JP4638453B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery operation method - Google Patents

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Description

本発明は、エネルギー密度及びサイクル特性に優れた非水電解質二次電池の運転方法に関する。   The present invention relates to a method for operating a nonaqueous electrolyte secondary battery excellent in energy density and cycle characteristics.

従来、正極活物質に4V放電が可能なリチウム含有複合酸化物である層状化合物のLiCoOやLiNiO、スピネル型のLiMnを用い、負極活物質に炭素材料として黒鉛を用いた非水電解質二次電池が知られている。この非水電解質二次電池の充放電反応は、以下の式(1)から(4)に示すとおりである。式(1)〜式(3)はそれぞれLiCoO、LiNiO、LiMnの充放電反応であり、式(4)は黒鉛の充放電反応である。 Conventionally, a non-aqueous solution using a layered compound LiCoO 2 or LiNiO 2 , which is a lithium-containing composite oxide capable of 4V discharge, as a positive electrode active material, and spinel type LiMn 2 O 4, and graphite as a carbon material as a negative electrode active material. An electrolyte secondary battery is known. The charge / discharge reaction of this nonaqueous electrolyte secondary battery is as shown in the following formulas (1) to (4). Equations (1) to (3) are charge / discharge reactions of LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiMn 2 O 4 , respectively, and Equation (4) is a charge / discharge reaction of graphite.

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式(1)〜式(3)に示す反応においては、充電時にLi(リチウムイオン)がリチウム含有複合酸化物の結晶中の所定のサイトから脱離し、放電時にはリチウムイオンがリチウム含有複合酸化物の結晶中の所定のサイトに挿入する。ところで式(1)〜(3)に示した充放電反応は、3.6〜4.4V(.vs.Li/ Li)の電位の範囲、いわゆる4V放電域で起きるものであるため、この反応でリチウムイオンを挿入・脱離させるリチウム含有複合酸化物のサイトは、4V放電域のサイトと呼ばれている。 In the reactions represented by the formulas (1) to (3), Li + (lithium ions) are desorbed from predetermined sites in the crystal of the lithium-containing composite oxide during charging, and lithium ions are discharged from the lithium-containing composite oxide during discharge. Inserted into a predetermined site in the crystal. By the way, the charge / discharge reaction shown in the equations (1) to (3) occurs in a potential range of 3.6 to 4.4 V (. Vs. Li / Li + ), that is, a so-called 4 V discharge region. The site of the lithium-containing composite oxide that inserts and desorbs lithium ions by the reaction is called a site in the 4 V discharge region.

従来の非水電解質二次電池においては、初回充電時に負極活物質である炭素材料の表面で非水電解質の還元分解反応が起こり、この反応によりリチウム含有複合酸化物から放出されるリチウムイオンの10〜20%が負極に消費されてしまい、これにより充放電反応に係るリチウムイオン、すなわちリチウム含有複合酸化物の4V放電域のサイトを満たすリチウムイオン量が減少してしまうという課題があった。   In a conventional non-aqueous electrolyte secondary battery, a reductive decomposition reaction of the non-aqueous electrolyte occurs on the surface of the carbon material that is the negative electrode active material at the time of the initial charge. ˜20% is consumed by the negative electrode, which causes a problem that the amount of lithium ions related to the charge / discharge reaction, that is, the amount of lithium ions that fill sites in the 4V discharge region of the lithium-containing composite oxide decreases.

また、スピネル型のリチウムマンガン複合酸化物においては、上記の4V放電域のサイトのほかに、3.6V(.vs. Li/ Li)以下の電位範囲(いわゆる3V放電域)でリチウムイオンが挿入・脱離されうるサイトの存在が知られている。この3V放電域のサイトを充放電反応に利用できれば、非水電解質二次電池のエネルギー密度が格段に向上することが期待できる。 In addition, in the spinel type lithium manganese composite oxide, in addition to the sites in the 4V discharge region, lithium ions are present in a potential range (so-called 3V discharge region) of 3.6V (.vs. Li / Li + ) or less. The existence of sites that can be inserted and removed is known. If the site in the 3V discharge region can be used for the charge / discharge reaction, it can be expected that the energy density of the nonaqueous electrolyte secondary battery will be significantly improved.

しかしながら、リチウムマンガン複合酸化物を用いた従来の非水電解質二次電池においては、系内に含まれるリチウムはリチウムマンガン複合酸化物に含まれるリチウムのみであり、これらのリチウムは4V放電域のサイトに対して挿入・脱離反応を行うものであって、3V放電域のサイトに対して挿入・脱離するものではないので、リチウムマンガン複合酸化物の3V放電域のサイトを電池容量として活用できないという課題があった。   However, in a conventional nonaqueous electrolyte secondary battery using a lithium manganese composite oxide, the lithium contained in the system is only lithium contained in the lithium manganese composite oxide, and these lithiums are sites in the 4 V discharge region. Since it does not insert into or desorb from the site in the 3V discharge region, it cannot use the site in the 3V discharge region of the lithium manganese composite oxide as the battery capacity. There was a problem.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、高周波電力を伝送するケーブルの電気的特性を操作することによって、高周波電力間の位相差の発生を抑えて、膜厚の分布特性を均一化する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and by controlling the electrical characteristics of a cable that transmits high-frequency power, the occurrence of a phase difference between the high-frequency power is suppressed and the film thickness distribution characteristics are made uniform. It aims to provide a way to do.

この様に、非水電解質二次電池のリチウム含有複合酸化物には、リチウムイオンの不在に起因する未活用容量(潜在容量)が相当量存在する。従って、電池内にこの未活用容量に見合う量のリチウムイオンを添加する技術を確立できれば、非水電解質二次電池のエネルギー密度を高くすることが期待できる。   As described above, the lithium-containing composite oxide of the nonaqueous electrolyte secondary battery has a considerable amount of unused capacity (latent capacity) due to the absence of lithium ions. Therefore, if a technique for adding lithium ions in an amount corresponding to the unused capacity in the battery can be established, it can be expected to increase the energy density of the nonaqueous electrolyte secondary battery.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、エネルギー密度が高い非水電解質二次電池の運転方法を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the said situation, Comprising: It aims at providing the operating method of a non-aqueous electrolyte secondary battery with a high energy density.

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
本発明の非水電解質二次電池の運転方法は、下記の組成式により表されるリチウムマンガン複合酸化物の粉末が少なくとも含まれて板状若しくはシート状に成形された正極合材からなる正極と、炭素材料の粉末が少なくとも含まれて板状若しくはシート状に成形された負極合材と、この負極合材の表面に接合され、前記正極合材に存在する未活用容量に相当する量のリチウムを添加する金属リチウム箔とからなる負極と、非水電解質とを備えた非水電解質二次電池の運転方法であって、4V放電域のサイトと3V放電域のサイトを利用して充放電することを特徴とする。
LiMn2-x
ただし、MはTi、V、Cr、Fe、Co、Ni、Al、Ag、Mg、Liのうちの少なくとも1種以上の元素であり、組成比を示すxは、0≦x≦1.0である。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following configuration.
The method for operating the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes a positive electrode composed of a positive electrode mixture formed into a plate shape or a sheet shape including at least a lithium manganese composite oxide powder represented by the following composition formula: A negative electrode mixture formed into a plate shape or a sheet shape containing at least a carbon material powder, and an amount of lithium that is bonded to the surface of the negative electrode mixture and that corresponds to an unused capacity existing in the positive electrode mixture Is a method for operating a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a negative electrode made of a metallic lithium foil to which is added, and a non-aqueous electrolyte, and is charged and discharged using a site in the 4 V discharge region and a site in the 3 V discharge region It is characterized by that.
LiMn 2−x M x O 4
However, M is at least one element of Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Al, Ag, Mg, and Li, and x indicating the composition ratio is 0 ≦ x ≦ 1.0. is there.

係る非水電解質二次電池においては、リチウム含有複合酸化物に含まれるリチウムに加えて、更に金属リチウム箔の形態でリチウムが添加されている。金属リチウム箔として負極に接合されたリチウムは、電解質との接触に伴って負極活物質である炭素材料に直ちに拡散し、充放電反応に供される。このようにして、電池の充放電反応に係るリチウム量を増加させることができ、非水電解質二次電池のエネルギー密度を高くすることができる。   In such a nonaqueous electrolyte secondary battery, in addition to lithium contained in the lithium-containing composite oxide, lithium is further added in the form of a metallic lithium foil. Lithium bonded to the negative electrode as a metal lithium foil immediately diffuses into the carbon material as the negative electrode active material in contact with the electrolyte, and is subjected to a charge / discharge reaction. Thus, the amount of lithium related to the charge / discharge reaction of the battery can be increased, and the energy density of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be increased.

