JP4579588B2 - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は,リチウムイオンの吸蔵・放出を利用したリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery using insertion / extraction of lithium ions.
従来より,リチウムイオンの吸蔵・放出を利用したリチウムイオン二次電池は,高電圧でエネルギー密度が高いことから,パソコン,携帯電話等の携帯情報端末等を中心に情報機器,通信機器の分野で実用が進み,広く一般に普及するに至っている。また他の分野では,環境問題及び資源問題から電気自動車の開発が急がれる中,リチウムイオン二次電池を電気自動車用の電源として用いることが検討されている。 Conventionally, lithium ion secondary batteries that use lithium ion storage / release have high voltage and high energy density. Therefore, in the field of information equipment and communication equipment, mainly personal information terminals such as personal computers and mobile phones. Practical use has progressed and it has become widely popular. In other fields, the development of electric vehicles is urgently required due to environmental problems and resource issues, and the use of lithium ion secondary batteries as power sources for electric vehicles is being studied.
リチウムイオン二次電池は,正極と,負極と,これらの正極及び負極間でリチウムイオンを移動させる非水電解液とを主要な構成としてなっている。
上記リチウムイオン二次電池の正極としては,例えばコバルト酸リチウム(LiCoO2),ニッケル酸リチウム(LiNiO2),及びマンガン酸リチウム(LiMn2O4)等を正極活物質として含有するものが用いられてきた。これらの正極活物質を用いると,高エネルギー密度及び高電圧のリチウムイオン二次電池を作製することができる。
A lithium ion secondary battery mainly includes a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte that moves lithium ions between the positive electrode and the negative electrode.
As the positive electrode of the lithium ion secondary battery, for example, one containing lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) or the like as a positive electrode active material is used. I came. When these positive electrode active materials are used, a lithium ion secondary battery having a high energy density and a high voltage can be produced.
しかし,上記のような正極活物質は,クラーク数の低い金属元素をその組成中に有している。そのため,このような正極活物質を有するリチウムイオン二次電池は,その製造コストが高く,安定供給が困難であるという問題がある。また,上記のような正極活物質は,比較的毒性が高く,環境に与える影響も大きいことから,これらに変わる新規の正極活物質が求められていた。 However, the positive electrode active material as described above has a metal element having a low Clark number in its composition. Therefore, the lithium ion secondary battery having such a positive electrode active material has a problem that its manufacturing cost is high and stable supply is difficult. In addition, since the positive electrode active material as described above is relatively toxic and has a great influence on the environment, a new positive electrode active material that replaces these has been demanded.
そこで,近年,オリビン構造を有する化合物を正極活物質として用いることが提案されている。このようなオリビン構造を有する化合物としては,例えばLiFePO4がある。このLiFePO4は,その体積密度が3.6g/cm2と大きく,3.4Vという高電位を発生することができ,また理論容量も170mAh/gと大きい。また,LiFePO4は,初期状態で,電気化学的に脱ドープ可能なLiを,Fe原子1個当たりに1個含んでいるため,リチウムイオン二次電池の正極活物質として有望視されている。 Therefore, in recent years, it has been proposed to use a compound having an olivine structure as a positive electrode active material. An example of such a compound having an olivine structure is LiFePO 4 . This LiFePO 4 has a large volume density of 3.6 g / cm 2 , can generate a high potential of 3.4 V, and has a large theoretical capacity of 170 mAh / g. In addition, LiFePO 4 is promising as a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery because it contains one detachable Li per electrochemical atom in the initial state.
さらに,LiFePO4は,資源的に豊富で安価な材料であるFeをその組成中に有している。そのため,上記のLiCoO2,LiNiO2,及びLiMn2O4等と比較して,製造コストが低く,また毒性が低いため環境に与える影響も小さい。 Furthermore, LiFePO 4 has Fe, which is a resource-rich and inexpensive material, in its composition. Therefore, compared with the above LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4, etc., the production cost is low, and the influence on the environment is small because of low toxicity.
また,最近,LiFePO4のFeサイトに他の元素を置換させることにより,LiFePO4の正極活物質としての特性を向上できることが確認されている。例えばLiFePO4のFeサイトをMnで置換することにより,充放電サイクル特性を向上させることができる(特許文献1参照)。 Furthermore, recently, by substituting other elements Fe site LiFePO 4, it has been confirmed to be able to improve the characteristics of the positive electrode active material of LiFePO 4. For example, by replacing the Fe site of LiFePO 4 with Mn, charge / discharge cycle characteristics can be improved (see Patent Document 1).
しかしながら,上記特許文献1に示されるリチウムイオン二次電池においては,該リチウムイオン二次電池を例えば60℃程度の高温条件下で充放電を繰り返し行ったときに,充放電容量が低下するという問題があった。また,このようなオリビン構造を有する化合物を正極活物質に用いたリチウムイオン二次電池は,高温で充放電サイクルを繰り返すと,電池の内部抵抗の著しい上昇を引き起こすという問題があった。例えば60℃の条件下で充放電サイクルを繰り返すと,500サイクル後の内部抵抗は,初期の2倍以上に跳ね上がってしまうこともある。
However, in the lithium ion secondary battery disclosed in
特に,カメラ一体型VTR,携帯電話,ラップトップパソコン等のポータブル機器は,自動車の室内などの高温の状態に放置されたり,このような状態で充電されたりする可能性があ。そのため,ポータブル機器等の用途には,高温での充放電サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池が特に要求される。 In particular, portable devices such as a camera-integrated VTR, a mobile phone, and a laptop personal computer may be left in a high temperature state such as in an automobile or may be charged in such a state. Therefore, lithium ion secondary batteries having excellent charge / discharge cycle characteristics at high temperatures are particularly required for applications such as portable devices.
本発明は,かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので,高出力で、高温条件下での充放電サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery having high output and excellent charge / discharge cycle characteristics under high temperature conditions.
本発明は,リチウムを含有する酸化物を正極活物質として含有する正極と,炭素材料を負極活物質として含有する負極と,有機溶媒に電解質を溶解してなる非水電解液とを有するリチウムイオン二次電池において,
上記非水電解液には,添加剤として下記の式(α)で表される化合物が添加されており,
上記正極活物質は,組成式LixFe1-yMeyPO4(但し,Meは,Mn,Cr,Co,Cu,Ni,V,Mo,Ti,Zn,Al,Ga,Mg,B及びNbから選ばれる1種以上,0.05≦x≦1.2,0≦y≦1.0)で表されるオリビン構造のリチウム鉄複合酸化物を主成分とし、
上記添加剤は,上記電解質とのモル比で,電解質:添加剤=97〜2:3〜98となるように上記非水電解液中に添加されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池にある(請求項1)。
In the non-aqueous electrolyte, a compound represented by the following formula (α) is added as an additive,
The positive electrode active material, the composition formula Li x Fe 1-y Me y PO 4 ( where, Me is, Mn, Cr, Co, Cu , Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B and The main component is a lithium iron composite oxide having an olivine structure represented by one or more selected from Nb, 0.05 ≦ x ≦ 1.2, 0 ≦ y ≦ 1.0) ,
The lithium ion secondary battery is characterized in that the additive is added to the non-aqueous electrolyte so that the molar ratio with the electrolyte is electrolyte: additive = 97-2: 3-98. (Claim 1).
本発明のリチウムイオン二次電池は,上記のように,正極活物質として,上記特定の組成式を有するオリビン構造のリチウム鉄複合酸化物を有し,負極活物質として炭素材料を有している。また,上記リチウムイオン二次電池は,上記式(α)で表される化合物が添加された非水電解液を有している。
そのため,上記リチウムイオン二次電池を一回以上充電させると,上記添加剤のすべてもしくは一部が分解し,上記正極又は/及び負極の表面や,上記正極活物質又は/及び負極活物質の表面に,これを被覆する被覆物が形成される。
As described above, the lithium ion secondary battery of the present invention has an olivine-structured lithium iron composite oxide having the above specific composition formula as a positive electrode active material, and a carbon material as a negative electrode active material. . The lithium ion secondary battery has a non-aqueous electrolyte to which a compound represented by the above formula (α) is added.
Therefore, when the lithium ion secondary battery is charged one or more times, all or part of the additive is decomposed, and the surface of the positive electrode or / and the negative electrode, the surface of the positive electrode active material or / and the negative electrode active material, or the like. In addition, a coating covering this is formed.
