage-amount with respect to those positive electrode active materials may be comparable as the usage-amount with respect to the said negative electrode active material.
[0036]
In the present invention, as a coating method when applying a paint containing the negative electrode active material or the positive electrode active material to the current collector, various coating methods including, for example, extrusion coater, reverse roller, doctor flade, etc. Can be adopted.
[0037]
In the present invention, as a current collector for electrodes such as a positive electrode and a negative electrode, for example, a metal net such as aluminum, stainless steel, titanium, and copper, a punched metal, an expanded metal, a foam metal, and a foil are used. .
[0038]
As the separator, for example, a microporous polyethylene film or a microporous polypropylene film having a thickness of 10 to 15 μm and a porosity of 30 to 70% is preferably used.
[0039]
For example, a battery includes a spirally structured electrode body such as a spiral electrode body fabricated by stacking a separator between a positive electrode and a negative electrode fabricated as described above and winding the separator in a spiral shape. It is manufactured through a process of inserting and sealing in a nickel-plated iron or stainless steel battery case. The battery usually incorporates an explosion-proof mechanism that discharges gas generated inside the battery to a certain pressure to the outside of the battery to prevent the battery from bursting under high pressure.
[0040]
【Example】
Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, this invention is not limited only to those Examples.
[0041]
Example 1
LiPF 6 Is dissolved in trimethyl phosphate, and ethylene carbonate is added and mixed, so that LiPF is mixed in a mixed solvent of trimethyl phosphate and ethylene carbonate in a volume ratio of 98: 2. 6 Was dissolved in an amount of 1.0 mol / liter.
[0042]
Also, lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) To 91 parts by weight, 6 parts by weight of graphite and 3 parts by weight of polyvinylidene fluoride were added and mixed to prepare a positive electrode mixture, which was dispersed with N-methylpyrrolidone to prepare a slurry paint. The slurry-like paint containing the positive electrode mixture is uniformly applied to both surfaces of a positive electrode current collector made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm and dried to form a coating film made of the positive electrode mixture, and then a roller press machine The lead body was welded to form a sheet-like positive electrode having a thickness of 160 μm.
[0043]
Separately from the above, 45 parts by weight of silicon monoxide (SiO) is mixed with 40 parts by weight of graphite and 15 parts by weight of polyacrylic acid to prepare a negative electrode mixture, which is dispersed with water to form a slurry-like paint. Prepared. A slurry press containing this negative electrode mixture is uniformly applied to both surfaces of a negative electrode current collector made of a copper foil having a thickness of 18 μm, dried to form a coating film made of the negative electrode mixture, and then a roller press machine. Then, the lead body was welded to prepare a sheet-like negative electrode having a thickness of 40 μm.
[0044]
Next, the sheet-like positive electrode and the sheet-like negative electrode are overlapped with a separator made of a microporous polyethylene film having a thickness of 25 μm interposed therebetween, and wound in a spiral shape to produce a spiral electrode body. Then, the spiral electrode body is filled in a cylindrical battery case having a bottomed cylindrical shape with an outer diameter of 18 mm, and then the opening of the battery case is sealed to produce the cylindrical organic electrolyte secondary battery shown in FIG. did.
[0045]
Referring to the battery shown in FIG. 1, 1 is the sheet-like positive electrode and 2 is the sheet-like negative electrode. However, in FIG. 1, in order to avoid complication, a metal foil or the like is not illustrated as a current collector used in manufacturing the positive electrode 1 or the negative electrode 2. The positive electrode 1 and the negative electrode 2 are spirally wound through a separator 3 and are housed in a battery case 5 together with the organic electrolyte 4 as a spiral electrode body.
[0046]
The battery case 5 is made of stainless steel and also serves as a negative electrode terminal. An insulator 6 made of polytetrafluoroethylene is disposed at the bottom of the battery case 5 prior to the insertion of the spiral electrode body. The sealing plate 7 is made of aluminum, has a disk shape, has a thin portion 7a at the center, and serves as a pressure introduction port 7b for allowing the battery internal pressure to act on the explosion-proof valve 9 around the thin portion 7a. A hole is provided. And the protrusion part 9a of the explosion-proof valve 9 is welded to the upper surface of this thin part 7a, and the welding part 11 is comprised. In addition, the thin-walled portion 7a and the explosion-proof valve 9a provided on the sealing plate 7 are shown only on the cut surface for easy understanding on the drawing, and the outline behind the cut surface is omitted. is doing. In addition, the welded portion 11 between the thin portion 7a of the sealing plate 7 and the protruding portion 9a of the explosion-proof valve 9 is also shown in an exaggerated state so as to facilitate understanding on the drawing.