本発明の非水電解質二次電池において、前記リチウム含有複合酸化物として、LiCoO、LiNiO、LiMn或いは、これら複合酸化物の遷移金属の一部を異種元素で置換したものを用いることができ、また、これらを2種以上混合したものでもよい。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, as the lithium-containing composite oxide, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 or those obtained by substituting a part of the transition metal of these composite oxides with a different element is used. Moreover, what mixed these 2 or more types may be used.

また、本発明の非水電解質二次電池は、先に記載の非水電解質二次電池であって、複数の金属リチウム箔が、前記負極合材の表面に相互に離間されて均一に分散配置・接合された負極を備えたことを特徴とする。特に、前記箔同士の間隔が、31mm以下であることが好ましい。   Further, the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is the non-aqueous electrolyte secondary battery described above, wherein a plurality of metallic lithium foils are spaced apart from each other on the surface of the negative electrode mixture and uniformly distributed. -It is characterized by having a joined negative electrode. In particular, the distance between the foils is preferably 31 mm or less.

係る非水電解質二次電池においては、負極合材表面上に複数の金属リチウム箔を均一に分散して配置するので、充放電反応の際にリチウムが炭素材料に拡散し易くなり、金属リチウム箔の一部が残存することがない。   In such a non-aqueous electrolyte secondary battery, a plurality of metallic lithium foils are uniformly dispersed on the surface of the negative electrode mixture, so that lithium easily diffuses into the carbon material during the charge / discharge reaction, and the metallic lithium foil Part of it will not remain.

上記のLiMn2-xは、いわゆるスピネル型のリチウムマンガン複合酸化物と呼ばれるもので、結晶中に3.6〜4.4V(.vs. Li/ Li)の電位範囲でリチウムイオンが挿入・脱離するサイト(以下、4V放電域のサイトと称する)に加えて、3.6V(.vs. Li/ Li)以下でリチウムイオンが挿入・脱離するサイト(以下、3V放電域のサイトと称する)とを有している。このLiMn2-xに含まれるリチウムは4V放電域のサイトを満たしており、3V放電域のサイトは空いた状態になっている。このLiMn2-xを有する非水電解質二次電池に、金属リチウム箔の形態でリチウムを更に添加するならば、3V放電域のサイトを利用することが可能となり、非水電解質二次電池のエネルギー密度をより向上させることができる。 The above LiMn 2−x M x O 4 is a so-called spinel type lithium manganese composite oxide, and is lithium in the potential range of 3.6 to 4.4 V (.vs. Li / Li + ) in the crystal. In addition to sites where ions are inserted / desorbed (hereinafter referred to as sites in the 4V discharge region), sites where lithium ions are inserted / desorbed at 3.6V (.vs. Li / Li + ) or lower (hereinafter referred to as 3V). (Referred to as discharge area site). The lithium contained in this LiMn 2−x M x O 4 fills the 4V discharge region site, and the 3V discharge region site is vacant. If lithium is further added to the non-aqueous electrolyte secondary battery having LiMn 2−x M x O 4 in the form of a metallic lithium foil, it becomes possible to use the site in the 3V discharge region, and the non-aqueous electrolyte secondary battery can be used. The energy density of the secondary battery can be further improved.

また、元素Mとして、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Al、Ag、Mg、Liのうちの少なくとも1種以上の元素を添加することが好ましく、この中でもCr、Fe、Co、Ni、Liのいずれか1種以上を添加することが好ましい。これらの元素を添加すると、放電の進行によってLiMn2-xに引き起こされるヤーン・テラー効果による結晶構造の転移を抑制することができ、充放電サイクルの進行に伴う電池の放電容量の低下を抑えることが可能となる。特に、本発明の非水電解質二次電池の場合は、LiMn2-xの3V放電域のサイトを利用するために電池電圧が3V以下になるまで放電を行うので、元素Mを添加してLiMn2-xの結晶構造の転移を防止することが、電池の放電容量の低下を抑えるために極めて有効である。 Further, it is preferable to add at least one element of Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Al, Ag, Mg, and Li as the element M, and among these, Cr, Fe, Co, Ni It is preferable to add at least one of Li and Li. When these elements are added, the transition of the crystal structure due to the yarn-Teller effect caused by LiMn 2−x M x O 4 due to the progress of discharge can be suppressed, and the discharge capacity of the battery as the charge / discharge cycle progresses. It is possible to suppress the decrease. In particular, in the case of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, since the discharge is performed until the battery voltage becomes 3 V or less in order to use the site of the LiMn 2 -x M x O 4 3 V discharge region, the element M is added. Addition and prevention of the transition of the crystal structure of LiMn 2−x M x O 4 is extremely effective for suppressing the decrease in the discharge capacity of the battery.

特に、上記非水電解質二次電池の正極活物質(リチウムマンガン複合酸化物)として、表面に導電性高分子を被覆したリチウムマンガン複合酸化物を用いることが好ましい。導電性高分子を被覆したリチウムマンガン複合酸化物を用いると、導電性高分子の導電性により、正極の内部抵抗を低減させることができるので、3V放電域の放電容量低下を抑制することが可能となる。特に、本発明の非水電解質二次電池の場合は、LiMn2-xの3V放電域のサイトを利用するために電池電圧が3V以下になるまで放電を行うので、導電性高分子の被覆により正極の内部抵抗を低減させることが、電池の放電容量の低下を抑えるために極めて有効である。 In particular, as the positive electrode active material (lithium manganese composite oxide) of the nonaqueous electrolyte secondary battery, it is preferable to use a lithium manganese composite oxide having a surface coated with a conductive polymer. When lithium manganese composite oxide coated with a conductive polymer is used, the internal resistance of the positive electrode can be reduced due to the conductivity of the conductive polymer, so it is possible to suppress a decrease in discharge capacity in the 3V discharge region. It becomes. In particular, in the case of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, since the discharge is performed until the battery voltage becomes 3 V or less in order to use the site of the LiMn 2−x M x O 4 3 V discharge region, Reducing the internal resistance of the positive electrode by molecular coating is extremely effective for suppressing a decrease in the discharge capacity of the battery.

また上記の非水電解質二次電池においては、前記金属リチウム箔の重量をLimとし、前記のLiMn2-xの3V放電域のサイトを満たすリチウムの重量をLi3Vとし、非水電解質二次電池の初回充電時に前記炭素材料表面にて起きる非水電解質の還元反応で消費されるリチウムの重量をLi1cとしたとき、前記金属リチウム箔の重量が、Lim≧Li3V+Li1cの関係を満たすことが好ましい。なお、Li3V及びLi1cは、前記の正極合材及び前記の負極合材をそれぞれ作用極とし、リチウムを対極として充放電試験を行い、その試験結果から求めることができる。 In the above non-aqueous electrolyte secondary battery, the weight of the metal lithium foil is Lim, and the weight of lithium that satisfies the 3V discharge region site of LiMn 2−x M x O 4 is Li3V. When the weight of lithium consumed in the reduction reaction of the non-aqueous electrolyte that occurs on the surface of the carbon material during the initial charge of the secondary battery is Li1c, the weight of the metal lithium foil satisfies the relationship Lim ≧ Li3V + Li1c. preferable. Li3V and Li1c can be obtained from the test results obtained by conducting a charge / discharge test using the positive electrode mixture and the negative electrode mixture as working electrodes and lithium as a counter electrode.

特に、前記金属リチウム箔の量が、前記炭素材料に対して3重量%以上10重量%以下の範囲とされたことがより好ましい。   In particular, it is more preferable that the amount of the metal lithium foil is in the range of 3 wt% to 10 wt% with respect to the carbon material.

また、本発明の非水電解質二次電池において、前記炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、非晶質炭素等を用いることができ、また、これらを2種以上混合したものでもよい。   In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, as the carbon material, natural graphite, artificial graphite, amorphous carbon, or the like can be used, or a mixture of two or more of these may be used.

また、非水電解質としては、非プロトン性溶媒の単独若しくは2種以上の非プロトン性溶媒の混合溶媒に、種々のリチウム塩を溶解させた非水電解液を用いることができる。また、非水電解液の代わりに、上記非水電解液と高分子材料とを混合してゲル化させたゲル電解質や、上記電解質を高分子材料に分散させた固体電解質を用いることもできる。   As the non-aqueous electrolyte, non-aqueous electrolytes in which various lithium salts are dissolved in an aprotic solvent alone or in a mixed solvent of two or more aprotic solvents can be used. Further, instead of the non-aqueous electrolyte solution, a gel electrolyte obtained by mixing the non-aqueous electrolyte solution and the polymer material to be gelled, or a solid electrolyte in which the electrolyte is dispersed in the polymer material may be used.