上記被覆物は,低抵抗でかつ安定であり,上記のように正極又は/及び負極の表面や,上記正極活物質又は/及び負極活物質の表面を被覆している。
そのため,上記リチウムイオン二次電池においては、リチウムイオンの吸蔵・放出がスムーズに行われ、正極又は/及び負極の表面や上記正極活物質又は/及び負極活物質の表面と、電解液との界面抵抗が低減し、幅広い温度範囲で電池の初期出力を向上できる。特に、低温では電解液の抵抗が高くなるために、出力の向上はより顕著になる。
また、上記被覆物は,非水電解液中の電解質の分解等によって起こる,負極上での高抵抗な被膜の形成を抑制することができる。それ故,上記リチウムイオン二次電池の内部抵抗の上昇を抑制し,充放電サイクル特性の低下を抑制することができる。
The covering is low in resistance and stable, and covers the surface of the positive electrode and / or negative electrode and the surface of the positive electrode active material and / or negative electrode active material as described above.
Therefore, in the lithium ion secondary battery, the insertion and extraction of lithium ions is performed smoothly, and the interface between the surface of the positive electrode or / and the negative electrode, the surface of the positive electrode active material or / and the negative electrode active material, and the electrolytic solution. The resistance is reduced and the initial output of the battery can be improved over a wide temperature range. In particular, since the resistance of the electrolytic solution increases at low temperatures, the improvement in output becomes more remarkable.
Moreover, the said covering can suppress formation of the highly resistant film on a negative electrode which occurs by decomposition | disassembly of the electrolyte in a non-aqueous electrolyte, etc. Therefore, an increase in internal resistance of the lithium ion secondary battery can be suppressed, and a decrease in charge / discharge cycle characteristics can be suppressed.
また,上記した高抵抗な被膜の形成は,上記リチウムイオン二次電池を例えば60℃という高温環境下で繰り返し使用したとき等に特に起こりやすく,出力電圧や放電容量等を低下させる。
本発明のリチウムイオン二次電池においては,上記被覆物が,上記の高抵抗な被膜の形成を防止することができるため,例えば60℃という高温環境下で繰り返し使用した場合においても,優れた放電容量及び出力電圧を発揮することができる。
例えばすでに実用化されているLiPF6を支持塩に用いた電解液を用いた場合には、加水分解によってHFが生じるおそれがある。このHFは、例えば60℃、4.1V等という環境下において、例えばAl等からなる集電体を腐食するおそれがある。その結果、抵抗が上昇し、電池特性が劣化してしまうおそれがある。
これに対し、上記リチウムイオン二次電池においては、上記非水電解液に,上記式(α)で表される化合物が添加されているため、加水分解してもHFが発生しない。そのため、上記リチウムイオン二次電池は優れた耐久性を発揮することができる。
The formation of the high-resistance film is particularly likely to occur when the lithium ion secondary battery is repeatedly used in a high temperature environment of, for example, 60 ° C., and lowers the output voltage, the discharge capacity, and the like.
In the lithium ion secondary battery of the present invention, since the coating can prevent the formation of the high-resistance coating, excellent discharge even when used repeatedly in a high temperature environment of, for example, 60 ° C. Capacitance and output voltage can be exhibited.
For example, when an electrolytic solution using LiPF 6 that has already been put into practical use as a supporting salt is used, HF may be generated by hydrolysis. This HF may corrode a current collector made of, for example, Al under an environment of, for example, 60 ° C. and 4.1 V. As a result, the resistance increases and the battery characteristics may be deteriorated.
On the other hand, in the lithium ion secondary battery, since the compound represented by the formula (α) is added to the non-aqueous electrolyte, HF is not generated even when hydrolyzed. Therefore, the lithium ion secondary battery can exhibit excellent durability.
さらに,本発明においては,上記正極活物質として,組成式LixFe1-yMeyPO4で表されるオリビン構造のリチウム鉄複合酸化物を有している。そのため,上記リチウムイオン二次電池は,高い充放電容量を示すことができると共に,例えば60℃という高温環境下で繰り返し使用したときにも,高い充放電容量を維持できる。また,内部抵抗の上昇を抑制できるため,高い出力電圧を維持することができる。 Furthermore, in the present invention, the positive electrode active material includes a lithium iron composite oxide having an olivine structure represented by a composition formula Li x Fe 1-y Me y PO 4 . Therefore, the lithium ion secondary battery can exhibit a high charge / discharge capacity, and can maintain a high charge / discharge capacity even when it is repeatedly used in a high temperature environment of 60 ° C., for example. In addition, since the increase in internal resistance can be suppressed, a high output voltage can be maintained.
以上のように,本発明によれば,高出力で、高温条件下での充放電サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a lithium ion secondary battery having high output and excellent charge / discharge cycle characteristics under high temperature conditions.
上記リチウムイオン二次電池においては,上記添加剤として,下記一般式(1)で表される化合物を上記非水電解液中に添加することができる。但し,下記一般式(1)において,Mは,遷移金属,周期律表のIII属,IV属,又はV属元素,A a+ は,金属イオン,プロトン,又はオニウムイオン,aは1〜3,bは1〜3,pは,b/a,mは,1〜4,nは,1〜8,qは,0又は1をそれぞれ表し,R 1 は,C 1 〜C 10 のアルキレン,C 1 〜C 10 のハロゲン化アルキレン,C 6 〜C 20 のアリーレン,又はC 6 〜C 20 のハロゲン化アリーレン(これらのアルキレン及びアリーレンはその構造中に置換基,ヘテロ原子を持ってもよく,またm個存在するR 1 はそれぞれが結合してもよい。),R 2 は,ハロゲン,C 1 〜C 10 のアルキル,C 1 〜C 10 のハロゲン化アルキル,C 6 〜C 20 のアリール,C 6 〜C 20 のハロゲン化アリール,又はX 3 R 3 (これらのアルキル及びアリールはその構造中に置換基,ヘテロ原子を持ってもよく,またn個存在するR 2 はそれぞれが結合して環を形成してもよい。),X 1 ,X 2 ,X 3 は,O,S,又はNR 4 ,R 3 ,R 4 は,それぞれが独立で,水素,C 1 〜C 10 のアルキル,C 1 〜C 10 のハロゲン化アルキル,C 6 〜C 20 のアリール,C 6 〜C 20 のハロゲン化アリールをそれぞれ示す(これらのアルキル及びアリールはその構造中に置換基,ヘテロ原子を持ってもよく,また複数個存在するR 3 ,R 4 はそれぞれが結合して環を形成してもよい。)。
上記の例では,上記一般式(1)におけるAa+がリチウムイオンであるものを挙げているが,リチウムイオン以外のカチオンとして,例えばナトリウムイオン,カリウムイオン,マグネシウムイオン,カルシウムイオン,バリウムイオン,セシウムイオン,銀イオン,亜鉛イオン,銅イオン,コバルトイオン,鉄イオン,ニッケルイオン,マンガンイオン,チタンイオン,鉛イオン,クロムイオン,バナジウムイオン,ルテニウムイオン,イットリウムイオン,ランタノイドイオン,アクチノイドイオン,テトラブチルアンモニウムイオン,テトラエチルアンモニウムイオン,テトラメチルアンモニウムイオン,トリエチルメチルアンモニウムイオン,トリエチルアンモニウムイオン,ピリジニウムイオン,イミダゾリウムイオン,プロトン,テトラエチルホスホニウムイオン,テトラメチルホスホニウムイオン,テトラフェニルホスホニウムイオン,トリフェニルスルホニウムイオン,トリエチルスルホニウムイオン等が挙げられる。 In the above example, A a + in the general formula (1) is a lithium ion, but as a cation other than lithium ion, for example, sodium ion, potassium ion, magnesium ion, calcium ion, barium ion, cesium Ion, silver ion, zinc ion, copper ion, cobalt ion, iron ion, nickel ion, manganese ion, titanium ion, lead ion, chromium ion, vanadium ion, ruthenium ion, yttrium ion, lanthanoid ion, actinoid ion, tetrabutylammonium Ion, tetraethylammonium ion, tetramethylammonium ion, triethylmethylammonium ion, triethylammonium ion, pyridinium ion, imidazolium ion, proton Tetraethyl phosphonium ion, tetramethyl phosphonium ion, tetraphenylphosphonium ion, triphenylsulfonium ion, triethylsulfonium ion and the like.
好ましくは,上記一般式(1)におけるAa+として,リチウムイオン,テトラアルキルアンモニウムイオン,プロトンがよい。 Preferably, A a + in the general formula (1) is a lithium ion, a tetraalkylammonium ion, or a proton.
また,上記一般式(1)において,Aa+のカチオンの価数aは1〜3である。aが3より大きい場合には,上記添加剤の結晶格子エネルギーが大きくなるため,上記有機溶媒に溶解するのが困難になる。
そのため,最も好ましくはa=1である。このようなカチオンAa+としては,リチウムイオン,テトラアルキルアンモニウムイオン,プロトンがある。
また,同様にアニオンの価数bも1〜3であり,b=1が最も好ましい。
また,カチオンとアニオンの比を表す定数pは,両者の価数の比b/aにより必然的に決まってくる。
In the general formula (1), the valence a of A a + cation is 1-3. When a is larger than 3, the crystal lattice energy of the additive increases, so that it becomes difficult to dissolve in the organic solvent.
