JP4994628B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、非水電解質二次電池、特に高出力型リチウムイオン二次電池の負極および非水電解質の改良に関する。   The present invention relates to an improvement in a non-aqueous electrolyte secondary battery, in particular, a negative electrode and a non-aqueous electrolyte of a high-power lithium ion secondary battery.

近年、非水電解質二次電池は、高い作動電圧と高エネルギー密度を有する二次電池として、携帯電話やノート型パソコン、ビデオカムコーダーなどのポータブル電子機器の駆動用電源として実用化され、急速な成長を遂げている。特に、リチウムイオン二次電池は、小型二次電池をリードする電池系として生産量は増え続けている。   In recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries have been put into practical use as a power source for driving portable electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and video camcorders as secondary batteries with high operating voltage and high energy density. Have achieved. In particular, the production volume of lithium ion secondary batteries continues to increase as a battery system that leads small secondary batteries.

リチウムイオン二次電池の正極活物質としては、4V級の高電圧を有するリチウム含有複合酸化物が用いられている。例えば、六方晶構造を有するLiCoO2、LiNiO2、およびスピネル構造を有するLiMn24が代表的なリチウム含有複合酸化物である。これらの中でも、作動電圧が高く、高エネルギー密度が得られるLiCoO2が主に正極活物質として用いられている。
また、負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵および放出し得る炭素材料が用いられている。特に、フラットな放電電位と高容量密度を実現する観点から、黒鉛材料が主に用いられている。
As a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery, a lithium-containing composite oxide having a high voltage of 4V is used. For example, LiCoO 2 having a hexagonal crystal structure, LiNiO 2 , and LiMn 2 O 4 having a spinel structure are typical lithium-containing composite oxides. Among these, LiCoO 2 having a high operating voltage and a high energy density is mainly used as the positive electrode active material.
As the negative electrode active material, a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions is used. In particular, a graphite material is mainly used from the viewpoint of realizing a flat discharge potential and a high capacity density.

最近になって、非水電解質二次電池は、小型民生用途のみならず、電力貯蔵用や電気自動車用など大容量の大型電池にも展開されつつある。特に、ハイブリッド電気自動車(HEV)においては、環境問題の打開策として、ニッケル水素電池を搭載した車両が既に量産され、市販されるまでに到っている。   Recently, non-aqueous electrolyte secondary batteries are being developed not only for small consumer applications, but also for large-capacity large batteries for power storage and electric vehicles. In particular, in a hybrid electric vehicle (HEV), vehicles equipped with nickel metal hydride batteries have already been mass-produced and marketed as a measure to overcome environmental problems.

また、ニッケル水素電池に代わるものとして、HEV用リチウムイオン二次電池の開発も急速に進められており、一部実用化されはじめている。将来的には、燃料電池自動車の普及が予想されているが、燃料電池をアシストするための高出入力で長寿命な二次電池としても、リチウムイオン二次電池が有望視されている。   In addition, as an alternative to nickel metal hydride batteries, development of lithium ion secondary batteries for HEV has been rapidly advanced, and some of them have begun to be put into practical use. In the future, the spread of fuel cell vehicles is expected, but lithium ion secondary batteries are promising as secondary batteries with high output and long life for assisting fuel cells.

前述のように、特に高容量化が望まれるリチウムイオン二次電池の負極活物質には、高容量密度で電流効率の高い高結晶性の黒鉛材料が好適に用いられている。また、プロピレンカーボネート(PC)は、誘電率が高く、融点が低く、一般に広い酸化還元電位領域で安定であるため、非水電解質の溶媒として用いられている。しかし、PCは、黒鉛表面との相互作用が大きく、その黒鉛表面で電気化学的に分解されやすい。よって、PCを含む非水電解質を用いると、リチウムイオン二次電池の充電が不可能となる場合がある。   As described above, a highly crystalline graphite material having a high capacity density and a high current efficiency is suitably used for the negative electrode active material of a lithium ion secondary battery in which high capacity is particularly desired. Propylene carbonate (PC) is used as a solvent for non-aqueous electrolytes because it has a high dielectric constant, a low melting point, and is generally stable in a wide redox potential region. However, PC has a large interaction with the graphite surface and is easily decomposed electrochemically on the graphite surface. Therefore, when a nonaqueous electrolyte containing PC is used, the lithium ion secondary battery may not be able to be charged.

PCの代わりに、エチレンカーボネート(EC)を用いることも提案されている。ECを用いることにより、黒鉛を活物質とする負極を用いた場合でも、電池の充放電が可能となる。ECは、黒鉛表面で安定な被膜を形成する。これにより、リチウムイオンのインターカレートが容易になると考えられている。しかし、ECは融点が高く、常温では固体である。このため、ECは、通常、低融点の鎖状カーボネートやエーテル類などと混合して用いる必要がある。   It has also been proposed to use ethylene carbonate (EC) instead of PC. By using EC, the battery can be charged / discharged even when a negative electrode using graphite as an active material is used. EC forms a stable coating on the graphite surface. This is believed to facilitate the intercalation of lithium ions. However, EC has a high melting point and is solid at room temperature. For this reason, it is usually necessary to use EC in a mixture with a low-melting chain carbonate or ether.

また、ECとPCとの混合溶媒を用いることも可能である。この場合、EC由来の安定化被膜を形成させ、PCと黒鉛表面との相互作用を緩和して、十分に充電反応を進行させるためには、ECとPCとの合計に占めるECの割合を大きくすることが要求される。   It is also possible to use a mixed solvent of EC and PC. In this case, in order to form a stabilization coating derived from EC, relax the interaction between PC and the graphite surface, and sufficiently advance the charging reaction, the ratio of EC in the total of EC and PC is increased. It is required to do.

このようなECを非水溶媒の主成分とする非水電解質を用いたリチウムイオン電池では、PCを非水溶媒の主成分とする非水電解質を用いたリチウムイオン電池と比較して、低温特性が劣る傾向にある。また、ECを非水溶媒の主成分とする非水電解質は、リチウムイオン電池を高温で保存すると、分解によるガス発生が顕著となる。特に角形構造の電池やラミネートシートからなる外装を有する電池では、電池の膨れが大きな問題となる。   Such a lithium ion battery using a non-aqueous electrolyte containing EC as a main component of a non-aqueous solvent has a lower temperature characteristic than a lithium ion battery using a non-aqueous electrolyte containing PC as a main component of a non-aqueous solvent. Tend to be inferior. In addition, a non-aqueous electrolyte containing EC as a main component of a non-aqueous solvent exhibits significant gas generation due to decomposition when a lithium ion battery is stored at a high temperature. In particular, in the case of a battery having a square structure or a battery having an exterior made of a laminate sheet, the swelling of the battery is a serious problem.

このような問題を解決するために、黒鉛系ではなく、低結晶性の炭素や難黒鉛化性炭素を負極活物質として使用し、非水電解質の溶媒にPC系溶媒を採用することが考えられる。しかし、低結晶性の炭素や難黒鉛化性炭素は、図4に示されるように、黒鉛材料と比較して、充電曲線および放電曲線の傾斜が大きいため、例えば、放電末期において、電池電圧が幾分低い。ここで、図4において、難黒鉛化性炭素の放電曲線および放電曲線はそれぞれX1およびX2で表され、黒鉛材料の放電曲線および放電曲線はそれぞれY1およびY2で表されている。
また、電流効率が低いため、不可逆容量が大きくなり、電池容量が低下する。さらには、低結晶性の炭素や難黒鉛化性炭素は、真密度が小さいため、単位容積当たりの容量密度が小さくなるという問題がある。
In order to solve such a problem, it is conceivable to use low crystalline carbon or non-graphitizable carbon as a negative electrode active material instead of graphite, and adopt a PC solvent as a non-aqueous electrolyte solvent. . However, as shown in FIG. 4, low crystalline carbon and non-graphitizable carbon have a large slope of the charge curve and discharge curve compared to the graphite material. Somewhat low. Here, in FIG. 4, the discharge curve and discharge curve of non-graphitizable carbon are represented by X 1 and X 2 , respectively, and the discharge curve and discharge curve of the graphite material are represented by Y 1 and Y 2 , respectively.
In addition, since the current efficiency is low, the irreversible capacity increases and the battery capacity decreases. Furthermore, since low-crystalline carbon and non-graphitizable carbon have a low true density, there is a problem that the capacity density per unit volume is low.

最近になって、黒鉛系負極を用いた電池において、PCを主溶媒する非水電解質を使用する試みがいくつか提案されている。例えば、黒鉛粒子の表面に非晶質炭素を被覆することで、PCの分解を抑制することが提案されている(特許文献1参照)。また、PCとECとの混合溶媒を使用し、PCの比率を10容量%未満に制限する提案(特許文献2参照)、PCを主溶媒とする非水電解質を用い、その非水電解質に添加剤を加える提案(特許文献3参照)などがなされている。   Recently, several attempts have been made to use a non-aqueous electrolyte containing PC as a main solvent in a battery using a graphite-based negative electrode. For example, it has been proposed to suppress decomposition of PC by coating the surface of graphite particles with amorphous carbon (see Patent Document 1). In addition, a proposal to use a mixed solvent of PC and EC and limit the PC ratio to less than 10% by volume (see Patent Document 2), using a non-aqueous electrolyte containing PC as a main solvent, added to the non-aqueous electrolyte A proposal to add an agent (see Patent Document 3) has been made.

