JP5354984B2 - Lithium secondary battery - Google Patents

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Description

本発明はリチウム二次電池に係り、特に、リチウム含有複酸化物および正極導電材を含む正極合材を集電体に塗着した正極板と、充放電によりリチウムイオンを吸蔵・放出可能な非晶質炭素物および負極導電材を含む負極合材を集電体に塗着した負極板と、を有するリチウム二次電池に関する。   The present invention relates to a lithium secondary battery, and in particular, a positive electrode plate in which a positive electrode mixture containing a lithium-containing complex oxide and a positive electrode conductive material is applied to a current collector, and a non-removable lithium ion that can be occluded and released by charging and discharging. The present invention relates to a lithium secondary battery having a negative electrode plate in which a negative electrode mixture containing a crystalline carbonaceous material and a negative electrode conductive material is applied to a current collector.

リチウム二次電池は、高エネルギ密度であるメリットを活かして、VTRカメラやノート型パソコン、携帯電話等のポータブル機器の電源に広く使用されている。一方、自動車産業界においては、環境問題に対応すべく、動力源を電池のみとする電気自動車(EV)や、内燃機関エンジンと電池との両方を動力源とするハイブリッド式電気自動車(HEV)の開発が加速され、一部は実用化されている。EVやHEV用電源となる電池には高エネルギ密度のみならず、高出力、高容量の性能が要求されており、リチウム二次電池はこれらの要求にマッチした電池として注目されている。   Lithium secondary batteries are widely used as power sources for portable devices such as VTR cameras, notebook computers, and mobile phones, taking advantage of the high energy density. On the other hand, in the automobile industry, in order to cope with environmental problems, an electric vehicle (EV) using only a battery as a power source and a hybrid electric vehicle (HEV) using both an internal combustion engine and a battery as a power source are used. Development has been accelerated and some have been put to practical use. A battery serving as a power source for EVs and HEVs is required to have not only high energy density but also high output and high capacity performance, and lithium secondary batteries are attracting attention as batteries that meet these requirements.

リチウム二次電池の高出力化を図るためには、正負極板に用いる材料の粒子径を小さくしたり正負極板の厚さを薄くしたりして電極反応面積を増大させつつ、正負極合材層内の電子伝導性およびリチウムイオン拡散性を向上させる必要がある。この電子伝導性の向上では導電材を添加したり正負極合材密度を大きくしたりして電子伝導ネットワークを確保する等の低抵抗化が必要であり、リチウムイオン拡散性の向上では正負極合材層内に非水電解液が浸透する空間を確保することが必要である。リチウム二次電池の高出力化を図る技術として、例えば、正極活物質の平均粒子径と正極合材層内の空孔体積を設定することで電子伝導ネットワークを確保する技術が開示されている(特許文献1参照)。   In order to increase the output of the lithium secondary battery, the electrode reaction area is increased by reducing the particle diameter of the material used for the positive and negative electrode plates or by reducing the thickness of the positive and negative electrode plates, It is necessary to improve the electron conductivity and lithium ion diffusibility in the material layer. In order to improve the electron conductivity, it is necessary to reduce the resistance such as adding a conductive material or increasing the positive / negative electrode mixture density to secure an electron conduction network. It is necessary to secure a space for the nonaqueous electrolyte to penetrate into the material layer. As a technique for increasing the output of a lithium secondary battery, for example, a technique for securing an electron conduction network by setting an average particle diameter of a positive electrode active material and a pore volume in a positive electrode mixture layer is disclosed ( Patent Document 1).

