JP5228393B2 - Lithium ion secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、負極が専ら1.2V以上の電位で作動する非水電解質電池に関する。   The present invention relates to a non-aqueous electrolyte battery in which a negative electrode operates exclusively at a potential of 1.2 V or more.

近年、携帯電話やデジタルカメラなどの電子機器の電源として、小形で軽量なリチウムイオン二次電池が広く用いられている。リチウムイオン二次電池の正極にはリチウム遷移金属複合酸化物、負極には炭素材料、電解質にはリチウム塩を含んだカーボネートが一般的に使用されており、その電池はエネルギー密度が高いことを特徴として実用化されている。   In recent years, small and lightweight lithium ion secondary batteries have been widely used as power sources for electronic devices such as mobile phones and digital cameras. Lithium ion secondary batteries generally use lithium transition metal composite oxides for the positive electrode, carbon materials for the negative electrode, and carbonates containing lithium salts for the electrolyte, and the battery has a high energy density. Has been put to practical use.

また、負極での充放電にともなう体積変化が小さい活物質であるチタン酸リチウムを用いたリチウムイオン二次電池も実用化されている。このような体積変化の少ない負極活物質を用いた非水電解質電池は、バックアップ電源用途に用いられることが多く、特に、自己放電が少ないこと(優れた貯蔵性能)や、80℃〜−30℃までの幅広い温度での高い出力性能など、主に信頼面での性能が強く要求される。   In addition, a lithium ion secondary battery using lithium titanate, which is an active material having a small volume change accompanying charging and discharging at the negative electrode, has been put into practical use. Non-aqueous electrolyte batteries using such a negative electrode active material with little volume change are often used for backup power supply applications, and in particular, have low self-discharge (excellent storage performance) and 80 ° C to -30 ° C. Highly reliable performance such as high output performance over a wide range of temperatures is strongly demanded.

このリチウムイオン二次電池は、広い温度範囲において自己放電が極めて少ないという特徴を持ち、非特許文献1には、正極と負極との容量バランスずれによる電池容量の低下およびガス発生などの問題を抑制し、60℃〜80℃における高温環境下での信頼性を高めた非水電解質電池が報告されている。特許文献1には、リチウム電位に対して1.2V以上の電位にてリチウムイオンが挿入・脱離する負極活物質を有する負極を備えた非水電解質電池において、前記負極は、その表面にカーボネート構造を有する10nm以上の被膜が存在するものであり、かつ、該非水電解質電池を、リチウム電位に対して0.8Vより貴な負極電位の領域にて使用することで、ガス発生を抑制できることが記載されている。
電気化学会第73回大会要旨集.2006,p257 国際公開第2007/064046号パンフレット
This lithium ion secondary battery has the feature that the self-discharge is extremely small in a wide temperature range, and Non-Patent Document 1 suppresses problems such as battery capacity reduction and gas generation due to capacity balance deviation between the positive electrode and the negative electrode. However, a non-aqueous electrolyte battery with improved reliability in a high temperature environment at 60 ° C. to 80 ° C. has been reported. Patent Document 1 discloses a non-aqueous electrolyte battery including a negative electrode having a negative electrode active material into which lithium ions are inserted and desorbed at a potential of 1.2 V or more with respect to the lithium potential. There is a coating having a structure of 10 nm or more having a structure, and gas generation can be suppressed by using the nonaqueous electrolyte battery in a region of a negative electrode potential nobler than 0.8 V with respect to the lithium potential. Have been described.
Abstracts of the 73rd Annual Meeting of the Electrochemical Society of Japan. 2006, p257 International Publication No. 2007/064046 Pamphlet

しかしながら、リチウム電位に対して1.2V以上の電位にてリチウムイオンが挿入・脱離する負極活物質を有する負極を備えた非水電解質電池であって、前記負極が、活物質の表面に10nm以上のカーボネート構造を有する被膜が存在している負極活物質を含むものである場合には、60℃〜80℃における高温環境下での信頼性は高いものの、負極活物質上の被膜成分の存在の影響か、特に、0℃以下における低温出力特性が大きく低下してしまうといった問題点があった。これは、負極活物質の表面に10nm以上のカーボネート構造を有する被膜を存在させない場合には問題とならなかった点である。   However, the nonaqueous electrolyte battery includes a negative electrode having a negative electrode active material into which lithium ions are inserted and desorbed at a potential of 1.2 V or more with respect to the lithium potential, and the negative electrode is 10 nm on the surface of the active material. In the case of including a negative electrode active material in which a film having the above carbonate structure is present, the reliability under a high temperature environment at 60 ° C. to 80 ° C. is high, but the influence of the presence of a film component on the negative electrode active material In particular, there is a problem that the low-temperature output characteristics at 0 ° C. or lower are greatly deteriorated. This is a point that does not cause a problem when a film having a carbonate structure of 10 nm or more is not present on the surface of the negative electrode active material.

本発明は、上記問題点に鑑み、負極活物質が被膜成分を備えることによって高温における優れた信頼性を確保しながらも、低温においても高い出力特性を維持する非水電解質電池を提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention provides a non-aqueous electrolyte battery that maintains high output characteristics even at low temperatures while ensuring excellent reliability at high temperatures by the negative electrode active material comprising a coating component. Objective.

本発明は、電池の放電に伴う電気化学的酸化反応が主として1.2V以上の電位で行われる負極活物質を含む負極と、正極と、非水電解質とを備えたリチウムイオン二次電池(以下、「非水電解質電池」という。)において、前記負極活物質は、平均二次粒子径に対する平均一次粒子径の比が0.05以上であり、平均二次粒子径が15μm以下であり、且つ、平均一次粒子径が0.8μm以上であることを特徴とする非水電解質電池である。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery (hereinafter referred to as “a negative electrode including a negative electrode active material in which an electrochemical oxidation reaction accompanying a battery discharge is mainly performed at a potential of 1.2 V or higher”, a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte). in.) referred to as "non-aqueous electrolyte battery", the negative electrode active material, the ratio of the average primary particle diameter to the average secondary particle diameter is not less than 0.05, an average secondary particle diameter is not more 15μm or less, and The non-aqueous electrolyte battery is characterized in that the average primary particle diameter is 0.8 μm or more.

