JP4600136B2 - Aqueous electrolyte lithium secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、電解液として、リチウム塩を水に溶解してなる水系電解液を有する水系電解液リチウム二次電池に関する。   The present invention relates to an aqueous electrolyte lithium secondary battery having an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water as an electrolyte.

リチウムの吸蔵及び脱離現象を利用したリチウム二次電池は、高電圧でエネルギー密度が高く、また小型・軽量化が図れることから、パソコンや携帯電話等の携帯情報端末等を中心に情報機器や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、資源問題から電気自動車の開発が急がれる中、リチウム二次電池を電気自動車用電源として用いることが検討されている。   Lithium rechargeable batteries that use the lithium absorption and desorption phenomenon are high voltage, high energy density, and can be reduced in size and weight. Practical use has progressed in the field of communication equipment, and it has become widely popular. In other fields, the use of lithium secondary batteries as a power source for electric vehicles is being studied while the development of electric vehicles is urgent due to environmental issues and resource issues.

現在、実用化されているリチウム二次電池としては、電解液としてリチウム塩を有機溶媒に溶解してなる非水系電解液を含有する非水系のリチウム二次電池が主流である。このような非水系のリチウム二次電池としては、一般に、リチウム遷移金属複合酸化物からなる正極活物質、導電性炭素材料からなる導電剤、及びフッ素樹脂からなるバインダーを含有する正極合材を、アルミニウム箔からなる集電体に塗布してなる正極と、リチウムを吸蔵及び脱離可能な炭素材料からなる負極活物質、及びフッ素樹脂又は水溶性樹脂からなるバインダーを含有する負極合材を、銅箔からなる集電体に塗布してなる負極とを有するものが用いられている。   Currently, non-aqueous lithium secondary batteries containing a non-aqueous electrolyte solution obtained by dissolving a lithium salt in an organic solvent as an electrolyte solution are mainly used as lithium secondary batteries in practical use. As such a non-aqueous lithium secondary battery, in general, a positive electrode active material composed of a lithium transition metal composite oxide, a conductive agent composed of a conductive carbon material, and a positive electrode mixture containing a binder composed of a fluororesin, A negative electrode mixture containing a positive electrode applied to a current collector made of aluminum foil, a negative electrode active material made of a carbon material capable of inserting and extracting lithium, and a binder made of a fluororesin or a water-soluble resin, What has the negative electrode formed by apply | coating to the collector which consists of foil is used.

しかし、非水系のリチウム二次電池は、電解液として引火点の低い有機溶媒等の非水系電解液を含有しているため、過充電や短絡等により引火、爆発の危険性を有している。また、過充電状態に至った場合や高温環境下にさらされた場合には、電解液が分解して可燃性ガスを発生するおそれがある。そのため、非水系のリチウム二次電池には、安全性を確保する目的として、PCT素子や安全弁等のデバイスを装備するのが一般的である。しかし、非水系のリチウム二次電池は、もともと可燃性の溶媒を含有しているため、安全性を充分に確保するには相当の困難がつきまとう。特に、非水系のリチウム二次電池を自動車等の動力用電源として用いる場合には、電池が大型化し、使用する有機溶媒の量が多くなることに加え、使用温度が高く、過酷な条件下での使用が予想されるため、より安全性の高いリチウム二次電池が要求されていた。   However, since non-aqueous lithium secondary batteries contain non-aqueous electrolytes such as organic solvents with a low flash point as the electrolyte, there is a risk of ignition or explosion due to overcharge or short circuit. . Further, when the battery is overcharged or exposed to a high temperature environment, the electrolyte solution may decompose and generate a flammable gas. For this reason, non-aqueous lithium secondary batteries are generally equipped with devices such as PCT elements and safety valves for the purpose of ensuring safety. However, since non-aqueous lithium secondary batteries originally contain a flammable solvent, it is difficult to ensure sufficient safety. In particular, when using a non-aqueous lithium secondary battery as a power source for automobiles or the like, the battery becomes larger and the amount of the organic solvent used increases. Therefore, a lithium secondary battery with higher safety has been demanded.

また、非水系のリチウム二次電池においては、電池内に水分がわずかにでも存在すると、水の電気分解によりガスが発生したり、水とリチウムとが反応してリチウムが消費されたり、また、電池を構成する材料が腐食したりするおそれがある。そのため、非水系のリチウム二次電池においては、その製造工程において徹底したドライ環境を維持する必要がある。その結果、水分を完全に除去するための特殊な設備と多大な労力を要し、製造コストが高くなってしまうという問題があった。   In addition, in a non-aqueous lithium secondary battery, if there is even a small amount of moisture in the battery, gas is generated due to electrolysis of water, water reacts with lithium and lithium is consumed, There is a risk of corrosion of the material constituting the battery. Therefore, in a non-aqueous lithium secondary battery, it is necessary to maintain a thorough dry environment in the manufacturing process. As a result, there is a problem that special equipment and a great amount of labor are required to completely remove moisture, resulting in an increase in manufacturing cost.

一方、電解液として水溶液を用いた水系電解液リチウム二次電池がある(特許文献1参照)。この水系電解液リチウム二次電池は、上記非水系のリチウム二次電池が有する上記のような問題に対して非常に有利である。
即ち、水系電解液リチウム二次電池は、上記有機溶媒を含有していないため、引火等の危険性がほとんどない。また、その製造時にドライ環境を必要としないため、製造コストを低くすることができる。
また、一般に水系電解液リチウム二次電池は、水の電気分解が起こらない電位範囲で充放電をさせることが必要であるが、水溶液は非水溶液に比べて導電性が高いため、非水系のリチウム二次電池に比べて電池の反応抵抗が低く、電池の出力特性やレート特性が向上するという利点がある。
On the other hand, there is an aqueous electrolyte lithium secondary battery using an aqueous solution as an electrolyte (see Patent Document 1). This aqueous electrolyte lithium secondary battery is very advantageous for the above-described problems of the non-aqueous lithium secondary battery.
That is, since the aqueous electrolyte lithium secondary battery does not contain the organic solvent, there is almost no risk of ignition. Moreover, since a dry environment is not required at the time of manufacture, the manufacturing cost can be reduced.
In general, an aqueous electrolyte lithium secondary battery needs to be charged / discharged in a potential range where electrolysis of water does not occur. However, an aqueous solution has higher conductivity than a non-aqueous solution. Compared to the secondary battery, there is an advantage that the reaction resistance of the battery is low and the output characteristics and rate characteristics of the battery are improved.

このような水系電解液リチウム二次電池の正極や負極は、非水系のリチウム二次電池と同様に、活物質と導電剤とバインダーとからなる電極合材(正極合材又は負極合材)を、金属箔等からなる集電体に塗布し乾燥して作製される。上記水系電解液リチウム二次電池は、その研究の歴史が浅いこともあり、正極や負極に用いるバインダーに関する報告はほとんどない。したがって、これまで、水系電解液リチウム二次電池のバインダーとしては、非水系のリチウム二次電池の正極及び負極に用いられていたポリフッ化ビニリデンやテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂や、スチレンブタジエンゴム等の炭化水素系樹脂が用いられてきた(特許文献1及び特許文献2参照)。   As in the case of the non-aqueous lithium secondary battery, the positive electrode and the negative electrode of such an aqueous electrolyte lithium secondary battery are made of an electrode mixture (positive electrode mixture or negative electrode mixture) composed of an active material, a conductive agent, and a binder. It is manufactured by applying to a current collector made of metal foil or the like and drying. The aqueous electrolyte lithium secondary battery has a short history of research, and there are few reports on binders used for positive and negative electrodes. Therefore, until now, as binders for aqueous electrolyte lithium secondary batteries, fluororesins such as polyvinylidene fluoride and tetrafluoroethylene used for the positive and negative electrodes of non-aqueous lithium secondary batteries, styrene butadiene rubber, etc. The hydrocarbon-based resin has been used (see Patent Document 1 and Patent Document 2).

しかしながら、非水系のリチウム二次電池用のバインダーを正極や負極に含有する水系電解液リチウム二次電池においては、電極合材と集電体との密着性が不充分で、これらの間に水が入り込み易く、電池の充放電中に電極にフクレが発生するおそれがあった。
また、非水系のリチウム二次電池に用いられていたバインダーは、水との親和性がほとんどなく、水溶液中で収縮する性質を有している。そのため、充放電に伴って正極活物質及び負極活物質の粒子が膨張及び収縮するときに、水系電解液中で収縮したバインダーが活物質粒子の表面から脱離し易い。その結果、正極活物質及び負極活物質の粒子間の結合力が失われて、正極活物質及び負極活物質の粒子が集電体から滑落するおそれがあった。そのため、充放電を繰り返すにつれて、放電容量が低下し易く、実用に耐えうる充放電サイクル特性を発揮できないという問題があった。
However, in an aqueous electrolyte lithium secondary battery containing a binder for a non-aqueous lithium secondary battery in the positive electrode or the negative electrode, the adhesion between the electrode mixture and the current collector is insufficient, and there is no water between them. There was a possibility that swelling would occur in the electrode during charging / discharging of the battery.
Moreover, the binder used for the non-aqueous lithium secondary battery has almost no affinity with water and has a property of shrinking in an aqueous solution. Therefore, when the particles of the positive electrode active material and the negative electrode active material expand and contract with charge / discharge, the binder contracted in the aqueous electrolyte solution is easily detached from the surface of the active material particles. As a result, the bonding force between the particles of the positive electrode active material and the negative electrode active material is lost, and the particles of the positive electrode active material and the negative electrode active material may slide off from the current collector. For this reason, as charge / discharge is repeated, there is a problem in that the discharge capacity tends to decrease and charge / discharge cycle characteristics that can withstand practical use cannot be exhibited.