特開2005−158623号公報JP 2005-158623 A

しかしながら、リチウム二次電池をEVやHEV用の電源として用いるには、加速性能等を左右する高出力化や高容量化だけではなく、電気自動車の長期の使用期間に対応すべく電池の長寿命化も求められている。ここでいう長寿命化は、電池容量のみならず、出力の低下を抑制し、電気自動車を走行させるのに必要な電気エネルギ供給能力を長期にわたって満足することである。特許文献1の技術では、電子伝導ネットワークを確保することで高出力化を図ることができるものの、長寿命化の観点では十分な性能を得ることが難しい。一方、正極板の電子伝導性向上のために導電材の割合を増やしすぎると正極活物質の割合が減少し出力低下を招く。反対に、導電材の割合を減らしすぎると正極板での電気抵抗が増大し出力低下の原因となる。   However, in order to use a lithium secondary battery as a power source for EVs and HEVs, not only high output and high capacity that affect acceleration performance, etc., but also a long battery life to cope with the long-term use period of electric vehicles. There is also a need to make it. The extension of the life here means that not only the battery capacity but also the decrease in output is suppressed and the electric energy supply capability necessary for running the electric vehicle is satisfied over a long period of time. With the technology of Patent Document 1, it is possible to achieve high output by securing an electron conduction network, but it is difficult to obtain sufficient performance from the viewpoint of extending the life. On the other hand, if the proportion of the conductive material is increased too much in order to improve the electronic conductivity of the positive electrode plate, the proportion of the positive electrode active material is decreased and the output is reduced. On the other hand, if the proportion of the conductive material is reduced too much, the electrical resistance at the positive electrode plate increases, causing a decrease in output.

本発明は上記事案に鑑み、高出力化および長寿命化を両立することができるリチウム二次電池を提供することを課題とする。   In view of the above-described case, an object of the present invention is to provide a lithium secondary battery that can achieve both high output and long life.

上記課題を解決するために、本発明は、リチウム含有複酸化物および正極導電材を含む正極合材を集電体に塗着した正極板と、充放電によりリチウムイオンを吸蔵・放出可能な非晶質炭素物および負極導電材を含む負極合材を集電体に塗着した負極板と、を有するリチウム二次電池において、前記リチウム含有複酸化物の表面に、前記正極導電材およびリチウムを含む添加材がメカノケミカル処理されており、前記メカノケミカル処理されたリチウム含有複酸化物は、前記正極導電材および添加材との比表面積割合が、リチウム含有複酸化物:(正極導電材+添加材)=50:50〜95:5であるとともに、前記正極合材は、前記メカノケミカル処理されたリチウム含有複酸化物と、該メカノケミカル処理されたリチウム含有複酸化物を前記集電体に塗着するためのバインダとが混合されたものであることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a positive electrode plate in which a positive electrode mixture containing a lithium-containing double oxide and a positive electrode conductive material is applied to a current collector, and a non-occlusion / release of lithium ions by charging and discharging. A negative electrode plate comprising a current collector and a negative electrode mixture comprising a crystalline carbonaceous material and a negative electrode conductive material, and the positive electrode conductive material and lithium are disposed on the surface of the lithium-containing complex oxide. The additive containing material is mechanochemically treated, and the mechanochemically treated lithium-containing double oxide has a specific surface area ratio with the positive electrode conductive material and additive of lithium-containing double oxide: (positive electrode conductive material + added) Material) = 50: 50 to 95: 5, and the positive electrode mixture is prepared by mixing the mechanochemically treated lithium-containing double oxide and the mechanochemically treated lithium-containing double oxide. Wherein the current collector and a binder for coated on is one that was mixed.

本発明では、メカノケミカル処理されたリチウム含有複酸化物における比表面積割合が、リチウム含有複酸化物:(正極導電材+添加材)=50:50〜95:5のため、リチウム含有複酸化物の表面に正極導電材がメカノケミカル処理されることで、メカノケミカル処理されたリチウム含有複酸化物以外に導電材を配合することなく、かつ、正極合材層の厚みを大きくすることなく、メカノケミカル処理されたリチウム含有複酸化物とバインダとが混合された正極合材中のリチウム含有複酸化物の割合が増大し高出力化を図ることができると共に、リチウム含有複酸化物の表面にリチウムを含む添加材がメカノケミカル処理されることで長寿命化を図ることができる。 In the present invention, since the specific surface area ratio in the mechanochemically treated lithium-containing double oxide is lithium-containing double oxide: (positive electrode conductive material + additive) = 50: 50 to 95: 5, the lithium-containing double oxide By subjecting the surface of the positive electrode conductive material to mechanochemical treatment , the mechanochemical treatment can be performed without compounding the conductive material in addition to the mechanochemically treated lithium-containing double oxide and without increasing the thickness of the positive electrode mixture layer. The ratio of the lithium-containing double oxide in the positive electrode mixture in which the chemically-treated lithium-containing double oxide and the binder are mixed can be increased, so that the output can be increased. By adding mechanochemical treatment to the additive material containing, it is possible to extend the life.