また、前記負極は、表面に厚み10nm以上のカーボネート構造を有する被膜が存在している負極活物質を含むことを特徴としている。   In addition, the negative electrode includes a negative electrode active material in which a film having a carbonate structure having a thickness of 10 nm or more is present on the surface.

ここで、電池の放電に伴う電気化学的酸化反応が主として1.2V以上の電位で行われる負極活物質を備えた非水電解質電池とは、完成された非水電解質電池が推奨される使用環境下において通常の放電が行われるとき、前記放電時における種々の放電深度の状態に対応して負極活物質が示すそれぞれ開回路電位が、専ら、非水電解質中における金属リチウムが示す電位に対して1.2V(vs.Li/Li)以上であるような負極活物質を備えた電池をいう。従って、例えば黒鉛やハードカーボン等のLiを吸蔵放出可能な炭素材料は含まれない。 Here, the non-aqueous electrolyte battery provided with the negative electrode active material in which the electrochemical oxidation reaction accompanying the discharge of the battery is mainly performed at a potential of 1.2 V or more is a usage environment in which the completed non-aqueous electrolyte battery is recommended. When a normal discharge is performed below, the open circuit potential exhibited by the negative electrode active material corresponding to the various depths of discharge during the discharge is exclusively the potential exhibited by metallic lithium in the non-aqueous electrolyte. A battery provided with a negative electrode active material that is 1.2 V (vs. Li / Li + ) or higher. Therefore, for example, carbon materials that can occlude and release Li, such as graphite and hard carbon, are not included.

前記負極活物質の1個の粒子は、一次粒子が集合してなる二次粒子からなることを前提としている。従って、平均一次粒子径をr1とし、平均二次粒子径r2とするとき、平均二次粒子径に対する平均一次粒子径の比(r1/r2)の値は必然的に1未満である。一般に、活物質の粒径について、一次か二次かの特定をせずに「粒子径」という場合は、本願明細書にいう「二次粒子径」にあたる。   One particle of the negative electrode active material is premised on secondary particles formed by aggregating primary particles. Therefore, when the average primary particle size is r1 and the average secondary particle size is r2, the ratio of the average primary particle size to the average secondary particle size (r1 / r2) is necessarily less than 1. In general, when the particle diameter of an active material is referred to as “particle diameter” without specifying primary or secondary, it corresponds to “secondary particle diameter” in the present specification.

本願明細書において、負極活物質の平均一次粒子径r1及び平均二次粒子径r2は、電子顕微鏡(SEM)観察に基づく画像解析法により求められるものとする。   In the present specification, the average primary particle diameter r1 and the average secondary particle diameter r2 of the negative electrode active material are determined by an image analysis method based on observation with an electron microscope (SEM).

前記負極活物質の表面に10nm以上のカーボネート構造を有する被膜が存在していることについては、電池から負極板を取り出し、電極をほぐすことなく、負極表面に存在している負極活物質粒子(二次粒子)の表面に照準を合わせてX線光電子分光分析装置(XPS)にて観察し、成分を分析すると共にカーボネート構造を有する被膜の厚みを測定することによって確認をすることができる。なお、XPS測定は、X線を試料に照射してその跳ね返りのデータを観測することにより行うものであるが、X線の最小入射深度が10nmであるとき、測定開始時には10nm以内の表層部の情報が平均化されたデータとして得られる。従って、例えば測定開始時にカーボネート構造を有する被膜の情報と活物質の情報の両方が現れる場合には、被膜の厚みは10nm未満であると判定でき、測定開始時にカーボネート構造を有する被膜の情報のみが現れる場合には、被膜の厚みは10nm以上であると判定できる。   Regarding the presence of a film having a carbonate structure of 10 nm or more on the surface of the negative electrode active material, the negative electrode active material particles (2) are removed from the battery without taking out the negative electrode plate and loosening the electrode. It can be confirmed by aiming at the surface of the secondary particles) and observing with an X-ray photoelectron spectrometer (XPS), analyzing the components, and measuring the thickness of the film having a carbonate structure. XPS measurement is performed by irradiating the sample with X-rays and observing the rebound data. When the minimum incident depth of X-rays is 10 nm, the surface layer portion within 10 nm is measured at the start of measurement. Information is obtained as averaged data. Therefore, for example, when both the information on the film having a carbonate structure and the information on the active material appear at the start of measurement, the thickness of the film can be determined to be less than 10 nm, and only the information on the film having a carbonate structure can be obtained at the start of measurement. When it appears, it can be determined that the thickness of the coating is 10 nm or more.

本発明によれば、低温性能に優れた非水電解質電池を提供することができる。   According to the present invention, a nonaqueous electrolyte battery excellent in low temperature performance can be provided.

電池の放電に伴う電気化学的酸化反応が主として1.2V以上の電位で行われる負極活物質としては、何ら限定されるものではなく、例えばLiTi12,LiTiO,LiNb等が挙げられる。なかでも、LiTi(1.0≦x≦2.4, 1≦y≦2)で表されるチタン酸リチウムが好ましい。ここで、チタン酸リチウムの結晶構造を構成するTiサイトの一部、又は、Tiサイト及びLiサイトの一部が他の元素で置換されたものを用いてもよい。 The negative electrode active material in which the electrochemical oxidation reaction accompanying the discharge of the battery is mainly performed at a potential of 1.2 V or higher is not limited at all. For example, Li 4 Ti 5 O 12 , LiTiO 2 , LiNb 2 O 5 Etc. Among these, lithium titanate represented by Li x Ti y O 4 (1.0 ≦ x ≦ 2.4, 1 ≦ y ≦ 2) is preferable. Here, a part of the Ti site constituting the crystal structure of lithium titanate, or a part of the Ti site and the Li site may be substituted with another element.