一方で、電池特性を向上させるために、c軸方向の結晶子の厚みLcの値が60nm以上100nm未満の黒鉛材料を負極活物質として使用することが提案されている(特許文献4参照)。
特開2002−241117号公報 特開平9−120838号公報 特開平6−13107号公報 特開2000−260480号公報
On the other hand, in order to improve battery characteristics, it has been proposed to use a graphite material having a c-axis direction crystallite thickness Lc of 60 nm or more and less than 100 nm as a negative electrode active material (see Patent Document 4).
JP 2002-241117 A Japanese Patent Laid-Open No. 9-120838 JP-A-6-13107 JP 2000-260480 A

このように、0℃以下、特に−30℃程度の極低温域において、満足のいく出力性能を得ることができない。とりわけ、HEV用など高出力が求められる電池においては大きな問題となっている。また、高温環境下では、非水電解質の構成成分が分解して、ガスが発生しやすくなる。よって、高温環境下で長期間保存した場合、電池特性が劣化したり、電池が膨れるために耐久性が低下したりする。
これらのことは、炭素材料の黒鉛化度、ならびに炭素材料と非水電解質を構成する溶媒との相互作用に依存している。黒鉛を活物質として用いる従来の負極には、一般に、ECを非水溶媒の主成分とする非水電解質を組み合わせるため、上記のような問題が生じる。すなわち、黒鉛を負極活物質として用い、ECを非水溶媒の主成分とする非水電解質を用いる場合、電池の低温出力性能と長期耐久性能を両立させることは困難である。
Thus, satisfactory output performance cannot be obtained in an extremely low temperature range of 0 ° C. or lower, particularly about −30 ° C. In particular, it is a big problem in batteries that require high output such as for HEV. In a high temperature environment, the constituent components of the nonaqueous electrolyte are decomposed and gas is easily generated. Therefore, when it is stored for a long time in a high temperature environment, the battery characteristics are deteriorated, and the battery is swollen, so that the durability is lowered.
These things depend on the degree of graphitization of the carbon material and the interaction between the carbon material and the solvent constituting the nonaqueous electrolyte. Since the conventional negative electrode using graphite as an active material is generally combined with a non-aqueous electrolyte containing EC as a main component of a non-aqueous solvent, the above-described problems occur. That is, when graphite is used as a negative electrode active material and a nonaqueous electrolyte containing EC as a main component of a nonaqueous solvent is used, it is difficult to achieve both low-temperature output performance and long-term durability performance of the battery.

そこで、本発明は、長寿命であり、低温環境下においても高出力である非水電解質二次電池を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery that has a long life and high output even in a low temperature environment.

本発明の非水電解質二次電池は、リチウム含有複合酸化物を含む正極と、リチウムを吸蔵および放出し得る炭素材料を含む負極と、非水電解質とを備え、炭素材料は易黒鉛化性炭素材料を含み、CuKα線を用いて測定される、易黒鉛化性炭素材料の広角X線回折パターンにおいて、(101)面に帰属されるピーク強度I(101)の(100)面に帰属されるピーク強度I(100)に対する比が、以下の式:
0.5≦I(101)/I(100)≦0.7
を満たし、前記易黒鉛化性炭素材料のc軸方向の結晶子の厚みLc(004)が20nm以上60nm未満である。また、非水電解質は、非水溶媒と非水溶媒に溶解された溶質とを含む。非水溶媒はプロピレンカーボネート(PC)とエチレンカーボネート(EC)を含み、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートとが非水溶媒の40体積%以上80体積%以下を占める。さらに、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートとの合計に占めるプロピレンカーボネートの割合が60体積%以上90体積%以下である。
The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes a positive electrode including a lithium-containing composite oxide, a negative electrode including a carbon material capable of inserting and extracting lithium, and a non-aqueous electrolyte, and the carbon material is graphitizable carbon. In the wide-angle X-ray diffraction pattern of graphitizable carbon material, which is measured using CuKα rays, including the material, it belongs to the (100) plane of the peak intensity I (101) attributed to the (101) plane The ratio to peak intensity I (100) is given by the following formula:
0.5 ≦ I (101) / I (100) ≦ 0.7
And the crystallite thickness Lc (004) in the c-axis direction of the graphitizable carbon material is 20 nm or more and less than 60 nm. The non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous solvent and a solute dissolved in the non-aqueous solvent. The non-aqueous solvent includes propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC), and propylene carbonate and ethylene carbonate occupy 40% by volume or more and 80% by volume or less of the non-aqueous solvent. Furthermore, the ratio of propylene carbonate in the total of propylene carbonate and ethylene carbonate is 60% by volume or more and 90% by volume or less.

そして、上記非水電解質二次電池において、非水溶媒はジメチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートから選ばれる少なくとも1種の鎖状カーボネートをさらに含み、鎖状カーボネートの占める割合が非水溶媒の20体積%以上60体積%以下であることが好ましい。 Then, in the above KiHisui electrolyte secondary batteries, non-aqueous solvent further comprises at least one linear carbonate selected from dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, 20% by volume ratio of the chain carbonate is non-aqueous solvent It is preferable that it is 60 volume% or less.

負極活物質として上記のような物性値を有する易黒鉛化性炭素を用いた場合、少量のエチレンカーボネートを含んでいれば、プロピレンカーボネートを主溶媒とする非水溶媒を用いた電池においても充放電が可能となる。また、プロピレンカーボネートが主溶媒となることにより、結果としてプロピレンカーボネートおよびエチレンカーボネート以外の、例えば、低粘性溶媒の比率を下げることが可能となる。このため、低温性能を確保しつつ長期耐久性に優れる非水電解質二次電池を提供することが可能となる。さらに、本発明で用いられる易黒鉛化性炭素は、黒鉛六角網平面構造を有している。また、その易黒鉛化性炭素の結晶子サイズは小さく、エッジ面比率も少ない。従って、非水溶媒が主としてプロピレンカーボネートを含んでいるにもかかわらず、易黒鉛化性炭素のエッジ面へのエチレンカーボネートの分解物からなる被膜の形成が容易となり、リチウムイオンのインターカレーション反応が促進される。よって、本発明により、低温環境下においても高出力であり、長期耐久性に優れた非水電解質二次電池を提供することが可能となる。   When graphitizable carbon having the above physical properties is used as the negative electrode active material, charging and discharging are possible even in a battery using a non-aqueous solvent containing propylene carbonate as a main solvent if it contains a small amount of ethylene carbonate. Is possible. Moreover, by making propylene carbonate a main solvent, it becomes possible to reduce the ratio of low-viscosity solvents other than propylene carbonate and ethylene carbonate as a result. For this reason, it becomes possible to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery that is excellent in long-term durability while ensuring low-temperature performance. Furthermore, the graphitizable carbon used in the present invention has a graphite hexagonal network planar structure. Further, the graphitized carbon of the graphitizable carbon is small and the edge surface ratio is small. Therefore, despite the fact that the non-aqueous solvent mainly contains propylene carbonate, it becomes easy to form a coating film composed of a decomposition product of ethylene carbonate on the edge surface of the graphitizable carbon, and the intercalation reaction of lithium ions is facilitated. Promoted. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery that has high output even in a low temperature environment and excellent long-term durability.

すなわち、本発明により、非水電解質がプロピレンカーボネートを含んでいるにもかかわらず、プロピレンカーボネートの分解等を防止することができるため、低温域においても、高出力かつ長寿命な非水電解質二次電池を提供することができる。   That is, according to the present invention, since the non-aqueous electrolyte contains propylene carbonate, it is possible to prevent the decomposition of propylene carbonate, etc. A battery can be provided.