Therefore, most preferably a = 1. Such cations A a + include lithium ions, tetraalkylammonium ions, and protons.
Similarly, the valence b of the anion is 1 to 3, and b = 1 is most preferable.
In addition, the constant p representing the ratio of cation to anion is inevitably determined by the valence ratio b / a of both.
上記添加剤は,イオン性金属錯体構造をとっており,その中心となるMは,遷移金属,周期律表のIII族,IV族,又はV族元素から選ばれる。
好ましくは,上記一般式(1)中のMは,Al,B,V,Ti,Si,Zr,Ge,Sn,Cu,Y,Zn,Ga,Nb,Ta,Bi,P,As,Sc,Hf,またはSbのいずれかであることがよい。
この場合には,上記添加剤の合成が容易となる。
The additive has an ionic metal complex structure, and the central M is selected from a transition metal, a group III, group IV, or group V element of the periodic table.
Preferably, M in the general formula (1) is Al, B, V, Ti, Si, Zr, Ge, Sn, Cu, Y, Zn, Ga, Nb, Ta, Bi, P, As, Sc, It may be either Hf or Sb .
In this case, the additive can be easily synthesized.
より好ましくは,上記一般式(1)中のMは,Al,B,又はPがよい。この場合には,上記添加剤の合成が容易になることに加えて,上記添加剤の毒性が低くなり,また製造コストが低くなるという効果を得ることができる。 More preferably, M in the general formula (1) is Al, B, or P. In this case, in addition to facilitating the synthesis of the additive, it is possible to obtain effects that the toxicity of the additive is reduced and the manufacturing cost is reduced.
次に,上記添加剤(イオン性金属錯体)の配位子の部分について説明する。以下,ここでは上記一般式(1)において,Mに結合している有機又は無機の部分を配位子とよぶ。 Next, the ligand part of the additive (ionic metal complex) will be described. Hereinafter, in the above general formula (1), an organic or inorganic part bonded to M is referred to as a ligand.
一般式(1)中のR1は,C1〜C10のアルキレン,C1〜C10のハロゲン化アルキレン,C6〜C20のアリーレン,又はC6〜C20のハロゲン化アリーレンから選ばれるものよりなる。これらのアルキレン及びアリーレンはその構造中に置換基,ヘテロ原子を持ってもよい。具体的には,アルキレン及びアリーレン上の水素の代わりに,ハロゲン,鎖状又は環状のアルキル基,アリール基,アルケニル基アルコキシ基,アリーロキシ基,スルホニル基,アミノ基,シアノ基,カルボニル基,アシル基,アミド基,水酸基,また,アルキレン及びアリーレン上の炭素の代わりに,窒素,硫黄,酸素が導入された構造等を挙げることができる。
さらには,R1が複数存在する場合(q=1,m=2〜4の場合)には,それぞれが結合してもよく,例えばエチレンジアミン四酢酸のような配位子を挙げることができる。
R 1 in the general formula (1) is selected from C 1 to C 10 alkylene, C 1 to C 10 halogenated alkylene, C 6 to C 20 arylene, or C 6 to C 20 halogenated arylene. It consists of things. These alkylene and arylene may have a substituent or a hetero atom in the structure. Specifically, instead of hydrogen on alkylene and arylene, halogen, chain or cyclic alkyl group, aryl group, alkenyl group alkoxy group, aryloxy group, sulfonyl group, amino group, cyano group, carbonyl group, acyl group , An amide group, a hydroxyl group, and a structure in which nitrogen, sulfur, or oxygen is introduced in place of carbon on alkylene and arylene.
Further, when a plurality of R 1 are present (when q = 1, m = 2 to 4), each may be bonded, and examples thereof include a ligand such as ethylenediaminetetraacetic acid.
R2は,ハロゲン,C1〜C10のアルキル,C1〜C10のハロゲン化アルキル,C6〜C20のアリール,C6〜C20のハロゲン化アリール,又はX3R3から選ばれるものよりなる。これらもR1と同様に,アルキル及びアリールはその構造中に置換基,ヘテロ原子を持ってもよく,またR2が複数個存在する場合(n=2〜8の場合)R2はそれぞれが結合して環を形成してもよい。
好ましくは,R2としては,電子吸引性の基がよく,特にフッ素がよい。この場合には,上記添加剤の溶解度や解離度が向上し,これに伴ってイオン伝導度が向上するという効果を得ることができる。さらにこの場合には,耐酸化性が向上し,これにより副反応の発生を防止することができる。
R 2 is selected from halogen, C 1 -C 10 alkyl, C 1 -C 10 alkyl halide, C 6 -C 20 aryl, C 6 -C 20 aryl halide, or X 3 R 3 It consists of things. Similarly to R 1 , alkyl and aryl may have a substituent or a heteroatom in the structure, and when there are a plurality of R 2 (when n = 2 to 8), each R 2 is They may combine to form a ring.
Preferably, R 2 is preferably an electron-withdrawing group, particularly fluorine. In this case, the solubility and dissociation degree of the additive can be improved, and the ion conductivity can be improved accordingly. Furthermore, in this case, the oxidation resistance is improved, thereby preventing the occurrence of side reactions.
X1,X2,X3は,それぞれ独立で,O,S,又はNR4であり,これらのヘテロ原子を介して配位子がMに結合する。ここで,O,S,N以外で結合することが,不可能ではないが,合成上非常に煩雑なものとなる。上記一般式(1)で表される化合物の特徴として,同一の配位子内におけるX1とX2によるMとの結合があり,これらの配位子はMとキレート構造を形成している。この配位子中の定数qは,0又は1である。q=0の場合には,キレートリングが五員環となり,上記添加剤の錯体構造が安定化する。そのため,この場合には,上記添加剤が上記被覆物の形成以外の副反応を起こすことを防止することができる。 X 1 , X 2 , and X 3 are each independently O, S, or NR 4 , and the ligand is bonded to M through these heteroatoms. Here, it is not impossible to combine other than O, S, and N, but it becomes very complicated in synthesis. As a feature of the compound represented by the general formula (1), there is binding to M by X 1 and X 2 in the same in the ligand, these ligands form a M and chelate structure . The constant q in this ligand is 0 or 1. When q = 0, the chelate ring becomes a five-membered ring, and the complex structure of the additive is stabilized. Therefore, in this case, it is possible to prevent the additive from causing a side reaction other than the formation of the coating.
R3,R4は,それぞれが独立で,水素,C1〜C10のアルキル,C1〜C10のハロゲン化アルキル,C6〜C20のアリール,C6〜C20のハロゲン化アリールであり,これらのアルキル及びアリールはその構造中に置換基,ヘテロ原子を持ってもよく,またR3,R4が複数個存在する場合には,それぞれが結合して環を形成してもよい。 R 3 and R 4 are each independently hydrogen, C 1 -C 10 alkyl, C 1 -C 10 alkyl halide, C 6 -C 20 aryl, C 6 -C 20 aryl halide. Yes, these alkyls and aryls may have a substituent or a heteroatom in the structure, and when a plurality of R 3 and R 4 are present, they may combine to form a ring. .
また,上述した配位子の数に関係する定数m及びnは,中心のMの種類によって決まってくるものであるが,mは1〜4,nは1〜8である。
また、上述のR1,R2,R3,R4において、C1〜C10は炭素数が1〜10であることを示し、C6〜C20は炭素数が6〜20であることを示す。
The constants m and n related to the number of ligands described above are determined by the type of M at the center, where m is 1 to 4 and n is 1 to 8.
It in R 1, R 2, R 3 ,
また,上記添加剤の合成方法としては,例えば次の式(2)化学式の化合物の場合には,非水溶媒中でLiBF4と2倍モルのリチウムアルコキシドを反応させた後,シュウ酸を添加して,ホウ素に結合しているアルコキシドをシュウ酸で置換する方法等がある。 As a method for synthesizing the additive, for example, in the case of a compound represented by the following chemical formula (2), oxalic acid is added after reacting LiBF 4 with 2 moles of lithium alkoxide in a non-aqueous solvent. Thus, there is a method of replacing alkoxide bonded to boron with oxalic acid.
次に,本発明のリチウムイオン二次電池は,上記のように,該リチウムイオン二次電池を少なくとも一回以上充電させることにより,上記添加剤のすべてもしくは一部が分解して,上記正極又は/及び上記負極の表面や,上記正極活物質又は/及び上記負極活物質の表面に被覆して被覆物を形成する。 Next, in the lithium ion secondary battery of the present invention, as described above, all or part of the additive is decomposed by charging the lithium ion secondary battery at least once, so that the positive electrode or The surface of the negative electrode and / or the surface of the positive electrode active material or / and the negative electrode active material is coated to form a coating.