上記したように、本発明の目的を達成するため、本発明に用いる負極活物質の平均一次粒子径r1と平均二次粒子径r2との比(r1/r2)は、0.05以上であることが必要である。r1/r2の値が0.05未満であると低温出力性能が低下する理由は、必ずしも明らかではないが、本発明者らは次のように推定している。すなわち、カーボネート構造を有する被膜成分は、一次粒子表面にも形成されるが、この一次粒子が密に詰まった二次粒子を形成する場合、言い換えるとr1/r2比が小さい場合、二次粒子表面から二次粒子内部に存在する一次粒子までのイオン移動距離が長くなるうえに、一次粒子上に形成された皮膜成分がそのイオン移動の弊害となるため、見かけの液抵抗が増大し、その結果、二次粒子内部の一次粒子が電気化学反応に寄与できなくなって出力性能が低下するためではないかと推察している。   As described above, in order to achieve the object of the present invention, the ratio (r1 / r2) between the average primary particle diameter r1 and the average secondary particle diameter r2 of the negative electrode active material used in the present invention is 0.05 or more. It is necessary. The reason why the low-temperature output performance deteriorates when the value of r1 / r2 is less than 0.05 is not necessarily clear, but the present inventors estimate as follows. That is, the coating component having a carbonate structure is also formed on the surface of the primary particles, but when the primary particles form densely packed secondary particles, in other words, when the r1 / r2 ratio is small, the surface of the secondary particles As a result, the ion transfer distance from the primary particle to the primary particle inside the secondary particle becomes longer, and the film component formed on the primary particle becomes an adverse effect of the ion transfer, resulting in an increase in the apparent liquid resistance. It is presumed that the primary particles inside the secondary particles cannot contribute to the electrochemical reaction and the output performance is lowered.

r1/r2の値の上限は、上記した一次粒子、二次粒子の定義により1未満であるが、なかでも、0.4以下が好ましい。   The upper limit of the value of r1 / r2 is less than 1 according to the definition of primary particles and secondary particles described above, and among these, 0.4 or less is preferable.

さらに、本発明の目的を達成するため、平均二次粒子径r2は、15μm以下であることが必要である。平均二次粒子径r2が15μmを超えると低温出力性能が低下する理由は、必ずしも明らかではないが、本発明者らは次のように推定している。すなわち、活物質の反応有効表面積が低下して出力性能が低下するためではないかと推察している。   Furthermore, in order to achieve the object of the present invention, the average secondary particle diameter r2 needs to be 15 μm or less. The reason why the low-temperature output performance decreases when the average secondary particle diameter r2 exceeds 15 μm is not necessarily clear, but the present inventors estimate as follows. In other words, it is presumed that the effective reaction surface area of the active material is lowered and the output performance is lowered.

平均二次粒子径r2の下限については特に限定されるものではないが、0.8μm以上とすれば、相対的に多くの結着剤量が必要となることにより出力性能が劣るものとなる虞が低減されるため、好ましい。また、平均一次粒子径r1は、0.8μm以上とすれば、二次粒子を構成している一次粒子が緻密になりすぎて、それぞれの一次粒子表面に電解液が行き渡らなくなるために電池性能が劣るものとなる虞が低減されるため、好ましい。   The lower limit of the average secondary particle diameter r2 is not particularly limited. However, if the average secondary particle diameter r2 is 0.8 μm or more, a relatively large amount of binder is required, which may result in poor output performance. Is preferable. Moreover, if the average primary particle diameter r1 is 0.8 μm or more, the primary particles constituting the secondary particles become too dense, and the electrolyte does not spread on the surface of each primary particle, so that the battery performance is improved. This is preferable because the possibility of being inferior is reduced.

一次粒子径及び二次粒子径は、後述する実施例に示すように、負極活物質の粉砕及び篩い分け等により、調整することができる。負極活物質の種類に応じ、焼成時等の製造条件によって調整してもよい。   The primary particle size and the secondary particle size can be adjusted by pulverization and sieving of the negative electrode active material, as shown in Examples described later. Depending on the type of the negative electrode active material, the negative electrode active material may be adjusted according to the production conditions such as firing.

負極が、表面に10nm以上のカーボネート構造を有する被膜が存在している負極活物質を含むものとする方法については、限定されるものではないが、特許文献1に開示されているように、あるいは、後述する実施例に示すように、非水電解質電池完成前の初期充放電工程時に負極電位が卑となるように充電深度を深く設定することにより、達成することができる。   The method for including the negative electrode active material in which the negative electrode includes a film having a carbonate structure of 10 nm or more on the surface is not limited, but as disclosed in Patent Document 1 or described later. As shown in the examples, this can be achieved by setting the depth of charge deeply so that the negative electrode potential becomes lower during the initial charge / discharge step before completion of the nonaqueous electrolyte battery.

本発明の負極に用いられる結着剤としては、特に制限はなく、種々の材料を適宜使用できる。たとえば、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)あるいはカルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、カルボキシ変成ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、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、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ニトロセルロース、ポリエチレン、ポリプロピレンまたはこれらの誘導体などからなる群から選択される少なくとも1種を使用することができる。   There is no restriction | limiting in particular as a binder used for the negative electrode of this invention, A various material can be used suitably. For example, styrene-butadiene rubber (SBR) or carboxymethylcellulose (CMC), polyvinylidene fluoride (PVdF), carboxy-modified polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chloro Trifluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, ethylene-propylene-diene copolymer, acrylonitrile-butadiene rubber, fluororubber, polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, nitrocellulose, polyethylene, polypropylene or At least one selected from the group consisting of these derivatives and the like can be used.

