JP5239109B2 - Lithium ion secondary battery - Google Patents

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Description

発明が属する技術分野Technical field to which the invention belongs

本発明は、リチウムイオン電池等電池材料用の電極組成に関する。  The present invention relates to an electrode composition for battery materials such as lithium ion batteries.

近年の携帯機器の目覚しい発展により、携帯機器電源として使用される電池とりわけリチウムイオン電池の需要が急速に高まってきている。さらに携帯機器の機能の増加に伴い高エネルギー化と、それに伴う電池特性の改善が技術開発の目標となっている。  Due to the remarkable development of portable devices in recent years, the demand for batteries used as power sources for portable devices, particularly lithium ion batteries, is rapidly increasing. Furthermore, with the increase in functions of mobile devices, higher energy and improved battery characteristics are becoming the goals of technological development.

こうした中で重要な技術課題として下記の項目が挙げられる。
(1)安全性(過充電)の向上
(2)高温保存特性の改善
(3)サイクル特性の改善
Among these, the following items are listed as important technical issues.
(1) Improvement of safety (overcharge) (2) Improvement of high temperature storage characteristics (3) Improvement of cycle characteristics

この中で高温保存特性については、電池系に用いられる塩、リチウムイオン二次電池ならば、既に開示されているLiPF6、LiBF4や、その他のイミド系の塩のLiClO4等の熱的な安定性が一因と考えられている。近年、さらに特表2000−608340号公報に記載されているような新規なリチウム塩化合物も提案され、実用に供されている。Among these, for high-temperature storage characteristics, for salts used in battery systems, lithium ion secondary batteries, such as LiPF 6 and LiBF 4 already disclosed, and other imide-based salts such as LiClO 4 Stability is considered a factor. In recent years, a novel lithium salt compound as described in JP 2000-608340 A has also been proposed and put into practical use.

また、この他の要因として、電解液に利用される溶媒の電気化学的な安定性、溶媒中の水分も関係していると考えられ、添加物や、種々の溶媒の適用等が考えられている。このように高温保存対策として様々な手法が試みられているが、他の電池特性を維持しながら高温保存特性を改善することは、特性全体の均衡を取る観点からは難しい点がある。  In addition, other factors are considered to be related to the electrochemical stability of the solvent used in the electrolyte and the water content in the solvent, and the use of additives and various solvents is considered. Yes. As described above, various methods have been tried as a countermeasure against high temperature storage, but it is difficult to improve the high temperature storage characteristics while maintaining other battery characteristics from the viewpoint of balancing the entire characteristics.

一例として、LiBF4を電解質塩として使用した場合について説明する。このLiBF4(以下BFと略す)塩は、LiPF6(以下PFと略す)に比べ伝導度は低いが熱的安定性があり、従って、高温保存特性、例えば、保存後の交流測定による電池内部インピーダンスの変化はPF系を使用した時に比べ小さくなる。As an example, a case where LiBF 4 is used as an electrolyte salt will be described. This LiBF 4 (hereinafter abbreviated as BF) salt has lower conductivity than LiPF 6 (hereinafter abbreviated as PF) but is thermally stable. Therefore, it has a high temperature storage characteristic, for example, an internal measurement of the battery by AC measurement after storage. The change in impedance is smaller than when the PF system is used.

しかし、LiBF4は伝導度が低いため、通常の1C電池容量は、PF系電池に比べ減少してしまう。このため、BFを電解質塩として用いる場合、こうした観点を考慮して電解液溶媒組成の制御が必要であり、それに付随した技術も開示されてきているが、容量がPF系に比べ低下するという点は解決されたとはいえない。However, since LiBF 4 has low conductivity, the normal 1C battery capacity is reduced compared to the PF battery. For this reason, when BF is used as an electrolyte salt, it is necessary to control the electrolyte solvent composition in consideration of such a viewpoint, and the accompanying technology has been disclosed, but the capacity is reduced as compared with the PF system. Is not solved.

さらに、電池を保存した後の電池容量のの回復も、実用上問題となる課題である。特に、上述したBF系の場合、EC系に比べ回復容量が低下しており、実用上改善すべき課題となっていた。  Furthermore, recovery of the battery capacity after storing the battery is also a problem that becomes a practical problem. In particular, in the case of the BF system described above, the recovery capacity is lower than that of the EC system, which has been a problem to be improved in practice.

発明が解決しようとする課題Problems to be solved by the invention

本発明の目的は、BF系塩を用いた電池系において、高温保存後の電池容量回復の低下を防止することの可能なリチウム二次電池を提供することである。  An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery capable of preventing a reduction in battery capacity recovery after high-temperature storage in a battery system using a BF salt.

課題を解決するための手段Means for solving the problem

【課題を解決するための手段】
すなわち上記目的は、以下の本発明の構成により達成される。
(1) 正極側に乳化重合法により合成されたPVDFホモポリマーと、
負極側にスチレンブタジエンゴムおよびカルボキシメチルセルロースとを有し、
さらに電解質にフッ化硼素酸リチウム系の塩とγ−ブチロラクトンとを含有するリチウムイオン二次電池。
(2) 前記電解質の溶媒にさらに環状カーボネートを含有し、
環状カーボネート:γ−ブチロラクトンの体積比が、6:4〜1:9である上記(1)のリチウムイオン二次電池。
(3) 前記PVDFの分子量が80,000以上である上記(1)又は(2)のリチウムイオン二次電池。
(4) 前記電解質は、ゲル化させた固体電解質であり、
この固体電解質に前記PVDFホモポリマー、γ−ブチロラクトン、フッ化硼素酸リチウム系の塩を含有する上記(1)〜(3)のいずれかのリチウムイオン二次電池。
(5) 前記電解質は、添加剤としてビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートのいずれかを1〜2質量%含有する上記(1)〜(4)のいずれかのリチウムイオン二次電池。
[Means for Solving the Problems]
That is, the above object is achieved by the following configuration of the present invention.
(1) PVDF homopolymer synthesized on the positive electrode side by an emulsion polymerization method;
It has styrene butadiene rubber and carboxymethyl cellulose on the negative electrode side,
Further lithium ion secondary battery containing the salt with γ- Buchiro lactone lithium fluoride boron acid in the electrolyte.
(2) The solvent of the electrolyte further contains a cyclic carbonate,
Cyclic carbonate: .gamma. Buchiro volume ratio of lactone, 6: 4 to 1: 9 in a lithium ion secondary battery (1).
(3) The lithium ion secondary battery according to (1) or (2), wherein the molecular weight of the PVDF is 80,000 or more.
(4) The electrolyte is a gelled solid electrolyte,
The PVDF homopolymer to the solid electrolyte, .gamma. Buchiro lactones, either the lithium ion secondary battery (1) to which contains a salt of lithium boron fluoride acid (3).
(5) The lithium ion secondary battery according to any one of (1) to (4), wherein the electrolyte contains 1-2% by mass of either vinylene carbonate or vinyl ethylene carbonate as an additive.