この場合において、正極導電材を非晶質炭素としてもよい。このとき、メカノケミカル処理されたリチウム含有複酸化物が、正極導電材および添加材との比表面積割合を、リチウム含有複酸化物:(正極導電材+添加材)=60:40〜95:5とすることができる。このような正極導電材をカーボンブラックとすることができる。また、添加材を炭酸リチウムとしてもよい。 In this case, the positive Gokushirube material may be amorphous carbon. At this time, the mechanochemically treated lithium-containing double oxide has a specific surface area ratio of the positive electrode conductive material and the additive to lithium-containing double oxide: (positive electrode conductive material + additive) = 60: 40 to 95: 5. It can be. Such a positive electrode conductive material can be carbon black. Further, the additive may be lithium carbonate.

本発明によれば、メカノケミカル処理されたリチウム含有複酸化物における比表面積割合が、リチウム含有複酸化物:(正極導電材+添加材)=50:50〜95:5のため、リチウム含有複酸化物の表面に正極導電材がメカノケミカル処理されることで、メカノケミカル処理されたリチウム含有複酸化物以外に導電材を配合することなく、かつ、正極合材層の厚みを大きくすることなく、メカノケミカル処理されたリチウム含有複酸化物とバインダとが混合された正極合材中のリチウム含有複酸化物の割合が増大し高出力化を図ることができると共に、リチウム含有複酸化物の表面にリチウムを含む添加材がメカノケミカル処理されることで長寿命化を図ることができる、という効果を得ることができる。 According to the present invention, since the specific surface area ratio in the mechanochemically treated lithium-containing double oxide is lithium-containing double oxide: (positive electrode conductive material + additive) = 50: 50 to 95: 5, Since the positive electrode conductive material is mechanochemically treated on the surface of the oxide, the conductive material is not blended in addition to the mechanochemically treated lithium-containing double oxide, and the thickness of the positive electrode mixture layer is not increased. The ratio of the lithium-containing double oxide in the positive electrode mixture in which the mechanochemically treated lithium-containing double oxide and the binder are mixed can be increased, and the output of the lithium-containing double oxide can be increased. In addition, it is possible to obtain an effect that the life can be extended by the mechanochemical treatment of the additive containing lithium.

以下、図面を参照して、本発明を適用した円筒型リチウムイオン二次電池の実施の形態について説明する。   Embodiments of a cylindrical lithium ion secondary battery to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.

(構成)
図1に示すように、本実施形態の円筒型リチウムイオン二次電池20は、ニッケルメッキが施されたスチール製で有底円筒状の電池容器7を有している。電池容器7内には、ポリプロピレン製で中空円筒状の軸芯1に帯状の正極板W1および負極板W3がセパレータW5を介して断面渦巻状に捲回された電極群6が収容されている。
(Constitution)
As shown in FIG. 1, the cylindrical lithium ion secondary battery 20 of this embodiment has a bottomed cylindrical battery container 7 made of steel plated with nickel. The battery container 7 accommodates an electrode group 6 in which a strip-like positive electrode plate W1 and a negative electrode plate W3 are wound in a spiral cross section through a separator W5 on a hollow cylindrical shaft core 1 made of polypropylene.