結着剤を混合する際に用いる溶媒としては非水溶媒または水溶液を用いることができる。非水溶媒には、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N−N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどを挙げることができる。また、これらに分散剤、増粘剤などを加えてもよい。   As the solvent used for mixing the binder, a non-aqueous solvent or an aqueous solution can be used. Non-aqueous solvents include N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, NN-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, tetrahydrofuran, etc. Can do. Moreover, you may add a dispersing agent, a thickener, etc. to these.

本発明の正極活物質に用いるリチウムイオンを吸蔵・放出する化合物としては、種々の材料を適宜使用できる。例えば、二酸化マンガン、五酸化バナジウムのような遷移金属化合物や、硫化鉄、硫化チタンのような遷移金属カルコゲン化合物、さらにはこれらの遷移金属とリチウムとの複合酸化物LiMO2−δ(ただし、Mは、Co、NiまたはMnを表し、0.4≦x≦1.2、0≦δ≦0.5である複合酸化物)、またはこれらの複合酸化物にAl、Mn、Fe、Ni、Co、Cr、Ti、およびZnからなる群から選択される少なくとも一種の元素、または、P、Bなどの非金属元素を含有して使用することができる。 Various materials can be appropriately used as the compound that absorbs and releases lithium ions used in the positive electrode active material of the present invention. For example, transition metal compounds such as manganese dioxide and vanadium pentoxide, transition metal chalcogen compounds such as iron sulfide and titanium sulfide, and composite oxide Li x MO 2-δ of these transition metals and lithium (however, , M represents Co, Ni, or Mn, and 0.4 ≦ x ≦ 1.2 and 0 ≦ δ ≦ 0.5), or these composite oxides may include Al, Mn, Fe, Ni , Co, Cr, Ti, and Zn, or at least one element selected from the group consisting of Zn, or nonmetallic elements such as P and B can be used.

さらに、リチウムとニッケルの複合酸化物、すなわちLiNiM1M22−δで表される正極活物質(ただし、M1、M2はAl、Mn、Fe、Ni、Co、Cr、Ti、およびZnからなる群から選択される少なくとも一種の元素、または、P、Bなどの非金属元素を表し、0.4≦x≦1.2、0.8≦p+q+r≦1.2、0≦δ≦0.5である複合酸化物)などを用いることができる。なかでも、高電圧、高エネルギー密度が得られ、サイクル性能も優れることから、リチウム・コバルトの複合酸化物や、リチウム・コバルト・ニッケル複合酸化物が好ましい。 Further, the composite oxide of lithium and nickel, i.e. the positive electrode active material (however represented by LiNi p M1 q M2 r O 2 -δ, M1, M2 is Al, Mn, Fe, Ni, Co, Cr, Ti, and It represents at least one element selected from the group consisting of Zn, or a nonmetallic element such as P or B, 0.4 ≦ x ≦ 1.2, 0.8 ≦ p + q + r ≦ 1.2, 0 ≦ δ ≦ Composite oxide of 0.5) or the like can be used. Among these, lithium-cobalt composite oxides and lithium-cobalt-nickel composite oxides are preferable because high voltage, high energy density are obtained, and cycle performance is excellent.

本発明の非水電解質電池に用いる電解液の有機溶媒としては、特に制限はなく、種々の材料を適宜使用できる。例えば、エーテル類、ケトン類、ラクトン類、ニトリル類、アミン類、アミド類、硫黄化合物、ハロゲン化炭化水素類、エステル類、カーボネート類、ニトロ化合物、リン酸エステル系化合物、スルホラン系炭化水素類などを用いることができるが、これらのうちでもエーテル類、ケトン類、エステル類、ラクトン類、ハロゲン化炭化水素類、カーボネート類、スルホラン系炭化水素類が好ましい。さらに、これらの例としては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,4−ジオキサン、アニソール、モノグライム、4−メチル−2−ペンタノン、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、1,2−ジクロロエタン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、メチルフォルメイト、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、ジプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルチオホルムアミド、スルホラン、3−メチル−スルホラン、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、およびホスファゼン誘導体およびこれらの混合溶媒などを挙げることができる。なかでも、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、およびジエチルカーボネートを単独でまたは2種以上を混合して使用することが好ましい。   There is no restriction | limiting in particular as an organic solvent of the electrolyte solution used for the nonaqueous electrolyte battery of this invention, A various material can be used suitably. For example, ethers, ketones, lactones, nitriles, amines, amides, sulfur compounds, halogenated hydrocarbons, esters, carbonates, nitro compounds, phosphate ester compounds, sulfolane hydrocarbons, etc. Among these, ethers, ketones, esters, lactones, halogenated hydrocarbons, carbonates, and sulfolane hydrocarbons are preferable. Further examples of these include tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,4-dioxane, anisole, monoglyme, 4-methyl-2-pentanone, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, 1,2-dichloroethane, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, dimethoxyethane, diethoxyethane, methyl formate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, Vinylene carbonate, butylene carbonate, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, dimethylthioformamide, sulfolane, 3-methyl-sulfo Examples thereof include run, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, and phosphazene derivatives, and mixed solvents thereof. Especially, it is preferable to use ethylene carbonate, propylene carbonate, (gamma) -butyrolactone, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and diethyl carbonate individually or in mixture of 2 or more types.