作用Action

本発明者らは、上記課題に対して電極構成を最適化し電極内部におけるリチウムイオンの拡散を速やかに行わせることを目標に種々の検討、特に、結着剤の種類について詳細に検討を行った。その結果、結着剤の組み合わせがBF系の電池特性に影響していることを見出した。  The inventors of the present invention have made various studies with the goal of optimizing the electrode configuration and allowing lithium ions to diffuse quickly inside the electrode, particularly the types of binders. . As a result, the present inventors have found that the combination of binders affects the BF battery characteristics.

すなわち、正極側の結着剤としてPVDF系、負極側の結着剤としてSBR系ゴム材料、およびCMCを用いることにより高温保存後の回復容量が従来に比べ大幅に改善される。この作用については、通常保存後負極側のインピーダンスが著しく増加することがBF塩を用いた時に見られているが、本検討結果ではインピーダンスの増加も小さいことが明らかになり、これが回復容量の改善に結びついているものと考えられる。  That is, the recovery capacity after high-temperature storage is greatly improved by using PVDF as the binder on the positive electrode side, SBR rubber material as the binder on the negative electrode side, and CMC. With regard to this action, the impedance on the negative electrode side usually increases significantly after storage, but it has been found that the increase in impedance is small in the results of this study, which improves the recovery capacity. It is thought that it is tied to.

また、本発明のリチウム電池は、従来の電解液とセパレータを用いた電池のみならず、近年注目されているゲル系固体電解質を用いたものにも適用可能である。この電池は過去研究されてきた高分子媒体内をリチウムイオンが伝導する有機固体電解質とも異なるものであり、大電流放電が可能である。  The lithium battery of the present invention can be applied not only to a battery using a conventional electrolyte and separator, but also to a battery using a gel-based solid electrolyte that has been attracting attention in recent years. This battery is different from an organic solid electrolyte in which lithium ions are conducted in a polymer medium that has been studied in the past, and can discharge a large current.

【発明の実施の形態】
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極側に乳化重合法により合成されたPVDFホモポリマーと、負極側にスチレンブタジエンゴムおよびカルボキシメチルセルロースとを有し、さらに電解液中にフッ化硼素酸リチウム(BF)系の塩とγ−ブチロラクトンとを含有するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The lithium ion secondary battery of the present invention has a PVDF homopolymer synthesized by an emulsion polymerization method on the positive electrode side, styrene butadiene rubber and carboxymethyl cellulose on the negative electrode side, and further contains lithium fluorinated boronate ( those containing the BF) system of salt and γ- Buchiro lactone.

すなわち、電極の結着剤として、正極側はPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を用い、負極側はスチレンブタジエンゴム(SBR)、さらに添加成分としてカルボキシメチルセルロース(CMC)を使用する。さらに、ゲル化固体電解質成分としてγブチロラクトンを構成成分として用いる。また、電解質溶媒として、好ましくは環状カーボネート、特にエチレンカーボネート(EC)を用いる。 That is, as the electrode binder, PVDF (polyvinylidene fluoride) is used on the positive electrode side, styrene butadiene rubber (SBR ) is used on the negative electrode side , and carboxymethyl cellulose (CMC) is used as an additional component. Furthermore, as the gelling solid electrolyte components gamma - butyrolactone is used as a constituent component. Further, as the electrolyte solvent, a cyclic carbonate, particularly ethylene carbonate (EC) is preferably used.

その結果、電解質塩としてBF系塩を用いた場合でも、結着剤として乳化重合法により合成されたPVDFと、SBRおよびCMCとを用い、電解液にγ−ブチロラクトンを含有させることにより、BF系の塩を使用しているにも関わらず、高温保存後の回復容量低下を従来に比べ大幅に低減することができる。 As a result, even when a BF type salt as an electrolyte salt, and PVDF synthesized by emulsion polymerization as a binder, using the SBR and CMC, by containing the electrolyte γ- Buchiro lactone, BF In spite of the use of the salt of the system, the reduction in the recovery capacity after high temperature storage can be greatly reduced as compared with the conventional case.

本発明によれば、このポリフッ化ビニリデンホモポリマー(以下PVDF)を正極側結着剤として用い、スチレンブタジエンゴム(SBR)を負極側結着剤として、および添加成分としてカルボキシメチルセルロース(CMC)を用い、電解液にγブチロラクトンを存在させた時にのみフッ化硼素酸リチウム系(以下BF系)における容量の低下現象を抑制させることができる。 According to the present invention, this polyvinylidene fluoride homopolymer (hereinafter PVDF) is used as a positive electrode side binder, styrene butadiene rubber (SBR) is used as a negative electrode side binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) is used as an additive component. Only when γ - butyrolactone is present in the electrolytic solution, the capacity decreasing phenomenon in the lithium fluoroboronate system (hereinafter referred to as BF system) can be suppressed.

他の合成方法によるPVDFを用いた場合、およびSBRとCMCとの組み合わせでない場合は、このような効果は全く見られない。したがって、電極を高エネルギー密度化させる時に、極めて有効な手段である。  When PVDF obtained by another synthesis method is used, and when the combination of SBR and CMC is not used, such an effect is not seen at all. Therefore, it is an extremely effective means for increasing the energy density of the electrode.