電極群6の下側には負極板からの電位を集電するための銅製の負極集電リング5が配置されている。負極集電リング5の内周面には軸芯1の下端部外周面が固定されている。負極集電リング5の外周縁には、負極板W3から導出された負極リード片3の端部が溶接で接合されている。負極集電リング5の下部には電気的導通のための銅製の負極リード板8が溶接されており、負極リード板8は負極外部端子を兼ねる電池容器7の内底部に抵抗溶接で接合されている。   A copper negative electrode current collecting ring 5 for collecting electric potential from the negative electrode plate is disposed below the electrode group 6. The outer peripheral surface of the lower end portion of the shaft core 1 is fixed to the inner peripheral surface of the negative electrode current collecting ring 5. The end of the negative electrode lead piece 3 led out from the negative electrode plate W3 is joined to the outer peripheral edge of the negative electrode current collecting ring 5 by welding. A copper negative electrode lead plate 8 for electrical conduction is welded to the lower part of the negative electrode current collecting ring 5, and the negative electrode lead plate 8 is joined to the inner bottom of the battery container 7 which also serves as a negative electrode external terminal by resistance welding. Yes.

一方、電極群6の上側には、軸芯1のほぼ延長線上に正極板W1からの電位を集電するためのアルミニウム製の正極集電リング4が配置されている。正極集電リング4は軸芯1の上端部に固定されている。正極集電リング4の周囲から一体に張り出している鍔部周縁には、正極板W1から導出された正極リード片2の端部が溶接で接合されている。正極集電リング4の上方には、正極外部端子を兼ねる電池蓋が配置されている。電池蓋は、蓋ケース12と、蓋キャップ13と、気密を保つ弁押さえ14と、内圧上昇により開裂する開裂弁(内部ガス排出弁)11とで構成されており、これらが積層されて蓋ケース12の周縁をカシメ固定することで組み立てられている。正極集電リング4の上面には、リボン状のアルミニウム箔を積層した2本の正極リード板9のうち1本の一側が溶接で接合されている。正極リード板9のもう1本の一側は、電池蓋を構成する蓋ケース12の下面に接合されている。2本の正極リード板9の他端同士は溶接で接合されている。   On the other hand, on the upper side of the electrode group 6, an aluminum positive electrode current collecting ring 4 for collecting the electric potential from the positive electrode plate W <b> 1 is disposed on an almost extension line of the shaft core 1. The positive electrode current collecting ring 4 is fixed to the upper end portion of the shaft core 1. The edge part of the positive electrode lead piece 2 led out from the positive electrode plate W1 is joined by welding to the periphery of the collar part integrally protruding from the periphery of the positive electrode current collecting ring 4. A battery lid that also serves as a positive electrode external terminal is disposed above the positive electrode current collecting ring 4. The battery lid is composed of a lid case 12, a lid cap 13, a valve retainer 14 that keeps airtightness, and a cleavage valve (internal gas discharge valve) 11 that is cleaved by an increase in internal pressure. It is assembled by caulking and fixing the periphery of 12. One side of two positive electrode lead plates 9 in which ribbon-shaped aluminum foils are laminated is joined to the upper surface of the positive electrode current collecting ring 4 by welding. Another side of the positive electrode lead plate 9 is joined to the lower surface of the lid case 12 constituting the battery lid. The other ends of the two positive electrode lead plates 9 are joined by welding.

電池蓋は、絶縁性および耐熱性のEPDM樹脂製ガスケット10を介して電池容器7の上部にカシメ固定されている。このため、リチウムイオン二次電池20の内部は密封されている。また、電池容器7内には、電極群6全体を浸潤可能な図示を省略した非水電解液が注液されている。非水電解液には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネートの体積比1:1:1の混合溶媒中にリチウム塩として6フッ化リン酸リチウム(LiPF)を1モル/リットル溶解したものが用いられている。 The battery lid is caulked and fixed to the upper part of the battery container 7 via an insulating and heat resistant EPDM resin gasket 10. For this reason, the inside of the lithium ion secondary battery 20 is sealed. In addition, a nonaqueous electrolytic solution (not shown) that can infiltrate the entire electrode group 6 is injected into the battery container 7. The non-aqueous electrolyte is obtained by dissolving 1 mol / liter of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as a lithium salt in a mixed solvent of ethylene carbonate, dimethyl carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 1: 1: 1. It is used.