特表平9−508490号公報JP-T 9-508490 特開2001−52747号公報JP 2001-52747 A

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、正極合材や負極合材と集電体との密着性に優れ、充放電サイクル特性に優れた水系電解液リチウム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 is an aqueous electrolyte lithium secondary that is excellent in adhesion between a positive electrode mixture or negative electrode mixture and a current collector and excellent in charge / discharge cycle characteristics. It is intended to provide a battery.

本発明は、正極集電体に正極合材を結着してなる正極と、負極集電体に負極合材を結着してなる負極と、リチウム塩を水に溶解してなる水系電解液とを有する水系電解液リチウム二次電池において、
上記正極合材は、リチウムを可逆的に吸蔵及び脱離できるリチウム含有複合酸化物からなる正極活物質と、導電性を有する炭素系材料からなる導電剤と、バインダーとを含有し、
上記負極合材は、上記正極活物質が含有する上記リチウム含有複合酸化物よりも、リチウムの吸蔵電位及び脱離電位が低い複合酸化物からなる負極活物質と、導電性を有する炭素系材料からなる導電剤と、バインダーとを含有し、
上記正極合材及び上記負極合材における上記バインダーとしては、水溶性又は水分散性であり、かつ酸素原子を含み水中で陰イオンを形成する官能基を含有する高分子化合物を用いることを特徴とする水系電解液リチウム二次電池にある(請求項1)。
The present invention relates to a positive electrode formed by binding a positive electrode mixture to a positive electrode current collector, a negative electrode formed by binding a negative electrode mixture to a negative electrode current collector, and an aqueous electrolyte solution obtained by dissolving a lithium salt in water In an aqueous electrolyte lithium secondary battery having
The positive electrode mixture contains a positive electrode active material made of a lithium-containing composite oxide capable of reversibly inserting and extracting lithium, a conductive agent made of a carbon-based material having conductivity, and a binder.
The negative electrode mixture is composed of a negative electrode active material composed of a composite oxide having a lower lithium storage and desorption potential than the lithium-containing composite oxide contained in the positive electrode active material, and a conductive carbon-based material. Containing a conductive agent and a binder,
The binder in the positive electrode mixture and the negative electrode mixture is characterized by using a polymer compound that is water-soluble or water-dispersible and contains a functional group that contains an oxygen atom and forms an anion in water. In the aqueous electrolyte lithium secondary battery.

本発明の水系電解液リチウム二次電池において最も注目すべき点は、上記正極合材及び上記負極合材における上記バインダーとして、水溶性又は水分散性であり、かつ酸素原子を含み水中で陰イオンを形成する官能基を含有する高分子化合物を用いる点にある。
そのため、上記水系電解液リチウム二次電池においては、上記正極合材及び上記負極合材と、例えば金属箔等からなる上記正極集電体及び上記負極集電体とが優れた密着性で結合することができる。それ故、上記水系電解液リチウム二次電池においては、上記正極合材及び上記負極合材が集電体から滑落することを防止でき、充放電を繰り返し行っても高い放電容量を維持できる。以下、この作用効果について詳説する。
The most remarkable point in the aqueous electrolyte lithium secondary battery of the present invention is that the binder in the positive electrode mixture and the negative electrode mixture is water-soluble or water-dispersible and contains oxygen atoms and anions in water. The high molecular compound containing the functional group which forms is in the point used.
Therefore, in the aqueous electrolyte lithium secondary battery, the positive electrode mixture and the negative electrode mixture are bonded to the positive electrode current collector and the negative electrode current collector made of, for example, metal foil with excellent adhesion. be able to. Therefore, in the aqueous electrolyte lithium secondary battery, the positive electrode mixture and the negative electrode mixture can be prevented from sliding off the current collector, and a high discharge capacity can be maintained even after repeated charge and discharge. Hereinafter, this effect will be described in detail.

即ち、例えば金属箔等よりなる上記正極集電体及び上記負極集電体は、上記水系電解液中において通常酸化又は水酸化しており、表面が酸素原子で覆われている。また、本発明において、上記バインダーは、酸素原子を含み水中で陰イオンを形成する官能基を含有している。そのため、上記バインダーは、該バインダーの酸素原子と、上記正極集電体及び上記負極集電体の表面における酸素原子又は水酸基との間で化学結合を形成することができる。それ故、上記水系電解液リチウム二次電池においては、上記バインダーによって、上記正極合材及び負極合材をそれぞれ上記正極集電体及び負極集電体に密着性よく結着させることができる。したがって、上記水系電解液リチウム二次電池においては、上記正極集電体と上記正極合材との間や、上記負極集電体と上記正極合材との間に、水系電解液の水が入り込み難く、正極や負極にフクレが発生して上記正極合材や上記負極合材が集電体から剥離することを防止できる。   That is, the positive electrode current collector and the negative electrode current collector made of, for example, metal foil are usually oxidized or hydroxylated in the aqueous electrolyte solution, and the surface is covered with oxygen atoms. In the present invention, the binder contains a functional group containing an oxygen atom and forming an anion in water. Therefore, the binder can form a chemical bond between oxygen atoms of the binder and oxygen atoms or hydroxyl groups on the surfaces of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector. Therefore, in the aqueous electrolyte lithium secondary battery, the positive electrode mixture and the negative electrode mixture can be bound to the positive electrode current collector and the negative electrode current collector with good adhesion by the binder. Therefore, in the aqueous electrolyte lithium secondary battery, water of the aqueous electrolyte enters between the positive electrode current collector and the positive electrode mixture or between the negative electrode current collector and the positive electrode mixture. It is difficult, and it is possible to prevent the positive electrode mixture and the negative electrode mixture from separating from the current collector due to the occurrence of swelling on the positive electrode and the negative electrode.

また、上記水系電解液リチウム二次電池において、上記正極活物質及び上記負極活物質は、いずれもが複合酸化物からなる。そのため、上記バインダーは、上記正極活物質及び上記負極活物質の粒子にも結合することができ、上記正極活物質の粒子同士、及び上記負極活物質の粒子同士の結合力を高くすることができる。
したがって、上記バインダーは、上記のごとく正極集電体及び負極集電体に結合できると共に、上記正極活物質及び上記負極活物質にも結合することができる。そのため、上記正極合材においては、上記正極活物質が上記正極集電体の表面に充分に保持され、また、上記負極合材においても、上記負極活物質が上記負極集電体の表面に充分に保持される。それ故、リチウムの吸蔵・脱離に伴って、上記正極活物質の粒子及び上記負極活物質の粒子が膨張及び収縮しても、上記バインダーは活物質の表面から脱離し難い。
In the aqueous electrolyte lithium secondary battery, both the positive electrode active material and the negative electrode active material are composed of a composite oxide. Therefore, the binder can be bonded to the particles of the positive electrode active material and the negative electrode active material, and the bonding force between the particles of the positive electrode active material and the particles of the negative electrode active material can be increased. .
Therefore, the binder can be bonded to the positive electrode current collector and the negative electrode current collector as described above, and can also be bonded to the positive electrode active material and the negative electrode active material. Therefore, in the positive electrode mixture, the positive electrode active material is sufficiently held on the surface of the positive electrode current collector, and also in the negative electrode mixture, the negative electrode active material is sufficiently on the surface of the negative electrode current collector. Retained. Therefore, even when the positive electrode active material particles and the negative electrode active material particles expand and contract with the insertion and extraction of lithium, the binder is not easily detached from the surface of the active material.

また、上記バインダーは、水溶性又は水分散性を有するが、上記正極集電体に結着させた状態の上記正極合材、及び上記負極集電体に結着させた状態の上記負極合材においては、もはや上記バインダーが上記水系電解液に溶出することはほとんどない。上記バインダーにおいて水中で陰イオンとなる上記官能基が、上記のごとく上記正極集電体及び上記負極集電体や上記正極活物質及び上記負極活物質と化学結合を形成するからである。   The binder has water solubility or water dispersibility, but the positive electrode mixture in a state of being bound to the positive electrode current collector and the negative electrode mixture in a state of being bound to the negative electrode current collector. In, the binder no longer elutes into the aqueous electrolyte. This is because the functional group that becomes an anion in water in the binder forms a chemical bond with the positive electrode current collector, the negative electrode current collector, the positive electrode active material, and the negative electrode active material as described above.