そのメカニズムについては、現時点では定かではないが、PVDFに内在する活性点があり、電極内部でBF系との塩の相互作用により抵抗が低減することや、樹脂の結晶性の違いに起因する膨潤性が向上し、リチウムの拡散が容易になり、その結果電池容量の低下も従来に比べ半減するものと堆定される。また、SBRとCMCを併用することにより、負極表面にCMC由来のエステル基などが存在し、それらが充電時に負極被膜が形成される際に作用して、通常であれば被膜形成時に消費されやすいγ−ブチロラクトンの分解を防ぐと共に、より緻密な被膜の形成がなされていると推定される。 Although the mechanism is not clear at present, there is an active site inherent in PVDF, and the resistance is reduced by the interaction of salt with the BF system inside the electrode, and the swelling is caused by the difference in crystallinity of the resin. Therefore, the diffusion of lithium is facilitated, and as a result, the decrease in battery capacity is halved compared to the prior art. Further, by using SBR and CMC in combination, CMC-derived ester groups and the like are present on the negative electrode surface, and they act when the negative electrode film is formed during charging, and are usually easily consumed when forming the film. It prevents the degradation of γ- Buchiro lactone is estimated that the formation of a more dense film have been made.

乳化重合法を用いる点については、特開平8−250127号公報などに開示されている。乳化重合法は、例えば実質的に無酸素下で、水媒体中で、ヨウ素化合物または臭素化合物、、好ましくはジヨウ素化合物の存在下に、パーハロオレフィン、要すれば硬化部位を与える単量体を加圧下で撹拌しながらラジカル開始剤の存在下乳化重合を行う方法が挙げられる。  The point of using the emulsion polymerization method is disclosed in JP-A-8-250127. The emulsion polymerization method is, for example, a monomer that provides a perhaloolefin, and optionally a cure site, in the presence of an iodine or bromine compound, preferably a diiodine compound, substantially in the absence of oxygen. And emulsion polymerization in the presence of a radical initiator while stirring under pressure.

乳化重合法により得られたホモポリマーを用いる一つの利点は、極めて高純度のポリマー、つまり不純物が痕跡量である、つまり不純物がppb(百万分率)範囲の量であるポリマーが得られる。  One advantage of using a homopolymer obtained by emulsion polymerization is that a very high purity polymer is obtained, that is, a polymer with trace amounts of impurities, ie, impurities in the ppb (parts per million) range.

この乳化重合法により得られたホモポリマーの結晶化度は30%以上、特に35〜55%程度である。また、その分子量としては80,000以上が好ましく、特に100,000〜140,000が好ましい。  The degree of crystallinity of the homopolymer obtained by this emulsion polymerization method is 30% or more, particularly about 35 to 55%. Further, the molecular weight is preferably 80,000 or more, particularly preferably 100,000 to 140,000.

電極は、好ましくは電極活物質と結着剤、必要により導電助剤との組成物を用いる。  The electrode preferably uses a composition of an electrode active material and a binder, and if necessary, a conductive additive.

負極には、活物質として炭素材料を用いる。負極には必要に応じて導電助剤を加え、結着剤としてスチレンブタジエンゴム(SBR)を用い、さらに添加剤としてカルボキシメチルセルロース(CMC)を用いる。  For the negative electrode, a carbon material is used as an active material. If necessary, a conductive additive is added to the negative electrode, styrene butadiene rubber (SBR) is used as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) is used as an additive.

バインダーとして用いるスチレンブタジエンゴム(SBR)は、負極集電体への接着性が良好であり、高温下でも安定した接着力を維持する。添加剤として含有するカルボキシメチルセルロース(CMC)は、炭素材料に増粘処理を行うために使用される。この処理が行われた後にSBRと混合することで良好な塗布液を得ることができる。  Styrene butadiene rubber (SBR) used as a binder has good adhesion to the negative electrode current collector, and maintains stable adhesion even at high temperatures. Carboxymethylcellulose (CMC) contained as an additive is used for thickening the carbon material. A good coating solution can be obtained by mixing with SBR after this treatment.

正極には、リチウムイオンがインターカレート・デインターカレート可能な酸化物等正極活物質を用いることが好ましい。また、バインダーとしては、上記乳化重合法により合成されたPVDFホモポリマーを用いる。 For the positive electrode, it has preferred that the lithium ions is used a positive electrode active material such as intercalating and deintercalating possible oxides. Also, as the binder, using PVDF homopolymer synthesized by the emulsion polymerization method.

このような電極を用いることにより、良好な特性のリチウム二次電池を得ることができる。  By using such an electrode, a lithium secondary battery having good characteristics can be obtained.

電極活物質として用いる炭素材料は、例えば、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、天然あるいは人造の黒鉛、樹脂焼成炭素材料、カーボンブラック、炭素繊維などから適宜選択すればよい。これらは炭素繊維を除いて粉末として用いられる。これらのなかでも炭素繊維が好ましい。また、黒鉛も好ましく、その平均粒子径は1〜30μm、特に5〜25μmであることが好ましい。平均粒子径が小さすぎると、充放電サイクル寿命が短くなり、また、容量のばらつき(個体差)が大きくなる傾向にある。平均粒子径が大きすぎると、容量のばらつきが著しく大きくなり、平均容量が小さくなってしまう。平均粒子径が大きい場合に容量のばらつきが生じるのは、黒鉛と集電体との接触や黒鉛同士の接触にばらつきが生じるためと考えられる。  The carbon material used as the electrode active material may be appropriately selected from, for example, mesocarbon microbeads (MCMB), natural or artificial graphite, resin-fired carbon material, carbon black, carbon fiber, and the like. These are used as powders except for carbon fibers. Among these, carbon fiber is preferable. Graphite is also preferable, and the average particle size is preferably 1 to 30 μm, particularly preferably 5 to 25 μm. When the average particle size is too small, the charge / discharge cycle life is shortened and the capacity variation (individual difference) tends to increase. When the average particle diameter is too large, the variation in capacity becomes remarkably large and the average capacity becomes small. The reason why the variation in capacity occurs when the average particle size is large is thought to be because the contact between graphite and the current collector or the contact between graphites varies.