本発明の非水電解質二次電池は、リチウム含有複合酸化物を含む正極と、リチウムを吸蔵および放出し得る炭素材料を含む負極と、非水電解質とを備える。ここで、前記炭素材料は、易黒鉛化性炭素材料を含み、CuKα線を用いて測定される広角X線回折パターンにおいて、前記易黒鉛化性炭素材料の(101)面に帰属されるピーク強度I(101)の(100)面に帰属されるピーク強度I(100)に対する比が、以下の式:
0.5≦I(101)/I(100)≦0.7
を満たす。また、前記易黒鉛化性炭素材料のc軸方向の結晶子の厚みLc(004)は20nm以上60nm以下である。
非水電解質は、非水溶媒と非水溶媒に溶解された溶質とを含み、非水溶媒はプロピレンカーボネートと、エチレンカーボネートと、ジメチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートから選ばれる少なくとも1種の鎖状カーボネートと、を含む。ここで、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートとは非水溶媒の40体積%以上80体積%以下を占める。また、プロピレンカーボネートとエチレンカーボネートとの合計に占めるプロピレンカーボネートの割合は60体積%以上90体積%以下である。
The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes a positive electrode including a lithium-containing composite oxide, a negative electrode including a carbon material capable of inserting and extracting lithium, and a non-aqueous electrolyte. Here, the carbon material includes a graphitizable carbon material, and in a wide-angle X-ray diffraction pattern measured using CuKα rays, the peak intensity attributed to the (101) plane of the graphitizable carbon material. The ratio of I (101) to the peak intensity I (100) attributed to the (100) plane is given by the following formula:
0.5 ≦ I (101) / I (100) ≦ 0.7
Meet. Further, the crystallite thickness Lc (004) in the c-axis direction of the graphitizable carbon material is 20 nm or more and 60 nm or less.
Non-aqueous electrolyte contains a solute dissolved in a nonaqueous solvent and a nonaqueous solvent, the nonaqueous solvent propylene carbonate, et Chirenkabone Doo and at least one linear carbonate selected from dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate And including. Here, propylene carbonate and ethylene carbonate occupy 40% by volume or more and 80% by volume or less of the nonaqueous solvent. Moreover, the ratio of the propylene carbonate which occupies for the sum total of propylene carbonate and ethylene carbonate is 60 volume% or more and 90 volume% or less.

正極は、例えば、正極集電体とその両面に担持された正極合剤層とから構成することができる。同様に、負極は、例えば、負極集電体とその両面に担持された負極合剤層とから構成することができる。また、正極合剤層は、例えば、正極活物質、導電材および結着剤から構成することができる。負極合剤層は、例えば、負極活物質および結着剤から構成することができる。 The positive electrode, for example, can be composed of the positive electrode current collector and the positive electrode material mixture layer carried on each side thereof. Similarly, a negative electrode can be comprised from the negative electrode collector and the negative mix layer carry | supported by the both surfaces, for example. The positive electrode mixture layer can be composed of, for example, a positive electrode active material, a conductive material, and a binder. The negative electrode mixture layer can be composed of, for example, a negative electrode active material and a binder.

上記のように、正極活物質としては、リチウム含有複合酸化物が用いられる。リチウム含有複合酸化物としては、例えば、LiCoO2、LiNiO2、スピネル構造を有するLiMn24が挙げられる。また、サイクル寿命特性を向上させるために、リチウム含有複合酸化物に含まれる遷移金属の一部を他の元素で置換してもよい。例えば、Ni元素の一部をCoや他の元素(Al、Mn、Tiなど)で置換したLiNiO2を正極活物質として用いることができる。 As described above, a lithium-containing composite oxide is used as the positive electrode active material. Examples of the lithium-containing composite oxide include LiCoO 2 , LiNiO 2 , and LiMn 2 O 4 having a spinel structure. In order to improve the cycle life characteristics, a part of the transition metal contained in the lithium-containing composite oxide may be substituted with another element. For example, LiNiO 2 in which a part of Ni element is substituted with Co or another element (Al, Mn, Ti, etc.) can be used as the positive electrode active material.

上記のように、負極活物質としては、リチウムを吸蔵および放出し得る炭素材料が用いられる。このような炭素材料は、易黒鉛化性炭素材料を含む。本発明において易黒鉛化性炭素材料とは、黒鉛層構造をほとんど持たないコークスなどの低結晶性炭素や難黒鉛化性炭素とは異なり、ある程度の黒鉛六角網平面構造を有する、黒鉛化途上の状態にある炭素材料をいう。   As described above, as the negative electrode active material, a carbon material capable of inserting and extracting lithium is used. Such carbon materials include graphitizable carbon materials. In the present invention, an easily graphitizable carbon material is different from low crystalline carbon and non-graphitizable carbon such as coke having almost no graphite layer structure, and has a certain degree of graphite hexagonal network plane structure, in the process of graphitization. A carbon material in a state.

炭素材料の黒鉛化度を示すパラメータとしては、一般に、粉末X線回折による(002)面の面間隔の値や結晶子サイズの値が用いられている。本発明においては、黒鉛化度を表すパラメータとして、(101)面に帰属されるピーク強度I(101)の(100)面に帰属されるピーク強度I(100)に対するピーク強度比(以下、ピーク強度比I(101)/I(100)ともいう)、およびc軸方向の結晶子の厚みLc(004)を用いている。ここで、ピーク強度比I(101)/I(100)は、ピーク強度I(101)の高さとピーク強度I(100)の高さとの比である。   As a parameter indicating the degree of graphitization of a carbon material, generally, a value of a spacing between (002) planes or a crystallite size value by powder X-ray diffraction is used. In the present invention, as a parameter representing the degree of graphitization, the ratio of the peak intensity I (101) attributed to the (101) plane to the peak intensity I (100) attributed to the (100) plane (hereinafter referred to as the peak). Intensity ratio I (101) / I (100)) and c-axis direction crystallite thickness Lc (004). Here, the peak intensity ratio I (101) / I (100) is a ratio between the height of the peak intensity I (101) and the height of the peak intensity I (100).

本発明において用いられる易黒鉛化性炭素材料は、CuKα線を用いて測定される広角X線回折パターンにおいてピーク強度比I(101)/I(100)が、以下の式:
0.5≦I(101)/I(100)≦0.7
を満たす。さらに、易黒鉛化性炭素材料のc軸方向の結晶子の厚みLc(004)は20nm以上60nm未満である。また、ピーク強度比I(101)/I(100)は、0.6以上0.8以下であることがさらに好ましい。
The graphitizable carbon material used in the present invention has a peak intensity ratio I (101) / I (100) in the wide-angle X-ray diffraction pattern measured using CuKα rays, and the following formula:
0.5 ≦ I (101) / I (100) ≦ 0.7
Meet. Furthermore, the thickness Lc (004) of the crystallite in the c-axis direction of the graphitizable carbon material is 20 nm or more and less than 60 nm. The peak intensity ratio I (101) / I (100) is more preferably 0.6 or more and 0.8 or less.

上記のように、非水電解質は、非水溶媒とその非水溶媒に溶解された溶質とを含む。本発明において、非水溶媒は、プロピレンカーボネートと、エチレンカーボネートと、ジメチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートから選ばれる少なくとも1種の鎖状カーボネートと、を含む。ここで、PCとECとが非水溶媒に占める割合は、40体積%〜80体積%である。また、PCとECの合計に占めるPCの割合は、60体積%〜90体積%である。このように、本発明においては、非水溶媒において、PCが主溶媒であることが重要である。 As described above, the non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous solvent and a solute dissolved in the non-aqueous solvent. In the present invention, the non-aqueous solvent contains propylene carbonate, and d Ji Ren carbonate, at least one linear carbonate selected from dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, and. Here, the ratio of PC and EC in the non-aqueous solvent is 40% by volume to 80% by volume. Moreover, the ratio of PC to the sum total of PC and EC is 60 volume%-90 volume%. Thus, in the present invention, it is important that PC is the main solvent in the non-aqueous solvent.

上記のような易黒鉛化性炭素材料を用いることにより、例えば、高温保存下においてもPCの分解が抑制されるため、PCを主溶媒として含む非水溶媒を用いることが可能となる。また、PCを主溶媒としているため、電池の低温特性を向上させることが可能となる。
また、本発明で用いられる易黒鉛化性炭素材料は、黒鉛六角網平面構造を有していると共に、その結晶子サイズは小さく、エッジ面比率も少ない。さらに、非水電解質にECも非水溶媒として含まれている。従って、非水溶媒が主としてPCを含んでいるにもかかわらず、易黒鉛化性炭素材料のエッジ面へのECの分解生成物からなる被膜の形成が容易となる。リチウムイオンにはPC等の有機溶媒が溶媒和しており、黒鉛の層間(エッジ部分)にリチウムイオンがインターカレートする際に、反発が起こり、PCが分解することがある。易黒鉛化性炭素材料のエッジ面にECの分解生成物からなる被膜が形成されることにより、リチウムイオンが脱溶媒和し、リチウムイオンのみが炭素材料にインターカレートされるようになる。このため、リチウムイオンのインターカレーション反応が促進される。
よって、長寿命で、低温環境下でも高出力の電池を得ることが可能となる。
By using the graphitizable carbon material as described above, for example, since decomposition of PC is suppressed even under high temperature storage, a non-aqueous solvent containing PC as a main solvent can be used. Moreover, since PC is the main solvent, the low temperature characteristics of the battery can be improved.
The graphitizable carbon material used in the present invention has a graphite hexagonal plane structure, a small crystallite size, and a small edge surface ratio. Furthermore, EC is also contained in the nonaqueous electrolyte as a nonaqueous solvent. Therefore, although the non-aqueous solvent mainly contains PC, it is easy to form a film made of a decomposition product of EC on the edge surface of the graphitizable carbon material. Lithium ions are solvated with an organic solvent such as PC, and when lithium ions intercalate between graphite layers (edge portions), repulsion occurs and PC may be decomposed. By forming a film made of an EC decomposition product on the edge surface of the graphitizable carbon material, lithium ions are desolvated and only lithium ions are intercalated into the carbon material. For this reason, the intercalation reaction of lithium ions is promoted.
Therefore, it is possible to obtain a battery having a long life and high output even in a low temperature environment.