したがって、上記水系電解液リチウム二次電池においては、上記正極合材及び上記負極合材がそれぞれ上記正極集電体及び上記負極集電体から脱離し難く、充放電を繰り返し行っても高い放電容量を維持することができる。   Therefore, in the aqueous electrolyte lithium secondary battery, the positive electrode mixture and the negative electrode mixture are not easily detached from the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, respectively. Can be maintained.

このように、本発明によれば、正極合材や負極合材と集電体との密着性に優れ、充放電サイクル特性に優れた水系電解液リチウム二次電池を提供することができる。   Thus, according to the present invention, it is possible to provide an aqueous electrolyte lithium secondary battery that is excellent in the adhesion between the positive electrode mixture or the negative electrode mixture and the current collector and excellent in charge / discharge cycle characteristics.

次に、本発明の水系電解液リチウム二次電池の好ましい実施の形態について、電池の構成要素ごとに説明する。ここで、上記水系電解液リチウム二次電池は、上述のごとく、正極集電体に正極合材を結着してなる正極と、負極集電体に負極合材を結着してなる負極と、リチウム塩を水に溶解してなる水系電解液とを有する。上記正極合材は、正極活物質と、導電剤と、バインダーとを含有し、上記負極合材は、負極活物質と、導電剤と、バインダーとを含有する。   Next, preferred embodiments of the aqueous electrolyte lithium secondary battery of the present invention will be described for each component of the battery. Here, as described above, the aqueous electrolyte lithium secondary battery includes a positive electrode formed by binding a positive electrode mixture to a positive electrode current collector, and a negative electrode formed by binding a negative electrode mixture to a negative electrode current collector. And an aqueous electrolyte solution obtained by dissolving a lithium salt in water. The positive electrode mixture contains a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder, and the negative electrode mixture contains a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder.

まず、上記正極合材及び負極合材に含まれるバインダーについて説明する。
(バインダー)
上記バインダーは、水溶性又は水分散性であり、かつ酸素原子を含み水中で陰イオンを形成する官能基を含有する高分子化合物である。上記バインダーとしては、上記官能基を含有する水溶性高分子や上記官能基を含有する水分散性高分子等がある。また、上記バインダーは、上記高分子化合物の酸素原子を含む上記官能基が陰イオンとなることにより、水溶性又は水分散性を発揮できる化合物である。具体的には、上記バインダーは、例えば有機カルボン酸、有機スルホン酸等の有機酸、有機カルボン酸塩、有機スルホン酸塩等の有機酸塩を含有する高分子化合物であり、例えば水溶性アクリル樹脂、及び水分散型スチレンブタジエンゴム、水溶性フッ素樹脂、水溶性メラミン樹脂、水溶性セルロース、及び水溶性ポリブタジエン等から選ばれる1種以上を用いることができる。また、上記正極合材用のバインダー及び上記負極合材用のバインダーは、互いに同じものであっても異なるものであってもよい。
First, the binder contained in the positive electrode mixture and the negative electrode mixture will be described.
(binder)
The binder is a polymer compound that is water-soluble or water-dispersible and contains a functional group that contains an oxygen atom and forms an anion in water. Examples of the binder include a water-soluble polymer containing the functional group and a water-dispersible polymer containing the functional group. The binder is a compound that can exhibit water solubility or water dispersibility when the functional group containing an oxygen atom of the polymer compound becomes an anion. Specifically, the binder is a polymer compound containing an organic acid such as an organic carboxylic acid or an organic sulfonic acid, or an organic acid salt such as an organic carboxylate or an organic sulfonate, such as a water-soluble acrylic resin. And one or more selected from water-dispersed styrene butadiene rubber, water-soluble fluororesin, water-soluble melamine resin, water-soluble cellulose, water-soluble polybutadiene, and the like. The binder for the positive electrode mixture and the binder for the negative electrode mixture may be the same as or different from each other.

また、上記バインダーとして塩を用いる場合には、アルカリ金属塩を用いることができる。電解液中への溶出を考慮してアルカリ金属塩としてリチウム塩を用いた場合には、充放電に対する影響をなくすことができる。   In addition, when a salt is used as the binder, an alkali metal salt can be used. When the lithium salt is used as the alkali metal salt in consideration of elution into the electrolytic solution, the influence on charging / discharging can be eliminated.

(正極)
上記正極は、例えば上記正極活物質、上記導電剤、及び上記バインダーを含有する上記正極合材を、上記正極集電体に塗布し乾燥して、必要に応じてプレスして形成することができる。
上記正極活物質は、リチウムを可逆的に吸蔵及び脱離できるリチウム含有複合酸化物からなる。具体的には、例えばリチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム鉄複合リン酸化物等がある。
上記導電剤は、電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、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素系材料から選ばれる1種又は2種以上を用いることができる。
(Positive electrode)
The positive electrode can be formed, for example, by applying the positive electrode mixture containing the positive electrode active material, the conductive agent, and the binder to the positive electrode current collector, drying, and pressing as necessary. .
The positive electrode active material is made of a lithium-containing composite oxide capable of reversibly inserting and extracting lithium. Specifically, for example, there are lithium cobalt composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium manganese composite oxide, lithium iron composite phosphorus oxide, and the like.
The conductive agent is for ensuring the electrical conductivity of the electrode. For example, one or more selected from carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, and graphite can be used. .

また、上記正極合材は、該正極合材100重量部中に、上記正極活物質を50〜95重量部、上記導電剤を3〜30重量部、上記バインダーを2〜20重量部含有することが好ましい。
上記正極活物質の含有量が50重量部未満の場合には、上記水系電解液リチウム二次電池は、実用に耐えうる程の充分な充放電容量を発揮できないおそれがある。一方、95重量部を超える場合には、上記導電剤もしくは上記バインダーの含有量が不足し、上記水系電解液リチウム二次電池は、電気抵抗が高くなったり、上記正極合材と上記正極集電体との密着性が低下したりするおそれがある。
The positive electrode mixture contains 50 to 95 parts by weight of the positive electrode active material, 3 to 30 parts by weight of the conductive agent, and 2 to 20 parts by weight of the binder in 100 parts by weight of the positive electrode mixture. Is preferred.
When the content of the positive electrode active material is less than 50 parts by weight, the aqueous electrolyte lithium secondary battery may not exhibit sufficient charge / discharge capacity to withstand practical use. On the other hand, when the amount exceeds 95 parts by weight, the content of the conductive agent or the binder is insufficient, and the aqueous electrolyte lithium secondary battery has a high electrical resistance or the positive electrode mixture and the positive electrode current collector. There is a risk that the adhesion to the body may be reduced.

また、上記導電剤の含有量が、3重量部未満の場合には、正極の導電性が低下し、上記水系電解液リチウム二次電池の電気抵抗が高くなるおそれがある。一方、30重量部を超える場合には、上記水系電解液リチウム二次電池の電池容量が低下するおそれがある。
また、上記バインダーの含有量が2重量部未満の場合には、上述の上記正極合材と上記正極集電体との密着性の向上効果が充分に発揮されないおそれがある。一方、20重量部を超える場合には、上記水系電解液リチウム二次電池の電池容量が低下するおそれがある。
Moreover, when content of the said electrically conductive agent is less than 3 weight part, there exists a possibility that the electroconductivity of a positive electrode may fall and the electrical resistance of the said aqueous electrolyte lithium secondary battery may become high. On the other hand, when it exceeds 30 weight part, there exists a possibility that the battery capacity of the said aqueous electrolyte lithium secondary battery may fall.
Moreover, when content of the said binder is less than 2 weight part, there exists a possibility that the adhesive improvement effect of the said positive electrode compound material and the said positive electrode electrical power collector may not fully be exhibited. On the other hand, when it exceeds 20 weight part, there exists a possibility that the battery capacity of the said aqueous electrolyte lithium secondary battery may fall.

上記正極合材を上記正極集電体に塗布する際には、例えば上記バインダーを水に溶解又は分散させてバインダー液を作製し、このバインダー液中に上記正極活物質及び上記導電剤を充分に分散させ、さらに水で塗布に適した粘度に調整した後、上記集電体に塗布することができる。   When the positive electrode mixture is applied to the positive electrode current collector, for example, the binder is dissolved or dispersed in water to prepare a binder liquid, and the positive electrode active material and the conductive agent are sufficiently contained in the binder liquid. After being dispersed and further adjusted to a viscosity suitable for application with water, it can be applied to the current collector.