また、非水電解質として非水電解液を用いる場合に、正極と負極を隔てる為に用いられるセパレータとしては、通常使用される多孔質ポリプロピレン膜、多孔質ポリエチレン膜等の多孔質ポリオレフィン系膜を使用することができる。   In addition, when using a non-aqueous electrolyte as the non-aqueous electrolyte, the separator used to separate the positive electrode and the negative electrode is a porous polyolefin film such as a commonly used porous polypropylene film or porous polyethylene film. can do.

また、本発明の非水電解質二次電池の形状は、円筒型、角形、コイン型、シート型等のいずれかであっても良い。   The shape of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention may be any of a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a sheet shape, and the like.

以上、詳細に説明したように、本発明の非水電解質二次電池は、炭素材料の粉末を含んでなる負極合材の表面に、金属リチウム箔が接合された負極を備えており、リチウム含有複合酸化物に含まれるリチウムに加えて、更に金属リチウム箔の形態でリチウムが電池系内に添加されているので、充放電反応に係るリチウム量を増加させることができ、非水電解質二次電池のエネルギー密度を高くすることができる。   As described above in detail, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes a negative electrode in which a metal lithium foil is bonded to the surface of a negative electrode mixture containing a carbon material powder, and contains lithium. In addition to lithium contained in the composite oxide, lithium is further added to the battery system in the form of a metal lithium foil, so that the amount of lithium involved in the charge / discharge reaction can be increased, and the non-aqueous electrolyte secondary battery The energy density of can be increased.

また、前記負極合材の表面に、複数の金属リチウム箔が相互に離間されて接合されているので、充放電反応の際にリチウムが炭素材料に拡散し易くなり、金属リチウム箔の一部が残存することがなく、非水電解質二次電池のエネルギー密度を高くすることができる。特に、金属リチウム箔を離間して均一に分散配置する場合、箔同士の間隔を31mm以下にすれば、負極中への金属リチウムの拡散がより容易になり、良好なサイクル特性を得ることができる。   In addition, since a plurality of metallic lithium foils are joined to the surface of the negative electrode mixture so as to be separated from each other, lithium easily diffuses into the carbon material during the charge / discharge reaction, and a part of the metallic lithium foil The energy density of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be increased without remaining. In particular, when metal lithium foils are spaced apart and uniformly distributed, if the distance between the foils is 31 mm or less, the diffusion of metal lithium into the negative electrode becomes easier and good cycle characteristics can be obtained. .

更に、前記リチウム含有複合酸化物が、LiMn2-xの式で表されるリチウムマンガン複合酸化物であり、このLiMn2-xを有する非水電解質二次電池に金属リチウム箔の形態でリチウムを更に添加するならば、LiLiMn2-xの3V放電域のサイトを利用することが可能となり、非水電解質二次電池のエネルギー密度をより向上させることができる。特に、本発明の非水電解質二次電池の場合は、LiMn2-xの3V放電域のサイトを利用するために電池電圧が3V以下になるまで放電を行うので、元素Mを添加してLiMn2-xの結晶構造の転移を防止することが、電池の放電容量の低下を抑えるために極めて有効である。 Furthermore, the lithium-containing composite oxide, a lithium-manganese composite oxide represented by the formula LiMn 2-x M x O 4, in the non-aqueous electrolyte secondary battery having the LiMn 2-x M x O 4 If lithium is further added in the form of a metallic lithium foil, the LiLiMn 2−x M x O 4 3 V discharge region site can be used, and the energy density of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be further improved. Can do. In particular, in the case of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, since the discharge is performed until the battery voltage becomes 3 V or less in order to use the site of the LiMn 2 -x M x O 4 3 V discharge region, the element M is added. Addition and prevention of the transition of the crystal structure of LiMn 2−x M x O 4 is extremely effective for suppressing the decrease in the discharge capacity of the battery.

また本発明の非水電解質二次電池においては、前記金属リチウム箔の重量をLimとし、LiMn2-xの3V放電域のサイトを満たすリチウムの重量をLi3Vとし、非水電解質二次電池の初回充電時に炭素材料表面にて起きる非水電解質の還元反応で消費されるリチウムの重量をLi1cとしたとき、金属リチウム箔の重量がLim≧Li3V+Li1cを満たすので、必要充分量のリチウムを添加することができ、非水電解質二次電池のエネルギー密度を高くすることができる。特に、金属リチウム箔の量が、前記炭素材料に対して3重量%以上10重量%以下の範囲とされたことにより、非水電解質二次電池のエネルギー密度をより高くすることができる。 In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the weight of the metal lithium foil is Lim, the weight of lithium satisfying the 3V discharge region site of LiMn 2−x M x O 4 is Li 3V, and the non-aqueous electrolyte secondary battery is When the weight of lithium consumed in the reduction reaction of the non-aqueous electrolyte that occurs on the surface of the carbon material during the initial charge of the secondary battery is Li1c, the weight of the metal lithium foil satisfies Lim ≧ Li3V + Li1c. The energy density of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be increased. In particular, the energy density of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be further increased by setting the amount of the metal lithium foil in the range of 3 wt% to 10 wt% with respect to the carbon material.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明の非水電解質二次電池は、以下の図面に示す形態に限られるものではない。図1には、本発明の実施形態である非水電解質二次電池の一例を示す。この非水電解質二次電池は、いわゆるコイン型と呼ばれるもので、リチウム複合酸化物が少なくとも含まれた円板状の正極合材(正極)4と、炭素材料が少なくとも含まれた円板状の負極3と、これら正極合材4と負極3の間に配置されたセパレータ6と、非水電解液とを主体として構成されている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not limited to the embodiments shown in the following drawings. In FIG. 1, an example of the nonaqueous electrolyte secondary battery which is embodiment of this invention is shown. This non-aqueous electrolyte secondary battery is a so-called coin-type battery, and is a disk-shaped positive electrode mixture (positive electrode) 4 containing at least a lithium composite oxide and a disk-like material containing at least a carbon material. The negative electrode 3, the separator 6 disposed between the positive electrode mixture 4 and the negative electrode 3, and a non-aqueous electrolyte are mainly configured.

そして、この非水電解質二次電池は、ステンレス等からなる略扁平円筒状の電池ケース1と、ステンレス等からなる封口板2とを備えており、電池ケース1内に、円板状の負極3とセパレータ6と円板状の正極合材4とが順に積層され、その上に封口板2が配置されている。また、電池ケース1と封口板2の間にはポリプロピレンからなる円環状のガスケット7が介在されている。また、セパレータ6と、正極合材4及び負極3との間には、ガラスウール濾紙5、5がそれぞれ挿入されている。非水電解液は、正極合材4、負極3、セパレータ6及びガラスウール濾紙5、5に含侵されている。   The non-aqueous electrolyte secondary battery includes a substantially flat cylindrical battery case 1 made of stainless steel or the like and a sealing plate 2 made of stainless steel or the like. The separator 6 and the disc-shaped positive electrode mixture 4 are sequentially laminated, and the sealing plate 2 is disposed thereon. An annular gasket 7 made of polypropylene is interposed between the battery case 1 and the sealing plate 2. Glass wool filter papers 5 and 5 are inserted between the separator 6 and the positive electrode mixture 4 and the negative electrode 3, respectively. The non-aqueous electrolyte is impregnated in the positive electrode mixture 4, the negative electrode 3, the separator 6, and the glass wool filter papers 5 and 5.

正極合材4は、リチウム含有複合酸化物の粉末と、黒鉛粉末等からなる導電助材とが、ポリフッ化ビニリデン樹脂等からなるバインダーにより円板状に成形されてなるものである。   The positive electrode mixture 4 is formed by forming a lithium-containing composite oxide powder and a conductive additive made of graphite powder or the like into a disk shape with a binder made of polyvinylidene fluoride resin or the like.

上記リチウム含有複合酸化物としては、LiCoO、LiNiO、LiMn或いはこれら複合酸化物の遷移金属の一部を異種元素で置換した材料を用いることができ、また、これらを2種以上混合したものでもよい。 As the lithium-containing composite oxide, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 or a material obtained by substituting a part of the transition metal of these composite oxides with a different element can be used. A mixture may be used.

特に、リチウムマンガン複合酸化物として、組成式LiMn2-xで表されるものを用いることが好ましい。ここで、元素MはTi、V、Cr、Fe、Co、Ni、Al、Ag、Mg、Liのうちの少なくとも1種以上の元素を示し、組成比を示すxは、0≦x≦1.0である。 In particular, it is preferable to use a lithium manganese composite oxide represented by the composition formula LiMn 2−x M x O 4 . Here, the element M represents at least one element of Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Al, Ag, Mg, and Li, and x indicating the composition ratio is 0 ≦ x ≦ 1. 0.