ピーク強度比I(101)/I(100)が0.5未満である場合、その炭素材料は、黒鉛化途上というよりは、ほとんど黒鉛構造を有していない低結晶性炭素材料の部類に含まれる。このような炭素材料は、PCを主溶媒をする非水電解質とともに使用することは可能である。しかし、このような低結晶性炭素材料は、不可逆容量が大きく、電池容量が小さくなるとともに、高率放電性能に劣る。一方、ピーク強度比I(101)/I(100)が0.7を超えた場合、その炭素材料は、いわゆる黒鉛と呼ばれる結晶性の発達した状態にある。このため、PC主体の非水電解質を用いた場合には、PCの分解に伴うガス発生が顕著となる。この場合、ガス発生を抑制するために、PCの比率を低下させると、低温特性が不十分となり、また、高温保存性能も低下する。 When the peak intensity ratio I (101) / I (100) is less than 0.5, the carbon material is included in the class of low crystalline carbon materials having almost no graphite structure rather than being graphitized. It is. Such a carbon material can be used together with a non-aqueous electrolyte using PC as a main solvent. However, such a low crystalline carbon material has a large irreversible capacity, a small battery capacity, and poor high-rate discharge performance. On the other hand, when the peak intensity ratio I (101) / I (100) exceeds 0.7 , the carbon material is in a state of crystallinity called so-called graphite. For this reason, when a non-aqueous electrolyte mainly composed of PC is used, gas generation accompanying the decomposition of PC becomes remarkable. In this case, if the ratio of PC is reduced in order to suppress gas generation, the low temperature characteristics become insufficient, and the high temperature storage performance also deteriorates.

c軸方向の結晶子の厚みLc(004)は、充電受け入れ性や容量の観点から、20nm以上60nm以下である。   The crystallite thickness Lc (004) in the c-axis direction is 20 nm or more and 60 nm or less from the viewpoint of charge acceptance and capacity.

なお、易黒鉛化性炭素材料においてリチウムイオンはインターカレーション反応により層間に格納される。しかしながら、易黒鉛化性炭素材料の容量密度は、黒鉛の理論容量密度である372Ah/kgにはおよばず、240Ah/kg〜270Ah/kg程度である。   In the graphitizable carbon material, lithium ions are stored between layers by an intercalation reaction. However, the capacity density of the graphitizable carbon material does not reach 372 Ah / kg, which is the theoretical capacity density of graphite, but is about 240 Ah / kg to 270 Ah / kg.

PCとECとが非水溶媒に占める割合が40体積%未満である場合、他の60%超は鎖状カーボネートなどの低融点溶媒が主体となる。しかしながら、これらの低融点溶媒は、一般に誘電率が低く電気化学的な安定性に欠ける傾向にあり長寿命化には不向きである。一方、PCとECとが非水溶媒に占める割合が80体積%を超えた場合、非水電解質の粘度が上昇し、十分な低温性能が得られなくなる。
PCとECの合計に占めるPCの割合が60体積%未満である場合には、ECの影響が大きくなり、ガス発生量が多くなったり、寿命性能が低下したりする。一方、PCの割合が90体積%を超えると、初充電時にPCが分解し、ガスが発生する。
When the proportion of PC and EC in the non-aqueous solvent is less than 40% by volume, the other over 60% is mainly a low melting point solvent such as a chain carbonate. However, these low-melting-point solvents generally have a low dielectric constant and tend to lack electrochemical stability, and are not suitable for extending the life. On the other hand, when the proportion of PC and EC in the non-aqueous solvent exceeds 80% by volume, the viscosity of the non-aqueous electrolyte increases and sufficient low-temperature performance cannot be obtained.
When the ratio of PC to the total of PC and EC is less than 60% by volume, the influence of EC becomes large, the amount of gas generation increases, and the life performance decreases. On the other hand, when the proportion of PC exceeds 90% by volume, the PC is decomposed and gas is generated during the initial charge.

発明において、非水溶媒は、PCおよびECの他に、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等の鎖状カーボネートを含む。このとき、鎖状カーボネートの非水溶媒に占める割合は、20体積%〜60体積%であることが好ましい。このように、非水溶媒が鎖状カーボネートをさらに含むことにより、電解液の粘度を下げることができるため、低温特性および出力特性をさらに向上させることが可能となる In the present invention, the nonaqueous solvent contains chain carbonates such as dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in addition to PC and EC . At this time , the proportion of the chain carbonate in the nonaqueous solvent is preferably 20% by volume to 60% by volume. Thus, since the non-aqueous solvent further contains a chain carbonate, the viscosity of the electrolytic solution can be lowered, so that the low temperature characteristics and the output characteristics can be further improved .

なお、導電材、結着剤等としては、公知のものを特に限定することなく用いることができる。正極用結着剤および負極用結着剤としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などが用いられる。   In addition, as a electrically conductive material, a binder, etc., a well-known thing can be used without specifically limiting. Examples of the positive electrode binder and the negative electrode binder include polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), fluorine, and the like. Vinylidene chloride-hexafluoropropylene copolymer and the like are used.

導電材としては、例えば、黒鉛類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、炭素繊維、金属繊維などが用いられる。   Examples of the conductive material include graphites, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, and other carbon blacks, carbon fibers, metal fibers, and the like.

正極用集電体には、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンなどからなるシートが用いられる。また、負極用集電体には、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、銅などからなるシートが用いられる。正極用集電体および負極用集電体の厚さは、特に限定されないが、1〜500μmであることが好ましい。   For the positive electrode current collector, for example, a sheet made of stainless steel, aluminum, titanium, or the like is used. For the negative electrode current collector, for example, a sheet made of stainless steel, nickel, copper, or the like is used. The thicknesses of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are not particularly limited, but are preferably 1 to 500 μm.

以下、本発明を、実施例に基づいて説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described based on examples. The present invention is not limited to these examples.

(正極の作製)
正極活物質としては、組成式LiNi0.55Co0.3Al0.152で表されるリチウムニッケル複合酸化物を用いた。この正極活物質は、以下のように作製した。
NiSO4水溶液に、Coの硫酸塩およびAlの硫酸塩をそれぞれ所定の比率で加えて、飽和水溶液を調製した。
次に、沈殿法により、水酸化ニッケルを得た。
まず、得られた飽和水溶液を攪拌しながら、水酸化ナトリウム水溶液をゆっくりと滴下し、飽和水溶液を中和して、沈殿物を得た。得られた沈殿物を、ろ過し、水洗し、80℃で乾燥して、3元系の水酸化ニッケルNi0.55Co0.3Al0.15(OH)2を得た。得られた水酸化ニッケルの平均粒径は約10μmであった。
(Preparation of positive electrode)
As the positive electrode active material, a lithium nickel composite oxide represented by a composition formula LiNi 0.55 Co 0.3 Al 0.15 O 2 was used. This positive electrode active material was produced as follows.
A saturated aqueous solution was prepared by adding Co sulfate and Al sulfate to NiSO 4 aqueous solution at a predetermined ratio.
Next, nickel hydroxide was obtained by a precipitation method.
First, while stirring the obtained saturated aqueous solution, a sodium hydroxide aqueous solution was slowly added dropwise to neutralize the saturated aqueous solution to obtain a precipitate. The resulting precipitate was filtered, washed with water, and dried at 80 ° C. to obtain ternary nickel hydroxide Ni 0.55 Co 0.3 Al 0.15 (OH) 2 . The average particle diameter of the obtained nickel hydroxide was about 10 μm.

次いで、得られた3元系の水酸化ニッケルと、水酸化リチウム1水和物とを混合した。このとき、Ni、CoおよびAlのモル数の和とLiのモル数とが等量になるようにした。次に、得られた混合物を、乾燥空気中800℃で10時間、熱処理を行うことにより、組成式LiNi0.55Co0.3Al0.152で表されるリチウムニッケル複合酸化物を得た。 Next, the obtained ternary nickel hydroxide and lithium hydroxide monohydrate were mixed. At this time, the sum of the number of moles of Ni, Co, and Al was made equal to the number of moles of Li. Next, the obtained mixture was heat-treated at 800 ° C. for 10 hours in dry air to obtain a lithium nickel composite oxide represented by a composition formula LiNi 0.55 Co 0.3 Al 0.15 O 2 .

得られたリチウムニッケル複合酸化物は、粉末X線回折法により、単一相の六方晶層状構造であること、ならびにCoおよびAlが固溶していることが確認された。   The obtained lithium nickel composite oxide was confirmed by powder X-ray diffraction method to have a single-phase hexagonal layered structure and that Co and Al were dissolved.