[0047]
The terminal board 8 is made of rolled copper, has a nickel-plated surface, and has a hat shape with a peripheral edge portion, and the terminal board 8 is provided with a gas discharge hole 8a. The explosion-proof valve 9 is made of aluminum and has a disk shape, and a projection 9a having a tip on the power generation element side (lower side in FIG. 1) is provided at the center of the explosion-proof valve 9. As described above, the lower surface is welded to the upper surface of the thin portion 7 a of the sealing plate 7 to constitute the welded portion 11. The insulating packing 10 is made of polypropylene and has an annular shape. The insulating packing 10 is arranged at the upper part of the peripheral edge of the sealing plate 7. The explosion-proof valve 9 is arranged at the upper part, and the sealing plate 7 and the explosion-proof valve 9 are insulated. The gap between the two is sealed so that the organic electrolyte does not leak between the two. The annular gasket 12 is made of polypropylene, the lead body 13 is made of aluminum, connects the sealing plate 7 and the positive electrode 1, the insulator 14 is disposed above the spiral electrode body, and the negative electrode 2 and the battery case 5 The bottom is connected by a lead body 15 made of nickel.
[0048]
As described above, the insulator 6 is disposed at the bottom of the battery case 5, and the spiral electrode body composed of the positive electrode 1, the negative electrode 2, and the separator 3, the organic electrolyte 4, and the insulator 14 above the spiral electrode body. Are accommodated in the battery case 5, and after the accommodation, an annular groove having a bottom protruding inward is formed in the vicinity of the opening end of the battery case 5. Then, an annular gasket 12 in which a sealing plate 7, an insulating packing 10, and an explosion-proof valve 9 are inserted is inserted into the opening of the battery case 5, and a terminal plate 8 is further inserted over the annular gasket 12. By tightening the portion inward, the opening of the battery case 5 is sealed. However, in assembling the battery as described above, it is preferable that the negative electrode 2 and the battery case 5 are connected in advance by the lead body 15 and the positive electrode 1 and the sealing plate 7 are connected by the lead body 13 in advance.
[0049]
In the battery assembled as described above, the welded portion 11 is in contact with the thin portion 7a of the sealing plate 7 and the protruding portion 9a of the explosion-proof valve 9, and the peripheral portion of the explosion-proof valve 9 and the peripheral portion of the terminal plate 8 are Are in contact with each other, and the positive electrode 1 and the sealing plate 7 are connected by the lead body 13 on the positive electrode side. Therefore, the positive electrode 1 and the terminal plate 8 are connected to the lead body 13, the sealing plate 7, the explosion-proof valve 9, and their welded portions 11. Provides an electrical connection and functions normally as an electrical circuit.
[0050]
Then, when an abnormality occurs in the battery and gas is generated inside the battery and the internal pressure of the battery rises, the central portion of the explosion-proof valve 9 is moved in the internal pressure direction (upward direction in FIG. 1) due to the increase of the internal pressure. Along with this, a shearing force is applied to the thin portion 7a integrated at the welded portion 11, and the thin portion 7a is broken, or the protruding portion 9a of the explosion-proof valve 9 and the thin portion 7a of the sealing plate 7 are broken. As a result, the welded portion 11 is peeled off, whereby the electrical connection between the positive electrode 1 and the terminal plate 8 is lost, and the current is interrupted. As a result, the battery reaction does not proceed, so that even when overcharged or short-circuited, the battery temperature rise or internal pressure rise no longer proceeds due to the charging current or short-circuit current, so that the battery can be prevented from firing or bursting. Designed.
[0051]
The explosion-proof valve 9 is provided with a thin-walled portion 9b. For example, when a large amount of gas is generated due to decomposition of a power generation element such as an organic electrolyte or an active material due to extreme progress of charging, the explosion-proof valve 9 After the valve 9 is deformed and the welded portion 11 between the protruding portion 9a of the explosion-proof valve 9 and the thin-walled portion 7a of the sealing plate 7 is peeled off, the thin-walled portion 9b provided on the explosion-proof valve 9 is cleaved to release the gas to the terminal plate It is designed so that the battery can be prevented from rupturing by being discharged out of the battery through the gas discharge holes 8a.
[0052]
Example 2
SnO and SiO as negative electrode active materials 2 SnSiO obtained by mixing at a molar ratio of 1: 1, firing at 1000 ° C. in an argon atmosphere, and quenching. Three An organic electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that was used.
[0053]
Example 3
An organic electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that propylene carbonate was used instead of ethylene carbonate as a constituent solvent of the organic electrolyte.
[0054]
Example 4
An organic electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that 1,2-bisethoxycarbonyloxyethylene was used in place of ethylene carbonate as a constituent solvent of the organic electrolyte.
[0055]
Comparative Example 1
An organic electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that methyl ethyl carbonate was used as a constituent solvent of the organic electrolyte instead of trimethyl phosphate.
[0056]
Comparative Example 2
An organic electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that only trimethyl phosphate was used as a constituent solvent of the organic electrolyte.