上記被覆物は,例えばX線光電子分光分析(XPS)やIR分析等により検出することができる。 The coating can be detected by, for example, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) or IR analysis.
また,上記リチウムイオン二次電池は,上記正極及び負極と,これらの正極と負極との間に狭装されるセパレータと,正極と負極との間でリチウムを移動させる上記非水電解液などを主要構成要素として構成することができる。 Further, the lithium ion secondary battery includes the positive electrode and the negative electrode, a separator that is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, the non-aqueous electrolyte that moves lithium between the positive electrode and the negative electrode, and the like. It can be configured as a main component.
正極は,例えば上記正極活物質に導電材及び結着剤を混合し,適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを,アルミニウム,ステンレスなどの金属箔性の集電体の表面に塗布乾燥し,必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成することができる。 For example, the positive electrode is made by mixing a conductive material and a binder into the positive electrode active material and adding a suitable solvent to form a paste-like positive electrode mixture. The surface of a metal foil current collector such as aluminum or stainless steel is used as the positive electrode. It can be applied and dried, and compressed to increase the electrode density as necessary.
本発明において,上記正極活物質は,組成式LixFe1-yMeyPO4(但し,Meは,Mn,Cr,Co,Cu,Ni,V,Mo,Ti,Zn,Al,Ga,Mg,B及びNbから選ばれる1種以上,0.05≦x≦1.2,0≦y≦1.0)で表されるオリビン構造のリチウム鉄複合酸化物を主成分としている。 In the present invention, the positive electrode active material has a composition formula Li x Fe 1 -y Me y PO 4 (where Me is Mn, Cr, Co, Cu, Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, The main component is a lithium iron composite oxide having an olivine structure represented by one or more selected from Mg, B, and Nb, 0.05 ≦ x ≦ 1.2, and 0 ≦ y ≦ 1.0.
上記組成式LixFe1-yMeyPO4で表されるオリビン構造のリチウム鉄複合酸化物において,x及びyが上記の範囲から外れる場合には,充放電の際に,オリビン構造が崩壊し,急激に容量が低下したり抵抗が上昇したりするおそれがある。 In the lithium iron composite oxide having the olivine structure represented by the above composition formula Li x Fe 1-y Me y PO 4 , when x and y are out of the above ranges, the olivine structure collapses during charge and discharge. However, there is a risk that the capacity may suddenly decrease or the resistance may increase.
また,上記正極活物質は,上記リチウム鉄複合酸化物の粒子よりなり,該粒子には,炭素物質の微粒子が複合化されていることが好ましい(請求項2)。
この場合には,上記リチウムイオン二次電池の抵抗が低下するという効果を得ることができる。
The positive electrode active material is preferably composed of particles of the lithium iron composite oxide, and carbon particles are preferably combined with the particles.
In this case, the effect that the resistance of the lithium ion secondary battery is reduced can be obtained.
上記の炭素物質の微粒子としては,例えばケッチェンブラック,アセチレンブラック,及びカーボンブラック等がある。 Examples of the fine particles of the carbon material include ketjen black, acetylene black, and carbon black.
また,上記導電材は,正極の電気伝導性を確保するためのものであり,例えばカーボンブラック,アセチレンブラック,天然黒鉛,人造黒鉛,コークス類等の炭素物質粉末状体の1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。 The conductive material is for ensuring the electrical conductivity of the positive electrode. For example, one or more carbon powder powders such as carbon black, acetylene black, natural graphite, artificial graphite, and cokes are used. Can be used.
上記結着剤は,活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり,例えばポリテトラフルオロエチレン,ポリフッ化ビニリデン,フッ素ゴム等の含フッ素樹脂,或いはポリプロピレン,ポリエチレン等の熱可塑性樹脂等を用いることができる。また,水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴムの水分散体等を用いることもできる。
これら活物質,導電材,結着剤を分散させる溶剤としては,例えばN−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
The binder serves to bind the active material particles and the conductive material particles. For example, a fluorine-containing resin such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or fluororubber, or a thermoplastic resin such as polypropylene or polyethylene. Etc. can be used. In addition, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber which is an aqueous binder can be used.
For example, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as a solvent for dispersing the active material, the conductive material, and the binder.
次に,負極は,負極活物質である上記炭素材料に結着剤を混合し,適当な溶媒を加えてペースト状にした負極合材を,銅等の金属箔集電体の表面に塗布,乾燥し,その後にプレスにて形成することができる。また,正極と同様に,負極活物質に混合する結着剤としては,ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂等を,溶剤としてはN−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。 Next, the negative electrode is prepared by mixing a binder with the carbon material, which is the negative electrode active material, and applying a suitable solvent to form a paste of the negative electrode mixture on the surface of a metal foil current collector such as copper. It can be dried and then formed by pressing. Similarly to the positive electrode, a fluorine-containing resin such as polyvinylidene fluoride can be used as the binder to be mixed with the negative electrode active material, and an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as the solvent.
上記負極活物質の炭素材料としては,例えば天然或いは人造の黒鉛,メソカーボンマイクロビーズ(MCMB),メソフェーズピッチ系炭素繊維及びその混合材,気相法炭素化繊維,フェノール樹脂等の有機化合物焼成体,コークス類,カーボンブラック,熱分解炭素類,炭素繊維等が挙げられる。これらの炭素材料は,1種又は2種以上を混合して用いることができる。 Examples of the carbon material of the negative electrode active material include natural or artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), mesophase pitch-based carbon fibers and mixed materials thereof, vapor-grown carbonized fibers, and organic compound fired bodies such as phenol resins. , Cokes, carbon black, pyrolytic carbons, carbon fibers and the like. These carbon materials can be used alone or in combination of two or more.
上記負極活物質としての上記炭素材料は,その比表面積が0.8〜5m2/gであることが好ましい。
この場合には,上記リチウムイオン二次電池の充電時に,上記添加剤が分解し負極又は/及び負極活物質に低抵抗でかつ安定な被覆物を形成し易くなり,上記リチウムイオン二次電池の内部抵抗の上昇を一層抑制することができる。
比表面積が0.8m2/g未満の場合又は5m2/gを越える場合には,上記被覆物が充分に形成されず,上記内部抵抗の上昇を充分に抑制できないおそれがある。
The carbon material as the negative electrode active material preferably has a specific surface area of 0.8 to 5 m 2 / g.
In this case, when the lithium ion secondary battery is charged, the additive is decomposed to easily form a low resistance and stable coating on the negative electrode or / and the negative electrode active material. An increase in internal resistance can be further suppressed.
When the specific surface area is less than 0.8 m 2 / g or more than 5 m 2 / g, the coating is not sufficiently formed, and the increase in the internal resistance may not be sufficiently suppressed.
正極及び負極に狭装させるセパレータは,正極と負極とを分離し非水電解液を保持するものであり,例えばポリエチレン,ポリプロピレン等の薄い微多孔膜等を用いることができる。 The separator to be narrowly attached to the positive electrode and the negative electrode separates the positive electrode and the negative electrode and holds the non-aqueous electrolyte. For example, a thin microporous film such as polyethylene or polypropylene can be used.
次に,上記非水電解液としては,上記添加剤及び電解質を有機溶媒に溶解させたものを用いることができる。 Next, as the non-aqueous electrolyte, a solution obtained by dissolving the additive and the electrolyte in an organic solvent can be used.
上記電解質は,Aa+(PF6 -)a,Aa+(ClO4 -)a,Aa+(BF4 -)a,Aa+(AsF6 -)a,またはAa+(SbF6 -)a,(但し,Aa+は金属イオン,プロトン,又はオニウムイオン,aは1〜3である)から選ばれる1種以上であることが好ましい(請求項3)。 The electrolyte may be A a + (PF 6 − ) a , A a + (ClO 4 − ) a , A a + (BF 4 − ) a , A a + (AsF 6 − ) a , or A a + (SbF 6 − ) a , (However, A a + is a metal ion, a proton, or an onium ion, and a is 1 to 3 ).
この場合には,比較的イオン伝導度が高く,電気化学的に安定であるという効果を得ることができる。また,この場合には,低コストで上記リチウムイオン二次電池を作製することができる。 In this case, it is possible to obtain an effect that the ion conductivity is relatively high and electrochemically stable. In this case, the lithium ion secondary battery can be manufactured at a low cost.
また,上記非水電解液において,上記電解質は,LiPF6,LiClO4,LiBF4,LiAsF6,またはLiSbF6から選ばれる1種以上であることが好ましい(請求項4)。
この場合には,比較的イオン伝導度が高く,電気化学的に安定であるという効果を得ることができるとともに,さらに,上記添加剤のリチウムイオンも電池の充放電反応に寄与できるという効果を得ることができる。また,この場合には低コストで上記リチウムイオン二次電池を作製できる。
Further, in the non-aqueous electrolyte solution, the electrolyte, LiPF 6, LiClO 4, LiBF 4,
In this case, it is possible to obtain an effect that the ion conductivity is relatively high and electrochemically stable, and further, an effect that the lithium ion of the additive can also contribute to the charge / discharge reaction of the battery. be able to. In this case, the lithium ion secondary battery can be produced at low cost.