また、本発明の非水電解質電池に用いる溶質としては、特に制限はなく、種々の溶質を適宜使用できる。例えば、LiClO、LiBF、LiAsF、LiPF、LiPF(CF、LiPF(CF、LiPF(CF、LiPF(CF、LiPF(CF)、LiPF(C、LiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiN(CCO)、LiI、LiAlCl、LiBCなどを単独でまたは2種以上を混合して使用することができる。なかでもイオン伝導性が良好なことから、LiPFを使用することが好ましい。さらに、これらのリチウム塩濃度は0.5〜2.0mol/dmとするのが好ましい。 Moreover, there is no restriction | limiting in particular as a solute used for the nonaqueous electrolyte battery of this invention, A various solute can be used suitably. For example, LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiPF (CF 3 ) 5 , LiPF 2 (CF 3 ) 4 , LiPF 3 (CF 3 ) 3 , LiPF 4 (CF 3 ) 2 , LiPF 5 (CF 3 ), LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 CO) 2 , LiI, LiAlCl 4 , LiBC 4 O 8 or the like can be used alone or in admixture of two or more. Of these, LiPF 6 is preferably used because of its good ion conductivity. Furthermore, the lithium salt concentration is preferably 0.5 to 2.0 mol / dm 3 .

また、電解質中にビニレンカーボネートやブチレンカーボネートなどのカーボネート類、ビフェニル、シクロヘキシルベンゼンなどのベンゼン類、プロパンスルトンなどの硫黄類、エチレンサルファイド、フッ化水素、トリアゾール系環状化合物、フッ素含有エステル類、テトラエチルアンモニウムフルオライドのフッ化水素錯体またはこれらの誘導体、ホスファゼンおよびその誘導体、アミド基含有化合物、イミノ基含有化合物、または窒素含有化合物からなる群から選択される少なくとも1種を含有しても使用できる。また、CO、NO、CO、SOなどから選択される少なくとも1種を含有しても使用できる。 Also included in the electrolyte are carbonates such as vinylene carbonate and butylene carbonate, benzenes such as biphenyl and cyclohexylbenzene, sulfurs such as propane sultone, ethylene sulfide, hydrogen fluoride, triazole-based cyclic compounds, fluorine-containing esters, tetraethylammonium It can be used even if it contains at least one selected from the group consisting of fluoride fluoride complexes or derivatives thereof, phosphazenes and derivatives thereof, amide group-containing compounds, imino group-containing compounds, or nitrogen-containing compounds. Moreover, CO 2, NO 2, CO , also contain at least one selected from such SO 2 may be used.

本発明の非水電解質電池に用いるセパレータとしては、特に制限はなく、種々の材料を適宜使用できる。例えば、織布、不織布、合成樹脂微多孔膜などが挙げられ、なかでも、合成樹脂微多孔膜が好ましい。合成樹脂微多孔膜の材質としては、ナイロン、セルロースアセテート、ニトロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、およびポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテンなどのポリオレフィンが用いられ、なかでもポリエチレンおよびポリプロピレン製微多孔膜、またはこれらを複合した微多孔膜などのポリオレフィン系微多孔膜が、厚さ、膜強度、膜抵抗などの面で好ましい。また、材料、重量平均分子量や空孔率の異なる複数の微多孔膜が積層してなるものや、これらの微多孔膜に各種の可塑剤、酸化防止剤、難燃剤などの添加剤を適量含有しているものを使用することができる。   There is no restriction | limiting in particular as a separator used for the nonaqueous electrolyte battery of this invention, A various material can be used suitably. For example, a woven fabric, a nonwoven fabric, a synthetic resin microporous film, etc. are mentioned, and among them, a synthetic resin microporous film is preferable. As the material of the synthetic resin microporous membrane, nylon, cellulose acetate, nitrocellulose, polysulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, and polyolefins such as polyethylene, polypropylene, and polybutene are used. Among them, polyethylene and polypropylene microporous membranes, Alternatively, a polyolefin microporous film such as a microporous film obtained by combining these is preferable in terms of thickness, film strength, film resistance, and the like. In addition, materials, laminates of multiple microporous membranes with different weight average molecular weights and porosity, and appropriate additives such as various plasticizers, antioxidants, and flame retardants are contained in these microporous membranes You can use what you are doing.

また、上記電解質には固体またはゲル状のイオン伝導性電解質を単独または組み合わせて使用することができる。組み合わせる場合、電気化学キャパシタの構成としては、正極、負極およびセパレータと有機または無機の固体電解質と上記非水電解液との組み合わせ、または正極、負極およびセパレータとしての有機または無機の固体電解質膜と上記非水電解液との組み合わせが挙げられる。
本発明の非水電解質電池の形状は特に限定されるものではなく、角形、楕円形、円筒形、コイン形、ボタン形、シート形のキャパシタまたは電池などの様々な形状として適用可能である。
In addition, a solid or gel ion conductive electrolyte can be used alone or in combination for the electrolyte. In the case of combination, the structure of the electrochemical capacitor includes a combination of a positive electrode, a negative electrode and a separator, an organic or inorganic solid electrolyte and the above non-aqueous electrolyte, or an organic or inorganic solid electrolyte membrane as a positive electrode, a negative electrode and a separator, and the above A combination with a non-aqueous electrolyte is mentioned.
The shape of the nonaqueous electrolyte battery of the present invention is not particularly limited, and can be applied as various shapes such as a square, an ellipse, a cylinder, a coin, a button, a sheet, or a battery.

つぎに、本発明の好適な実施例について説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following examples.