上記のLiMn2-xは、スピネル型のリチウムマンガン複合酸化物と呼ばれるもので、結晶中に3.6〜4.4V(.vs. Li/ Li)の電位範囲でリチウムイオンが挿入・脱離するサイト(以下、4V放電域のサイトと称する)と、3.6V(.vs. Li/ Li)以下でリチウムイオンが挿入・脱離するサイト(以下、3V放電域のサイトと称する)とを有している。また、LiMn2-xに含まれるリチウムは4V放電域のサイトを満たしており、3V放電域のサイトは空いた状態になっている。 LiMn 2-x M x O 4 above is called a spinel-type lithium-manganese composite oxide, lithium-ion at a potential range of 3.6~4.4V in the crystal (.vs. Li / Li +) Inserted and desorbed (hereinafter referred to as the 4V discharge region site) and 3.6 V (.vs. Li / Li + ) or less where lithium ions are inserted and desorbed (hereinafter referred to as the 3V discharge region site). Called a site). Moreover, the lithium contained in LiMn 2−x M x O 4 fills the site in the 4V discharge region, and the site in the 3V discharge region is vacant.

このLiMn2-xには、元素MとしてTi、V、Cr、Fe、Co、Ni、Al、Ag、Mg、Liのうちの少なくとも1種以上の元素が添加されているが、この中でもCr、Fe、Co、Ni、Al、Ag、Mg、Liのいずれか1種以上を添加されたことが好ましい。これら元素Mを添加すると、放電の進行によってLiMn2-xに引き起こされるヤーン・テラー効果による結晶構造の転移を抑制することができ、充放電サイクルの進行に伴う電池の放電容量の低下を抑えることが可能となる。 In this LiMn 2−x M x O 4 , at least one element of Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Al, Ag, Mg, and Li is added as the element M. Among these, it is preferable to add one or more of Cr, Fe, Co, Ni, Al, Ag, Mg, and Li. When these elements M are added, the transition of the crystal structure due to the Yarn-Teller effect caused in LiMn 2−x M x O 4 by the progress of discharge can be suppressed, and the discharge capacity of the battery as the charge / discharge cycle progresses. It is possible to suppress the decrease.

また、上記非水電解質二次電池の正極活物質であるリチウムマンガン複合酸化物として、表面に導電性高分子を被覆したリチウムマンガン複合酸化物を用いることが好ましい。導電性高分子を被覆したリチウムマンガン複合酸化物を用いると、正極の内部抵抗を低減させることができるので、3V放電域の放電容量低下を抑制することが可能となる。   Moreover, it is preferable to use the lithium manganese composite oxide which coat | covered the conductive polymer on the surface as a lithium manganese composite oxide which is a positive electrode active material of the said nonaqueous electrolyte secondary battery. When a lithium manganese composite oxide coated with a conductive polymer is used, the internal resistance of the positive electrode can be reduced, so that a reduction in discharge capacity in the 3V discharge region can be suppressed.

負極3は、図2に示すように、炭素材料を含む負極合材8と、この負極合材8の表面に接合された金属リチウム箔9とからなるものである。負極合材8は、炭素材料の粉末がポリフッ化ビニリデン樹脂等からなるバインダーにより円板状に成形されたもので、必要に応じて黒鉛粉末等の導電助剤を添加することができる。   As shown in FIG. 2, the negative electrode 3 is composed of a negative electrode mixture 8 containing a carbon material and a metal lithium foil 9 bonded to the surface of the negative electrode mixture 8. The negative electrode mixture 8 is a carbon material powder formed into a disk shape by a binder made of polyvinylidene fluoride resin or the like, and a conductive additive such as graphite powder can be added as necessary.

金属リチウム箔9は、厚さが50μm以下とすることが好ましい。この金属リチウム箔9は、負極合材8を成形した後に、負極合材8に接合される。なお図2では、1枚の金属リチウム箔9を負極合材8に接合した例を示しているが、これに限られず、複数の金属リチウム箔を相互に離間させて負極合材の表面に接合しても良い。特に、相互に離間されて均一に分散配置された金属リチウム箔の間隔が、31mm以下であることが好ましい。金属リチウム箔の形態で添加されたリチウムは、電解質との接触に伴って負極活物質である炭素材料中に拡散し、充放電反応に供される。   The metal lithium foil 9 preferably has a thickness of 50 μm or less. The metal lithium foil 9 is bonded to the negative electrode mixture 8 after the negative electrode mixture 8 is formed. 2 shows an example in which one metal lithium foil 9 is bonded to the negative electrode mixture 8. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of metal lithium foils are separated from each other and bonded to the surface of the negative electrode mixture. You may do it. In particular, the interval between the metallic lithium foils that are spaced apart from each other and uniformly distributed is preferably 31 mm or less. Lithium added in the form of metallic lithium foil diffuses into the carbon material, which is the negative electrode active material, in contact with the electrolyte, and is subjected to a charge / discharge reaction.

また、金属リチウム箔9の重量をLimとし、LiMn2-xの3V放電域のサイトを満たすリチウムの重量をLi3Vとし、非水電解質二次電池の初回充電時に前記炭素材料表面にて起きる非水電解質の還元反応で消費されるリチウムの重量をLi1cとしたとき、金属リチウム箔9の重量が、Lim≧Li3V+Li1cを満たすことが好ましい。なお、Li3V及びLi1cは、前記の正極合材及び前記の負極合材をそれぞれ作用極とし、リチウムを対極として充放電試験を行い、その試験結果から求めることができる。特に、金属リチウム箔9の重量が、負極合材8に含まれる炭素材料の重量に対して3重量%以上10重量%以下、より好ましくは4.5重量%以上10重量%以下とされるとよい。なお、金属リチウム箔9は、LiMn2-xの3V放電域のサイトを満たすリチウムが消費され、かつ初回充電時に炭素材料表面にて起きる非水電解質の還元反応でリチウムが消費された場合であっても、その一部が残存するように添加することが好ましい。 Further, the weight of the metal lithium foil 9 is Lim, and the weight of lithium that fills the 3V discharge region site of LiMn 2−x M x O 4 is Li3V. When the nonaqueous electrolyte secondary battery is initially charged, It is preferable that the weight of the lithium metal foil 9 satisfies Lim ≧ Li3V + Li1c, where Li1c is the weight of lithium consumed in the reduction reaction of the nonaqueous electrolyte. Li3V and Li1c can be obtained from the test results obtained by conducting a charge / discharge test using the positive electrode mixture and the negative electrode mixture as working electrodes and lithium as a counter electrode. In particular, when the weight of the metal lithium foil 9 is 3 wt% or more and 10 wt% or less, more preferably 4.5 wt% or more and 10 wt% or less with respect to the weight of the carbon material contained in the negative electrode mixture 8. Good. The metal lithium foil 9 consumes lithium that fills the LiMn 2−x M x O 4 3V discharge region site, and consumes lithium in the reduction reaction of the nonaqueous electrolyte that occurs on the surface of the carbon material during the first charge. Even if it is a case, it is preferable to add so that the one part may remain | survive.

負極合材8を構成する炭素材料は、リチウムイオンを可逆的に挿入・脱離させるものであれば良く、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、非晶質炭素等のいずれか1種、または、これらの2種以上を混合したものでもよい。   The carbon material constituting the negative electrode mixture 8 may be any material that reversibly inserts and desorbs lithium ions. For example, any one of natural graphite, artificial graphite, amorphous carbon, or the like, or these Two or more of these may be mixed.