上記添加剤及び上記電解質を溶解させる上記有機溶媒としては,非プロトン性の有機溶媒を用いることができる。このような有機溶媒としては,例えば環状カーボネート,鎖状カーボネート,環状エステル,環状エーテル,鎖状エーテル等から選ばれる1種又は2種以上からなる混合溶媒を用いることができる。 As the organic solvent for dissolving the additive and the electrolyte, an aprotic organic solvent can be used. As such an organic solvent, for example, a mixed solvent composed of one kind or two or more kinds selected from cyclic carbonate, chain carbonate, cyclic ester, cyclic ether, chain ether and the like can be used.
ここで,上記環状カーボネートとしては,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,ビニレンカーボネート等がある。上記鎖状カーボネートとしては,例えばジメチルカーボネート,ジエチルカーボネート,メチルエチルカーボネート等がある。上記環状エステルカーボネートとしては,例えばガンマブチロラクトン,ガンマバレロラクトン等がある。上記環状エーテルとしては,例えばテトラヒドロフラン,2−メチルテトラヒドロフラン等がある。上記鎖状エーテルとしては,例えばジメトキシエタン,エチレングリコールジメチルエーテル等がある。上記有機溶媒としては,これらのもののうちいずれか1種を単独で用いることもできるし,2種以上を混合させて用いることもできる。 Here, examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate. Examples of the cyclic ester carbonate include gamma butyrolactone and gamma valerolactone. Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran. Examples of the chain ether include dimethoxyethane and ethylene glycol dimethyl ether. As the organic solvent, any one of these may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used.
また,上記添加剤は,上記電解質とのモル比で,電解質:添加剤=97〜2:3〜98となるように上記非水電解液中に添加されていることが好ましい。
上記電解質と上記添加剤とのモル比が上記の範囲から外れる場合には,充放電を繰り返し行うことによって,リチウムイオン二次電池の内部抵抗が上昇し,充分な出力を得ることができなくなるおそれがある。
Moreover, it is preferable that the said additive is added in the said non-aqueous electrolyte so that it may become electrolyte: additive = 97-2: 3-98 by molar ratio with the said electrolyte .
If the molar ratio between the electrolyte and the additive is out of the above range, repeated charging and discharging may increase the internal resistance of the lithium ion secondary battery, making it impossible to obtain sufficient output. There is.
また,上記リチウムイオン二次電池の内部抵抗の上昇をより一層抑制できるという観点から,上記電解質と上記添加剤とのモル比は,電解質:添加剤=95〜50:5〜50であることがより好ましい。
また,上記リチウムイオン二次電池の初期出力を向上させたい場合には,上記電解質と上記添加剤とのモル比は,電解質:添加剤=95〜80:5〜20であることがより好ましい。
また,内部抵抗の上昇を抑制させる効果及び初期出力を向上させる効果をできるだけ両立させるためには,上記電解質と上記添加剤とのモル比は,電解質:添加剤=95〜80:5〜20であることが好ましい。
したがって,上記電解質と上記添加剤との混合比は,上記リチウムイオン二次電池の用途に応じて要求される電池特性によって,適宜決定することができる。
Further, from the viewpoint that the increase in internal resistance of the lithium ion secondary battery can be further suppressed, the molar ratio of the electrolyte to the additive is electrolyte: additive = 95-50: 5-50. More preferred.
In order to improve the initial output of the lithium ion secondary battery, the molar ratio of the electrolyte to the additive is more preferably electrolyte: additive = 95-80: 5-20.
Further, in order to achieve both the effect of suppressing the increase in internal resistance and the effect of improving the initial output as much as possible, the molar ratio of the electrolyte to the additive is electrolyte: additive = 95-80: 5-20. Preferably there is.
Therefore, the mixing ratio of the electrolyte and the additive can be appropriately determined according to battery characteristics required according to the use of the lithium ion secondary battery.
また,上記リチウムイオン二次電池の形状としては,例えばペーパー型,コイン型,円筒型,及び角型等があるが,本発明のリチウムイオン二次電池においてはこれらに限定されるものではない。 Examples of the shape of the lithium ion secondary battery include a paper type, a coin type, a cylindrical type, and a square type. However, the lithium ion secondary battery of the present invention is not limited to these.
(実施例1)
次に,本発明のリチウムイオン二次電池の実施例につき,図1〜図2を用いて説明する。
図1及び図2に示すごとく,本例のリチウムイオン二次電池1は,リチウムを含有する酸化物を正極活物質25として含有する正極2と,炭素材料を負極活物質35として含有する負極3と,有機溶媒に電解質51を溶解してなる非水電解液とを有する。
Example 1
Next, an embodiment of the lithium ion secondary battery of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 1 and 2, the lithium ion
上記非水電解液には,添加剤53として下記の式(α)で表される化合物が添加されている。
また,正極活物質25は,LiFePO4又はLiFe0.85Mn0.15PO4で表されるオリビン構造のリチウム鉄複合酸化物を主成分とする。
In the non-aqueous electrolyte, a compound represented by the following formula ( α ) is added as an additive 53.
The positive electrode
以下,本例のリチウムイオン二次電池1につき,図1及び図2を用いて詳細に説明する。
図1に示すごとく,本例のリチウムイオン二次電池1は,正極2,負極3,セパレータ4,ガスケット59,及び電池ケース6等よりなっている。電池ケース6は,18650型の円筒形状の電池ケースであり,キャップ63及び外装缶65よりなる。電池ケース6内には,シート状の正極2及び負極3が,該正極2及び負極3の間に挟んだセパレータ4と共に捲回した状態で配置されている。
また,電池ケース6のキャップ63の内側には,ガスケット59が配置されており,電池ケース6の内部には,非水電解液が注入されている。
Hereinafter, the lithium ion
As shown in FIG. 1, the lithium ion
Further, a
また,図1及び図2に示すごとく,正極2は,正極活物質25としてLiFePO4又はLiFe0.85Mn0.15PO4で表されるオリビン構造のリチウム鉄複合酸化物を含有し,負極3は負極活物質35として炭素材料を含有している。
正極2及び負極3には,それぞれ正極集電リード23及び負極集電リード33が熔接により設けられている。正極集電リード23は,キャップ63側に配置された正極集電タブ235に熔接により接続されている。また,負極集電リード33は,外装缶65の底に配置された負極集電タブ335に熔接により接続されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
The
また,非水電解液は,エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比で30:70で混合した有機溶媒に,図2に示すごとく,電解質51としてのLiPF6を溶解してなっており,電池ケース内に注入されている。また,非水電解液には,上記式(α)で表される化合物(LiPF2(C2O4)2,以下適宜LPFOという)が添加剤53として添加されている。この添加剤53は,リチウムイオン二次電池1を1回以上充電することにより分解し,正極2又は/及び負極3や,正極活物質25又は/及び負極活物質35を被覆して被覆物55を形成する。なお,図2は,負極3の表面に被覆物55が形成された状態を示すものである。
In addition, the nonaqueous electrolytic solution is obtained by dissolving LiPF 6 as the
次に,本例のリチウムイオン二次電池の製造方法につき,図1及び図2を用いて説明する。
まず,以下のようにして,上記非水電解液を準備した。
即ち,まずエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを3:7の体積比で混合した有機溶媒に,電解質としてのLiPF6を終濃度が1Mとなるように加えて電解質溶液を作製した。また,エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを3:7の体積比で混合した有機溶媒に,上記の式(α)で表される化合物(LPFO)を終濃度が1Mとなるように加えて添加剤溶液を作製した。
Next, the manufacturing method of the lithium ion secondary battery of this example will be described with reference to FIGS.
First, the non-aqueous electrolyte was prepared as follows.
That is, first, an electrolyte solution was prepared by adding LiPF 6 as an electrolyte to an organic solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a volume ratio of 3: 7 to a final concentration of 1M. . Further, the compound (LPFO) represented by the above formula ( α ) is added to an organic solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) are mixed at a volume ratio of 3: 7 so that the final concentration becomes 1M. In addition to the above, an additive solution was prepared.
次に,上記電解質溶液と上記添加剤溶液とを混合し,非水電解液を作製した。このとき,非水電解液中の,上記電解質(LiPF6)と上記添加剤(LPFO)のモル比が,電解質:添加剤=80:20となるように上記電解質溶液と上記添加剤溶液とを混合した。 Next, the electrolyte solution and the additive solution were mixed to prepare a non-aqueous electrolyte. At this time, the electrolyte solution and the additive solution are mixed so that the molar ratio of the electrolyte (LiPF 6 ) and the additive (LPFO) in the non-aqueous electrolyte is electrolyte: additive = 80: 20. Mixed.