(負極)
上記負極は、例えば上記負極活物質、上記導電剤、及び上記バインダーを含有する上記負極合材を、上記負極集電体に塗布し乾燥して、必要に応じてプレスして形成することができる。上記負極としては、活物質として上記負極活物質を含有することを除き、上記正極と同様のものを用いることができる。
上記負極活物質は、上記正極活物質が含有するリチウム含有複合酸化物よりも、リチウムの吸蔵電位及び脱離電位が低い複合酸化物からなる。具体的には、例えばリチウムバナジウム複合酸化物やリチウムチタン複合酸化物などのリチウム遷移金属複合酸化物、又は水酸化鉄等がある。
(Negative electrode)
The negative electrode can be formed, for example, by applying the negative electrode mixture containing the negative electrode active material, the conductive agent, and the binder to the negative electrode current collector, drying, and pressing as necessary. . The negative electrode can be the same as the positive electrode except that it contains the negative electrode active material as an active material.
The negative electrode active material is composed of a composite oxide having a lithium occlusion potential and a desorption potential lower than those of the lithium-containing composite oxide contained in the positive electrode active material. Specifically, for example, there are lithium transition metal composite oxides such as lithium vanadium composite oxide and lithium titanium composite oxide, or iron hydroxide.

また、上記負極合材は、該負極合材100重量部中に、上記負極活物質を50〜95重量部、上記導電剤を3〜30重量部、上記バインダーを2〜20重量部含有することが好ましい。これらの臨界意義については、上記正極合材と同様である。   The negative electrode mixture contains 50 to 95 parts by weight of the negative electrode active material, 3 to 30 parts by weight of the conductive agent, and 2 to 20 parts by weight of the binder in 100 parts by weight of the negative electrode mixture. Is preferred. About these critical significance, it is the same as that of the said positive electrode compound material.

(電解液)
上記水系電解液リチウム二次電池は、電解液として、リチウム塩を水に溶解してなる水系電解液を含有する。リチウム塩は、水に溶解することにより解離し、リチウムイオンが電解液中に存在する。このようなリチウム塩としては、例えば硝酸リチウム、硫酸リチウム、水酸化リチウム、ヨウ化リチウム等がある。これらのリチウム塩は1種を用いることもできるが、2種以上を混合して用いることもできる。
(Electrolyte)
The aqueous electrolyte lithium secondary battery contains an aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt in water as an electrolyte. The lithium salt is dissociated by dissolving in water, and lithium ions are present in the electrolytic solution. Examples of such a lithium salt include lithium nitrate, lithium sulfate, lithium hydroxide, and lithium iodide. These lithium salts may be used alone or in combination of two or more.

また、上記水系電解液は、そのpHが、6≦pH≦10の範囲にあることが好ましい(請求項2)。
この場合には、上記正極中の上記正極活物質及び上記負極中の上記負極活物質の水溶液中での安定性を向上させることができ、上記正極活物質及び上記負極活物質におけるリチウムイオンの吸蔵及び脱離反応がよりスムーズになる。
The aqueous electrolyte solution preferably has a pH in a range of 6 ≦ pH ≦ 10.
In this case, the stability of the positive electrode active material in the positive electrode and the negative electrode active material in the negative electrode in an aqueous solution can be improved, and occlusion of lithium ions in the positive electrode active material and the negative electrode active material. And the elimination reaction becomes smoother.

上記水系電解液のpHが6未満の場合には、上記正極活物質及び/又は上記負極活物質が溶解し、上記水系電解液中に安定に存在できなくなるおそれがある。一方、pHが10を超える場合には、上記水系電解液と、例えば金属箔等からなる上記正極集電体や上記負極集電体との間で反応がおこり、電極が安定に存在できなくなるおそれがある。
また、上記水系電解液中のリチウム塩濃度は、電解液の電気伝導度を高くして上記水系電解液リチウム二次電池の内部抵抗を低くするという観点から、飽和濃度もしくはそれに近い濃度とすることが好ましい。
When the pH of the aqueous electrolyte is less than 6, the positive electrode active material and / or the negative electrode active material may be dissolved and cannot be stably present in the aqueous electrolyte. On the other hand, when the pH exceeds 10, a reaction occurs between the aqueous electrolyte and the positive electrode current collector or the negative electrode current collector made of, for example, a metal foil, and the electrode may not exist stably. There is.
In addition, the lithium salt concentration in the aqueous electrolyte solution should be a saturated concentration or a concentration close to it from the viewpoint of increasing the electrical conductivity of the electrolyte solution and reducing the internal resistance of the aqueous electrolyte lithium secondary battery. Is preferred.

(集電体)
上記水系電解液リチウム二次電池においては、正極に上記正極集電体を有し、負極に上記負極集電体を有する。このような集電体としては、導電性に優れ、水系電解液中で安定な金属箔等を用いることができる。具体的には、例えばニッケル、アルミニウム、白金、又はこれらの合金等からなる金属箔がある。
(Current collector)
In the aqueous electrolyte lithium secondary battery, the positive electrode has the positive electrode current collector, and the negative electrode has the negative electrode current collector. As such a current collector, a metal foil or the like that is excellent in conductivity and stable in an aqueous electrolyte can be used. Specifically, for example, there is a metal foil made of nickel, aluminum, platinum, or an alloy thereof.

また、上記正極集電体及び上記負極集電体は、そのいずれもがアルミニウムよりなることが好ましい(請求項3)。
この場合には、上記水系電解液のpHが上述のごとく6≦pH≦10のという好ましい範囲にある場合においても、上記正極集電体及び上記負極集電体が上記水系電解液中で反応してしまうことを防止し、上記水系電解液中での上記正極集電体及び上記負極集電体の安定性を向上させることができる。また、この場合には、上記水系電解液リチウム二次電池の製造コストを低くすることができると共に、その軽量化を図ることができる。
Moreover, it is preferable that both of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are made of aluminum.
In this case, the positive electrode current collector and the negative electrode current collector react in the aqueous electrolyte solution even when the pH of the aqueous electrolyte solution is in the preferred range of 6 ≦ pH ≦ 10 as described above. And the stability of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector in the aqueous electrolyte can be improved. In this case, the manufacturing cost of the aqueous electrolyte lithium secondary battery can be reduced, and the weight can be reduced.

(その他)
上記水系電解液リチウム二次電池においては、上記正極と上記負極との間にセパレータを狭装することができる。
上記セパレータは、正極と負極とを分離し上記水系電解液を保持するものであり、上記水系電解液中で安定なものを用いることができる。具体的には、例えばセルロース、ポリエチレン、及びポリプロピレン等の薄い微多孔膜からなるものを用いることができる。
(Other)
In the aqueous electrolyte lithium secondary battery, a separator can be sandwiched between the positive electrode and the negative electrode.
The said separator isolate | separates a positive electrode and a negative electrode, and hold | maintains the said aqueous electrolyte solution, A stable thing can be used in the said aqueous electrolyte solution. Specifically, what consists of thin microporous films, such as a cellulose, polyethylene, and a polypropylene, can be used, for example.

また、上記水系電解液リチウム二次電池の形状としては、例えば円筒型、積層型、コイン型、角型等がある。正極、負極、及び水系電解液等を収容する電池ケースとしては、これらの形状に対応したものを用いることができる。
上記水系電解液リチウム二次電池は、例えば上記正極と上記負極との間に上記セパレータを狭装してなる電極体を、所定の形状の電池ケースに収納し、上記正極集電体及び上記負極集電体を、リード線を介して正極外部端子及び負極外部端子に電気的に接続し、上記電極体に上記水系電解液を含浸させて、電池ケースを密閉することにより作製することができる。
Examples of the shape of the aqueous electrolyte lithium secondary battery include a cylindrical shape, a stacked shape, a coin shape, and a square shape. As the battery case that accommodates the positive electrode, the negative electrode, the aqueous electrolyte, and the like, those corresponding to these shapes can be used.
The aqueous electrolyte lithium secondary battery includes, for example, an electrode body in which the separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode in a battery case having a predetermined shape, and the positive electrode current collector and the negative electrode The current collector can be produced by electrically connecting the positive electrode external terminal and the negative electrode external terminal via lead wires, impregnating the electrode body with the aqueous electrolyte solution, and sealing the battery case.

(実施例1)
次に、本発明の水系電解液リチウム二次電池の実施例について、図1及び図2を用いて説明する。
図1及び図2に示すごとく、本例の水系電解液リチウム二次電池1は、正極集電体21に正極合材25を結着してなる正極2と、負極集電体31に負極合材35を結着してなる負極3と、リチウム塩を水に溶解してなる水系電解液とを有する。
Example 1
Next, examples of the aqueous electrolyte lithium secondary battery of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 1 and 2, the aqueous electrolyte lithium secondary battery 1 of this example includes a positive electrode 2 formed by binding a positive electrode mixture 25 to a positive electrode current collector 21, and a negative electrode current collector 31. It has the negative electrode 3 formed by binding the material 35 and an aqueous electrolyte solution obtained by dissolving lithium salt in water.