電極群6は、正極板W1と負極板W3とがこれら両極板が直接接触しないように、例えば、厚さ40μmでリチウムイオンが通過可能な多孔質ポリエチレン製のセパレータW5を介して軸芯1の周囲に捲回されている。正極リード片2および負極リード片3は、それぞれ電極群6の互いに反対側の両端面に配されている。電極群6および正極集電リング4の鍔部周面全周には、絶縁被覆が施されている。絶縁被覆には、ポリイミド製の基材の片面にヘキサメタアクリレートの粘着材が塗布された粘着テープが用いられている。粘着テープは鍔部周面から電極群6の外周面にわたって1重以上巻かれている。   The electrode group 6 is formed so that the positive electrode plate W1 and the negative electrode plate W3 are not directly in contact with each other through, for example, a porous polyethylene separator W5 having a thickness of 40 μm and capable of passing lithium ions. It is wound around. The positive electrode lead piece 2 and the negative electrode lead piece 3 are arranged on both end surfaces of the electrode group 6 on the opposite sides. Insulation coating is applied to the entire circumference of the collar surface of the electrode group 6 and the positive electrode current collecting ring 4. For the insulation coating, an adhesive tape in which a hexamethacrylate adhesive material is applied to one side of a polyimide base material is used. The pressure-sensitive adhesive tape is wound one or more times from the peripheral surface of the collar portion to the outer peripheral surface of the electrode group 6.

捲回群6を構成する正極板W1は正極集電体としてアルミニウム箔を有しており、負極板W3は負極集電体として圧延銅箔を有している。アルミニウム箔および圧延銅箔の厚さは、本例では、それぞれ20μmおよび10μmに設定されている。アルミニウム箔および圧延銅箔の長寸方向一側の側縁には、それぞれ正極合材W2および負極合材W4の未塗着部が形成されている。未塗着部は櫛状に切り欠かれており、切り欠き残部でそれぞれ正極リード片2および負極リード片3が形成されている。   The positive electrode plate W1 constituting the wound group 6 has an aluminum foil as a positive electrode current collector, and the negative electrode plate W3 has a rolled copper foil as a negative electrode current collector. In this example, the thicknesses of the aluminum foil and the rolled copper foil are set to 20 μm and 10 μm, respectively. Uncoated portions of the positive electrode mixture W2 and the negative electrode mixture W4 are formed on the side edges on one side in the longitudinal direction of the aluminum foil and the rolled copper foil, respectively. The uncoated part is cut out in a comb shape, and the positive electrode lead piece 2 and the negative electrode lead piece 3 are formed in the remaining part of the cutout.

正極板W1は、アルミニウム箔の両面に、正極活物質としてリチウム含有複酸化物を含む正極合材が塗着されており、正極合材層W2が形成されている。リチウム含有複酸化物の表面には、導電材およびリチウムを含む添加材(以下、単に、添加材と呼称する。)がメカノケミカル処理されている。本例では、リチウム含有複酸化物としてマンガン酸リチウム(三菱化学株式会社製)、導電材として黒鉛系の炭素材(日本黒鉛工業株式会社製、JSP)または非晶質系の炭素材のカーボンブラック(電気化学工業株式会社製、HS−100)、添加材として炭酸リチウム(本荘ケミカル社製)がそれぞれ用いられている。   In the positive electrode plate W1, a positive electrode mixture containing a lithium-containing double oxide as a positive electrode active material is applied to both surfaces of an aluminum foil, and a positive electrode mixture layer W2 is formed. The surface of the lithium-containing composite oxide is mechanochemically treated with a conductive material and an additive containing lithium (hereinafter simply referred to as additive). In this example, lithium manganate (Mitsubishi Chemical Co., Ltd.) as the lithium-containing composite oxide, graphite-based carbon material (JSP, manufactured by Nippon Graphite Industries Co., Ltd.) as the conductive material, or carbon black of amorphous carbon material (Electrochemical Industry Co., Ltd., HS-100) and lithium carbonate (Honjo Chemical Co., Ltd.) are used as additives.