次に,以下のようにして,正極及び負極を準備した。
正極においては,まず,正極活物質として,LiFePO4で表されるオリビン構造のリチウム鉄複合酸化物を準備し,該正極活物質と,導電材としてのカーボンブラック(東海カーボン株式会社製,TB5500)と,結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(呉羽化学工業株式会社製,KFポリマ)とを混合し,分散剤としてn−メチル−2−ピロリドンを適量添加し,混練してペースト状の正極合材を得た。正極活物質と導電材と結着剤との混合比は,重量比で,正極活物質:導電材:結着剤=85:10:5とした。
Next, a positive electrode and a negative electrode were prepared as follows.
In the positive electrode, first, a lithium iron composite oxide having an olivine structure represented by LiFePO 4 is prepared as a positive electrode active material, and the positive electrode active material and carbon black as a conductive material (TB5500, manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.). And polyvinylidene fluoride as a binder (manufactured by Kureha Chemical Industry Co., Ltd., KF polymer), an appropriate amount of n-methyl-2-pyrrolidone is added as a dispersant, kneaded and pasted positive electrode mixture Got. The mixing ratio of the positive electrode active material, the conductive material, and the binder was a weight ratio of positive electrode active material: conductive material: binder = 85: 10: 5.
次いで,上記のようにして得られた正極合材を,厚さ20μmのアルミニウム箔集電体の両面に塗布して,乾燥させた。その後,ロールプレスで高密度化させ,幅52mm,長さ450mmの形状に切り出し,シート状の正極を作製した。なお,アルミニウム箔集電体上の正極合材の厚さは,片面当たり35μmであり,また正極活物質の付着量は,片面当たり7mg/cm2程度とした。 Next, the positive electrode mixture obtained as described above was applied to both surfaces of an aluminum foil current collector having a thickness of 20 μm and dried. Thereafter, the sheet was densified with a roll press and cut into a shape having a width of 52 mm and a length of 450 mm to produce a sheet-like positive electrode. The thickness of the positive electrode mixture on the aluminum foil current collector was 35 μm per side, and the amount of positive electrode active material deposited was about 7 mg / cm 2 per side.
一方,負極においては,負極活物質として,人造球状黒鉛(大阪ガスケミカル株式会社製,MCMB)を準備し,該負極活物質と結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(呉羽化学工業株式会社製,KFポリマ)とを混合し,分散剤としてn−メチル−2−ピロリドンを適量添加し,混練してペースト状の負極合材を得た。負極活物質と結着剤との混合比は,重量比で,負極活物質:結着剤=95:5とした。 On the other hand, in the negative electrode, artificial spheroidal graphite (manufactured by Osaka Gas Chemical Co., Ltd., MCMB) is prepared as a negative electrode active material, and polyvinylidene fluoride (manufactured by Kureha Chemical Industries, Ltd. Polymer) was mixed, an appropriate amount of n-methyl-2-pyrrolidone was added as a dispersant, and kneaded to obtain a paste-like negative electrode mixture. The mixing ratio of the negative electrode active material and the binder was a weight ratio of negative electrode active material: binder = 95: 5.
次いで,上記のようにして得られた負極合材を,厚さ10μmの銅箔集電体の両面に塗布して,乾燥させた。その後,ロールプレスで高密度化させ,幅54mm,長さ500mmの形状に切り出し,シート状の負極を作製した。なお,銅箔集電体上の負極合材の厚さは,片面当たり25μmであり,また負極活物質の付着量は,片面当たり5mg/cm2程度とした。 Next, the negative electrode mixture obtained as described above was applied to both sides of a 10 μm thick copper foil current collector and dried. Thereafter, the sheet was densified with a roll press and cut into a shape having a width of 54 mm and a length of 500 mm to produce a sheet-like negative electrode. Note that the thickness of the negative electrode mixture on the copper foil current collector was 25 μm per side, and the amount of the negative electrode active material deposited was about 5 mg / cm 2 per side.
次に,図1に示すごとく,上記のようにして得られたシート状の正極2及び負極3にそれぞれ正極集電リード23及び負極集電リード33を熔接した。これらの正極2及び負極3を,これらの間に幅56mm,厚さ25μmのポリエチレン製のセパレータ4(東燃タルピス株式会社製)を挟んだ状態で捲回し,スパイラル状の巻き電極を作製した。
Next, as shown in FIG. 1, a positive electrode current collecting
続いて,この巻き電極を,外装缶65及びキャップ63よりなる18650型の円筒形状の電池ケース6に挿入した。このとき,電池ケース6のキャップ63側に配置した正極集電タブ235に,正極集電リード25を熔接により接続すると共に,外装缶6の底に配置した負極集電タブ335に負極集電リード33を熔接により接続した。
Subsequently, the wound electrode was inserted into an 18650-type
次に,電池ケース6内に上記のようにして準備した非水電解液を含浸させた。そして,キャップ63の内側にガスケット59を配置すると共に,このキャップ63を外装缶65の開口部に配置した。続いて,キャップ63にかしめ加工を施すことにより電池ケース6を密閉し,リチウムイオン二次電池1を作製した。これを試料E1とした。
Next, the
また,本例では,上記試料E1とは,上記非水電解液中の上記電解質と上記添加剤との混合比又は上記正極活物質の組成が異なる3種類のリチウムイオン二次電池を,上記試料E1と同様にして作製し,これらをそれぞれ試料E2〜試料E4とした。試料E2〜試料E4のリチウムイオン二次電池は,上記非水電解液中の上記電解質と上記添加剤との混合比又は上記正極活物質の組成を変えた点を除いては,上記試料E1と同様にして作製したものである。 Further, in this example, the sample E1 refers to three types of lithium ion secondary batteries in which the mixing ratio of the electrolyte and the additive in the nonaqueous electrolytic solution or the composition of the positive electrode active material is different. These were prepared in the same manner as E1, and these were designated as Sample E2 to Sample E4, respectively. The lithium ion secondary batteries of Samples E2 to E4 are the same as Sample E1 except that the mixing ratio of the electrolyte and the additive in the non-aqueous electrolyte or the composition of the positive electrode active material was changed. It was produced in the same way.
具体的には,試料E2においては,上記非水電解液中の上記電解質(LiPF6)と上記添加剤(LPFO)とのモル比が,電解質:添加剤=95:5となるように,上記電解質溶液と上記添加剤溶液とを混合して非水電解液を作製し,これを用いてリチウムイオン二次電池(試料E2)を作製した。 Specifically, in the sample E2, the molar ratio of the electrolyte (LiPF 6 ) and the additive (LPFO) in the nonaqueous electrolytic solution is such that the electrolyte: additive = 95: 5. The electrolyte solution and the additive solution were mixed to produce a non-aqueous electrolyte, and a lithium ion secondary battery (sample E2) was produced using this.
また,試料E3においては,上記非水電解液中の上記電解質(LiPF6)と上記添加剤(LPFO)とのモル比が,電解質:添加剤=50:50となるように,上記電解質溶液と上記添加剤溶液とを混合して非水電解液を作製し,これを用いてリチウムイオン二次電池(試料E3)を作製した。 Further, in Sample E3, the molar ratio of the electrolyte of the nonaqueous electrolyte solution and (LiPF 6) above and additives (LPFO) is, the electrolyte: additive = 50: so that 50, and the electrolyte solution A non-aqueous electrolyte was prepared by mixing with the additive solution, and a lithium ion secondary battery (sample E3) was prepared using this.
また,試料E4においては,上記正極活物質としてLiFe0.85Mn0.15PO4で表されるオリビン構造のリチウム鉄複合酸化物を用いて正極を作製し,これを用いてリチウムイオン二次電池(試料E4)を作製した。
なお,上記試料E1〜試料E4の上記非水電解液に含まれる上記電解質と上記添加剤とのモル比及び上記正極活物質の組成を,後述する表1に示す。
In sample E4, a positive electrode was prepared using a lithium iron composite oxide having an olivine structure represented by LiFe 0.85 Mn 0.15 PO 4 as the positive electrode active material, and a lithium ion secondary battery (sample E4) was used. ) Was produced.
The molar ratio of the electrolyte to the additive and the composition of the positive electrode active material contained in the nonaqueous electrolyte solutions of the samples E1 to E4 and the composition of the positive electrode active material are shown in Table 1 described later.