次いで、そのリチウムニッケル複合酸化物を、粉砕し、分級して、正極活物質粉末とした。   Next, the lithium nickel composite oxide was pulverized and classified to obtain a positive electrode active material powder.

上記正極活物質100重量部と、導電材であるアセチレンブラック5重量部とを混合した。得られた混合物に、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液を加えて、混練して、正極合剤ペーストを得た。なお、PVdFの量は、活物質100重量部あたり5重量部となるようにした。   100 parts by weight of the positive electrode active material and 5 parts by weight of acetylene black as a conductive material were mixed. An N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder was added to the obtained mixture and kneaded to obtain a positive electrode mixture paste. The amount of PVdF was 5 parts by weight per 100 parts by weight of the active material.

次いで、正極合剤ペーストを、正極集電体であるアルミニウム箔の両面に塗工し、乾燥し、圧延して、厚み0.075mm、合剤幅100mm、長さ2800mmの正極を得た。ここで、集電体の両面に形成された正極合剤層の合計厚みは0.055mm(55μm)であった。
この正極を、大気中110℃で10時間、熱処理(乾燥)した。
Next, the positive electrode mixture paste was applied to both surfaces of an aluminum foil as a positive electrode current collector, dried, and rolled to obtain a positive electrode having a thickness of 0.075 mm, a mixture width of 100 mm, and a length of 2800 mm. Here, the total thickness of the positive electrode mixture layer formed on both surfaces of the current collector was 0.055 mm (55 μm).
The positive electrode was heat-treated (dried) at 110 ° C. for 10 hours in the atmosphere.

(負極の作製)
負極活物質を以下のようにして作製した。
異方性ピッチの熱処理過程で生成した塊状のコークスを、アルゴン雰囲気下、2000℃で熱処理を施すことにより、目的とする易黒鉛化性炭素材料粉末を得た。得られた易黒鉛化性炭素材料粉末の平均粒径は約9μmであった。
(Preparation of negative electrode)
A negative electrode active material was prepared as follows.
The blocky coke produced in the heat treatment process of the anisotropic pitch was heat-treated at 2000 ° C. in an argon atmosphere to obtain the target graphitizable carbon material powder. The average particle diameter of the obtained graphitizable carbon material powder was about 9 μm.

得られた易黒鉛化性炭素材料をX線回折法により分析した。
その易黒鉛化性炭素材料の(002)面の面間隔(d002)およびc軸方向の結晶子の厚みLc(004)を、高純度ケイ素粉末を内部標準物質とする学振法として知られる方法により算出した。その結果、面間隔(d002)は0.340nmであり、厚みLcは30nmであった。
The obtained graphitizable carbon material was analyzed by an X-ray diffraction method.
The interplanar spacing (d 002 ) of the graphitizable carbon material (d 002 ) and the crystallite thickness Lc (004) in the c-axis direction are known as Gakushin methods using high-purity silicon powder as an internal standard substance. Calculated by the method. As a result, the spacing (d 002 ) was 0.340 nm and the thickness Lc was 30 nm.

また、得られた易黒鉛化性炭素材料について、CuΚα線を用いる広角X線回折法により測定した。その結果、2θが42度付近に(100)面に帰属される回折ピークが認められ、44度付近に(101)面に帰属される回折ピークがわずかながら観察された。バックグラウンドを除去したのちのピーク強度比I(101)/I(100)は0.70であった。   Further, the obtained graphitizable carbon material was measured by a wide angle X-ray diffraction method using CuΚα rays. As a result, a diffraction peak attributed to the (100) plane was observed around 2θ of 42 °, and a slight diffraction peak attributed to the (101) plane was observed near 44 °. The peak intensity ratio I (101) / I (100) after removing the background was 0.70.

負極は、正極とほぼ同様にして作製した。
上記炭素粉末100重量部に、PVdFのNMP溶液を混練して、負極合剤ペーストを得た。ここで、PVdFの量は、炭素粉末100重量部あたり8重量部となるようにした。
The negative electrode was produced in substantially the same manner as the positive electrode.
An NMP solution of PVdF was kneaded with 100 parts by weight of the carbon powder to obtain a negative electrode mixture paste. Here, the amount of PVdF was 8 parts by weight per 100 parts by weight of the carbon powder.

次いで、その負極合剤ペーストを、負極集電体である銅箔の両面に塗工し、乾燥し、圧延して、厚み0.110mm、合剤幅105mm、長さ3000mmの負極を得た。負極集電体の両面に形成された負極合剤層の合計の厚みは95μmであった。   Next, the negative electrode mixture paste was coated on both sides of a copper foil as a negative electrode current collector, dried and rolled to obtain a negative electrode having a thickness of 0.110 mm, a mixture width of 105 mm, and a length of 3000 mm. The total thickness of the negative electrode mixture layers formed on both surfaces of the negative electrode current collector was 95 μm.

(電池の組立)
上記のようにして得られた正極および負極を用い、図1に示されるような角型電池を作製した。
得られた正極および負極を、厚み0.027mm、幅108mmのポリエチレン製の微多孔膜からなるセパレータを介して楕円体状に捲回し、中央部を圧縮して、扁平型の極板群1を構成した。正極と負極には、それぞれアルミニウム製正極リード2およびニッケル製負極リード3を溶接した。
(Battery assembly)
Using the positive electrode and the negative electrode obtained as described above, a square battery as shown in FIG. 1 was produced.
The obtained positive electrode and negative electrode were wound in an ellipsoidal shape through a separator made of a polyethylene microporous film having a thickness of 0.027 mm and a width of 108 mm, the center part was compressed, and the flat electrode group 1 was Configured. An aluminum positive electrode lead 2 and a nickel negative electrode lead 3 were welded to the positive electrode and the negative electrode, respectively.

次に、極板群1の上部にポリエチレン樹脂製の絶縁リング(図示しない)を装着し、幅80mm、厚み12mm、高さ120mmの角形電池ケース4に収容した。正極リード2の他端は、アルミニウム製封口板5にスポット溶接した。また、負極リード3の他端は、封口板5の中心部にあるニッケル製負極端子6の下部にスポット溶接した。なお、封口板5と負極端子6とは、絶縁材7により絶縁されている。   Next, an insulating ring (not shown) made of polyethylene resin was attached to the upper part of the electrode plate group 1 and accommodated in a rectangular battery case 4 having a width of 80 mm, a thickness of 12 mm, and a height of 120 mm. The other end of the positive electrode lead 2 was spot welded to the aluminum sealing plate 5. The other end of the negative electrode lead 3 was spot welded to the lower part of the nickel negative electrode terminal 6 in the center of the sealing plate 5. The sealing plate 5 and the negative electrode terminal 6 are insulated by an insulating material 7.

次いで、電池ケース4の開口端部と封口板5の周縁部とをレーザ溶接してから、封口板に設けてある注入口から所定量の非水電解質を注液した。最後に注入口をアルミニウム製の封栓8で塞ぎ、レーザー溶接で密封して電池を完成させた。なお、このとき、満充電状態における負極の容量密度が約200Ah/kgとなるような設計とした。なお、負極の容量密度は、満充電状態の電池容量を、正極合剤層と対向する負極合剤層部分に含まれる炭素材料の重量で除することによって算出される。また、満充電状態とは、電池が所定の充電上限電圧まで充電された状態をいう。
また、非水電解質としては、PCとECとジメチルカーボネート(DMC)とを体積比で40:20:40で混合した溶媒に1.0モル/lのLiPF6を溶解させたものを用いた。
Next, the opening end of the battery case 4 and the peripheral edge of the sealing plate 5 were laser welded, and then a predetermined amount of nonaqueous electrolyte was injected from the inlet provided in the sealing plate. Finally, the inlet was closed with an aluminum plug 8 and sealed by laser welding to complete the battery. At this time, the negative electrode was designed to have a capacity density of about 200 Ah / kg in a fully charged state. The capacity density of the negative electrode is calculated by dividing the fully charged battery capacity by the weight of the carbon material contained in the negative electrode mixture layer portion facing the positive electrode mixture layer. The fully charged state means a state where the battery is charged up to a predetermined charging upper limit voltage.
As the non-aqueous electrolyte, a solution in which 1.0 mol / l LiPF 6 was dissolved in a solvent in which PC, EC and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a volume ratio of 40:20:40 was used.

このようにして得られた電池を、実施例1の電池とした。   The battery thus obtained was used as the battery of Example 1.

比較例1Comparative Example 1

異方性ピッチの熱処理過程で生成した塊状のコークスをアルゴン雰囲気下で2800℃で熱処理を施すことにより黒鉛化した炭素材料粉末を得た。この炭素材料を負極活物質とした。その平均粒径は約9μmであった。   Graphite-based carbon material powder was obtained by subjecting the massive coke produced in the heat treatment process of anisotropic pitch to heat treatment at 2800 ° C. in an argon atmosphere. This carbon material was used as a negative electrode active material. The average particle size was about 9 μm.