ここで、メカノケミカル処理について説明する。メカノケミカル処理では、微粒子に衝撃、剪断、摩砕、摩擦、圧縮等の機械的エネルギが加えられる。加えられた機械的エネルギの一部が微粒子内に蓄積され、微粒子表面の活性・反応性が高められることで、周囲の物質との反応(メカノケミカル反応)を起こさせることができる。   Here, the mechanochemical treatment will be described. In the mechanochemical treatment, mechanical energy such as impact, shear, grinding, friction and compression is applied to the fine particles. A part of the added mechanical energy is accumulated in the fine particles, and the activity / reactivity of the fine particle surface is enhanced, whereby a reaction (mechanochemical reaction) with surrounding substances can be caused.

マンガン酸リチウムと、導電材および添加材と、がプラネタリミキサを用いて乾式混合される。このとき、マンガン酸リチウムと、導電材および添加材との比率(マンガン酸リチウム:(導電材+添加材))が、比表面積割合で、50:50〜95:5の範囲に設定される。得られた混合粉末を圧縮摩砕して、マンガン酸リチウムの表面に導電材および添加材がメカノケミカル処理された粉末(以下、メカノケミカル処理粉末という。)を形成させる。   Lithium manganate, the conductive material, and the additive are dry-mixed using a planetary mixer. At this time, the ratio of lithium manganate to the conductive material and the additive (lithium manganate: (conductive material + additive)) is set in the range of 50:50 to 95: 5 in terms of the specific surface area ratio. The obtained mixed powder is compressed and ground to form a powder (hereinafter referred to as mechanochemically treated powder) in which a conductive material and an additive are mechanochemically treated on the surface of lithium manganate.

混合粉末を圧縮摩砕する方法として、本例では、圧縮摩砕式粉砕機(浅田鉄工株式会社製、ミラクルKCK−32型)が用いられる。圧縮摩砕式粉砕機は、一定の内部空間が形成され回転速度によりマンガン酸リチウム、導電材および添加材を一定量供給し続けるスクリューフィーダと、このスクリューフィーダの固定軸に固定された固定ブレードと、回転ブレードとを備えている。固定ブレードおよび回転ブレードの形状、回転数、並びに、各材料の供給量により圧縮剪断応力を調整することでメカノケミカル反応を起こさせる。この反応により、メカノケミカル処理粉末が形成される。   As a method of compressing and grinding the mixed powder, in this example, a compression and grinding type pulverizer (Miracle KCK-32, manufactured by Asada Tekko Co., Ltd.) is used. The compression mill type pulverizer includes a screw feeder that forms a constant internal space and continuously supplies a certain amount of lithium manganate, a conductive material and an additive at a rotational speed, and a fixed blade fixed to a fixed shaft of the screw feeder. And a rotating blade. The mechanochemical reaction is caused by adjusting the compressive shear stress according to the shape of the fixed blade and the rotating blade, the number of rotations, and the supply amount of each material. By this reaction, mechanochemically treated powder is formed.

正極合材には、メカノケミカル処理粉末と、バインダ(結着材)のポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと略記する。)とが質量比95:5(メカノケミカル処理粉末:PVDF)の割合で配合されている。正極合材がアルミニウム箔に塗着されるときは、粘度調整溶媒としてN−メチルピロリドン(以下、NMPと略記する。)が用いられ、略均一に混練されてスラリ状の溶液が調製される。調製された溶液をアルミニウム箔の両面に略均等、略均一に塗布し、乾燥させることで正極合材層W2が形成される。正極板W1は、乾燥後、アルミニウム箔を含まない正極活物質塗布部厚さ70μmとなるようにプレスされ、裁断されている。   The positive electrode composite material contains a mechanochemically treated powder and a binder (binder) polyvinylidene fluoride (hereinafter abbreviated as PVDF) in a mass ratio of 95: 5 (mechanochemically treated powder: PVDF). Has been. When the positive electrode mixture is applied to the aluminum foil, N-methylpyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP) is used as a viscosity adjusting solvent, and a slurry-like solution is prepared by kneading substantially uniformly. The prepared solution is applied substantially uniformly and substantially uniformly on both surfaces of the aluminum foil and dried to form the positive electrode mixture layer W2. After drying, the positive electrode plate W1 is pressed and cut so as to have a positive electrode active material application portion thickness of 70 μm that does not include an aluminum foil.