図2に示すごとく、正極合材25は、リチウムを可逆的に吸蔵及び脱離できるリチウム含有複合酸化物からなる正極活物質251と、導電性を有する炭素系材料からなる導電剤253と、バインダー255とを含有する。
また、負極合材35は、正極活物質25が含有するリチウム含有複合酸化物よりも、リチウムの吸蔵電位及び脱離電位が低い複合酸化物からなる負極活物質351と、導電性を有する炭素系材料からなる導電剤353と、バインダー355とを含有する。
正極合材25及び負極合材35におけるバインダー255及び355としては、水溶性又は水分散性であり、かつ酸素原子を含み水中で陰イオンを形成する官能基を含有する高分子化合物を用いている。
As shown in FIG. 2, the positive electrode mixture 25 includes a positive electrode active material 251 made of a lithium-containing composite oxide capable of reversibly inserting and extracting lithium, a conductive agent 253 made of a carbon-based material having conductivity, and a binder. 255.
Further, the negative electrode mixture 35 is composed of a negative electrode active material 351 made of a composite oxide having a lower lithium storage and desorption potential than the lithium-containing composite oxide contained in the positive electrode active material 25, and a carbon-based conductive material. A conductive agent 353 made of a material and a binder 355 are contained.
As the binders 255 and 355 in the positive electrode mixture 25 and the negative electrode mixture 35, polymer compounds that are water-soluble or water-dispersible and contain functional groups that contain oxygen atoms and form anions in water are used. .

図1に示すごとく、本例の水系電解液リチウム二次電池1は、円筒型であり、正極2、負極3、セパレータ4、ガスケット5、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61及び外装缶62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、これら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おり、水系電解液リチウム二次電池1は捲回式の電極を有している。   As shown in FIG. 1, the aqueous electrolyte lithium secondary battery 1 of this example has a cylindrical shape, and includes a positive electrode 2, a negative electrode 3, a separator 4, a gasket 5, a battery case 6, and the like. The battery case 6 is a 18650 type cylindrical battery case, and includes a cap 61 and an outer can 62. In the battery case 6, a sheet-like positive electrode 2 and a negative electrode 3 are arranged in a state of being wound together with a separator 4 sandwiched therebetween, and the aqueous electrolyte lithium secondary battery 1 is a wound electrode. have.

また、電池ケース6のキャップ61の内側には、ガスケット5が配置されており、電池ケース6の内部には、水系電解液が注入されている。
正極2及び負極3には、それぞれ正極集電リード28及び負極集電リード38が熔接により設けられている。正極集電リード28は、キャップ61側に配置された正極集電タブ285に熔接により接続されている。また、負極集電リード38は、外装缶62の底に配置された負極集電タブ385に熔接により接続されている。
また、水系電解液としては、飽和濃度の硝酸リチウム水溶液(pH=7)を用いており、該水系電解液は電池ケース6内に注入されている。
Further, the gasket 5 is disposed inside the cap 61 of the battery case 6, and a water-based electrolyte is injected into the battery case 6.
The positive electrode 2 and the negative electrode 3 are respectively provided with a positive electrode current collecting lead 28 and a negative electrode current collecting lead 38 by welding. The positive electrode current collecting lead 28 is connected by welding to a positive electrode current collecting tab 285 arranged on the cap 61 side. Further, the negative electrode current collecting lead 38 is connected by welding to a negative electrode current collecting tab 385 disposed on the bottom of the outer can 62.
Further, a saturated concentration of lithium nitrate aqueous solution (pH = 7) is used as the aqueous electrolyte, and the aqueous electrolyte is injected into the battery case 6.

次に、本例の水系電解液リチウム二次電池の製造方法につき、説明する。
まず、正極活物質として、組成式LiFePO4で表されるオリビン構造のリチウム鉄複合リン酸化物を、導電剤としてアセチレンブラックを準備した。また、バインダーとしては、カルボキシル基を含有するカルボキシメチルセルロースナトリウムと、カルボキシル基を含有する水分散型スチレンブタジエンゴムを準備した。
Next, the manufacturing method of the aqueous electrolyte lithium secondary battery of this example will be described.
First, an olivine-structured lithium iron composite phosphorus oxide represented by a composition formula LiFePO 4 was prepared as a positive electrode active material, and acetylene black was prepared as a conductive agent. As binders, sodium carboxymethylcellulose containing carboxyl groups and water-dispersed styrene butadiene rubber containing carboxyl groups were prepared.

次いで、カルボキシメチルセルロースナトリウムを水に溶解し、5wt%のカルボキシメチルセルロース水溶液(バインダー液1)を作製し、また、スチレンブタジエンゴムを水に分散させて、濃度49wt%のエマルジョン状態のスチレンブタジエンゴムの水分散液(バインダー液2)を作製した。
次に、バインダー液1中に、上記正極活物質及び導電剤を分散させて混合し、さらにバインダー液2を加えて混合し、正極合材を得た。この正極合材は、正極活物質としてリチウム鉄複合リン酸化物(LiFePO4)85重量部と、導電剤としてアセチレンブラック10重量部と、バインダーとしてカルボキシメチルセルロース2重量部と水分散型スチレンブタジエンゴム3重量部とを含有する。
Next, sodium carboxymethyl cellulose is dissolved in water to prepare a 5 wt% aqueous carboxymethyl cellulose solution (binder liquid 1), and styrene butadiene rubber is dispersed in water to give a water solution of 49 wt% styrene butadiene rubber in an emulsion state. A dispersion (binder liquid 2) was prepared.
Next, in the binder liquid 1, the said positive electrode active material and the electrically conductive agent were disperse | distributed and mixed, and also the binder liquid 2 was added and mixed, and the positive electrode compound material was obtained. This positive electrode mixture is composed of 85 parts by weight of lithium iron composite phosphate (LiFePO 4 ) as a positive electrode active material, 10 parts by weight of acetylene black as a conductive agent, 2 parts by weight of carboxymethyl cellulose as a binder, and water-dispersed styrene butadiene rubber 3 Parts by weight.

次いで、正極集電体として、厚さ20μmのアルミニウム箔を準備し、この正極集電体の両面に、正極合材を塗布し、乾燥させることにより水を蒸発させた。さらに、約1ton/cmの線圧でプレスし、シート状の正極を作製した。   Next, an aluminum foil having a thickness of 20 μm was prepared as a positive electrode current collector. Water was evaporated by applying a positive electrode mixture on both sides of the positive electrode current collector and drying it. Furthermore, it pressed with the linear pressure of about 1 ton / cm, and produced the sheet-like positive electrode.

次に、負極活物質として、組成式LiV24で表されるスピネル構造のリチウムバナジウム複合酸化物を、導電剤としてアセチレンブラックを準備した。また、バインダーとしてカルボキシル基を含有するカルボキシメチルセルロースナトリウムと、カルボキシル基を含有する水分散型スチレンブタジエンゴムを準備した。 Next, a lithium vanadium composite oxide having a spinel structure represented by a composition formula LiV 2 O 4 was prepared as a negative electrode active material, and acetylene black was prepared as a conductive agent. Further, sodium carboxymethyl cellulose containing a carboxyl group and a water-dispersed styrene butadiene rubber containing a carboxyl group were prepared as binders.

次いで、上記正極の場合と同様にして、バインダー液1及びバインダー液2を作製し、バインダー液1中に負極活物質と導電剤とを分散して混合し、さらにバインダー液2を加えて混合し、負極合材を得た。この負極合材は、負極活物質としてリチウムバナジウム複合酸化物(LiV24)85重量部と、導電剤としてアセチレンブラック10重量部と、バインダーとしてカルボキシメチルセルロース2重量部と水分散型スチレンブタジエンゴム3重量部とを含有する。
次いで、正極の場合と同様に、厚さ20μmのアルミニウム箔の負極集電体の両面に、上記負極合材を塗布し、乾燥させ、約1ton/cmの線圧でプレスし、シート状の負極を作製した。
Next, in the same manner as in the case of the positive electrode, the binder liquid 1 and the binder liquid 2 are prepared, and the negative electrode active material and the conductive agent are dispersed and mixed in the binder liquid 1, and the binder liquid 2 is further added and mixed. A negative electrode mixture was obtained. This negative electrode mixture is composed of 85 parts by weight of lithium vanadium composite oxide (LiV 2 O 4 ) as a negative electrode active material, 10 parts by weight of acetylene black as a conductive agent, 2 parts by weight of carboxymethyl cellulose as a binder, and water-dispersed styrene butadiene rubber. 3 parts by weight.
Next, as in the case of the positive electrode, the negative electrode mixture was applied to both sides of a negative electrode current collector made of aluminum foil having a thickness of 20 μm, dried, and pressed at a linear pressure of about 1 ton / cm. Was made.

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28及び負極集電リード38を熔接した。次いで、正極2及び負極3を、これらの間にセルロース系のセパレータ4を挟んだ状態で捲回し、スパイラル状の捲回式電極を作製した。
続いて、この捲回式電極を、外装缶62及びキャップ61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61側に配置した正極集電タブ285に、正極集電リード28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385に負極集電リード38を熔接により接続した。
Next, as shown in FIG. 1, a positive electrode current collecting lead 28 and a negative electrode current collecting lead 38 were welded to the sheet-like positive electrode 2 and negative electrode 3 obtained as described above, respectively. Next, the positive electrode 2 and the negative electrode 3 were wound in a state where a cellulose separator 4 was sandwiched between them, to produce a spiral wound electrode.
Subsequently, the wound electrode was inserted into an 18650 type cylindrical battery case 6 including an outer can 62 and a cap 61. At this time, the positive electrode current collecting lead 28 is connected to the positive electrode current collecting tab 285 disposed on the cap 61 side of the battery case 6 by welding, and the negative electrode current collecting lead 385 is disposed on the negative electrode current collecting tab 385 disposed on the bottom of the outer can 6. 38 were connected by welding.