上記実施例1と同様にして、黒鉛化した炭素材料を分析した。その結果、(002)面の面間隔(d002)は0.335nmであり、Lc(004)は120nmであった。バックグラウンドを除去した後のピーク強度比I(101)/I(100)は1.80であった。 In the same manner as in Example 1, the graphitized carbon material was analyzed. As a result, the (002) plane spacing (d 002 ) was 0.335 nm and Lc (004) was 120 nm. The peak intensity ratio I (101) / I (100) after removing the background was 1.80.

上記負極活物質を用いたこと以外、実施例1と同様にして、電池を作製した。得られた電池を、比較例1の電池とした。   A battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the above negative electrode active material was used. The obtained battery was used as the battery of Comparative Example 1.

比較例2Comparative Example 2

負極活物質として、市販の難黒鉛化性炭素(呉羽化学工業(株)製のカーボトロンP、平均粒径10μm)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、電池を作製した。得られた電池を比較例2の電池とした。   A battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that commercially available non-graphitizable carbon (Carbotron P manufactured by Kureha Chemical Industry Co., Ltd., average particle size 10 μm) was used as the negative electrode active material. The obtained battery was used as the battery of Comparative Example 2.

なお、上記難黒鉛化性炭素を、実施例1と同様にして分析した。その結果、002面の面間隔(d002)は0.380nmであり、Lc(004)は10nmであった。なお、(101)面および(100)面に帰属可能なピークは認められず、上記難黒鉛化性炭素は、黒鉛構造をほとんど有していない乱層構造であることが示唆された。 The non-graphitizable carbon was analyzed in the same manner as in Example 1. As a result, the surface interval (d 002 ) of the 002 plane was 0.380 nm, and Lc (004) was 10 nm. In addition, the peak which can be assigned to (101) plane and (100) plane was not recognized, and it was suggested that the said non-graphitizable carbon is a turbostratic structure which hardly has a graphite structure.

比較例3Comparative Example 3

非水溶媒に含まれるPCとECとDMCとの割合を、体積比で20:40:40としたこと以外は、実施例1と同様にして電池を作製した。得られた電池を、比較例3の電池とした。   A battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the ratio of PC, EC, and DMC contained in the nonaqueous solvent was 20:40:40 by volume ratio. The obtained battery was used as the battery of Comparative Example 3.

(評価)
これら実施例および比較例の電池を25℃環境下において、1.8Aの定電流で、充電上限電圧4.2Vおよび放電下限電圧2.5Vの条件下で、充放電を3サイクル繰り返した。3サイクル目の放電容量を表1に示す。
(Evaluation)
The batteries of these Examples and Comparative Examples were repeatedly charged and discharged for 3 cycles under the conditions of a constant current of 1.8 A, a charge upper limit voltage of 4.2 V, and a discharge lower limit voltage of 2.5 V in a 25 ° C. environment. The discharge capacity at the third cycle is shown in Table 1.

次いで、これらの電池の出力特性を評価するために、以下の手順に従い電流−電圧特性試験を行った。
まず、それぞれの電池を、25℃環境下において、50%の充電状態(SOC:state of charge)となるように、所定の定電流値にて充電した。次いで、充電後の電池を0℃環境下に6時間以上静置した。
Next, in order to evaluate the output characteristics of these batteries, a current-voltage characteristic test was performed according to the following procedure.
First, each battery was charged at a predetermined constant current value so as to be in a 50% state of charge (SOC) in a 25 ° C. environment. Next, the charged battery was left in a 0 ° C. environment for 6 hours or more.

次に、静置後の電池について、0℃環境下で、図2に示されるような放電パルスと充電パルスを繰り返し、各放電パルスを印加して10秒後の電池電圧を測定し、電流値に対してプロットした。   Next, with respect to the battery after standing, the discharge pulse and the charge pulse as shown in FIG. 2 are repeated in an environment of 0 ° C., and each discharge pulse is applied to measure the battery voltage after 10 seconds. Plotted against.

次いで、図3に示されるように、最小自乗法を用いて、測定値を最もよく表す直線を得、その直線を放電下限電圧である2.5Vまで外挿し、2.5Vでの予測電流値I(A)を求めた。電池電圧が2.5Vの時の出力(W)を、(W)=I(A)×2.5(V)より算出した。   Next, as shown in FIG. 3, the least square method is used to obtain a straight line that best represents the measured value, and the straight line is extrapolated to the discharge lower limit voltage of 2.5 V, and the predicted current value at 2.5 V is obtained. I (A) was determined. The output (W) when the battery voltage was 2.5 V was calculated from (W) = I (A) × 2.5 (V).

表1に、25℃での放電容量と0℃での出力(W)を示す。但し、比較例1の電池は、初充電時にガス発生反応と見られる挙動が顕著に見られ、電池ケースが大きくふくれた。また、その後の放電により、1Ah以下の容量しか得られなかった。このため、以降の試験は中止した。   Table 1 shows the discharge capacity at 25 ° C. and the output (W) at 0 ° C. However, in the battery of Comparative Example 1, the behavior seen as a gas generation reaction during the initial charge was noticeable, and the battery case was greatly swollen. Further, only a capacity of 1 Ah or less was obtained by the subsequent discharge. For this reason, subsequent tests were stopped.

Figure 0004994628
Figure 0004994628

表1の結果から、負極活物質に黒鉛化途上の易黒鉛化性炭素を用い、PCを主溶媒とする非水電解質を用いた実施例1の電池が低温環境下において高出力を与えることがわかる。一方、2800℃の熱処理により黒鉛化の発達した炭素材料を負極活物質として使用した比較例1の電池は、PCを主体とする電解液を用いているので、充分な充電ができず、電池として機能することが不可能であった。
負極活物質として難黒鉛化性炭素を用いた比較例2の電池は、200Wと低温出力が小さく、且つ放電容量も4.9Ahと小さい値であった。これは、主に難黒鉛化性炭素の不可逆容量が大きいことによる電池容量低下に起因すると考えられる。
From the results of Table 1, it can be seen that the battery of Example 1 using non-graphite carbon which is graphitized as a negative electrode active material and using a non-aqueous electrolyte containing PC as a main solvent gives high output in a low temperature environment. Recognize. On the other hand, the battery of Comparative Example 1 using a carbon material that has been graphitized by heat treatment at 2800 ° C. as the negative electrode active material uses an electrolyte mainly composed of PC. It was impossible to function.
The battery of Comparative Example 2 using non-graphitizable carbon as the negative electrode active material had a low temperature output of 200 W and a low discharge capacity of 4.9 Ah. This is presumably due to a decrease in battery capacity due to the large irreversible capacity of non-graphitizable carbon.

また、実施例1と同じ負極炭素材を用いた比較例3の電池は、PCと比べてECの割合が高い非水電解質を用いているので、低温出力が低下する結果となった。   Moreover, since the battery of Comparative Example 3 using the same negative electrode carbon material as in Example 1 uses a nonaqueous electrolyte having a higher EC ratio than PC, the low-temperature output was reduced.

これらの結果から、実施例1の電池のように、黒鉛化途上の易黒鉛化性炭素負極とPCを主溶媒とする非水電解質とを組み合わせることにより、高容量且つ低温での出力が高い電池が得られることがわかる。   From these results, a battery having a high capacity and a high output at a low temperature can be obtained by combining a graphitizable carbon negative electrode in the process of graphitization with a nonaqueous electrolyte containing PC as a main solvent, as in the battery of Example 1. It can be seen that

正極活物質としては、組成式LiNi0.4Co0.3Mn0.32で表されるリチウムニッケル複合酸化物を用いた。この正極活物質は、沈殿法により作製した。
NiSO4水溶液に、Coの硫酸塩およびAlの硫酸塩をそれぞれ所定の比率で加えて、飽和水溶液を調製した。次に、得られた飽和水溶液を攪拌しながら、水酸化ナトリウム水溶液をゆっくりと滴下し、飽和水溶液を中和して、沈殿物を得た。得られた沈殿物を、ろ過し、水洗し、80℃で乾燥して、3元系の水酸化ニッケルNi0.4Co0.3Mn0.3(OH)2を得た。得られた水酸化ニッケルの平均粒径は約9μmであった。
As the positive electrode active material, a lithium nickel composite oxide represented by a composition formula LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.3 O 2 was used. This positive electrode active material was produced by a precipitation method.
A saturated aqueous solution was prepared by adding Co sulfate and Al sulfate to NiSO 4 aqueous solution at a predetermined ratio. Next, while stirring the obtained saturated aqueous solution, a sodium hydroxide aqueous solution was slowly added dropwise to neutralize the saturated aqueous solution to obtain a precipitate. The resulting precipitate was filtered, washed with water, and dried at 80 ° C. to obtain ternary nickel hydroxide Ni 0.4 Co 0.3 Mn 0.3 (OH) 2 . The average particle diameter of the obtained nickel hydroxide was about 9 μm.