本例において作製した試料E1〜試料E4のリチウムイオン二次電池においては,図2に示すごとく,上記非水電解液中に上記電解質51と共に添加剤53が添加されている。そのため,各試料のリチウムイオン二次電池1においては,これを一回以上充電させることにより,添加剤53のすべてもしくは一部が分解し,負極3又は/及び負極活物質35の表面に被覆物55を形成する。
In the lithium ion secondary batteries of Sample E1 to Sample E4 produced in this example, as shown in FIG. 2, an additive 53 is added together with the
(比較例)
本例は,上記実施例1において作製したリチウムイオン二次電池(試料E1〜試料E4)の優れた特性を明らかにするために,比較用のリチウムイオン二次電池を作製した例である。具体的には,比較用として,上記非水系電解液に上記添加剤を含有しない2種類のリチウムイオン二次電池を作製した。
(Comparative example)
This example is an example in which a comparative lithium ion secondary battery was manufactured in order to clarify the excellent characteristics of the lithium ion secondary batteries (samples E1 to E4) manufactured in Example 1. Specifically, for comparison, two types of lithium ion secondary batteries in which the non-aqueous electrolyte did not contain the additive were prepared.
まず,エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを3:7の体積比で混合した有機溶媒に,電解質としてのLiPF6を終濃度が1Mとなるように加えて,非水系電解液を作製した。
続いて,上記の実施例1と同様にして,正極及び負極を準備し,これらの正極,負極及び非水電解液を電池ケース内に配置して,リチウムイオン二次電池を作製した。これを試料C1とした。
試料C1は,非水電解液に添加剤が添加されていない点を除いては,上記試料E1〜試料E3と同様のものである。
First, LiPF 6 as an electrolyte is added to an organic solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) are mixed at a volume ratio of 3: 7 so that the final concentration is 1 M, and a non-aqueous electrolyte is added. Produced.
Subsequently, in the same manner as in Example 1 above, a positive electrode and a negative electrode were prepared, and the positive electrode, the negative electrode, and the non-aqueous electrolyte were placed in a battery case to produce a lithium ion secondary battery. This was designated as Sample C1.
Sample C1 is the same as Sample E1 to Sample E3 except that the additive is not added to the non-aqueous electrolyte.
また,本例においては,正極活物質として,上記試料E4と同様のLiFe0.85Mn0.15PO4で表されるオリビン構造のリチウム鉄複合酸化物を含有し,かつ非水電解液に添加剤が添加されていないリチウムイオン二次電池を作製した。 Further, in this example, the cathode active material contains an olivine-structured lithium iron composite oxide represented by LiFe 0.85 Mn 0.15 PO 4 similar to that of the sample E4, and an additive is added to the non-aqueous electrolyte. A lithium ion secondary battery that was not used was prepared.
具体的には,まず,上記比較例1と同様にして,上記添加物が添加されていない非水電解液を準備した。
続いて,正極活物質としてLiFe0.85Mn0.15PO4を準備し,該正極活物質と,導電材としてのカーボンブラックと,結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを混合し,分散剤としてn−メチル−2−ピロリドンを適量添加し,混練してペースト状の正極合材を得た。正極活物質と導電材と結着剤との混合比は,重量比で,正極活物質:導電材:結着剤=85:10:5とした。
Specifically, first, in the same manner as in Comparative Example 1, a nonaqueous electrolytic solution to which the additive was not added was prepared.
Subsequently, LiFe 0.85 Mn 0.15 PO 4 is prepared as a positive electrode active material, the positive electrode active material, carbon black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride as a binder are mixed, and n-methyl is used as a dispersant. An appropriate amount of -2-pyrrolidone was added and kneaded to obtain a paste-like positive electrode mixture. The mixing ratio of the positive electrode active material, the conductive material, and the binder was a weight ratio of positive electrode active material: conductive material: binder = 85: 10: 5.
次いで,実施例1と同様に,上記のようにして得られた正極合材を,厚さ20μmのアルミニウム箔集電体の両面に塗布して,乾燥させた後,ロールプレスで高密度化させ,幅54mm,長さ450mmの形状に切り出し,シート状の正極を作製した。 Next, as in Example 1, the positive electrode mixture obtained as described above was applied to both sides of an aluminum foil current collector having a thickness of 20 μm, dried, and then densified with a roll press. The sheet-like positive electrode was produced by cutting into a shape having a width of 54 mm and a length of 450 mm.
次に,上記実施例1の試料E1と同様にして,負極を準備し,上記正極,負極,及び非水電解液を電池ケース内に配置して,リチウムイオン二次電池を作製した。これを試料C2とした。
試料C2は,正極活物質として,LiFe0.85Mn0.15PO4を含有する点を除いては,上記試料C1と同様のものである。
上記試料C1及び試料C2の上記非水電解液に含まれる上記電解質と上記添加剤とのモル比,及び正極活物質の組成を,後述する表1に示す。
Next, in the same manner as Sample E1 in Example 1, a negative electrode was prepared, and the positive electrode, the negative electrode, and the non-aqueous electrolyte were placed in a battery case to produce a lithium ion secondary battery. This was designated as Sample C2.
Sample C2 is the same as Sample C1 except that it contains LiFe 0.85 Mn 0.15 PO 4 as the positive electrode active material.
The molar ratio of the electrolyte and the additive contained in the non-aqueous electrolytes of the samples C1 and C2 and the composition of the positive electrode active material are shown in Table 1 described later.
(実験例)
次に,本例では,上記実施例1において作製した試料E1〜試料E4,及び比較例にて作製した試料C1及び試料C2を用いて,下記の初期出力試験を行い、低温(−30℃)における各試料の初期出力性能を評価した。また、各試料について下記の充放電サイクル試験を行うと共に,容量維持率及び抵抗上昇率を測定した。
(Experimental example)
Next, in this example, the following initial output test was performed using the samples E1 to E4 prepared in Example 1 and the samples C1 and C2 prepared in the comparative example, and the low temperature (−30 ° C.) The initial output performance of each sample was evaluated. Moreover, while performing the following charging / discharging cycle test about each sample, the capacity | capacitance maintenance factor and the resistance increase rate were measured.
「初期出力試験」
各試料(試料E1〜E4,C1及びC2)を−30℃に保持した。その後,電池容量50%(SOC=50%)の状態に調整し,0.12A,0.4A,1.2A,2.4A,4.8Aの電流を流して10秒後の電池電圧を測定し,出力値を算出した。測定は,各試料と同様の試料を3つずつ作製して行い,その平均を求めた。試料E1〜試料E3の出力値は,試料C1の値を1としたときの相対値、即ち試料C1の値を基準に規格化した値で表した。試料E4の出力値は、試料C2の値を1としたときの相対値、即ち試料C2の値を基準に規格化した値で表した。その結果を後述の表1に示す。
"Initial output test"
Each sample (samples E1-E4, C1 and C2) was kept at −30 ° C. After that, the battery capacity is adjusted to 50% (SOC = 50%), 0.12A, 0.4A, 1.2A, 2.4A, 4.8A current is applied and the battery voltage after 10 seconds is measured. The output value was calculated. The measurement was performed by preparing three samples similar to each sample, and obtaining the average. The output values of the samples E1 to E3 are expressed as relative values when the value of the sample C1 is 1, that is, a value normalized based on the value of the sample C1. The output value of the sample E4 is expressed as a relative value when the value of the sample C2 is 1, that is, a value normalized based on the value of the sample C2. The results are shown in Table 1 below.
「充放電サイクル試験」
電池の実使用温度範囲の上限と目される60℃の温度条件下で,上記試料E1〜試料E5及び試料C1を,電流密度2.0mA/cm2の定電流で充電上限電圧4.2Vまで充電し,次いで電流密度2.0mA/cm2の定電流で放電下限電圧3Vまで放電を行う充放電を1サイクルとし,このサイクルを合計500サイクル行った。
"Charge / discharge cycle test"
Under the temperature condition of 60 ° C., which is considered to be the upper limit of the actual use temperature range of the battery, the above sample E1 to sample E5 and sample C1 are charged to a maximum charge voltage of 4.2 V at a constant current of 2.0 mA / cm 2 Charging and discharging, which was then performed at a constant current with a current density of 2.0 mA / cm 2 and discharging to a discharge lower limit voltage of 3 V, was defined as one cycle, and this cycle was performed for a total of 500 cycles.
「容量維持率」
充放電サイクル試験前の放電容量を容量A(初期放電容量),充放電サイクル試験後の放電容量を容量Bとしたとき,下記の式(a)により算出した。
容量維持率(%)=容量B/容量A×100 ・・・・(a)
"Capacity maintenance rate"
When the discharge capacity before the charge / discharge cycle test was capacity A (initial discharge capacity) and the discharge capacity after the charge / discharge cycle test was capacity B, it was calculated by the following equation (a).