一方、負極板W3は、負極活物質に非晶質炭素材(非晶質炭素物)が用いられている。負極板W3では、非晶質炭素材を含む負極合材が圧延銅箔の両面に略均等、略均一に塗着されており、負極合材層W4が形成されている。負極合材には、非晶質炭素材と導電材とバインダのPVDFとが質量比80:10:10の割合で配合されている。負極合材が圧延銅箔に塗着されるときは、粘度調整溶媒のNMPで粘度調整され、正極板W1と同様にして負極合材層W4が形成される。負極板W3は、乾燥後、圧延銅箔を含まない負極活物質塗布部厚さ70μmとなるようにプレスされ、裁断されている。   On the other hand, in the negative electrode plate W3, an amorphous carbon material (amorphous carbon material) is used as the negative electrode active material. In the negative electrode plate W3, the negative electrode mixture containing an amorphous carbon material is applied substantially uniformly and substantially uniformly on both surfaces of the rolled copper foil, and the negative electrode mixture layer W4 is formed. In the negative electrode mixture, an amorphous carbon material, a conductive material, and PVDF as a binder are blended in a mass ratio of 80:10:10. When the negative electrode mixture is applied to the rolled copper foil, the viscosity is adjusted with NMP as a viscosity adjusting solvent, and the negative electrode mixture layer W4 is formed in the same manner as the positive electrode plate W1. After drying, the negative electrode plate W3 is pressed and cut so as to have a negative electrode active material application portion thickness of 70 μm that does not include a rolled copper foil.

(作用等)
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池20の作用等について説明する。
(Action etc.)
Next, the operation and the like of the lithium ion secondary battery 20 of the present embodiment will be described.

本実施形態では、正極合材層W2にメカノケミカル処理粉末が配合されている。メカノケミカル処理粉末では、マンガン酸リチウム(正極活物質)の表面に導電材の炭素材および添加材の炭酸リチウムがメカノケミカル処理されている。このメカノケミカル処理粉末が配合されることで、正極合材におけるメカノケミカル処理粉末以外の導電材不要とすることができる。これにより、正極合材層W2中のマンガン酸リチウムの割合が増大するので、得られるリチウムイオン二次電池20の高出力化および高容量化を図ることができる。 In this embodiment, mechanochemically processed powder is blended in the positive electrode mixture layer W2. In the mechanochemically treated powder, a carbon material as a conductive material and a lithium carbonate as an additive material are mechanochemically treated on the surface of lithium manganate (positive electrode active material). By this mechanochemical treatment powder is blended, it is possible to eliminate mechanochemical treatment powders other conductive material in the positive electrode. Thereby, since the ratio of the lithium manganate in the positive electrode mixture layer W2 increases, it is possible to increase the output and capacity of the obtained lithium ion secondary battery 20.