参考例1]
まず、酸化チタン(TiO、ルチル化率90%)とLiCOとをLi/Tiのモル比が0.8になるように秤量し、乳鉢で30分混合した。この混合物をセラミックボートに入れ、電気炉にて700℃で4時間、酸素流通下(0.1リットル/分)で仮焼成を行った。つぎに、この仮焼成体を、電気炉にて800℃で5時間、酸素流通下(0.1リットル/分)において焼成した。こうして製造した粉末を自動乳鉢で粉砕することによってLiTi12の粉末を得た。この粉末を粒度分布測定したところ、約0.5μm〜40μmの比較的幅広い分布を示すことがわかった。このLiTi12の粉末を、ボールミルを用いて10時間粉砕した後に、795メッシュ(目の開き16μm)のステンレス製ふるいを用いて分留した。そのふるいを通過した粉末のみを、アセチレンブラック(導電剤)およびポリフッ化ビニリデン(PVdF、結着剤)と質量比87:5:8の割合で混合し、N―メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて十分混練して、負極ペーストを作製した。その負極ペーストを厚さ15μmの銅箔上の片面に塗布し、150℃で真空乾燥してNMPを蒸発させた。その後、ロールプレスで圧縮成型し、30mm×40mmの大きさに裁断して、負極活物質としてのLiTi12を含む負極を製作した。
[ Reference Example 1]
First, titanium oxide (TiO 2 , rutile ratio 90%) and Li 2 CO 3 were weighed so that the Li / Ti molar ratio was 0.8, and mixed in a mortar for 30 minutes. This mixture was placed in a ceramic boat and pre-baked in an electric furnace at 700 ° C. for 4 hours under oxygen flow (0.1 liter / min). Next, this temporarily fired body was fired in an electric furnace at 800 ° C. for 5 hours under oxygen flow (0.1 liter / min). The powder thus produced was pulverized with an automatic mortar to obtain a Li 4 Ti 5 O 12 powder. When the particle size distribution of this powder was measured, it was found that a relatively wide distribution of about 0.5 μm to 40 μm was exhibited. The Li 4 Ti 5 O 12 powder was pulverized for 10 hours using a ball mill and then fractionated using a 795 mesh (16 μm aperture) stainless steel sieve. Only the powder that passed through the sieve was mixed with acetylene black (conductive agent) and polyvinylidene fluoride (PVdF, binder) at a mass ratio of 87: 5: 8, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). Was added and kneaded sufficiently to prepare a negative electrode paste. The negative electrode paste was applied to one side of a 15 μm thick copper foil and vacuum dried at 150 ° C. to evaporate NMP. Thereafter, it was compression molded by a roll press and cut into a size of 30 mm × 40 mm to produce a negative electrode containing Li 4 Ti 5 O 12 as a negative electrode active material.

つづいて、正極活物質としてのリチウム遷移金属複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)粉末90質量%、アセチレンブラック5質量%、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)5質量%をN−メチルピロリドン(NMP)に加えて混合してスラリーとし、このスラリーを20μmのアルミニウム箔からなる集電体の片面に塗布し、150℃で真空乾燥してNMPを蒸発させた。その後、ロールプレスで圧縮成型し、30mm×40mmの大きさに裁断して、正極極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3を含む正極を製作した。 Subsequently, 90% by mass of lithium transition metal composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) powder as the positive electrode active material, 5% by mass of acetylene black, 5% by mass of polyvinylidene fluoride (PVdF) Was added to N-methylpyrrolidone (NMP) and mixed to form a slurry. This slurry was applied to one side of a current collector made of 20 μm aluminum foil, and vacuum dried at 150 ° C. to evaporate NMP. Then, it was compression molded with a roll press and cut into a size of 30 mm × 40 mm to produce a positive electrode containing LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 as a positive electrode active material.

正極および負極各1枚を、厚さ30μm、多孔度40%の連通多孔体であるポリエチレンセパレータを間に挟んで重ね、アルミラミネートシートからなる高さ70mm、幅50mmの容器中に挿入し、最後に、この内部に非水電解液を注入した。その非水電解液には、エチレンカーボネート(PC)とジエチルカーボネート(DEC)との体積比7:3の混合溶媒に、LiPFを1mol/dmとなるように溶解し、さらに、5質量%となるようにビニレンカーボネートを添加したものを用いた。その後、このセルを4V−1Vの電圧範囲で3サイクル充放電させる初期充放電工程に供することによって、一時的にそのセルの負極の電位を約0.3V(vs.Li/Li)まで低下させて、負極活物質表面に、カーボネート構造を含む保護被膜を形成させた。以上の工程を経て、実施例1の非水電解質電池を製作した。この電池を解体して負極SEM像を走査型電子顕微鏡により撮影したところ、負極活物質の平均二次粒子径は0.89μm、一次粒子径は約0.3μmであった。 Each of the positive electrode and the negative electrode is stacked with a polyethylene separator which is a continuous porous body having a thickness of 30 μm and a porosity of 40% interposed therebetween, and is inserted into a container having a height of 70 mm and a width of 50 mm made of an aluminum laminate sheet. In addition, a non-aqueous electrolyte was injected into the interior. In the non-aqueous electrolyte, LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate (PC) and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 7: 3 so as to be 1 mol / dm 3, and further 5% by mass. What added vinylene carbonate was used so that it might become. Thereafter, the cell is subjected to an initial charge / discharge process in which the cell is charged and discharged for 3 cycles in a voltage range of 4V-1V, thereby temporarily lowering the potential of the negative electrode of the cell to about 0.3 V (vs. Li / Li + ). Thus, a protective film including a carbonate structure was formed on the surface of the negative electrode active material. The non-aqueous electrolyte battery of Example 1 was manufactured through the above steps. When this battery was disassembled and a negative electrode SEM image was taken with a scanning electron microscope, the average secondary particle size of the negative electrode active material was 0.89 μm, and the primary particle size was about 0.3 μm.