リチウムイオンがインターカレート・デインターカレート可能な酸化物としては、リチウムを含む複合酸化物が好ましく、例えば、LiCoO2、LiMn24、LiNiO2、LiV24などが挙げられる。これらの酸化物の粉末の平均粒子径は1〜40μm程度であることが好ましい。The oxide capable of intercalating and deintercalating lithium ions is preferably a composite oxide containing lithium, and examples thereof include LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , and LiV 2 O 4 . The average particle diameter of these oxide powders is preferably about 1 to 40 μm.

電極には、必要により導電助剤が添加される。導電助剤としては、好ましくは黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維、ニッケル、アルミニウム、銅、銀等の金属が挙げられ、特に黒鉛、カーボンブラックが好ましい。  If necessary, a conductive additive is added to the electrode. Preferred examples of the conductive aid include metals such as graphite, carbon black, carbon fiber, nickel, aluminum, copper, and silver, and graphite and carbon black are particularly preferable.

電極組成は負極では、重量比で活物質:導電助剤:SBR:CMC=85〜95:2〜8:2〜5:1〜2の範囲が好ましく、正極では、重量比で活物質:導電助剤:PVDFホモポリマー=85〜92:5〜9:3〜6の範囲が好ましい。  The electrode composition is preferably in the range of the active material: conducting aid: SBR: CMC = 85 to 95: 2 to 8: 2 to 5: 1 to 2 in the weight ratio in the negative electrode, and the active material: conductive in the weight ratio in the positive electrode. Auxiliary agent: PVDF homopolymer = 85 to 92: 5 to 9: 3 to 6 is preferable.

電極の製造は、まず、活物質と結着剤、必要に応じて導電助剤を、結着剤溶液に分散し、塗布液を調製する。  In producing the electrode, first, an active material, a binder, and if necessary, a conductive assistant are dispersed in a binder solution to prepare a coating solution.

そして、この電極塗布液を集電体に塗布する。塗布する手段は特に限定されず、集電体の材質や形状などに応じて適宜決定すればよい。一般に、メタルマスク印刷法、静電塗装法、ディップコート法、スプレーコート法、ロールコート法、ドクターブレード法、グラビアコート法、スクリーン印刷法等が使用されている。その後、必要に応じて、平板プレス、カレンダーロール等により圧延処理を行う。  And this electrode coating liquid is apply | coated to a collector. The means for applying is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the material and shape of the current collector. In general, a metal mask printing method, an electrostatic coating method, a dip coating method, a spray coating method, a roll coating method, a doctor blade method, a gravure coating method, a screen printing method and the like are used. Then, if necessary, a rolling process is performed using a flat plate press, a calendar roll, or the like.

集電体は、電池の使用するデバイスの形状やケース内への集電体の配置方法などに応じて、適宜通常の集電体から選択すればよい。一般に、正極にはアルミニウム等が、負極には銅、ニッケル等が使用される。なお、集電体は、通常、金属箔、金属メッシュなどが使用される。金属箔よりも金属メッシュの方が電極との接触抵抗が小さくなるが、金属箔でも十分小さな接触抵抗が得られる。  The current collector may be appropriately selected from ordinary current collectors according to the shape of the device used by the battery, the method of arranging the current collector in the case, and the like. Generally, aluminum or the like is used for the positive electrode, and copper, nickel, or the like is used for the negative electrode. In addition, a metal foil, a metal mesh, etc. are normally used for a collector. The metal mesh has a smaller contact resistance with the electrode than the metal foil, but a sufficiently small contact resistance can be obtained even with the metal foil.

そして、溶媒を蒸発させ、電極を作製する。塗布厚は、50〜300μm程度とすることが好ましい。  Then, the solvent is evaporated to produce an electrode. The coating thickness is preferably about 50 to 300 μm.

<リチウム二次電池>
リチウム二次電池の構造は特に限定されないが、通常、正極、負極及びセパレータから構成され、積層型電池や円筒型電池等に適用される。
<Lithium secondary battery>
The structure of the lithium secondary battery is not particularly limited, but is usually composed of a positive electrode, a negative electrode, and a separator, and is applied to a stacked battery, a cylindrical battery, and the like.

このような正極、セパレータ、負極をこの順に積層し、圧着して電池素体とする。  Such a positive electrode, a separator, and a negative electrode are laminated in this order, and pressed to form a battery body.

セパレータに含浸させる電解液は一般に電解質塩と溶媒よりなる。電解質塩としては、例えば、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiSO3 CF3、LiClO4、LiN(SO2 CF32等のリチウム塩を挙げることができるが、本発明ではLiBF4等のフッ化硼素酸系リチウムを用いる。The electrolytic solution impregnated in the separator generally comprises an electrolyte salt and a solvent. Examples of the electrolyte salt include lithium salts such as LiBF 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiSO 3 CF 3 , LiClO 4 , and LiN (SO 2 CF 3 ) 2, but in the present invention, LiBF 4 or the like can be used. Boron fluoride lithium is used.

電解液の溶媒としては、γ−ブチロラクトンが必ず存在するものであればよい。γ−ブチロラクトンと他の溶媒との混合溶媒とする場合、セパレータ、電解質塩との相溶性が良好なものであれば他の溶媒は特に制限はされないが、リチウム電池等では高い動作電圧でも分解の起こらない極性有機溶媒が好ましい。例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等のカーボネート類、テトラヒドロフラン(略称THF)、2−メチルテトラヒドロフラン等の環式エーテル、1,3−ジオキソラン、4−メチルジオキソラン等の環式エーテル、スルホラン等を挙げることができる。 As the solvent of the electrolyte solution, it is sufficient that γ- butyrolactone always exists. If a mixed solvent of γ- Buchiro lactone with other solvents, separators, other solvents as long as compatibility with the electrolyte salt is good is not particularly limited, degradation at high operating voltage in a lithium battery or the like A polar organic solvent in which no occurrence occurs is preferred. For example, carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, cyclic ethers such as tetrahydrofuran (abbreviated THF), 2-methyltetrahydrofuran, Examples thereof include cyclic ethers such as 1,3-dioxolane and 4-methyldioxolane, sulfolane and the like.