非水電解液は、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ベンゾニトリル、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、2 メチルテトラヒドロフラン、γ ブチロラクトン、ジオキソラン、4−メチルジオキソラン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、スルホラン、ジクロロエタン、クロロベンゼン、ニトロベンゼン、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート、エチルブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジイソプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジエチレングリコール、ジメチルエーテル等の非プロトン性溶媒、あるいはこれらの溶媒のうちの二種以上を混合した混合溶媒に、LiPF、LiBF、LiSbF、LiAsF、LiClO、LiCFSO、LiCSO、LiSbF、LiAlO、LiAlCl、LiN(C2x+1SO)(C2y+1SO)(ただしx、yは自然数)、LiCl、LiI等のリチウム塩からなる電解質の1種または2種以上を混合させたものを溶解したものを用いることができる。また、非水電解液の代わりに、上記非水電解液と高分子材料とを混合してゲル化させたゲル電解質や、上記電解質を高分子材料に分散させた固体電解質を用いることができる。 Non-aqueous electrolytes are propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, benzonitrile, acetonitrile, tetrahydrofuran, 2 methyltetrahydrofuran, γ-butyrolactone, dioxolane, 4-methyldioxolane, N, N-dimethylformamide, dimethylacetamide, dimethyl sulfoxide, dioxane 1,2-dimethoxyethane, sulfolane, dichloroethane, chlorobenzene, nitrobenzene, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, ethyl butyl carbonate, dipropyl carbonate, diisopropyl carbonate, dibutyl carbonate, diethylene glycol, Non-pro such as dimethyl ether The emission of solvent or a mixed solvent obtained by mixing two or more of these solvents,, LiPF 6, LiBF 4, LiSbF 6, LiAsF 6, LiClO 4, LiCF 3 SO 3, LiC 4 F 9 SO 3, LiSbF 6 , LiAlO 4 , LiAlCl 4 , LiN (C x F 2x + 1 SO 2 ) (C y F 2y + 1 SO 2 ) (where x and y are natural numbers), one or more of electrolytes composed of lithium salts such as LiCl and LiI It is possible to use a solution obtained by dissolving a mixture of. Further, instead of the non-aqueous electrolyte, a gel electrolyte obtained by mixing the non-aqueous electrolyte and the polymer material to be gelled, or a solid electrolyte in which the electrolyte is dispersed in the polymer material can be used.

また、セパレータ6は、通常使用される多孔質ポリプロピレン膜、多孔質ポリエチレン膜等の多孔質ポリオレフィン系膜を使用することができる。   The separator 6 may be a porous polyolefin film such as a commonly used porous polypropylene film or porous polyethylene film.

この非水電解質二次電池においては、リチウム含有複合酸化物に含まれるリチウムに加えて、更に金属リチウム箔の形態でリチウムが添加されている。この非水電解質二次電池の初回充電時においては、負極の炭素材料の表面で非水電解質の還元分解反応が起こり、この反応によりリチウム含有複合酸化物から放出されるリチウムイオンの10〜20%が負極に固定されてしまい、これにより充放電反応に係るリチウムイオン、すなわちリチウム含有複合酸化物の4V放電域のサイトを満たすリチウムイオン量が減少する現象が起きる。また、リチウムマンガン複合酸化物LiMn2-xには、4V放電域でリチウムが挿入・脱離するサイトと、3V放電域でリチウムのが挿入・脱離するサイトが存在していて、LiMn2-xに含まれるリチウムは4V放電域のサイトに配置されており、3V放電域のサイトは空いた状態になっている。この様に、正極活物質であるリチウム含有複合酸化物には、リチウムイオンの不在に起因する未活用容量(潜在容量)が相当量存在している。従って、この未活用容量に相当する量のリチウムを金属リチウム箔の形態で負極に添加することにより、正極活物質であるリチウム含有複合酸化物の未活用容量を利用することが可能となり、非水電解質二次電池のエネルギー密度を高くすることができる。 In this nonaqueous electrolyte secondary battery, lithium is further added in the form of a metallic lithium foil in addition to lithium contained in the lithium-containing composite oxide. During the initial charge of the non-aqueous electrolyte secondary battery, a reductive decomposition reaction of the non-aqueous electrolyte occurs on the surface of the carbon material of the negative electrode, and 10 to 20% of lithium ions released from the lithium-containing composite oxide by this reaction. Is fixed to the negative electrode, which causes a phenomenon in which the amount of lithium ions related to the charge / discharge reaction, that is, the amount of lithium ions that fill sites in the 4V discharge region of the lithium-containing composite oxide decreases. Further, the lithium manganese composite oxide LiMn 2−x M x O 4 has sites where lithium is inserted / extracted in the 4V discharge region and sites where lithium is inserted / extracted in the 3V discharge region. The lithium contained in LiMn 2−x M x O 4 is arranged at the site of the 4V discharge region, and the site of the 3V discharge region is vacant. Thus, a considerable amount of unused capacity (latent capacity) due to the absence of lithium ions is present in the lithium-containing composite oxide that is the positive electrode active material. Therefore, by adding an amount of lithium corresponding to this unused capacity to the negative electrode in the form of a metal lithium foil, it becomes possible to utilize the unused capacity of the lithium-containing composite oxide that is the positive electrode active material. The energy density of the electrolyte secondary battery can be increased.

また、この非水電解質二次電池においては、負極合材8表面上に複数の金属リチウム箔9を均一に分散して配置することにより、充放電反応の際にリチウムが負極の炭素材料に拡散し易くなり、金属リチウム箔の一部が残存することなく添加したリチウムの全てが充放電反応に利用されるので、非水電解質二次電池のエネルギー密度を高めることができる。   In this non-aqueous electrolyte secondary battery, a plurality of metallic lithium foils 9 are uniformly dispersed on the surface of the negative electrode mixture 8, so that lithium diffuses into the carbon material of the negative electrode during the charge / discharge reaction. Since all of the added lithium is utilized for the charge / discharge reaction without leaving a part of the metal lithium foil, the energy density of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be increased.

更にこの非水電解質二次電池は、リチウム複合酸化物として、Mnの一部を元素Mで置換したLiMn2-xで表されるリチウムマンガン複合酸化物を用いており、元素Mを添加することにより、放電の進行によってLiMn2-xに引き起こされるヤーン・テラー効果による結晶構造の転移を抑制することができ、充放電サイクルの進行に伴う電池の放電容量の低下を抑えることが可能となり、特に、本発明の非水電解質二次電池の場合は、LiMn2-xの3V放電域のサイトを利用するために電池電圧が3V以下になるまで放電を行うので、元素Mを添加してLiMn2-xの結晶構造の転移を防止することにより、電池の放電容量の低下を極めて有効に抑えることができる。 Furthermore, this non-aqueous electrolyte secondary battery uses a lithium manganese composite oxide represented by LiMn 2−x M x O 4 in which a part of Mn is substituted with an element M as a lithium composite oxide. Can suppress the transition of the crystal structure due to the Yarn-Teller effect caused by LiMn 2−x M x O 4 due to the progress of the discharge, and the discharge capacity of the battery is reduced as the charge / discharge cycle progresses In particular, in the case of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the discharge of the LiMn 2−x M x O 4 3V discharge region is used until the battery voltage becomes 3V or less. Therefore, by adding the element M to prevent the transition of the crystal structure of LiMn 2−x M x O 4 , it is possible to extremely effectively suppress the decrease in the discharge capacity of the battery.

(実施例1)図1に示すような非水電解質二次電池を作製し、金属リチウム箔の添加が、電池のサイクル特性に及ぼす影響を調査した。まずリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)80重量部、導電助材として黒鉛粉末5重量部及びアセチレンブラック粉末5重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン10重量部を混合し、この混合物にN−メチルピロリドン100重量部を加え、ホモミキサーで充分混合してスラリーとした。その後、100mm×140mm、厚さ20μmのAl基板上に、ドクターブレード法によってこのスラリーを塗工し、空気中で予備乾燥し、ホットプレスにて圧縮成型した後、直径16mmの円板状に打ちぬき、真空中で加熱乾燥することにより、正極を得た。   Example 1 A non-aqueous electrolyte secondary battery as shown in FIG. 1 was prepared, and the influence of the addition of metal lithium foil on the cycle characteristics of the battery was investigated. First, 80 parts by weight of lithium cobalt composite oxide (LiCoO2), 5 parts by weight of graphite powder and 5 parts by weight of acetylene black powder as a conductive additive, and 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed, and N-methyl was added to this mixture. 100 parts by weight of pyrrolidone was added and mixed well with a homomixer to obtain a slurry. After that, this slurry was applied on an Al substrate having a size of 100 mm × 140 mm and a thickness of 20 μm by a doctor blade method, preliminarily dried in air, compression-molded by a hot press, and then punched into a disk shape having a diameter of 16 mm. The positive electrode was obtained by heating and drying in vacuum.