次に、電池ケース6内に、水系電解液としての飽和硝酸リチウム水溶液(pH=7)を含浸させた。そして、キャップ61の内側にガスケット5を配置すると共に、このキャップ61を外装缶62の開口部に配置した。続いて、キャップ61にかしめ加工を施すことにより電池ケース6を密閉し、水系電解液リチウム二次電池1を作製した。これを電池E1とする。   Next, the battery case 6 was impregnated with a saturated lithium nitrate aqueous solution (pH = 7) as an aqueous electrolyte. The gasket 5 was disposed inside the cap 61, and the cap 61 was disposed in the opening of the outer can 62. Subsequently, the battery case 6 was hermetically sealed by caulking the cap 61, whereby the aqueous electrolyte lithium secondary battery 1 was produced. This is referred to as a battery E1.

本例の水系電解液リチウム二次電池1(電池E1)においては、図2に示すごとく、正極合材25及び負極合材35に含まれるバインダー255及び355として、水溶性又は水分散性であり、かつ酸素原子を含み水中で陰イオンを形成する官能基を含有する高分子化合物を用いている。そのため、正極合材25と正極集電体21、及び負極合材35と負極集電体31との密着性が優れている。それ故、水系電解液リチウム二次電池1においては、正極合材25及び負極合材35がそれぞれ正極集電体21及び負極集電体31から滑落することを防止でき、水系電解液リチウム二次電池1は充放電を繰り返し行っても高い放電容量を維持できる。   In the aqueous electrolyte lithium secondary battery 1 (battery E1) of this example, as shown in FIG. 2, the binders 255 and 355 contained in the positive electrode mixture 25 and the negative electrode mixture 35 are water-soluble or water-dispersible. And a polymer compound containing an oxygen atom and a functional group that forms an anion in water. Therefore, the adhesion between the positive electrode mixture 25 and the positive electrode current collector 21 and the negative electrode mixture 35 and the negative electrode current collector 31 are excellent. Therefore, in the aqueous electrolyte lithium secondary battery 1, the positive electrode mixture 25 and the negative electrode mixture 35 can be prevented from sliding off from the positive electrode current collector 21 and the negative electrode current collector 31, respectively. The battery 1 can maintain a high discharge capacity even after repeated charging and discharging.

即ち、アルミニウム箔からなる正極集電体21及び負極集電体31は、通常酸化又は水酸化しており、表面が酸素原子で覆われている。また、正極活物質251及び負極活物質351は酸化物であり、酸素原子を含有している。さらに、バインダー255及び355は、酸素原子を含み水中で陰イオンを形成する官能基(カルボキシル基)を含有している。
そのため、本例のように、バインダー255及び355の水溶液及び水分散液に正極活物質251、負極活物質351を分散させて正極合材25及び負極合材35を作製すると、正極合材25及び負極合材35においては、バインダー255及び355の官能基(カルボキシル基)が正極活物質251及び負極活物質351中の酸素原子と反応し、化学結合を形成することができる。さらに、この正極合材25及び負極合材35を正極集電体21及び負極集電体31に塗布し乾燥させると、正極集電体21及び負極集電体31の表面の酸素原子とバインダー255及び355の官能基が反応し、化学結合を形成することができる。
That is, the positive electrode current collector 21 and the negative electrode current collector 31 made of aluminum foil are usually oxidized or hydroxylated, and the surfaces are covered with oxygen atoms. The positive electrode active material 251 and the negative electrode active material 351 are oxides and contain oxygen atoms. Furthermore, the binders 255 and 355 contain a functional group (carboxyl group) that contains an oxygen atom and forms an anion in water.
Therefore, as in this example, when the positive electrode active material 251 and the negative electrode active material 351 are dispersed in the aqueous solution and aqueous dispersion of the binders 255 and 355 to produce the positive electrode mixture 25 and the negative electrode mixture 35, the positive electrode mixture 25 and In the negative electrode mixture 35, the functional groups (carboxyl groups) of the binders 255 and 355 can react with oxygen atoms in the positive electrode active material 251 and the negative electrode active material 351 to form a chemical bond. Furthermore, when the positive electrode mixture 25 and the negative electrode mixture 35 are applied to the positive electrode current collector 21 and the negative electrode current collector 31 and dried, oxygen atoms and a binder 255 on the surfaces of the positive electrode current collector 21 and the negative electrode current collector 31 are obtained. And 355 functional groups can react to form a chemical bond.

このように、本例の水系電解液リチウム二次電池1においては、バインダー255は、正極活物質251及び正極集電体21の両方に化学結合で結合することができる。また、バインダー355は、負極活物質351及び負極集電体31の両方に化学結合で結合することができる。   Thus, in the aqueous electrolyte lithium secondary battery 1 of this example, the binder 255 can be bonded to both the positive electrode active material 251 and the positive electrode current collector 21 by chemical bonding. Further, the binder 355 can be bonded to both the negative electrode active material 351 and the negative electrode current collector 31 by a chemical bond.

また、バインダー255及び355は、水との親和性を有しているため、水系電解液中においてもほとんど収縮することがない。
また、本例の水系電解液リチウム二次電池1において、上記のごとくバインダー255は、その陰イオンとなりうる官能基を利用して、正極活物質251及び正極集電体21と化学結合を形成し、またバインダー355は、その陰イオンとなりうる官能基を利用して、負極活物質351及び負極集電体31と化学結合を形成している。そのため、水系電解液リチウム二次電池1においては、もはやバインダー255及び355は、水系電解液中にほとんど溶解しない。
Moreover, since the binders 255 and 355 have affinity with water, they hardly shrink even in the aqueous electrolyte solution.
Further, in the aqueous electrolyte lithium secondary battery 1 of this example, as described above, the binder 255 forms a chemical bond with the positive electrode active material 251 and the positive electrode current collector 21 by using a functional group that can be an anion. The binder 355 forms a chemical bond with the negative electrode active material 351 and the negative electrode current collector 31 by using a functional group that can be an anion. Therefore, in the aqueous electrolyte lithium secondary battery 1, the binders 255 and 355 are no longer dissolved in the aqueous electrolyte.

したがって、本例の水系電解液リチウム二次電池1においては、正極集電体21と正極合材25、及び負極集電体31と負極合材35と密着性に優れ、正極集電体21と正極合材25との間、及び負極集電体31と負極合材35との間に、水系電解液の水が入り込み難く、正極2や負極3にフクレが発生して正極合材25や負極合材35がそれぞれ正極集電体21及び負極集電体31から脱離することを防止できる。
また、本例の水系電解液リチウム二次電池1においては、バインダー255及び355は、活物質粒子251及び351間をそれぞれ強固に結合することができ、充放電に伴って活物質粒子251及び351が膨張及び収縮しても、バインダー255及び355は、それぞれ活物質粒子251及び351間の結合を維持することができる。そのため、充放電を繰り返し行っても、正極活物質251や負極活物質351の粒子が脱離することはほとんどない。したがって、本例の水系電解液リチウム二次電池は、充放電を繰り返しても、電池容量が低下し難く、充放電サイクル特性に優れたものとなる。
Therefore, in the aqueous electrolyte lithium secondary battery 1 of this example, the positive electrode current collector 21 and the positive electrode mixture 25 and the negative electrode current collector 31 and the negative electrode mixture 35 are excellent in adhesion, and the positive electrode current collector 21 It is difficult for water of the aqueous electrolyte solution to enter between the positive electrode mixture 25 and between the negative electrode current collector 31 and the negative electrode mixture 35, and the positive electrode 2 and the negative electrode 3 are swelled to generate the positive electrode mixture 25 and the negative electrode. The composite material 35 can be prevented from being detached from the positive electrode current collector 21 and the negative electrode current collector 31, respectively.
Further, in the aqueous electrolyte lithium secondary battery 1 of the present example, the binders 255 and 355 can firmly bond the active material particles 251 and 351, respectively, and the active material particles 251 and 351 can be charged and discharged. As the material expands and contracts, the binders 255 and 355 can maintain the bond between the active material particles 251 and 351, respectively. Therefore, even when charging and discharging are repeated, the particles of the positive electrode active material 251 and the negative electrode active material 351 are hardly detached. Therefore, the aqueous electrolyte lithium secondary battery of this example is excellent in charge / discharge cycle characteristics because the battery capacity does not easily decrease even when charge / discharge is repeated.

(実施例2)
次に、本例は、実施例1で作製した水系電解液リチウム二次電池(電池E1)とは正極合材及び負極合材中のバインダーの種類が異なる7種類水系電解液リチウム二次電池(電池E2、及び電池C1〜電池C6)を作製し、充放電サイクル特性を評価する例である。
(Example 2)
Next, this example is different from the aqueous electrolyte lithium secondary battery (battery E1) produced in Example 1 in the seven types of aqueous electrolyte lithium secondary batteries (types of binder in the positive electrode mixture and negative electrode mixture) ( This is an example in which a battery E2 and batteries C1 to C6) are produced and charge / discharge cycle characteristics are evaluated.