本発明では電解液の溶媒中に少なくともγ−ブチロラクトンを含有する。また、このγ−ブチロラクトンとの組み合わせにおいて、上記溶媒中ではEC等の環状カーボネートが好ましい。また、環状カーボネートとγ−ブチロラクトンとの体積比が、エチレンカーボネートとγブチロラクトンに換算して、好ましくは6/4〜1/9、より好ましくは3/7〜1/9、特に1/3〜3/17であることが好ましい。 In the present invention contains at least γ- butyrolactone in the solvent of the electrolyte solution. Further, in combination with the γ- butyrolactone, cyclic carbonates EC like in the above solvent is preferred. The volume ratio of the cyclic carbonate and γ- Buchiro lactone, ethylene carbonate and gamma - in terms of butyrolactone, preferably 6 / 4-1 / 9, more preferably 3 / 7-1 / 9, in particular 1 / It is preferably 3 to 3/17.

溶媒と電解質塩とで電解液を構成すると考えた場合の電解質塩の濃度は、好ましくは0.3〜5mol/lである。通常、0.8〜2.0mol/l辺りで最も高いイオン伝導性を示す。  The concentration of the electrolyte salt when it is considered that the electrolytic solution is composed of the solvent and the electrolyte salt is preferably 0.3 to 5 mol / l. Usually, the highest ion conductivity is shown around 0.8 to 2.0 mol / l.

セパレータを形成する固体電解質ないしセパレータシートは、上記ポリフッ化ビニリデンホモポリマー、特に乳化重合法により製造されたものを用いることが好ましい。  As the solid electrolyte or separator sheet forming the separator, it is preferable to use the above-mentioned polyvinylidene fluoride homopolymer, particularly one produced by an emulsion polymerization method.

本発明で使用される固体電解質用微多孔膜は、以下に示す湿式相分離法により形成することが好ましい。  The microporous membrane for solid electrolyte used in the present invention is preferably formed by the wet phase separation method shown below.

湿式相分離法とは、溶液流延法による成膜において、相分離を溶液中で行う方法である。すなわち、微多孔膜となるポリマーをこのポリマーが溶解しうる溶媒に溶解させ、得られた成膜原液を金属あるいはプラスチックフィルム等の支持体上に均一に塗布して膜を形成する。その後、膜状にキャストした成膜原液を凝固浴と呼ばれる溶液中に導入し,相分離を生じさせることで微多孔膜を得る方法である。成膜原液の塗布は、凝固浴中で行ってもよい。  The wet phase separation method is a method of performing phase separation in a solution in film formation by a solution casting method. That is, a polymer to be a microporous film is dissolved in a solvent in which the polymer can be dissolved, and the obtained film forming stock solution is uniformly applied onto a support such as a metal or plastic film to form a film. Thereafter, a film-forming stock solution cast into a film is introduced into a solution called a coagulation bath, and phase separation occurs to obtain a microporous film. The film forming stock solution may be applied in a coagulation bath.

上記微多孔膜と電極との接着性を向上させるための接着剤を使用してもよい。具体的には、ユニストール(三井化学社製)、SBR(日本ゼオン社製)、アクアテックス(中央理化社製)、アドコート(モートン社製)等のポリオレフィン系接着剤等を挙げることができ、なかでもアクアテックス等が好ましい。  You may use the adhesive agent for improving the adhesiveness of the said microporous film and an electrode. Specific examples include polyolefin adhesives such as Unistall (Mitsui Chemicals), SBR (Nippon Zeon), Aquatex (Chuo Rika), Adcoat (Morton), etc. Of these, Aquatex is preferred.

接着剤は、水、あるいはトルエン等の有機溶剤に溶解、あるいは分散させて、散布、塗布等により微多孔膜に付着・配置される。  The adhesive is dissolved or dispersed in water or an organic solvent such as toluene, and is adhered and disposed on the microporous film by spraying, coating, or the like.

微多孔膜の空孔率は50%以上、好ましくは50〜90%、より好ましくは70〜80%である。また、孔径は0.02μm以上、2μm以下、好ましくは0.02μm以上、1μm以下、より好ましくは0.04μm以上、0.8μm以下、特に好ましくは0.1μm以上、0.8μm以下、さらに好ましくは0.1μm以上、0.6μm以下である。微多孔膜の膜厚は、好ましくは20〜80μm、より好ましくは25〜45μmである。  The porosity of the microporous membrane is 50% or more, preferably 50 to 90%, more preferably 70 to 80%. The pore diameter is 0.02 μm or more and 2 μm or less, preferably 0.02 μm or more and 1 μm or less, more preferably 0.04 μm or more and 0.8 μm or less, particularly preferably 0.1 μm or more and 0.8 μm or less, and further preferably Is 0.1 μm or more and 0.6 μm or less. The thickness of the microporous membrane is preferably 20 to 80 μm, more preferably 25 to 45 μm.

微多孔膜は、融点が好ましくは150℃以上、特に160〜170℃、融解熱が好ましくは30J/g以上、特に40〜60J/gの材料により形成されていることが好ましい。  The microporous membrane is preferably formed of a material having a melting point of preferably 150 ° C. or higher, particularly 160 to 170 ° C., and a heat of fusion of preferably 30 J / g or higher, particularly 40 to 60 J / g.