[実施例
参考例1の負極活物質製造方法において、ボールミル粉砕の時間を1時間とし、795メッシュのステンレス製ふるいの代わりに、200メッシュを用いて負極活物質を分留すること以外は同じ非水電解質電池の製造方法によって、実施例2の非水電解質電池を製作した。その電池の負極活物質の平均二次粒子径は15μm、一次粒子径は約0.9μmであった。
[Example 1 ]
In the negative electrode active material manufacturing method of Reference Example 1, the same nonaqueous electrolyte battery except that the ball mill pulverization time is 1 hour and the negative electrode active material is fractionated using 200 mesh instead of the 795 mesh stainless steel sieve The nonaqueous electrolyte battery of Example 2 was manufactured by the manufacturing method described above. The negative active material of the battery had an average secondary particle size of 15 μm and a primary particle size of about 0.9 μm.

[実施例
参考例1の負極活物質製造方法において、ボールミル粉砕をおこなわず、795メッシュのステンレス製ふるいの代わりに、440メッシュを用いて負極活物質を分留すること以外は同じ非水電解質電池の製造方法によって、実施例3の非水電解質電池を製作した。その電池の負極活物質の平均二次粒子径は10μm、一次粒子径は約4μmであった。
[Example 2 ]
In the negative electrode active material manufacturing method of Reference Example 1, the same nonaqueous electrolyte battery manufacturing method except that ball milling is not performed and the negative electrode active material is fractionated using 440 mesh instead of 795 mesh stainless steel sieve. Thus, a nonaqueous electrolyte battery of Example 3 was manufactured. The negative active material of the battery had an average secondary particle size of 10 μm and a primary particle size of about 4 μm.

[実施例
参考例1の負極活物質製造方法において、ボールミル粉砕の時間を15分とし、795メッシュのステンレス製ふるいの代わりに、440メッシュを用いて負極活物質を分留すること以外は同じ非水電解質電池の製造方法によって、実施例5の非水電解質電池を製作した。その電池の負極活物質の平均二次粒子径は約10μm、一次粒子径は約2.5μmであった。
[Example 3 ]
In the negative electrode active material manufacturing method of Reference Example 1, the same nonaqueous electrolyte battery except that the ball mill pulverization time is 15 minutes and the negative electrode active material is fractionated using 440 mesh instead of the 795 mesh stainless steel sieve The nonaqueous electrolyte battery of Example 5 was manufactured by the manufacturing method described above. The negative active material of the battery had an average secondary particle size of about 10 μm and a primary particle size of about 2.5 μm.

[比較例1]
参考例1の負極活物質製造方法において、ボールミル粉砕の時間を24時間とし、795メッシュのステンレス製ふるいの代わりに、200メッシュを用いて負極活物質を分留すること以外は同じ非水電解質電池の製造方法によって、比較例1の非水電解質電池を製作した。その電池の負極活物質の平均二次粒子径は15μm、一次粒子径は約0.3μmであった。
[Comparative Example 1]
In the negative electrode active material manufacturing method of Reference Example 1, the same nonaqueous electrolyte battery except that the ball milling time is 24 hours and the negative electrode active material is fractionated using 200 mesh instead of the 795 mesh stainless steel sieve The non-aqueous electrolyte battery of Comparative Example 1 was manufactured by the manufacturing method. The negative active material of the battery had an average secondary particle size of 15 μm and a primary particle size of about 0.3 μm.

[比較例2]
795メッシュのステンレス製ふるいの代わりに、60メッシュを用いて負極活物質を分留すること以外は参考例1の非水電解質電池の製造方法と同じ方法によって、比較例2の非水電解質電池を製作した。この電池の負極活物質の平均二次粒子径は20μm、一次粒子径は約4μmであった。
[Comparative Example 2]
Instead of the 795 mesh stainless steel sieve, the nonaqueous electrolyte battery of Comparative Example 2 was prepared in the same manner as the nonaqueous electrolyte battery of Reference Example 1 except that the negative electrode active material was fractionated using 60 mesh. Produced. The negative active material of this battery had an average secondary particle size of 20 μm and a primary particle size of about 4 μm.

[比較例3]
初期充放電工程における3サイクルの充放電電圧範囲を2.5V−1Vとした以外は参考例1の非水電解質電池の製造方法と同じ方法によって、負極活物質表面に被膜成分を形成させていない比較例3の非水電解質電池を製作した。
[Comparative Example 3]
A coating component is not formed on the surface of the negative electrode active material by the same method as that for the non-aqueous electrolyte battery of Reference Example 1 except that the charge / discharge voltage range of 3 cycles in the initial charge / discharge process is 2.5V-1V. A nonaqueous electrolyte battery of Comparative Example 3 was produced.

[比較例4]
初期充放電工程における3サイクルの充放電電圧範囲を2.5V−1Vとした以外は実施例の非水電解質電池の製造方法と同じ方法によって、負極活物質表面に被膜成分を形成させていない比較例4の非水電解質電池を製作した。
[Comparative Example 4]
A coating component is not formed on the surface of the negative electrode active material by the same method as the method for manufacturing the nonaqueous electrolyte battery of Example 1 except that the charge / discharge voltage range of 3 cycles in the initial charge / discharge process is 2.5V-1V. A nonaqueous electrolyte battery of Comparative Example 4 was produced.

[比較例5]
初期充放電工程における3サイクルの充放電電圧範囲を2.5V−1Vとした以外は実施例の非水電解質電池の製造方法と同じ方法によって、負極活物質表面に被膜成分を形成させていない比較例5の非水電解質電池を製作した。
[Comparative Example 5]
A coating component is not formed on the surface of the negative electrode active material by the same method as that for the non-aqueous electrolyte battery of Example 2 except that the charge / discharge voltage range of 3 cycles in the initial charge / discharge process is 2.5V-1V. A nonaqueous electrolyte battery of Comparative Example 5 was produced.