次に、天然黒鉛粉末90重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン10重量部を混合し、更にこの混合物に溶媒としてN−メチルピロリドン200重量部を加え、ホモミキサーで充分混合してスラリーとした。その後、100mm×140mm、厚さ10μmの銅基板上に、ドクターブレード法によりスラリーを塗工し、空気中で予備乾燥し、ロールプレスで圧縮成型した後、直径16mm、の円板状に打ちぬき、真空中で加熱乾燥することにより、負極合材を得た。この負極合材上に、別途用意した市販の金属リチウム箔を、ドライルーム(露点 -50℃以下)中でローラープレスを用いて圧着することにより負極を作製した。なお、金属リチウム箔の量は、負極活物質である天然黒鉛の重量に対して、1.5重量%とした負極を作製した。   Next, 90 parts by weight of natural graphite powder and 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed. Further, 200 parts by weight of N-methylpyrrolidone as a solvent was added to this mixture, and the mixture was sufficiently mixed with a homomixer to obtain a slurry. . After that, slurry was applied on a copper substrate of 100 mm × 140 mm and thickness 10 μm by the doctor blade method, pre-dried in the air, compression molded with a roll press, and then punched into a disk shape with a diameter of 16 mm. The negative electrode mixture was obtained by heating and drying in vacuum. On this negative electrode mixture, a commercially available metal lithium foil prepared separately was pressure-bonded using a roller press in a dry room (dew point of −50 ° C. or lower) to prepare a negative electrode. In addition, the negative electrode which produced 1.5 weight% of metal lithium foil with respect to the weight of the natural graphite which is a negative electrode active material was produced.

上記の様にして作成した正極及び負極を用いて、ドライルーム中で図1に示すようなコイン型の非水電解質二次電池を作製した。非水電解質にはエチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=1:2(モル比)の混合溶媒に電解質としてLiPF6を1モル/リットルの濃度で溶解したものを用いた。この電池の寸法は直径20mm、電池総高1.6mmであった。   Using the positive electrode and the negative electrode prepared as described above, a coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery as shown in FIG. 1 was prepared in a dry room. As the non-aqueous electrolyte, a solution in which LiPF6 was dissolved at a concentration of 1 mol / liter as an electrolyte in a mixed solvent of ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 1: 2 (molar ratio) was used. The dimensions of this battery were 20 mm in diameter and 1.6 mm in total battery height.

上記の様にして作製したコイン型の非水電解質二次電池にポテンシオガルバノスタットを接続し、充放電電流密度100mAh/g-負極活物質重量、充電終止電圧4.1V、放電終止電圧3.0V、の条件で定電流充放電試験を行った。   A potentiogalvanostat is connected to the coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery produced as described above, and the charge / discharge current density is 100 mAh / g—the negative electrode active material weight, the charge end voltage is 4.1 V, and the discharge end voltage is 3. A constant current charge / discharge test was performed under the condition of 0V.

(実施例2)正極材料としてリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)を用いた以外は、実施例1と同様に、非水電解質二次電池を作製し、充放電試験を行った。   (Example 2) A nonaqueous electrolyte secondary battery was prepared and a charge / discharge test was performed in the same manner as in Example 1 except that lithium nickel composite oxide (LiNiO2) was used as the positive electrode material.

(実施例3)正極材料としてリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)を用い、充放電条件を充電終止電圧4.15V、放電終止電圧2.2Vとした以外は、実施例1と同様に、非水電解質二次電池を作製し、充放電試験を行った。   Example 3 Similar to Example 1, except that lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4) was used as the positive electrode material, and the charge / discharge conditions were changed to a charge end voltage of 4.15 V and a discharge end voltage of 2.2 V. An electrolyte secondary battery was produced and a charge / discharge test was performed.

(比較例1)負極への金属リチウム箔の添加量を、負極活物質である天然黒鉛の重量に対して、0重量%とした以外は、実施例1と同様にして、非水電解質二次電池を作製し、充放電試験を行った。   (Comparative Example 1) The nonaqueous electrolyte secondary was the same as in Example 1 except that the amount of metal lithium foil added to the negative electrode was 0% by weight with respect to the weight of natural graphite as the negative electrode active material. A battery was prepared and a charge / discharge test was performed.

(比較例2)負極への金属リチウム箔の添加量を、負極活物質である天然黒鉛の重量に対して、0重量%とした以外は、実施例2と同様にして、非水電解質二次電池を作製し、充放電試験を行った。   (Comparative Example 2) A nonaqueous electrolyte secondary, as in Example 2, except that the amount of metal lithium foil added to the negative electrode was 0% by weight with respect to the weight of natural graphite as the negative electrode active material. A battery was prepared and a charge / discharge test was performed.

(比較例3)負極への金属リチウム箔の添加量を、負極活物質である天然黒鉛の重量に対して、0重量%とした以外は、実施例3と同様にして、非水電解質二次電池を作製し、充放電試験を行った。   (Comparative Example 3) A non-aqueous electrolyte secondary, as in Example 3, except that the amount of metallic lithium foil added to the negative electrode was 0% by weight with respect to the weight of natural graphite as the negative electrode active material. A battery was prepared and a charge / discharge test was performed.

図3に実施例1〜3、比較例1〜3の非水電解質二次電池のサイクル特性を示す。図3から明らかなように、金属リチウムの添加により、放電容量の増加だけでなく、サイクル数の増大に伴う放電容量の低下が減少し、優れたサイクル特性を示すことが判る。以上のことから、負極への金属リチウム箔の添加が電池の容量向上だけでなく、サイクル特性向上に繋がることが考えられる。   FIG. 3 shows the cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. As can be seen from FIG. 3, the addition of lithium metal not only increases the discharge capacity, but also decreases the decrease in discharge capacity accompanying an increase in the number of cycles, indicating excellent cycle characteristics. From the above, it can be considered that the addition of the metal lithium foil to the negative electrode not only improves the capacity of the battery but also improves the cycle characteristics.

(実施例4)次に、実施例1と同様にして、非水電解質二次電池を作製し、金属リチウム箔の添加量と、電池の放電容量及びサイクル特性との関係を調査した。まず、実施例3と同様にして、LiMn2O4粉末と、黒鉛粉末及びアセチレンブラック粉末と、ポリフッ化ビニリデンとを混合し、この混合物にN−メチルピロリドンを加え、ホモミキサーで充分混合してスラリーとした。その後、100mm×140mm、厚さ20μmのAl基板上に、ドクターブレード法によってこのスラリーを塗工し、空気中で予備乾燥し、ホットプレスにて圧縮成型した後、直径16mmの円板状に打ちぬき、真空中で加熱乾燥することにより、正極を得た。   (Example 4) Next, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1, and the relationship between the amount of metallic lithium foil added, the discharge capacity of the battery, and the cycle characteristics was investigated. First, in the same manner as in Example 3, LiMn2O4 powder, graphite powder and acetylene black powder, and polyvinylidene fluoride were mixed, and N-methylpyrrolidone was added to this mixture, which was sufficiently mixed with a homomixer to obtain a slurry. . After that, this slurry was applied on an Al substrate having a size of 100 mm × 140 mm and a thickness of 20 μm by a doctor blade method, preliminarily dried in air, compression-molded by a hot press, and then punched into a disk shape having a diameter of 16 mm. The positive electrode was obtained by heating and drying in vacuum.

次に、実施例1と同様にして、天然黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンを混合し、更にこの混合物にN−メチルピロリドンを加え、ホモミキサーで充分混合してスラリーとした。その後、100mm×140mm、厚さ10μmの銅基板上に、ドクターブレード法によりスラリーを塗工し、空気中で予備乾燥し、ロールプレスで圧縮成型した後、直径16mm、の円板状に打ちぬき、真空中で加熱乾燥することにより、負極合材を得た。この負極合材上に、別途用意した市販の金属リチウム箔を、ドライルーム(露点 -50℃以下)中でローラープレスを用いて圧着することにより負極を作製した。なお金属リチウム箔の量を、負極活物質である天然黒鉛の重量に対して、0、1.5、3.0、4.5、6.0、7.5、10重量%とした負極を作製した。   Next, in the same manner as in Example 1, natural graphite powder and polyvinylidene fluoride were mixed, N-methylpyrrolidone was further added to this mixture, and the mixture was sufficiently mixed with a homomixer to obtain a slurry. After that, slurry was applied on a copper substrate of 100 mm × 140 mm and thickness 10 μm by the doctor blade method, pre-dried in the air, compression molded with a roll press, and then punched into a disk shape with a diameter of 16 mm. The negative electrode mixture was obtained by heating and drying in vacuum. On this negative electrode mixture, a commercially available metal lithium foil prepared separately was pressure-bonded using a roller press in a dry room (dew point of −50 ° C. or lower) to prepare a negative electrode. In addition, the negative electrode which made the quantity of metal lithium foil 0, 1.5, 3.0, 4.5, 6.0, 7.5, 10 weight% with respect to the weight of the natural graphite which is a negative electrode active material. Produced.