電池E2は、バインダーとして、カルボン酸基含有する水溶性アクリル樹脂を用いた点を除いては、上記電池E1と同様にして作製したものである。
具体的には、まず、水溶性アクリル樹脂を水に溶解し、5wt%の水溶性アクリル樹脂水溶液(バインダー液3)を作製し、このバインダー液3に実施例1と同様の正極活物質及び導電剤を分散させて正極合材を作製した。この正極合材は、正極活物質としてリチウム鉄複合リン酸化物(LiFePO4)85重量部と、導電剤としてアセチレンブラック10重量部と、バインダーとして水溶性アクリル樹脂5重量部とを含有する。
次いで、実施例1と同様にして、正極合材を正極集電体に塗布、乾燥し、プレスして電池E2用の正極を作製した。また、負極についても、上記バインダー液3を用いた点を除いては実施例1と同様にして作製した。
次いで、実施例1と同様にして正極、負極を用いて巻回式電極を作製し、さらに実施例1と同様にして、18650型の円筒形状の水系電解液リチウム二次電池(電池E2)を作製した。
The battery E2 was produced in the same manner as the battery E1 except that a water-soluble acrylic resin containing a carboxylic acid group was used as a binder.
Specifically, first, a water-soluble acrylic resin is dissolved in water to prepare a 5 wt% water-soluble acrylic resin aqueous solution (binder liquid 3). The same positive electrode active material and conductive material as in Example 1 are added to this binder liquid 3. The positive electrode mixture was prepared by dispersing the agent. This positive electrode mixture contains 85 parts by weight of lithium iron composite phosphate (LiFePO 4 ) as a positive electrode active material, 10 parts by weight of acetylene black as a conductive agent, and 5 parts by weight of a water-soluble acrylic resin as a binder.
Next, in the same manner as in Example 1, the positive electrode mixture was applied to the positive electrode current collector, dried, and pressed to prepare a positive electrode for the battery E2. The negative electrode was also produced in the same manner as in Example 1 except that the binder liquid 3 was used.
Next, a wound electrode was produced using the positive electrode and the negative electrode in the same manner as in Example 1, and further, as in Example 1, a 18650 type cylindrical aqueous electrolyte lithium secondary battery (battery E2) was prepared. Produced.

また、電池C1は、正極側のバインダーとして、水不溶性で、酸素を含有する官能基を含有していないポリフッ化ビニリデンを用い、その他は実施例1の上記電池E1と同様にして作製した。即ち、電池C1は、正極のバインダーとしてポリフッ化ビニリデンを用い、負極のバインダーとしては上記電池E1と同様のカルボキシメチルセルロースナトリウム及び水分散型スチレンブタジエンゴムを用いて作製したものである。また、電池C1の正極の正極合材としては、正極活物質(LiFePO4)85重量部と、導電剤(アセチレンブラック)10重量部と、バインダー(ポリフッ化ビニリデン)5重量部とを含有するものを用いた。その他は電池E1と同様である。 The battery C1 was prepared in the same manner as the battery E1 in Example 1 except that polyvinylidene fluoride that was water-insoluble and did not contain oxygen-containing functional groups was used as the positive electrode side binder. That is, the battery C1 was prepared using polyvinylidene fluoride as the positive electrode binder, and the same sodium carboxymethyl cellulose and water-dispersed styrene butadiene rubber as the battery E1 as the negative electrode binder. The positive electrode mixture of the positive electrode of the battery C1 contains 85 parts by weight of a positive electrode active material (LiFePO 4 ), 10 parts by weight of a conductive agent (acetylene black), and 5 parts by weight of a binder (polyvinylidene fluoride). Was used. Others are the same as the battery E1.

また、電池C2は、正極側のバインダーとして、水不溶性で酸素を含有する官能基を含有するポリアクリロニトリルを用い、その他は実施例1の上記電池E1と同様にして作製した。即ち、電池C2は、正極のバインダーとしてポリアクリロニトリルを用い、負極のバインダーとしては電池E1と同様のカルボキシメチルセルロースナトリウム及び水分散型スチレンブタジエンゴムを用いて作製したものである。また、電池C2の正極の正極合材としては、正極活物質(LiFePO4)85重量部と、導電剤(アセチレンブラック)10重量部と、バインダー(ポリアクリロニトリル)5重量部を含有するものを用いた。その他は電池E1と同様である。 The battery C2 was prepared in the same manner as the battery E1 of Example 1 except that polyacrylonitrile containing a water-insoluble oxygen-containing functional group was used as the positive electrode side binder. That is, the battery C2 was prepared using polyacrylonitrile as the binder for the positive electrode and sodium carboxymethylcellulose and water-dispersed styrene butadiene rubber similar to those for the battery E1 as the binder for the negative electrode. Further, as the positive electrode mixture of the positive electrode of the battery C2, a material containing 85 parts by weight of a positive electrode active material (LiFePO 4 ), 10 parts by weight of a conductive agent (acetylene black) and 5 parts by weight of a binder (polyacrylonitrile) is used. It was. Others are the same as the battery E1.

電池C3は、負極側のバインダーとして、水不溶性で、酸素を含有する官能基を含有していないポリフッ化ビニリデンを用い、その他は実施例1の上記電池E1と同様にして作製した。即ち、電池C1は、負極のバインダーとしてポリフッ化ビニリデンを用い、正極のバインダーとしては上記電池E1と同様のカルボキシメチルセルロースナトリウム及び水分散型スチレンブタジエンゴムを用いて作製したものである。また、電池C3の負極の負極合材としては、負極活物質(LiV24)85重量部と、導電剤(アセチレンブラック)10重量部と、バインダー(ポリフッ化ビニリデン)5重量部を含有するものを用いた。その他は電池E1と同様である。 The battery C3 was produced in the same manner as the battery E1 of Example 1 except that polyvinylidene fluoride which was insoluble in water and did not contain a functional group containing oxygen was used as the binder on the negative electrode side. That is, the battery C1 was prepared using polyvinylidene fluoride as the negative electrode binder, and the same carboxymethyl cellulose sodium and water-dispersed styrene butadiene rubber as the battery E1 as the positive electrode binder. The negative electrode mixture of the negative electrode of the battery C3 contains 85 parts by weight of a negative electrode active material (LiV 2 O 4 ), 10 parts by weight of a conductive agent (acetylene black), and 5 parts by weight of a binder (polyvinylidene fluoride). A thing was used. Others are the same as the battery E1.

また、電池C4は、負極側のバインダーとして、水不溶性で酸素を含有する官能基を含有するポリアクリロニトリルを用い、その他は実施例1の上記電池E1と同様にして作製した。即ち、電池C4は、負極のバインダーとしてポリアクリロニトリルを用い、正極のバインダーとしては電池E1と同様のカルボキシメチルセルロースナトリウム及び水分散型スチレンブタジエンゴムを用いて作製したものである。また、電池C4の負極の負極合材としては、負極活物質(LiV24)85重量部と、導電剤(アセチレンブラック)10重量部と、バインダー(ポリアクリロニトリル)5重量部を含有するものを用いた。その他は電池E1と同様である。 The battery C4 was prepared in the same manner as the battery E1 of Example 1 except that polyacrylonitrile containing a functional group containing oxygen and containing water was used as the binder on the negative electrode side. That is, the battery C4 was prepared using polyacrylonitrile as the binder for the negative electrode, and sodium carboxymethyl cellulose and water-dispersed styrene butadiene rubber similar to those for the battery E1 as the positive electrode binder. The negative electrode mixture for the negative electrode of battery C4 contains 85 parts by weight of a negative electrode active material (LiV 2 O 4 ), 10 parts by weight of a conductive agent (acetylene black), and 5 parts by weight of a binder (polyacrylonitrile). Was used. Others are the same as the battery E1.

電池C5は、正極側及び負極側のバインダーとして、水不溶性で、酸素を含有する官能基を含有していないポリフッ化ビニリデンを用い、その他は実施例1の上記電池E1と同様にして作製した。電池C5の正極の正極合材としては、正極活物質(LiFePO4)85重量部と、導電剤(アセチレンブラック)10重量部と、バインダー(ポリフッ化ビニリデン)5重量部を含有するものを用いた。また、負極の負極合材としては、負極活物質(LiV24)85重量部と、導電剤(アセチレンブラック)10重量部と、バインダー(ポリフッ化ビニリデン)5重量部を含有するものを用いた。その他は電池E1と同様である。 The battery C5 was produced in the same manner as the battery E1 of Example 1 except that polyvinylidene fluoride that was insoluble in water and did not contain a functional group containing oxygen was used as the binder on the positive electrode side and the negative electrode side. As the positive electrode mixture of the positive electrode of the battery C5, a material containing 85 parts by weight of a positive electrode active material (LiFePO 4 ), 10 parts by weight of a conductive agent (acetylene black) and 5 parts by weight of a binder (polyvinylidene fluoride) was used. . As the negative electrode material of the negative electrode, use a negative electrode active material (LiV 2 O 4) 85 parts by weight, the conductive agent and (acetylene black) 10 parts by weight, a binder those containing (polyvinylidene fluoride) 5 parts by weight It was. Others are the same as the battery E1.