参考例1、実施例1〜および比較例1〜5の非水電解質電池を−30℃〜80℃まで温度制御可能な恒温槽に入れた後に充放電装置と接続した。さらに、恒温槽の温度を80℃まで上昇した後に、電流1ItAの2.5Vまでの定電流−定電圧充電を3時間、1ItAの1.0Vまでの定電流放電の連続サイクル試験をおこなった、この充放電連続サイクル試験500サイクル後の各電池の放電容量維持率を表1に示す。 The nonaqueous electrolyte batteries of Reference Example 1, Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5 were connected to a charge / discharge device after being placed in a thermostat capable of temperature control from −30 ° C. to 80 ° C. Furthermore, after the temperature of the thermostatic chamber was raised to 80 ° C., a constant current-constant voltage charge of current 1 ItA to 2.5 V was performed for 3 hours, and a continuous cycle test of constant current discharge to 1.0 V of 1 ItA was performed. Table 1 shows the discharge capacity maintenance rate of each battery after 500 cycles of this charge / discharge continuous cycle test.

Figure 0005228393
Figure 0005228393

表1から、参考例1、実施例1〜および比較例1,2の負極活物質表面に被膜形成した電池は、80℃という高温においても極めて優れたサイクル特性を示しているが、比較例3〜5の負極活物質表面に被膜を形成していない非水電解質電池の場合、著しく放電容量が低下していることがわかる。このように高温で劣化が著しい電池は、高信頼性用途の電池に不向きである。 From Table 1, the batteries formed on the surfaces of the negative electrode active materials of Reference Example 1, Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 showed extremely excellent cycle characteristics even at a high temperature of 80 ° C. It can be seen that in the case of a non-aqueous electrolyte battery in which no film is formed on the surface of 3 to 5 negative electrode active materials, the discharge capacity is remarkably reduced. Thus, a battery that is significantly deteriorated at a high temperature is not suitable for a battery for high reliability.

つぎに、参考例1、実施例1〜および比較例1,2に係る電池を別途作製し、25℃における出力値P25に対する−30℃における電池の放電後30秒後の出力値P−30をの割合の百分率を求め、これを低温出力性能値(P−30/P25)として定義した。結果を表2に示す。また、図1には、各実施例及び比較例について、r1とr2との関係でプロットし、それぞれの点の右下に低温出力性能値を記載すると共に、いくつかの点について、図上の傾きの逆数であるr1/r2の値について示した。 Next, batteries according to Reference Example 1, Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were separately prepared, and the output value P after 30 seconds after discharging the battery at −30 ° C. with respect to the output value P 25 at 25 ° C. seeking the percentage ratio of 30, which was defined as the low-temperature output performance value (P -30 / P 25). The results are shown in Table 2. In addition, FIG. 1 plots the relationship between r1 and r2 for each example and comparative example, describes the low-temperature output performance value at the lower right of each point, and shows some points on the diagram. It showed about the value of r1 / r2 which is the reciprocal number of inclination.

Figure 0005228393
Figure 0005228393

表から、参考例1、実施例1〜の電池は、P−30/P25は10以上の高い値を示すが、比較例1および2では、10未満の低い値であり、高信頼性用途電池には不向きな性能といえる。図1より、平均二次粒子径が15μm以下であり、且つ、平均二次粒子径に対する平均一次粒子径の比が0.05以上である条件を満たしている負極活物質を用いた実施例電池において、本発明の効果が奏されていることがわかる。 Table, Example 1, the batteries of Examples 1~ 3, P -30 / P 25 is showing a 10 higher than the value in Comparative Example 1 and 2, a low value of less than 10, high reliability It can be said that this is unsuitable for batteries. As shown in FIG. 1, an example battery using a negative electrode active material satisfying the condition that the average secondary particle diameter is 15 μm or less and the ratio of the average primary particle diameter to the average secondary particle diameter is 0.05 or more. It can be seen that the effect of the present invention is achieved.

現在キャパシタが採用されている用途分野においては、現状以上の低温性能を備え、且つ、電気的容量の大きい電気化学デバイスが求められているところ、上記P−30/P25の値が10以上であれば、かかるニーズに適合するので、産業上の利用可能性は極めて大である。 In In current applications areas where capacitors are employed, with the current state or low temperature performance, and, when a large electrochemical devices electric capacity is demanded, the value of the P -30 / P 25 10 or more If so, the industrial applicability is very large because it meets such needs.

実施例及び比較例に係る負極活物質粒子の物性値と低温出力性能値を示す図である。It is a figure which shows the physical-property value and low-temperature output performance value of the negative electrode active material particle which concerns on an Example and a comparative example.

Claims (1)

電池の放電に伴う電気化学的酸化反応が主として1.2V以上の電位で行われる負極活物質を含む負極と、正極と、非水電解質とを備えた非水電解質電池において、前記負極は、表面に厚み10nm以上のカーボネート構造を有する被膜が存在している負極活物質を含み、前記負極活物質は、平均二次粒子径に対する平均一次粒子径の比が0.05以上であり、平均二次粒子径が15μm以下であり、且つ、平均一次粒子径が0.8μm以上であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 In a non-aqueous electrolyte battery comprising a negative electrode including a negative electrode active material in which an electrochemical oxidation reaction accompanying discharge of a battery is mainly performed at a potential of 1.2 V or more, a positive electrode, and a non-aqueous electrolyte, the negative electrode has a surface Including a negative electrode active material in which a film having a carbonate structure having a thickness of 10 nm or more exists, and the negative electrode active material has a ratio of an average primary particle diameter to an average secondary particle diameter of 0.05 or more, and an average secondary A lithium ion secondary battery having a particle diameter of 15 μm or less and an average primary particle diameter of 0.8 μm or more.
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