上記の様にして作成した正極及び負極を用いて、ドライルーム中で図1に示すようなコイン型の非水電解質二次電池を作成した。非水電解質にはエチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=1:2(モル比)の混合溶媒に電解質としてLiPF6を1モル/リットルの濃度で溶解したものを用いた。この電池の寸法は直径20mm、電池総高1.6mmであった。   Using the positive electrode and the negative electrode prepared as described above, a coin-type nonaqueous electrolyte secondary battery as shown in FIG. 1 was prepared in a dry room. As the nonaqueous electrolyte, a solution obtained by dissolving LiPF6 as an electrolyte in a mixed solvent of ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 1: 2 (molar ratio) at a concentration of 1 mol / liter was used. The dimensions of this battery were 20 mm in diameter and 1.6 mm in total battery height.

上記の様にして作製したコイン型の非水電解質二次電池にポテンシオガルバノスタットを接続し、充放電電流密度100mAh/g−負極炭素重量、充電終止電圧4.15V、放電終止電圧2.2Vの条件で定電流充放電試験を行った。結果を図4及び図5に示す。   A potentiogalvanostat is connected to the coin-type non-aqueous electrolyte secondary battery produced as described above, and the charge / discharge current density is 100 mAh / g-negative electrode carbon weight, the charge end voltage is 4.15 V, and the discharge end voltage is 2.2 V. The constant current charge / discharge test was conducted under the following conditions. The results are shown in FIGS.

図4には、正極材料としてLiMn2O4を用いた場合の、非水電解質二次電池の金属リチウム箔の重量と初回放電容量との関係を示す。リチウムを添加するにつれて放電容量は増大し、4.5重量%まではリチウム添加量と共に放電容量が増大するが、4.5重量%を超えると放電容量が一定になることがわかる。また図5には、正極材料としてLiMn2O4を用いた場合の、非水電解質二次電池のサイクル特性を示す。金属リチウムの添加量が1.5重量%以下ではサイクル数の増大と共に放電容量の低下が認められるが、3.0重量%以上、特に4.5〜10重量%の範囲では放電容量の低下が極めて少なく、優れたサイクル特性を示している。以上のことから、金属リチウム箔の添加量は、少なくとも3重量%以上、好ましくは4.5〜10重量%の範囲がよいと考えられる。なお、10重量%以上添加しても、放電容量の増大やサイクル特性の向上の効果は見られなかった。   FIG. 4 shows the relationship between the weight of the metal lithium foil of the nonaqueous electrolyte secondary battery and the initial discharge capacity when LiMn2O4 is used as the positive electrode material. It can be seen that the discharge capacity increases as lithium is added, and the discharge capacity increases with the amount of lithium added up to 4.5% by weight, but the discharge capacity becomes constant when it exceeds 4.5% by weight. FIG. 5 shows the cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery when LiMn2O4 is used as the positive electrode material. When the amount of metallic lithium added is 1.5% by weight or less, a decrease in discharge capacity is observed with an increase in the number of cycles. Very little and shows excellent cycle characteristics. From the above, it is considered that the addition amount of the metallic lithium foil is at least 3% by weight or more, preferably 4.5 to 10% by weight. In addition, even if it added 10 weight% or more, the effect of the increase in discharge capacity or the improvement of cycling characteristics was not seen.

(実施例5)次に、図6に示すような電池性能計測用電解槽を用いて、金属リチウム箔の形状及び配置を種々変更した際の、非水電解質二次電池のサイクル特性を調査した。まず、実施例3と同様にして、LiMn2O4粉末と、黒鉛粉末及びアセチレンブラック粉末と、ポリフッ化ビニリデンとを混合し、この混合物にN−メチルピロリドンを加え、ホモミキサーで混合してスラリーとし、100mm×140mm、厚さ20μmのAl基板21上にドクターブレード法によってこのスラリーを塗工し、空気中で予備乾燥し、ホットプレスにて圧縮成型した後、真空中で加熱乾燥した。このようにしてAl基板21上に正極合材22を固着させた。そして、Al基板21に正極端子18を溶接して正極13を作成した。   (Example 5) Next, the cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery when the shape and arrangement of the metal lithium foil were variously changed were investigated using an electrolytic cell for battery performance measurement as shown in FIG. . First, in the same manner as in Example 3, LiMn2O4 powder, graphite powder and acetylene black powder, and polyvinylidene fluoride were mixed, N-methylpyrrolidone was added to this mixture, and the mixture was mixed with a homomixer to obtain a slurry of 100 mm. This slurry was applied onto an Al substrate 21 with a thickness of 140 mm and a thickness of 20 μm by the doctor blade method, preliminarily dried in air, compression-molded with a hot press, and then heated and dried in a vacuum. In this way, the positive electrode mixture 22 was fixed on the Al substrate 21. And the positive electrode terminal 18 was welded to the Al substrate 21, and the positive electrode 13 was created.

次に、実施例1と同様にして、天然黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンを混合し、更にこの混合物にN−メチルピロリドンを加え、ホモミキサーで混合してスラリーとし、このスラリーを100mm×140mm、厚さ10μmのCu基板19上にドクターブレード法により塗工し、空気中予備乾燥し、ロールプレスで圧縮成型した後、真空中で加熱乾燥した。このようにしてCu基板19上に負極合材20を固着させた。そして、Cu基板に負極端子17を溶接して図7に示すような負極14aを作製した。   Next, in the same manner as in Example 1, natural graphite powder and polyvinylidene fluoride were mixed, N-methylpyrrolidone was further added to this mixture, and the mixture was mixed with a homomixer to form a slurry. This slurry was 100 mm × 140 mm in thickness. It was coated on a 10 μm thick Cu substrate 19 by a doctor blade method, pre-dried in air, compression-molded with a roll press, and then heat-dried in a vacuum. In this way, the negative electrode mixture 20 was fixed on the Cu substrate 19. And the negative electrode terminal 17 was welded to Cu substrate, and the negative electrode 14a as shown in FIG. 7 was produced.

次にこの負極14aの表面に、金属リチウム箔をロールプレス機を用いて接合させた。このとき金属リチウム箔は、3通りのパターンで負極14a上に接合させた。まず図8に示すように、縦81mm、横58mm、厚み0.025mmの1枚の金属リチウム箔24を負極合材20の中央に配置したもの(試料1)、次に図9に示すように、縦40mm、横19mm、厚み0.025mmの6枚の金属リチウム箔25…を負極合材20の表面に均一に配置したもの(試料2)、そして図10に示すように、縦16mm、横100mm、厚み0.025mmの3枚の金属リチウム箔26…を負極合材20の表面に均一に配置したもの(試料3)、である。このようにして、3種類の負極14(14b〜14d)を作成した。   Next, a metal lithium foil was joined to the surface of the negative electrode 14a using a roll press. At this time, the metal lithium foil was bonded onto the negative electrode 14a in three patterns. First, as shown in FIG. 8, one metal lithium foil 24 having a length of 81 mm, a width of 58 mm, and a thickness of 0.025 mm is arranged at the center of the negative electrode mixture 20 (sample 1), and then as shown in FIG. 6 metal lithium foils 25 of length 40 mm, width 19 mm, thickness 0.025 mm are uniformly arranged on the surface of the negative electrode mixture 20 (sample 2), and as shown in FIG. This is a sample (sample 3) in which three metallic lithium foils 26 of 100 mm and a thickness of 0.025 mm are uniformly arranged on the surface of the negative electrode mixture 20. In this way, three types of negative electrodes 14 (14b to 14d) were produced.

試料1〜3の金属リチウム箔の重量は各々ほぼ同一としているが、箔自体の大きさ及び枚数が異なり、試料1〜3の各々の金属リチウム箔の外周長を比較すると、試料1:試料2:試料3=1:2.6:2.2となる。   The weights of the metal lithium foils of Samples 1 to 3 are almost the same, but the size and number of the foils themselves are different. When comparing the outer peripheries of the metal lithium foils of Samples 1 to 3, Sample 1: Sample 2 : Sample 3 = 1: 2.6: 2.2.