また、電池C6は、正極側及び負極側のバインダーとして、水不溶性で、酸素を含有する官能基を含有するポリアクリロニトリルを用い、その他は実施例1の上記電池E1と同様にして作製した。電池C6の正極の正極合材としては、正極活物質(LiFePO4)85重量部と、導電剤(アセチレンブラック)10重量部と、バインダー(ポリアクリロニトリル)5重量部を含有するものを用いた。また、負極の負極合材としては、負極活物質(LiV24)85重量部と、導電剤(アセチレンブラック)10重量部と、バインダー(ポリアクリロニトリル)5重量部を含有するものを用いた。その他は電池E1と同様である。 The battery C6 was produced in the same manner as the battery E1 of Example 1 except that polyacrylonitrile containing a functional group containing oxygen was used as the binder on the positive electrode side and the negative electrode side. As the positive electrode mixture of the positive electrode of the battery C6, a material containing 85 parts by weight of a positive electrode active material (LiFePO 4 ), 10 parts by weight of a conductive agent (acetylene black) and 5 parts by weight of a binder (polyacrylonitrile) was used. As the negative electrode material of the negative electrode was used and the negative electrode active material (LiV 2 O 4) 85 parts by weight, the conductive agent and (acetylene black) 10 parts by weight, those containing 5 parts by weight of the binder (polyacrylonitrile) . Others are the same as the battery E1.

次に、上記電池E1、電池E2及び電池C1〜電池C6について充放電サイクル試験を行い、100サイクル目の放電容量の維持率を比較した。
充放電サイクル試験は、各電池(電池E1、電池E2及び電池C1〜電池C6)について、温度60℃の条件下で、電流密度0.5mA/cm2の定電流にて電池電圧1.4Vまで充電し、その後、電流密度0.5mA/cm2の定電流にて電池電圧0.1Vまで放電する充放電を1サイクルとし、このサイクルを100サイクル繰り返すことにより行った。各充放電サイクルにおいては、1.4Vまで充電した後及び0.1Vまで放電した後に、充電休止時間及び放電休止時間をそれぞれ10分間ずつ設けた。そして、各電池について、1サイクル目(初回)と100サイクル目の放電容量を測定した。
Next, a charge / discharge cycle test was performed on the battery E1, the battery E2, and the batteries C1 to C6, and the discharge capacity retention rates at the 100th cycle were compared.
The charge / discharge cycle test is performed for each battery (battery E1, battery E2, and battery C1 to battery C6) up to a battery voltage of 1.4 V at a constant current of 0.5 mA / cm 2 at a temperature of 60 ° C. Charging and discharging was then carried out by repeating the cycle for 100 cycles, with one cycle consisting of charging and discharging at a constant current of 0.5 mA / cm 2 to a battery voltage of 0.1 V. In each charge / discharge cycle, after charging to 1.4V and after discharging to 0.1V, a charging pause time and a discharge pause time were provided for 10 minutes each. And about each battery, the discharge capacity of 1st cycle (first time) and 100th cycle was measured.

放電容量は、上記1サイクル目又は100サイクル目の放電電流値(mA)を測定し、この放電電流値に放電に要した時間(hr)を乗じて得られた値を、電池内の正極活物質の重量(g)で除することにより算出した。
その結果を表1に示す。
また、初回と100サイクル目の放電容量から容量維持率を下記の式から算出した。
容量維持率(%)=(100サイクル目の放電容量/初回の放電容量)×100
The discharge capacity is determined by measuring the discharge current value (mA) at the first cycle or the 100th cycle, and multiplying this discharge current value by the time (hr) required for discharge to obtain the positive electrode active capacity in the battery. Calculated by dividing by weight (g) of material.
The results are shown in Table 1.
Further, the capacity retention rate was calculated from the following equation from the discharge capacity at the first time and the 100th cycle.
Capacity maintenance ratio (%) = (discharge capacity at 100th cycle / initial discharge capacity) × 100

Figure 0004600136
Figure 0004600136

表1から知られるごとく、電池E1、E2、及び電池C1〜C6のいずれの水系電解液リチウム二次電池においても初回の放電容量にはほとんど差異はなかった。
しかし、電池E1及び電池E2は、電池C1〜電池C6に比べて、放電容量維持率が優れている。また、電池E1及び電池E2においては、正極や負極にフクレなどは発生しておらず、電極の剥がれ等もなかった。
このことから、バインダーとして、水中で陰イオンを形成する基を含有する水溶性高分子又は水分散性高分子を用いた電池E1及び電池E2は、正極合材や負極合材と集電体との密着性に優れ、充放電サイクル特性が優れていることがわかる。
As known from Table 1, there was almost no difference in the initial discharge capacity in any of the aqueous electrolyte lithium secondary batteries of the batteries E1 and E2 and the batteries C1 to C6.
However, the battery E1 and the battery E2 are superior in the discharge capacity maintenance rate compared to the batteries C1 to C6. Moreover, in the battery E1 and the battery E2, no swelling or the like occurred in the positive electrode or the negative electrode, and the electrode did not peel off.
Therefore, the battery E1 and the battery E2 using a water-soluble polymer or a water-dispersible polymer containing a group that forms an anion in water as a binder include a positive electrode mixture, a negative electrode mixture, and a current collector. It can be seen that the adhesion of the battery is excellent and the charge / discharge cycle characteristics are excellent.

実施例1にかかる、水系電解液リチウム二次電池の構成を示す説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Explanatory drawing which shows the structure of the aqueous electrolyte lithium secondary battery concerning Example 1. FIG. 実施例1にかかる、正極(負極)の構成を示す説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Explanatory drawing which shows the structure of the positive electrode (negative electrode) concerning Example 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 水系電解液リチウム二次電池
2 正極
21 正極集電体
25 正極合材
251 正極活物質
253(353) 導電剤
255(355) バインダー
3 負極
31 負極集電体
35 負極合材
351 負極活物質
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Water-system electrolyte lithium secondary battery 2 Positive electrode 21 Positive electrode collector 25 Positive electrode compound 251 Positive electrode active material 253 (353) Conductive agent 255 (355) Binder 3 Negative electrode 31 Negative electrode collector 35 Negative electrode compound 351 Negative electrode active material

Claims (3)

正極集電体に正極合材を結着してなる正極と、負極集電体に負極合材を結着してなる負極と、リチウム塩を水に溶解してなる水系電解液とを有する水系電解液リチウム二次電池において、
上記正極合材は、リチウムを可逆的に吸蔵及び脱離できるリチウム含有複合酸化物からなる正極活物質と、導電性を有する炭素系材料からなる導電剤と、バインダーとを含有し、
上記負極合材は、上記正極活物質が含有する上記リチウム含有複合酸化物よりも、リチウムの吸蔵電位及び脱離電位が低い複合酸化物からなる負極活物質と、導電性を有する炭素系材料からなる導電剤と、バインダーとを含有し、
上記正極合材及び上記負極合材における上記バインダーとしては、水溶性又は水分散性であり、かつ酸素原子を含み水中で陰イオンを形成する官能基を含有する高分子化合物を用いることを特徴とする水系電解液リチウム二次電池。
An aqueous system having a positive electrode formed by binding a positive electrode mixture to a positive electrode current collector, a negative electrode formed by binding a negative electrode mixture to a negative electrode current collector, and an aqueous electrolyte solution obtained by dissolving a lithium salt in water In the electrolyte lithium secondary battery,
The positive electrode mixture contains a positive electrode active material made of a lithium-containing composite oxide capable of reversibly inserting and extracting lithium, a conductive agent made of a carbon-based material having conductivity, and a binder.
The negative electrode mixture is composed of a negative electrode active material composed of a composite oxide having a lower lithium storage and desorption potential than the lithium-containing composite oxide contained in the positive electrode active material, and a conductive carbon-based material. Containing a conductive agent and a binder,
The binder in the positive electrode mixture and the negative electrode mixture is characterized by using a polymer compound that is water-soluble or water-dispersible and contains a functional group that contains an oxygen atom and forms an anion in water. Aqueous electrolyte lithium secondary battery.
請求項1において、上記水系電解液は、そのpHが、6≦pH≦10の範囲にあることを特徴とする水系リチウム二次電池。   The aqueous lithium secondary battery according to claim 1, wherein the aqueous electrolyte has a pH in a range of 6 ≦ pH ≦ 10. 請求項1又は2において、上記正極集電体及び上記負極集電体は、そのいずれもがアルミニウムよりなることを特徴とする水系電解液リチウム二次電池。   3. The aqueous electrolyte lithium secondary battery according to claim 1, wherein both of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are made of aluminum.
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