次いで、得られた3元系の水酸化ニッケルと、水酸化リチウム1水和物とを混合した。このとき、Ni、CoおよびAlのモル数の和とLiのモル数とが等量になるようにした。次に、得られた混合物を、乾燥空気中850℃で10時間、熱処理を行うことにより、組成式LiNi0.4Co0.3Mn0.32で表されるリチウムニッケル複合酸化物を得た。 Next, the obtained ternary nickel hydroxide and lithium hydroxide monohydrate were mixed. At this time, the sum of the number of moles of Ni, Co, and Al was made equal to the number of moles of Li. Next, the obtained mixture was heat-treated in dry air at 850 ° C. for 10 hours to obtain a lithium nickel composite oxide represented by a composition formula LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.3 O 2 .

得られたリチウムニッケル複合酸化物は、粉末X線回折法により、単一相の六方晶層状構造であること、ならびにCoおよびMnが固溶していることが確認された。   The obtained lithium nickel composite oxide was confirmed to have a single-phase hexagonal layered structure and to have Co and Mn dissolved by powder X-ray diffraction.

次いで、そのリチウムニッケル複合酸化物を、粉砕し、分級して、正極活物質粉末とし、実施例1と同様にして、正極を作製した。   Subsequently, the lithium nickel composite oxide was pulverized and classified to obtain a positive electrode active material powder, and a positive electrode was produced in the same manner as in Example 1.

実施例1で使用した異方性ピッチの熱処理過程で生成した塊状のコークスの熱処理温度を表2に示されるように変化させて、負極活物質A〜Gを得た。また、本実施例においても、得られた負極活物質の黒鉛化度の評価には、ピーク強度比I(101)/I(100)とLc(004)の値を用いた。   Negative electrode active materials A to G were obtained by changing the heat treatment temperature of the massive coke produced in the heat treatment process of the anisotropic pitch used in Example 1 as shown in Table 2. Also in this example, the peak intensity ratios I (101) / I (100) and Lc (004) were used to evaluate the degree of graphitization of the obtained negative electrode active material.

得られた負極活物質A〜Gを用い、実施例1と同様にして、負極A〜Gを作製した。負極A〜Gを用いて、実施例1と同様にして、電池A〜電池Gを作製した。また、得られた電池A〜Gについて、実施例1と同様にして、放電容量および0℃での出力を測定した。得られた結果を、実施例1の電池の結果とともに表2に示す。表2には、熱処理温度、ピーク強度比、およびLc(004)の値も示す。なお、電池A、BおよびGは、比較例、電池EおよびFは、参考例である。 Negative electrodes A to G were produced in the same manner as Example 1 using the obtained negative electrode active materials A to G. Using negative electrodes A to G, batteries A to G were produced in the same manner as in Example 1. Further, for the obtained batteries A to G, the discharge capacity and the output at 0 ° C. were measured in the same manner as in Example 1. The obtained results are shown in Table 2 together with the results of the battery of Example 1. Table 2 also shows the heat treatment temperature, the peak intensity ratio, and the value of Lc (004). The batteries A, B, and G are comparative examples, and the batteries E and F are reference examples .

Figure 0004994628
Figure 0004994628

表2に示されるように、放電容量および出力の観点からは、実施例1が最も良好であり、また、電池C〜電池Fも良好な結果を示した。よって、適度に黒鉛化が進んだ炭素材料、つまりI(101)/I(100)の値が0.5〜1.0、さらには0.5〜0.7の範囲にあり、Lc(004)が20nm〜60nmの負極を用いることが重要であることがわかる。さらに、I(101)/I(100)の値が0.7の場合に、出力特性に特に優れることがわかる。 As shown in Table 2, from the viewpoint of the discharge capacity and output, the most favorable embodiment 1, The battery F Celsius to batteries also showed good good results. Therefore, the carbon material that has been moderately graphitized, that is, the value of I (101) / I (100) is 0.5 to 1. It can be seen that it is important to use a negative electrode in the range of 0, further 0.5 to 0.7 , and Lc (004) of 20 nm to 60 nm. Further, the A value of 0.7 I (101) / I (100 ), it can be seen that particularly excellent in output characteristics.

一方、黒鉛化度の低い炭素材料を用いた電池Aおよび電池Bでは、負極の不可逆容量大に伴う容量低下が見られ、またその出力値は小さかった。電池Gでは、ガス発生など副反応が生じ、その結果、放電容量および出力値が小さくなっていた。   On the other hand, in the batteries A and B using the carbon material having a low degree of graphitization, the capacity reduction accompanying the large irreversible capacity of the negative electrode was observed, and the output value was small. In the battery G, side reactions such as gas generation occurred, and as a result, the discharge capacity and the output value were small.

実施例1の電池において、非水溶媒を構成するPCとECとDMCとの割合を、表3に示されるように変化させたこと以外、実施例1と同様にして、電池H〜電池Oを作製した。ここで、電池H、I、KおよびOは比較例である。なお、表3には、PCとECとの合計に占めるPCの割合(以下、PCの割合ともいう)を示す。 In the battery of Example 1, in the same manner as in Example 1, except that the ratio of PC, EC, and DMC constituting the nonaqueous solvent was changed as shown in Table 3, the batteries H to O were Produced. Here, the batteries H, I, K and O are comparative examples . Table 3 shows the ratio of PC to the total of PC and EC (hereinafter also referred to as PC ratio).

これらの電池H〜Oを実施例1と同様にして、25℃での充放電を3サイクル行い、3サイクル目の放電容量を初期容量とした。   These batteries H to O were charged and discharged at 25 ° C. for 3 cycles in the same manner as in Example 1, and the discharge capacity at the third cycle was set as the initial capacity.

次いで、実施例1と同様にして、SOC50%にて0℃での出力試験を行なった。   Next, in the same manner as in Example 1, an output test at 0 ° C. was performed at 50% SOC.

さらに、再び25℃環境下でSOC80%まで充電を行い、60℃環境下に28日間保存した。保存前の電池厚みおよび保存後の電池厚みを測定し、保存前後の電池厚みの差を電池膨れとした。   Furthermore, the battery was charged again to SOC 80% in a 25 ° C. environment and stored in a 60 ° C. environment for 28 days. The battery thickness before storage and the battery thickness after storage were measured, and the difference in battery thickness before and after storage was defined as battery swelling.

保存後の電池について、25℃環境下、1.8Aの定電流で、2.5V〜4.2Vの間で充放電を3回行い、3回目の放電容量を回復容量とした。容量回復率を、{(回復容量)/(初期容量)}×100(%)により求めた。   The battery after storage was charged and discharged three times between 2.5 V and 4.2 V at a constant current of 1.8 A under a 25 ° C. environment, and the third discharge capacity was defined as the recovery capacity. The capacity recovery rate was determined by {(recovery capacity) / (initial capacity)} × 100 (%).

表3に、0℃での出力、電池膨れおよび容量回復率を示す。但し、電池Iは初充電時にガス発生と思われる副反応が著しく起こり、充放電が困難であったために、以降の試験は中止した。これは非水電解質がECを全く含まないことによるものと考えられる。   Table 3 shows the output at 0 ° C., battery swelling and capacity recovery rate. However, since the side reaction which seemed to generate | occur | produce gas at the time of the first charge occurred remarkably and the battery I was difficult to charge / discharge, the subsequent test was stopped. This is considered due to the fact that the non-aqueous electrolyte does not contain EC at all.

Figure 0004994628
Figure 0004994628

表3に示されるように、電池HおよびKは、保存による電池膨れが顕著であり、また容量回復率も低く、耐久性が劣る結果となった。これは、保存時の非水電解質の分解によるガス発生が原因と考えられる。   As shown in Table 3, the batteries H and K exhibited significant battery swelling due to storage, a low capacity recovery rate, and poor durability. This is considered to be caused by gas generation due to decomposition of the nonaqueous electrolyte during storage.

電池Hでガスが発生したのは、非水溶媒におけるPCとECの占める割合が30体積%と少なく、DMCの割合が70体積%と支配的であるために、非水電解質の安定性が低くなることによるものと考えられる。一方、電池Jでは、良好な出力特性および保存特性を示していた。このため、PCおよびECの合計は、非水溶媒の少なくとも40体積%を占めることが必要であると考えられる。   Gas is generated in the battery H because the proportion of PC and EC in the non-aqueous solvent is as small as 30% by volume and the proportion of DMC is as dominant as 70% by volume, so the stability of the non-aqueous electrolyte is low. It is thought to be due to On the other hand, Battery J exhibited good output characteristics and storage characteristics. For this reason, it is considered that the sum of PC and EC needs to occupy at least 40% by volume of the non-aqueous solvent.

また、電池Kでは、非水溶媒におけるPCとECの合計の割合は50体積%であるが、PCとECの合計に占めるPCの割合が50体積%と少ない。この場合、ECの不安定性がPCにより十分に解消されないために、ガス発生が助長されたものと考えられる。   In the battery K, the total proportion of PC and EC in the non-aqueous solvent is 50% by volume, but the proportion of PC in the total of PC and EC is as small as 50% by volume. In this case, it is considered that gas generation was promoted because the instability of EC was not sufficiently eliminated by PC.