そして、上記の正極13及び図8〜図10に示す負極14(14b〜14d)を用いて、図7に示すような電池性能計測用電解槽を組み立てた。まず、多孔質ポリプロピレン製のセパレータ15を正極13と負極14(14a 14c)とで挟み、これらを一対のポリプロピレン製のスペーサ12、12で更に挟み、ステンレス製の電池容器11に収納した。そして、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=1:2(モル比)の混合溶媒に電解質としてLiPF6を1モル/リットルの濃度で溶解した非水電解液を電池容器11に注入し、この電池容器11の開口部をO リング16を介して封口板23で封口することにより、電池性能計測用電解槽を作製した。なお、正極端子18及び負極端子17は、封口板23を貫通して電池性能計測用電解槽の外部に露出させた。この正極端子18及び負極端子17をポテンシオガルバノスタットに接続し、充放電電流密度100mAh/g−C、充電終止電圧4.15V、放電終止電圧2.2Vの条件で定電流充放電試験を行った。結果を図11に示す。   And the electrolytic cell for battery performance measurement as shown in FIG. 7 was assembled using said positive electrode 13 and the negative electrode 14 (14b-14d) shown in FIGS. 8-10. First, a porous polypropylene separator 15 was sandwiched between a positive electrode 13 and a negative electrode 14 (14a 14c), which were further sandwiched between a pair of polypropylene spacers 12 and 12, and stored in a stainless steel battery container 11. Then, a non-aqueous electrolyte solution in which LiPF 6 as an electrolyte was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 1: 2 (molar ratio) at a concentration of 1 mol / liter was poured into the battery container 11. By sealing the part with a sealing plate 23 via an O-ring 16, an electrolytic cell for battery performance measurement was produced. The positive electrode terminal 18 and the negative electrode terminal 17 penetrated the sealing plate 23 and were exposed to the outside of the battery performance measurement electrolytic cell. The positive electrode terminal 18 and the negative electrode terminal 17 are connected to a potentiogalvanostat, and a constant current charge / discharge test is performed under the conditions of a charge / discharge current density of 100 mAh / g-C, a charge end voltage of 4.15 V, and a discharge end voltage of 2.2 V. It was. The results are shown in FIG.

図11に示すように、試料1〜3の中でサイクル特性の最も良好なものは試料2の負極14cであり、次に良好なものは試料3の負極14dであり、最後に試料1の負極14bとなる。この順序は、金属リチウム箔の外周長の比の大きい順と一致している。これは、金属リチウム箔が負極上に均一に分散して配置されたことにより、金属リチウムが負極活物質である天然黒鉛中に拡散しやすくなって、サイクル特性が向上したものと思われる。従って、金属リチウム箔の外周を長くするように、複数の金属リチウムを相互に離間して負極上に均一に分散配置することにより、サイクル特性が向上してエネルギー密度の高い非水電解質二次電池を得ることができることが判明した。特に、箔同士の間隔を31mm以下にすれば、負極中への金属リチウムの拡散がより容易になり、良好なサイクル特性を得ることができるものと考えられる。   As shown in FIG. 11, among the samples 1 to 3, the best cycle characteristics are the negative electrode 14c of the sample 2, the next best is the negative electrode 14d of the sample 3, and finally the negative electrode of the sample 1. 14b. This order coincides with the order of the ratio of the outer peripheral length of the metal lithium foil. This is presumably because the metal lithium foil was uniformly dispersed on the negative electrode, so that the metal lithium was easily diffused into the natural graphite as the negative electrode active material, and the cycle characteristics were improved. Accordingly, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high energy density with improved cycle characteristics by arranging a plurality of metallic lithiums spaced apart and uniformly distributed on the negative electrode so as to lengthen the outer periphery of the metallic lithium foil. It turns out that can be obtained. In particular, if the distance between the foils is set to 31 mm or less, it is considered that diffusion of metallic lithium into the negative electrode becomes easier and good cycle characteristics can be obtained.

本発明の実施形態であるコイン型の非水電解質二次電池の断面図である。It is sectional drawing of the coin-type nonaqueous electrolyte secondary battery which is embodiment of this invention. 図1に示す非水電解質二次電池の負極の斜視図である。It is a perspective view of the negative electrode of the nonaqueous electrolyte secondary battery shown in FIG. 実施例1〜3及び比較例1〜3の非水電解質二次電池のサイクル特性を示すグラフである。It is a graph which shows the cycling characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3. 実施例4の非水電解質二次電池の金属リチウムの添加量と、初回放電容量との関係を示すグラフである。6 is a graph showing the relationship between the amount of metallic lithium added to the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 4 and the initial discharge capacity. 実施例4の非水電解質二次電池のサイクル特性を示すグラフである。6 is a graph showing cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 4. 電池性能計測用電解槽の構成を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the electrolytic cell for battery performance measurement. 負極の平面図である。It is a top view of a negative electrode. 試料1の負極の平面図である。2 is a plan view of a negative electrode of Sample 1. FIG. 試料2の負極の平面図である。3 is a plan view of a negative electrode of Sample 2. FIG. 試料3の負極の平面図である。4 is a plan view of a negative electrode of Sample 3. FIG. 試料1〜3の負極を用いた電池性能計測用電解槽のサイクル特性を示すグラフである。It is a graph which shows the cycle characteristic of the electrolytic cell for battery performance measurement using the negative electrode of samples 1-3.

符号の説明Explanation of symbols

1 電池ケース
2 封口板
3 負極
4 正極合材(正極)
6 セパレータ
8 負極合材
9 金属リチウム箔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Battery case 2 Sealing plate 3 Negative electrode 4 Positive electrode compound material (positive electrode)
6 Separator 8 Negative electrode composite 9 Metal lithium foil

Claims (6)

下記の組成式により表されるリチウムマンガン複合酸化物の粉末が少なくとも含まれて板状若しくはシート状に成形された正極合材からなる正極と、
炭素材料の粉末が少なくとも含まれて板状若しくはシート状に成形された負極合材と、この負極合材の表面に接合され、前記正極合材に存在する未活用容量に相当する量のリチウムを添加する金属リチウム箔とからなる負極と、
非水電解質とを備えた非水電解質二次電池の運転方法であって、
4V放電域のサイトと3V放電域のサイトを利用して充放電することを特徴とする、非水電解質二次電池の運転方法。
LiMn2-x
ただし、MはTi、V、Cr、Fe、Co、Ni、Al、Ag、Mg、Liのうちの少なくとも1種以上の元素であり、組成比を示すxは、0≦x≦1.0である。
A positive electrode comprising a positive electrode mixture formed into a plate shape or a sheet shape containing at least a powder of a lithium manganese composite oxide represented by the following composition formula;
A negative electrode composite material containing at least a carbon material powder and formed into a plate shape or a sheet shape, and an amount of lithium that is bonded to the surface of the negative electrode composite material and that corresponds to the unused capacity existing in the positive electrode composite material. A negative electrode comprising a metallic lithium foil to be added;
A non-aqueous electrolyte secondary battery operating method comprising a non-aqueous electrolyte,
A method for operating a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein charging and discharging are performed using a site in a 4 V discharge region and a site in a 3 V discharge region.
LiMn 2−x M x O 4
However, M is at least one element of Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Al, Ag, Mg, and Li, and x indicating the composition ratio is 0 ≦ x ≦ 1.0. is there.
前記正極は、表面に導電性高分子を被覆したリチウムマンガン複合酸化物を用いることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池の運転方法。   The method for operating a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode uses a lithium manganese composite oxide having a surface coated with a conductive polymer. 複数の金属リチウム箔が、前記負極合材の表面に相互に離間されて均一に分散配置・接合された負極を備えたことを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池の運転方法。   The operation of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein a plurality of metallic lithium foils are provided with negative electrodes that are spaced apart from each other and uniformly distributed and bonded to the surface of the negative electrode mixture. Method. 前記負極において、相互に離間されて接合された複数の金属リチウム箔の間隔が、31mm以下であることを特徴とする請求項3記載の非水電解質二次電池の運転方法。   4. The method of operating a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 3, wherein an interval between a plurality of metallic lithium foils that are separated from each other and joined in the negative electrode is 31 mm or less. 前記金属リチウム箔の重量をLimとし、前記のリチウムマンガン複合酸化物3V放電域のサイトを満たすリチウムの重量をLi3Vとし、非水電解質二次電池の初回充電時に前記炭素材料表面にて生じる非水電解質の還元反応で消費されるリチウムの重量をLi1cとしたとき、前記金属リチウム箔の重量が、Lim≧Li3V+Li1cの関係を満たすことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の非水電解質二次電池の運転方法。   The weight of the metallic lithium foil is Lim, the weight of lithium that fills the 3 V discharge region of the lithium manganese composite oxide is Li3V, and non-aqueous water is generated on the surface of the carbon material when the non-aqueous electrolyte secondary battery is charged for the first time. The weight of the lithium metal foil satisfies the relationship Lim ≧ Li3V + Li1c, where Li1c is the weight of lithium consumed in the reduction reaction of the electrolyte, according to any one of claims 1 to 4. A method for operating a non-aqueous electrolyte secondary battery. 前記金属リチウム箔の重量が、前記炭素材料の重量に対して3重量%以上10重量%以下の範囲とされたことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の非水電解質二次電池の運転方法。   6. The nonaqueous electrolyte according to claim 1, wherein the weight of the metal lithium foil is in the range of 3% by weight to 10% by weight with respect to the weight of the carbon material. Secondary battery operation method.
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