[0057]
The discharge capacities of the batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 obtained as described above were measured, and flammability tests and ignitability tests were performed. The measurement methods and test methods are as follows.
[0058]
Discharge capacity:
The batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 2 were charged and discharged at 20 ° C. and 0.2 C in the voltage range of 2.75 to 4.1 V, and the initial discharge capacity was measured. The obtained discharge capacity is shown in Table 1 as a value converted to the capacity per unit volume of the negative electrode active material.
[0059]
Flammability test:
Regarding the batteries in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, the battery was heated to a high temperature and the safety valve was activated (i.e., in the battery shown in FIG. 1, by evaporation of the constituent solvent from the organic electrolyte, etc. When the gas is generated inside the battery and the internal pressure of the battery rises and reaches a predetermined pressure, the thin-walled portion 7a provided on the inner side from both end surfaces in the thickness direction of the sealing plate 7 extends in the internal pressure direction of the explosion-proof valve 9. The thin wall portion 7a of the sealing plate 7 is destroyed in advance by assuming that the gas inside the battery is destroyed by the shearing force generated in accordance with the change of the gas and the gas inside the battery is discharged from the gas discharge hole 8a). In this state, the battery was heated to 100 ° C., and a fire was brought close to the gas discharge hole 8a of the battery to examine whether or not it would ignite. The results are shown in Table 1.
[0060]
Ignition test:
For the batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, a nail penetration test was performed. In the nail penetration test, the battery was charged to 4.18 V and left in a 45 ° C. constant temperature bath for 4 hours. The number of batteries that pierced to half and ignited in each of the five batteries was examined. The results are shown in Table 1. In Table 1, the denominator of the numerical value indicating the result of the ignitability test is the number of batteries subjected to the test, and the numerator is the number of batteries ignited.
[0061]
[Table 1]
Figure 0004240422
[0062]
As is apparent from the measurement results of the discharge capacity shown in Table 1, Comparative Example 2 using trimethyl phosphate alone as a constituent solvent of the organic electrolyte did not discharge at all. However, in Examples 1 to 4, in which trimethyl phosphate was used in combination with a cyclic carbonate such as ethylene carbonate or propylene carbonate or a multimer of carbonate such as 1,2-bisethoxycarbonyloxyethylene, a high capacity was obtained.
[0063]
In addition, as is apparent from the results of the flammability test, in Comparative Example 1 using a normal organic electrolytic solution not containing trimethyl phosphate, it was ignited and started to burn when heated to about 40 ° C. In Examples 1 to 4 in which trimethyl phosphate was contained in the liquid, it did not ignite even when heated to 100 ° C., and had high safety against fire.
[0064]
As is clear from the results of the ignitability test, in Comparative Example 1 using a normal organic electrolyte, ignition was observed, but Examples 1-4 in which trimethyl phosphate was contained in the organic electrolyte. Then, a battery with high safety was obtained even if an internal short circuit occurred due to nail penetration without firing.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an organic electrolyte secondary battery having a high capacity and high safety can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing one embodiment of an organic electrolyte secondary battery of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Positive electrode
2 Negative electrode
3 Separator
4 Organic electrolyte

Claims (1)

充放電によりリチウムイオンを吸蔵、放出し得る負極および正極と、リチウムイオン伝導性の有機電解液を有する有機電解液二次電池において、負極活物質が周期律表で13族から15族の金属または半金属の酸化物、硫化物および窒化物よりなる群から選ばれる少なくとも1種からなるリチウムイオンを包摂しうるリチウムホスト化合物であり、かつ上記有機電解液中に環状炭酸エステルまたは炭酸エステルの多量体のうち少なくとも1種と、リン酸トリエステルとを含有し、リン酸トリエステルと環状炭酸エステルおよび炭酸エステルの多量体との混合比が、体積比で99:1〜50:50であり、上記有機電解液の構成溶媒全体におけるリン酸トリエステル、環状炭酸エステルおよび炭酸エステルの多量体以外の有機溶媒の含有量が20体積%以下であることを特徴とする有機電解液二次電池。In an organic electrolyte secondary battery having a negative electrode and a positive electrode capable of inserting and extracting lithium ions by charge and discharge, and a lithium ion conductive organic electrolyte, the negative electrode active material is a metal of group 13 to group 15 in the periodic table or A lithium host compound capable of including at least one lithium ion selected from the group consisting of metalloid oxides, sulfides and nitrides, and a cyclic carbonate or carbonate multimer in the organic electrolyte. At least one of them and a phosphate triester , the mixing ratio of the phosphate triester to the cyclic carbonate and carbonate ester multimer is 99: 1 to 50:50 in volume ratio, The content of the organic solvent other than the phosphate triester, cyclic carbonate, and carbonate ester multimer in the entire constituent solvent of the organic electrolyte is 2 The organic electrolyte secondary battery according to volume percent or less, wherein the der Rukoto.
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