セパレータには他のゲル型高分子を用いてもよい。例えば、
(1)ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド等のポリアルキレンオキサイド、
(2)エチレンオキサイドとアクリレートの共重合体、
(3)エチレンオキサイドとグリシルエーテルの共重合体、
(4)エチレンオキサイドとグリシルエーテルとアリルグリシルエーテルとの共重合体、
(5)ポリアクリレート
(6)ポリアクリロニトリル
(7)ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−塩化3フッ化エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロビレンフッ素ゴム、フッ化ビニリデン“テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレンフッ素ゴム等のフッ素系高分子等が挙げられる。
Other gel type polymers may be used for the separator. For example,
(1) Polyalkylene oxides such as polyethylene oxide and polypropylene oxide,
(2) a copolymer of ethylene oxide and acrylate,
(3) a copolymer of ethylene oxide and glycyl ether,
(4) a copolymer of ethylene oxide, glycyl ether and allyl glycyl ether,
(5) Polyacrylate (6) Polyacrylonitrile (7) Polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-trichloroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene fluorine Examples thereof include fluoropolymers such as rubber and vinylidene fluoride “tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene fluororubber”.

ゲル高分子は電解液と混ぜてもよく、またセパレータに塗布をしてもよい。さらに、開始剤を入れることにより、紫外線、EB、熱等でゲル高分子を架橋させてもよい。  The gel polymer may be mixed with the electrolytic solution or applied to the separator. Furthermore, the gel polymer may be cross-linked by ultraviolet rays, EB, heat or the like by adding an initiator.

固体状電解質の膜厚は、5〜100μm、さらには5〜60μm、特に10〜40μmであることか好ましい。本発明の固体状電解質は強度が強いので、膜厚を薄くすることができる。本発明の固体状電解質は、実用上60μm以下にはできなかった従来のゲル電解質と比べて薄膜化が可能であり、さらには、溶液系のリチウムイオン電池において使用されているセパレータ(通常25μm)よりも薄くできる。そのため、固体状電解質を用いる利点の一つである薄型大面積化、すなわちシート状形態化が可能である。  The film thickness of the solid electrolyte is preferably 5 to 100 μm, more preferably 5 to 60 μm, and particularly preferably 10 to 40 μm. Since the solid electrolyte of the present invention is strong, the film thickness can be reduced. The solid electrolyte of the present invention can be made thinner than a conventional gel electrolyte that could not be reduced to 60 μm or less practically. Further, a separator (usually 25 μm) used in a solution-type lithium ion battery. Can be thinner. Therefore, a thin and large area, that is, a sheet-like form, which is one of the advantages of using a solid electrolyte, is possible.

そのほかのセパレータ構成材料として、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフイン類の一種又は二種以上(二種以上の場合、二層以上のフィルムの張り合わせ物などがある)、ポリエチレンテレフターレートのようなポリエステル類、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体のような熱可塑性フッ素樹脂類、セルロース類などがある。シートの形態はJIS−P8117に規定する方法で測定した通気度が5〜2000秒/100cc程度、厚さが5〜100μm程度の微多孔膜フィルム、織布、不織布などがある。  Other separator constituent materials include one or more of polyolefins such as polyethylene and polypropylene (in the case of two or more, there are two or more laminated films), polyesters such as polyethylene terephthalate, There are thermoplastic fluororesins such as ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, celluloses and the like. The form of the sheet includes a microporous membrane film, a woven fabric, a non-woven fabric, etc. having an air permeability measured by the method specified in JIS-P8117 of about 5 to 2000 sec / 100 cc and a thickness of about 5 to 100 μm.

電解質には、添加剤としてビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートを好ましくは1〜2質量%程度含有する。このような添加剤を含有することにより、初期のサイクル特性が向上し、長期サイクル特性もこれにより格段に改善される。また、インピーダンスを低下させ、電気特性も良好になる。  The electrolyte preferably contains about 1 to 2% by mass of vinylene carbonate and vinyl ethylene carbonate as additives. By containing such an additive, the initial cycle characteristics are improved, and the long-term cycle characteristics are also remarkably improved. In addition, the impedance is lowered and the electrical characteristics are also improved.

外装袋は、例えばアルミニウム等の金属層の両面に、熱接着性樹脂層としてのポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン樹脂層や耐熱性のポリエステル樹脂層が積層されたラミネートフィルムから構成されている。外装袋は、予め2枚のラミネートフィルムをそれらの3辺の端面の熱接着性樹脂層相互を熱接着して第1のシール部を形成し、1辺が開口した袋状に形成される。あるいは、一枚のラミネートフィルムを折り返して両辺の端面を熱接着してシール部を形成して袋状としてもよい。  The exterior bag is composed of a laminated film in which a polyolefin resin layer such as polypropylene or polyethylene as a heat-adhesive resin layer or a heat-resistant polyester resin layer is laminated on both surfaces of a metal layer such as aluminum. The exterior bag is formed in a bag shape in which two laminated films are bonded in advance to each other by thermally bonding the heat-adhesive resin layers on the end surfaces of the three sides to form a first seal portion. Alternatively, a single laminate film may be folded and the end faces of both sides may be thermally bonded to form a seal portion to form a bag.

ラミネートフィルムとしては、ラミネートフィルムを構成する金属箔と導出端子間の絶縁を確保するため、内装側から熱接着性樹脂層/ポリエステル樹脂層/金属箔/ポリエステル樹脂層の積層構造を有するラミネートフィルムを用いることが好ましい。このようなラミネートフィルムを用いることにより、熱接着時に高融点のポリエステル樹脂層が溶けずに残るため、導出端子と外装袋の金属箔との離間距離を確保し、絶縁を確保することができる。そのため、ラミネートフィルムのポリエステル樹脂層の厚さは、5〜100μm程度とすることが好ましい。  As a laminate film, a laminate film having a laminated structure of a heat-adhesive resin layer / polyester resin layer / metal foil / polyester resin layer from the interior side is used to ensure insulation between the metal foil constituting the laminate film and the lead-out terminal. It is preferable to use it. By using such a laminate film, the polyester resin layer having a high melting point remains undissolved at the time of thermal bonding, so that a separation distance between the lead-out terminal and the metal foil of the outer bag can be secured and insulation can be secured. Therefore, the thickness of the polyester resin layer of the laminate film is preferably about 5 to 100 μm.

以下、本発明について実施例を用いて説明する。  Hereinafter, the present invention will be described using examples.

<実施例1>
電解質膜として、下記の材料を用いて微多孔膜を作製し、これを用いて固体状電解質とした。
<Example 1>
As the electrolyte membrane, a microporous membrane was prepared using the following materials, and a solid electrolyte was obtained using this.