電池L〜Nは、いずれも良好な保存特性を示している。よって、非水溶媒におけるPCおよびECの占める割合は40体積%以上80体積%以下であり、かつPCおよびECの合計に占めるPCの割合が60体積%〜90体積%である必要がある。   The batteries L to N all have good storage characteristics. Therefore, the proportion of PC and EC in the non-aqueous solvent is 40% by volume or more and 80% by volume or less, and the proportion of PC in the total of PC and EC needs to be 60% by volume to 90% by volume.

電池Oは、出力特性に劣る結果となった。これは、非水溶媒におけるPCおよびECの割合が90体積%と支配的であるために、非水電解質の粘度が増加して、低温出力特性が低下したものと考えられる。   Battery O was inferior in output characteristics. This is presumably because the ratio of PC and EC in the non-aqueous solvent is dominant at 90% by volume, so that the viscosity of the non-aqueous electrolyte is increased and the low-temperature output characteristics are deteriorated.

以上のことから、PCおよびECの非水溶媒に占める割合を40体積%以上80体積%以下とし、且つ、PCとECとの合計に占めるPCの割合を60体積%以上90体積%以下とすることにより、低温環境下において高出力を与え、且つ長寿命の非水電解質二次電池を提供することが可能となる。   From the above, the proportion of PC and EC in the non-aqueous solvent is 40% by volume to 80% by volume, and the proportion of PC in the total of PC and EC is 60% by volume to 90% by volume. Thus, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery that provides a high output in a low temperature environment and has a long life.

なお、正極活物質としては、上記実施例で用いたリチウムニッケル複合酸化物の他に、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物などリチウム含有複合酸化物であればいずれも使用可能である。また、リチウムを含んでいない酸化物であっても予め化学的あるいは電気化学的な操作によりリチウムを含有することが可能な酸化物を使用することもできる。   As the positive electrode active material, any lithium-containing composite oxide such as lithium manganese composite oxide and lithium cobalt composite oxide can be used in addition to the lithium nickel composite oxide used in the above examples. Moreover, even if it is an oxide which does not contain lithium, the oxide which can contain lithium previously by chemical or electrochemical operation can also be used.

また、上記実施例において、非水溶媒は、PC、EC、および低粘性溶媒の鎖状カーボネートであるDMCからなる。そのDMCの代わりに、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネートなどの脂肪族カルボン酸エステルなど、当該分野で従来より公知な溶媒を用いることができる、また、4V級の耐酸化還元電位を有する溶媒と、PCおよびECとを混合した混合溶媒を、非水溶媒として使用することもできる。   Moreover, in the said Example, a nonaqueous solvent consists of DMC which is a chain carbonate of PC, EC, and a low-viscosity solvent. Instead of the DMC, conventionally known solvents such as chain carbonates such as diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, aliphatic carboxylic acid esters such as methyl propionate and ethyl propionate can be used. In addition, a mixed solvent obtained by mixing a solvent having 4V class oxidation-reduction potential and PC and EC can also be used as the non-aqueous solvent.

非水溶媒に溶解する溶質としては、LiPF6の他に、LiBF4、LiClO4など従来より公知な溶質を使用することができる。 As the solute dissolved in the non-aqueous solvent, conventionally known solutes such as LiBF 4 and LiClO 4 can be used in addition to LiPF 6 .

セパレータとしては、ポリエチレン製の微多孔膜からなるセパレータを用いたが、大きなイオン透過度および所定の機械的強度を持ち、絶縁性を有する微多孔性薄膜であれば、特に限定されることなく用いることができる。このようなセパレータとしては、例えば、ポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマーあるいはガラス繊維などからなるシート、不織布、織布などが挙げられる。また、セパレータの厚さは、一般的には、10〜300μmである。
なお、上記非水電解質を担持したゲル状高分子を、セパレータの代わりに用いて、非水電解質二次電池を構成しても、上記と同様の効果を得ることができる。
As the separator, a separator made of a polyethylene microporous film was used, but it is not particularly limited as long as it is a microporous thin film having a large ion permeability and a predetermined mechanical strength and having an insulating property. be able to. Examples of such a separator include sheets made of olefin polymers such as polypropylene or glass fibers, nonwoven fabrics, and woven fabrics. Moreover, generally the thickness of a separator is 10-300 micrometers.
Even when the non-aqueous electrolyte secondary battery is configured by using the gel-like polymer carrying the non-aqueous electrolyte instead of the separator, the same effect as described above can be obtained.

さらに、上記実施例では、扁平型の電極群を用いる角形電池を用いて本発明を説明したが、電極を渦巻き状に捲回し円筒ケースに収納した円筒形電池や薄型の電極を複数枚積層して角形の電池ケースに収納した角形電池を用いても同様な効果が得られる。   Furthermore, in the above embodiment, the present invention has been described using a rectangular battery using a flat electrode group, but a plurality of cylindrical batteries or thin electrodes stacked in a cylindrical case by winding the electrodes in a spiral shape are stacked. A similar effect can be obtained by using a rectangular battery housed in a rectangular battery case.

本発明の非水電解質二次電池は、低温環境下において高出力、長寿命が求められるハイブリッド電気自動車、燃料電池自動車などの電気モーターを補助する二次電池としての利用が期待される。また、電動工具など高出力を有する駆動用電源としても利用が可能である。   The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is expected to be used as a secondary battery for assisting an electric motor such as a hybrid electric vehicle or a fuel cell vehicle that requires high output and long life under a low temperature environment. It can also be used as a driving power source having high output such as an electric tool.

実施例で作製した、作製した角型非水電解質二次電池の一部を切り欠いた斜視図を示す。The perspective view which notched a part of the produced square type nonaqueous electrolyte secondary battery produced in the Example is shown. 実施例で行った電流−電圧特性試験の試験手順を示す図である。It is a figure which shows the test procedure of the electric current-voltage characteristic test done in the Example. 電池電圧が2.5Vのときの電流値の求め方を説明する図である。It is a figure explaining how to obtain the current value when the battery voltage is 2.5V. 難黒鉛化性炭素材料および黒鉛材料の充電曲線および放電曲線の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the charge curve and discharge curve of a non-graphitizable carbon material and a graphite material.

1 極板群
2 正極リード
3 負極リード
4 電池ケース
5 封口板
6 負極端子
7 絶縁材
8 封栓
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrode plate group 2 Positive electrode lead 3 Negative electrode lead 4 Battery case 5 Sealing plate 6 Negative electrode terminal 7 Insulation material 8 Sealing

Claims (1)

リチウム含有複合酸化物を含む正極と、リチウムを吸蔵および放出し得る炭素材料を含む負極と、非水電解質とを備え、
前記炭素材料は、易黒鉛化性炭素材料を含み、
CuKα線を用いて測定される、前記易黒鉛化性炭素材料の広角X線回折パターンにおいて、(101)面に帰属されるピーク強度I(101)の(100)面に帰属されるピーク強度I(100)に対する比が、以下の式:
0.5≦I(101)/I(100)≦0.7
を満たし、
前記易黒鉛化性炭素材料のc軸方向の結晶子の厚みLc(004)が20nm以上60nm以下であり、
前記非水電解質は、非水溶媒と前記非水溶媒に溶解された溶質とを含み、
前記非水溶媒は、プロピレンカーボネートと、エチレンカーボネートと、ジメチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートから選ばれる少なくとも1種の鎖状カーボネートと、を含み、
前記プロピレンカーボネートと前記エチレンカーボネートとが、前記非水溶媒の40体積%以上80体積%以下を占め、前記鎖状カーボネートが、前記非水溶媒の20体積%以上60体積%以下を占め、
前記プロピレンカーボネートと前記エチレンカーボネートとの合計に占める前記プロピレンカーボネートの割合が、60体積%以上90体積%以下である非水電解質二次電池。
A positive electrode including a lithium-containing composite oxide, a negative electrode including a carbon material capable of inserting and extracting lithium, and a non-aqueous electrolyte,
The carbon material includes an easily graphitizable carbon material,
In the wide-angle X-ray diffraction pattern of the graphitizable carbon material measured using CuKα rays, the peak intensity I attributed to the (100) plane of the peak intensity I attributed to the (101) plane (101) The ratio to (100) is:
0.5 ≦ I (101) / I (100) ≦ 0.7
The filling,
The crystallite thickness Lc (004) in the c-axis direction of the graphitizable carbon material is 20 nm or more and 60 nm or less,
The non-aqueous electrolyte includes a non-aqueous solvent and a solute dissolved in the non-aqueous solvent,
The non-aqueous solvents include propylene carbonate, and d Chirenkabone doo, and at least one linear carbonate selected from dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, and,
The propylene carbonate and the ethylene carbonate occupy 40% by volume or more and 80% by volume or less of the non-aqueous solvent, and the chain carbonate occupies 20% by volume or more and 60% by volume or less of the non-aqueous solvent,
The nonaqueous electrolyte secondary battery in which the proportion of the propylene carbonate in the total of the propylene carbonate and the ethylene carbonate is 60% by volume or more and 90% by volume or less.
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