Capacity maintenance rate (%) = capacity B / capacity A × 100 (a)
容量維持率の算出においては,充放電サイクル試験前後の放電容量を各試料につきそれぞれ1回ずつ測定し,上記の式(a)より容量維持率を算出した。測定は各試料と同様の試料を3つずつ作製して行い,その平均を求めた。その結果を表1に示す。 In calculating the capacity retention rate, the discharge capacity before and after the charge / discharge cycle test was measured once for each sample, and the capacity retention rate was calculated from the above equation (a). The measurement was performed by preparing three samples similar to each sample, and obtaining the average. The results are shown in Table 1.
また,充放電サイクル試験前後の抵抗上昇率を下記のようにして算出した。
「抵抗上昇率の評価」
各試料を電池容量の50%(SOC=50%)に調整し,0.12A,0.4A,1.2A,2.4A,4.8Aの電流を流して10秒後の電池電圧を測定した。流した電流と電圧とを直線近似し,その傾きからIV抵抗を求めた。
抵抗上昇率は,充放電試験後のIV抵抗を抵抗B,充放電試験前のIV抵抗を抵抗A(初期IV抵抗)とすると,下記の式(b)にて算出することができる。
抵抗上昇率(%)=(抵抗B−抵抗A)×100/抵抗A ・・・・(b)
In addition, the resistance increase rate before and after the charge / discharge cycle test was calculated as follows.
"Evaluation of resistance increase rate"
Each sample was adjusted to 50% of the battery capacity (SOC = 50%), and 0.12A, 0.4A, 1.2A, 2.4A, 4.8A current was passed and the battery voltage after 10 seconds was measured. did. The applied current and voltage were linearly approximated, and IV resistance was obtained from the slope.
The rate of increase in resistance can be calculated by the following equation (b), where IV resistance after the charge / discharge test is resistance B and IV resistance before the charge / discharge test is resistance A (initial IV resistance).
Resistance increase rate (%) = (resistance B−resistance A) × 100 / resistance A (b)
抵抗上昇率の算出においては,充放電サイクル試験前後のIV抵抗を各試料につきそれぞれ1回ずつ測定し,上記の式(b)より抵抗上昇率を算出した。測定は各試料と同様の試料を3つずつ作製して行い,その平均を求めた。その結果を表1に示す。 In calculating the resistance increase rate, the IV resistance before and after the charge / discharge cycle test was measured once for each sample, and the resistance increase rate was calculated from the above equation (b). The measurement was performed by preparing three samples similar to each sample, and obtaining the average. The results are shown in Table 1.
表1より知られるごとく,上記非水電解液に上記電解質と上記添加剤とが添加された上記試料E1〜試料E4のリチウムイオン二次電池は,非水電解液に電解質だけが添加された上記試料C1及び試料C2に比べて,初期における出力、特に低温での出力が高く、さらに高温条件下での充放電サイクル試験後においても,高い容量維持率を示すことができた。また,充放電サイクル試験後の試料E1〜試料E4のIV抵抗上昇率は,試料C1及び試料C2に比べて非常に低く,試料E1〜試料E4においては内部抵抗の増加が抑制されていることがわかる。 As is known from Table 1, the lithium ion secondary batteries of Sample E1 to Sample E4 in which the electrolyte and the additive are added to the non-aqueous electrolyte solution are those in which only the electrolyte is added to the non-aqueous electrolyte solution. Compared with the sample C1 and the sample C2, the output at the initial stage, particularly the output at a low temperature was high, and a high capacity retention rate could be exhibited even after the charge / discharge cycle test under a high temperature condition. In addition, the rate of increase in IV resistance of samples E1 to E4 after the charge / discharge cycle test is very low compared to samples C1 and C2, and the increase in internal resistance is suppressed in samples E1 to E4. Recognize.
このように,正極活物質に上記組成式で表されるオリビン構造のリチウム鉄複合酸化物を含有し,かつ非水電解液に上記電解質と上記添加剤とを含有するリチウムイオン二次電池は,初期での出力、特に低温での出力が高く、高温での充放電サイクル特性に優れていることがわかる。 Thus, a lithium ion secondary battery containing a lithium iron composite oxide having an olivine structure represented by the above composition formula in the positive electrode active material and containing the electrolyte and the additive in a non-aqueous electrolyte is: It can be seen that the output at the initial stage, particularly at the low temperature, is high, and the charge / discharge cycle characteristics at the high temperature are excellent.
上記のように試料E1〜試料E4のリチウムイオン二次電池が,−30℃程度の低温における出力が高く、また60℃程度の高温における充放電サイクル特性に優れている理由としては,図2に示すごとく,これらのリチウムイオン二次電池1(試料E1〜試料E4)においては,正極活物質25に特定組成のオリビン構造のリチウム鉄複合酸化物を含有していることに加えて,非水電解液中に電解質51と添加剤53とが添加されているからであると考えられる。そして,同図に示すごとく,非水電解液中の添加剤53は,その少なくとも一部が初回充電時に分解し,負極活物質35又は/及び負極3の表面に低抵抗で安定な被覆物55を形成していると考えられる。
As described above, the lithium ion secondary batteries of Samples E1 to E4 have high output at a low temperature of about −30 ° C. and excellent charge / discharge cycle characteristics at a high temperature of about 60 ° C. As shown, in these lithium ion secondary batteries 1 (sample E1 to sample E4), in addition to the positive electrode
また,上記試料E1〜試料E4及び試料C1及び試料C2の初回充電時の電圧−充電容量曲線を調べると,非水電解液に電解質と共に添加剤が添加されている試料E1〜試料E4においては,添加剤が分解して負極に被覆物を形成すると考えられる容量成分が1.8V近傍に認められた。
一方,添加剤が添加されていない試料C1及び試料C2においては,上記のような1.8V近傍の容量成分はなく,負極に被覆物が形成されていないと考えられる。
Further, when the voltage-charge capacity curves at the time of initial charge of the samples E1 to E4 and the samples C1 and C2 are examined, in the samples E1 to E4 in which the additive is added to the non-aqueous electrolyte together with the electrolyte, A capacity component that was considered to decompose the additive to form a coating on the negative electrode was observed in the vicinity of 1.8V.
On the other hand, in Sample C1 and Sample C2 to which no additive is added, there is no capacity component near 1.8 V as described above, and it is considered that no coating is formed on the negative electrode.
また,表1より知られるごとく,非水電解液中に添加された添加剤の量が,電解質とのモル比で,電解質:添加剤=95〜80:5〜20である場合には,低温における初期出力を顕著に向上できることがわかる。また、電解質:添加剤=95〜50:5〜50である場合には,顕著にIV抵抗の上昇を抑制できることがわかる。
また,表中には示していないが,上記添加剤の量が,電解質とのモル比で,電解質:添加剤=97〜2:3〜98である場合には,低温における初期出力の向上効果、及び高温における充放電サイクルのIV抵抗の上昇に対する抑制効果が充分に得られることを確認している。
As is known from Table 1, when the amount of the additive added to the non-aqueous electrolyte is a molar ratio with the electrolyte, that is, electrolyte: additive = 95-80: 5-20, the temperature is low. It can be seen that the initial output at can be significantly improved. Moreover, when electrolyte: additive = 95-50: 5-50, it turns out that the raise of IV resistance can be suppressed notably.
Although not shown in the table, when the amount of the additive is a molar ratio with the electrolyte and is electrolyte: additive = 97-2: 3-98, the effect of improving the initial output at low temperature is improved. In addition, it has been confirmed that the effect of suppressing the increase in the IV resistance of the charge / discharge cycle at a high temperature can be sufficiently obtained.
1 リチウムイオン二次電池
2 正極
25 正極活物質
3 負極
35 負極活物質
51 電解質
53 添加剤
55 被覆物
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上記非水電解液には,添加剤として下記の式(α)で表される化合物が添加されており,
上記正極活物質は,組成式LixFe1-yMeyPO4(但し,Meは,Mn,Cr,Co,Cu,Ni,V,Mo,Ti,Zn,Al,Ga,Mg,B及びNbから選ばれる1種以上,0.05≦x≦1.2,0≦y≦1.0)で表されるオリビン構造のリチウム鉄複合酸化物を主成分とし、
上記添加剤は,上記電解質とのモル比で,電解質:添加剤=97〜2:3〜98となるように上記非水電解液中に添加されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
In the non-aqueous electrolyte, a compound represented by the following formula (α) is added as an additive,
The positive electrode active material has a composition formula Li x Fe 1-y Me y PO 4 (where Me is Mn, Cr, Co, Cu, Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B, and The main component is a lithium iron composite oxide having an olivine structure represented by one or more selected from Nb, 0.05 ≦ x ≦ 1.2, 0 ≦ y ≦ 1.0) ,
The lithium ion secondary battery is characterized in that the additive is added to the non-aqueous electrolyte so that the molar ratio with the electrolyte is electrolyte: additive = 97-2: 3-98. .
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