ジメチルアセトアミド40重量部、ジオキサン40重量部からなる混合溶液に、ポリフッ化ビニリデン〔エルフアトケム社(アトフイーナ社)製、Kynar 741〕20重量部を溶解し、ドクターブレード法を用いて200μmの膜厚にガラス板上に流延した。  In a mixed solution consisting of 40 parts by weight of dimethylacetamide and 40 parts by weight of dioxane, 20 parts by weight of polyvinylidene fluoride (manufactured by Elf Atchem, Inc., Kynar 741) is dissolved, and glass is formed to a film thickness of 200 μm using a doctor blade method. Cast on a plate.

流延後、直ちにジオキサン80重量部、水20重量部からなる凝固浴に10分間浸漬し、凝固させた後、流水中で30分間洗浄した後、60℃で1時間乾燥し、厚さ50μmのポリフッ化ビニリデンホモポリマーよりなる微多孔膜を得た。  Immediately after casting, it was immersed in a coagulation bath consisting of 80 parts by weight of dioxane and 20 parts by weight of water for 10 minutes, solidified, washed for 30 minutes in running water, dried at 60 ° C. for 1 hour, and 50 μm thick. A microporous membrane made of a polyvinylidene fluoride homopolymer was obtained.

得られた微多孔膜の空孔率は70%、孔径:0.2μmであった。  The resulting microporous membrane had a porosity of 70% and a pore size of 0.2 μm.

上記微多孔膜表面に接着性を付与するため、ポリオレフィン系材料をスプレー等により堆積させてもよい。  In order to impart adhesiveness to the surface of the microporous film, a polyolefin-based material may be deposited by spraying or the like.

そして、この固体状電解質シートに、電解液(ELと略す)2M LiBF/EC+γブチロラクトン(EC/γブチロラクトン=2/8(体積比))にビニレンカーボネート1質量%を添加したもの含浸させ、固体状電解質を得た。 Then, this solid electrolyte sheet is impregnated with an electrolytic solution (abbreviated as EL) 2M LiBF 4 / EC + γ - butyrolactone (EC / γ - butyrolactone = 2/8 (volume ratio)) added with 1% by mass of vinylene carbonate. A solid electrolyte was obtained.

さらに、得られた固体状電解質を用いて電池を作製した。  Furthermore, a battery was produced using the obtained solid electrolyte.

正極活物質としてLiCoO2を、導電助剤としてアセチレンブラックを、バインダとして上記乳化重合法により合成したポリフッ化ビニリデンホモポリマーを用いた。LiCoO 2 was used as a positive electrode active material, acetylene black was used as a conductive additive, and a polyvinylidene fluoride homopolymer synthesized by the above emulsion polymerization method was used as a binder.

重量比でLiCoO2:アセチレンブラック:PVDF=87:8:5となるように秤量し、さらにn−メチルピロリドン(NMP)をNMP:PVDF=9:1(重量比)となるように加え、これらを室温下で混合して正極用スラリーとした。Weigh so that LiCoO 2 : acetylene black: PVDF = 87: 8: 5 by weight ratio, and add n-methylpyrrolidone (NMP) to NMP: PVDF = 9: 1 (weight ratio). Were mixed at room temperature to obtain a positive electrode slurry.

また、負極活物質としてメソカーボンマイクロビーズ(MCMB)を、導電助剤としてアセチレンブラックを、バインダーとしてSBRを、分散剤としてCMCを用いた。  Further, mesocarbon microbeads (MCMB) were used as the negative electrode active material, acetylene black was used as the conductive auxiliary agent, SBR was used as the binder, and CMC was used as the dispersant.

重量比でMCMB:アセチレンブラック:SBR:CMC=90:5.5:3:1.5となるように秤量し、さらに純水を純水:CMC=98:2(重量比)となるように加え、これにMCMBとアセチレンブラックを加えてペーストとした。次いで、純水を純水:SBR=1:1(重量比)となるように調整した分散液を、上記ペーストに加えて調合して負極用スラリーとした。  Weigh so that MCMB: acetylene black: SBR: CMC = 90: 5.5: 3: 1.5 by weight ratio, and pure water: pure water: CMC = 98: 2 (weight ratio) In addition, MCMB and acetylene black were added to make a paste. Next, a dispersion prepared by adding pure water to pure water: SBR = 1: 1 (weight ratio) was added to the paste to prepare a negative electrode slurry.

そして、得られた正極用スラリー、負極用スラリーをそれぞれドクターブレード法によりアルミニウム箔、および銅箔上に塗布し、100℃〜130℃でNMPまたは純水を蒸発乾燥させてシート化した。シート化された正極および負極は、それぞれロールプレスによって所定の厚みにまで加工した。  And the obtained slurry for positive electrodes and the slurry for negative electrodes were apply | coated on aluminum foil and copper foil, respectively by the doctor blade method, NMP or pure water was evaporated and dried at 100 to 130 degreeC, and it was set as the sheet. Each of the positive electrode and the negative electrode formed into a sheet was processed to a predetermined thickness by a roll press.

このようにして得られた固体状電解質、正極および負極を所定のサイズに切断して、各シートを積層し、130〜160℃で熱ラミネートした。その後、正極には集電体として予め導電性接着剤を塗布したアルミニウムグリッドを、負極には集電体として予め導電性接着剤を塗布した銅グリッドを熱ラミネートした。そして、これに電解液として2M LiBF/EC+γブチロラクトン(EC/γブチロラクトン=2/8(体積比))にビニレンカーボネート1質量%を添加したものを含浸させた後、アルミラミネートパックに封入し、リチウム二次電池を作製した。 The solid electrolyte, the positive electrode and the negative electrode thus obtained were cut into a predetermined size, and each sheet was laminated and thermally laminated at 130 to 160 ° C. Thereafter, an aluminum grid preliminarily coated with a conductive adhesive as a current collector was thermally laminated on the positive electrode, and a copper grid preliminarily coated with a conductive adhesive as a current collector was thermally laminated on the negative electrode. This was impregnated with 2M LiBF 4 / EC + γ - butyrolactone (EC / γ - butyrolactone = 2/8 (volume ratio)) added with 1% by weight of vinylene carbonate as an electrolytic solution, and then enclosed in an aluminum laminate pack Then, a lithium secondary battery was produced.

作製したサンプルの充電後の容量を測定した。電池容量についてはPF系の電池を作製した時の容量を基準とした。  The capacity of the prepared sample after charging was measured. The battery capacity was based on the capacity when a PF battery was produced.

<実施例2>実施例1において、電解液組成を下記に変更した以外は同様にして電子を作製し、測定した。
電解液組成
EC/γブチロラクトン=3/7(体積比)
<Example 2> Electrons were prepared and measured in the same manner as in Example 1 except that the electrolyte composition was changed as follows.
Electrolyte composition EC / γ - butyrolactone = 3/7 (volume ratio)

<比較例1>
下記の電解液組成を用いた以外は、実施例1と同様にしてPF系の電池を作製した。
電解液組成
EC/DEC=3/7(体積比)
塩:1M LiPF6
<Comparative Example 1>
A PF battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the following electrolytic solution composition was used.
Electrolyte composition EC / DEC = 3/7 (volume ratio)
Salt: 1M LiPF 6

<比較例2>
正負極ともに結着剤として、懸濁重合法により得られたPVDF KF1000、ホモポリマーを用いた以外は実施例1と同様にして電池を作製し、容量を測定した。
<Comparative example 2>
A battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that PVDF KF1000 obtained by suspension polymerization and a homopolymer were used as binders for both the positive and negative electrodes, and the capacity was measured.

<比較例3>
電解液を下記の電解液組成とした以外は比較例1と同様にして電池を作製した。
電解液組成
EC/DEC=4/6(体積比)
<Comparative Example 3>
A battery was fabricated in the same manner as in Comparative Example 1 except that the electrolytic solution was changed to the following electrolytic solution composition.
Electrolyte composition EC / DEC = 4/6 (volume ratio)

以上の電池について、初期容量、60℃保存後の回復容量の結果を表1にまとめた。  The results of the initial capacity and the recovery capacity after storage at 60 ° C. are summarized in Table 1.

Figure 0005239109
Figure 0005239109

表1から明らかなように、実施例1、2の場合、比較例1、2と比べ初期の容量が同等以上であること、および回復容量が100%近いレベルまで改善されていることがわかる。  As is apparent from Table 1, in Examples 1 and 2, the initial capacity is equal to or greater than that in Comparative Examples 1 and 2, and the recovery capacity is improved to a level close to 100%.

これは、ゲル化固体電解質構成要素としてγブチロラクトン、PVDFポリマーを用い、なおかつ電極結着剤として、実施例1に示した正極側にPVDFポリマー、負極側にSBRおよびCMCを用いた点にある。これは、ゲル化固体電解質構成要素と結着剤が共存して始めて発現する効果である。 This is because γ - butyrolactone and PVDF polymer are used as the gelled solid electrolyte constituent, and PVDF polymer is used on the positive electrode side and SBR and CMC are used on the negative electrode side as the electrode binder shown in Example 1. . This is an effect that appears only when the gelled solid electrolyte constituent and the binder coexist.

また、本実施例では、ゲル系固体電解質を用いたが、上記PVDF、SBRとγブチロラクトンが共存すれば、従来の溶液系電池においても同様な効果が得られる。また、実施例1においてビニレンカーボネートに代えてビニルエチレンカーボネートを用いたところほぼ同様の効果が得られることが確認された。 In this example, a gel-based solid electrolyte was used. However, if PVDF, SBR and γ - butyrolactone coexist, the same effect can be obtained in a conventional solution battery. In Example 1, it was confirmed that substantially the same effect was obtained when vinylethylene carbonate was used instead of vinylene carbonate.

発明の効果Effect of the invention

以上のように本発明によれば、BF系塩を用いる際に生ずる高温保存時における回復容量低下を抑制することができる。  As described above, according to the present invention, it is possible to suppress a reduction in recovery capacity during high-temperature storage that occurs when a BF salt is used.

Claims (5)

正極側に乳化重合法により合成されたPVDFホモポリマーと、
負極側にスチレンブタジエンゴムおよびカルボキシメチルセルロースとを有し、
さらに電解質にフッ化硼素酸リチウム系の塩とγ−ブチロラクトンとを含有するリチウムイオン二次電池。
PVDF homopolymer synthesized by the emulsion polymerization method on the positive electrode side,
It has styrene butadiene rubber and carboxymethyl cellulose on the negative electrode side,
Further lithium ion secondary battery containing the salt with γ- Buchiro lactone lithium fluoride boron acid in the electrolyte.
前記電解質の溶媒にさらに環状カーボネートを含有し、
環状カーボネート:γ−ブチロラクトンの体積比が、6:4〜1:9である請求項1のリチウムイオン二次電池。
Further containing a cyclic carbonate in the solvent of the electrolyte,
Cyclic carbonate: .gamma. Buchiro volume ratio of lactone, 6: 4 to 1: 9 The lithium ion secondary battery of claim 1 is.
前記PVDFの分子量が80,000以上である請求項1又は2のリチウムイオン二次電池。
The lithium ion secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the PVDF has a molecular weight of 80,000 or more.
前記電解質は、ゲル化させた固体電解質であり、
この固体電解質に前記PVDFホモポリマー、γ−ブチロラクトン、フッ化硼素酸リチウム系の塩を含有する請求項1〜3のいずれかのリチウムイオン二次電池。
The electrolyte is a gelled solid electrolyte,
The PVDF homopolymer to the solid electrolyte, .gamma. Buchiro lactones, either the lithium ion secondary battery of claim 1, containing a salt of lithium fluoride boron acid.
前記電解質は、添加剤としてビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネートのいずれかを1〜2質量%含有する請求項1〜4のいずれかのリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the electrolyte contains 1-2% by mass of vinylene carbonate or vinyl ethylene carbonate as an additive.
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