また、従来正極合材層内での電子伝導性を向上させるために導電材の割合を増大させた場合には、出力を確保するために正極活物質の量を増加させる必要がある。このため、正極合材層の厚みが大きくなりリチウムイオン二次電池の体積エネルギ密度を低下させることとなる。これに対して、本実施形態では、メカノケミカル処理で加えられた機械的エネルギによりマンガン酸リチウムの表面の活性・反応性が高められ、マンガン酸リチウムの表面に導電材および添加材がメカノケミカル処理される。このため、マンガン酸リチウムの表面にメカノケミカル処理された導電材の導電性能が最大限発揮されるので、メカノケミカル処理粉末以外に導電材を配合しなくても正極合材層W2内の電子伝導性を向上させることができる。これにより、マンガン酸リチウムの割合のみを設定することで体積エネルギ密度を低下させることなくリチウムイオン二次電池20の高出力化、高容量化を図ることができる。また、メカノケミカル処理粉末では、機械的操作のみで形成されるため、粉末調製作業を容易にすることができる。   In addition, when the proportion of the conductive material is increased in order to improve the electron conductivity in the conventional positive electrode mixture layer, it is necessary to increase the amount of the positive electrode active material in order to ensure output. For this reason, the thickness of the positive electrode mixture layer is increased, and the volume energy density of the lithium ion secondary battery is reduced. In contrast, in this embodiment, the mechanical energy applied in the mechanochemical treatment increases the activity / reactivity of the surface of the lithium manganate, and the conductive material and the additive material are mechanochemically treated on the surface of the lithium manganate. Is done. For this reason, the conductive performance of the mechanochemically treated conductive material on the surface of lithium manganate is maximized, so that the electron conduction in the positive electrode mixture layer W2 can be achieved without adding a conductive material in addition to the mechanochemically treated powder. Can be improved. Thereby, by setting only the ratio of lithium manganate, it is possible to increase the output and capacity of the lithium ion secondary battery 20 without reducing the volume energy density. Further, since the mechanochemically treated powder is formed only by mechanical operation, the powder preparation work can be facilitated.

更に、本実施形態では、マンガン酸リチウムの表面に添加材の炭酸リチウムがメカノケミカル処理されているため、充放電の繰り返しに伴う容量低下を抑制し長寿命化を図ることができる。この作用については十分に解明されていないが、次のように推察することができる。すなわち、マンガン酸リチウムでは、充放電に伴いリチウムイオンが吸蔵放出されるが、充放電が繰り返されることで吸蔵放出性が低下する可能性がある。これに対し、マンガン酸リチウムの表面に炭酸リチウム等のリチウムを含む添加材がメカノケミカル処理されることで、吸蔵放出性の低下が抑制されたためと考えられる。   Furthermore, in the present embodiment, since the additive material lithium carbonate is mechanochemically treated on the surface of the lithium manganate, it is possible to suppress a decrease in capacity due to repeated charge and discharge and to extend the life. Although this action has not been fully elucidated, it can be inferred as follows. That is, in lithium manganate, lithium ions are occluded and released with charge / discharge, but the occlusion / release property may be reduced by repeated charge / discharge. On the other hand, it is considered that the decrease in the occlusion / release property was suppressed by the mechanochemical treatment of the additive containing lithium such as lithium carbonate on the surface of the lithium manganate.

また更に、本実施形態では、マンガン酸リチウムと導電材および添加材とがメカノケミカル処理されているため、正極合材の調製時にマンガン酸リチウム、導電材および添加材の分散状態を均等化することができる。このため、正極合材層2ではマンガン酸リチウム、導電材および添加材が偏在することなく略均等に分散しているので、電子伝導ネットワークを確保して電子伝導性を向上させることができる。   Furthermore, in this embodiment, since the lithium manganate, the conductive material, and the additive are mechanochemically processed, the dispersion state of the lithium manganate, the conductive material, and the additive is equalized during the preparation of the positive electrode mixture. Can do. For this reason, since the lithium manganate, the conductive material, and the additive are not distributed unevenly in the positive electrode mixture layer 2, an electron conduction network can be secured and the electron conductivity can be improved.

なお、本実施形態では、メカノケミカル処理に圧縮摩砕式粉砕機を用いる例を示したが、本発明はこれに制限されるものではない。マンガン酸リチウムと導電材および添加材との混合粉末にメカノケミカル反応を起こさせるのに十分な機械的エネルギを加えることができれば、いかなる方法、装置を用いてもよい。このような装置としては、例えば、回転力や振動力等を利用し多数の球体で粉末を粉砕処理する遊星ボールミル等のボールミルを挙げることができる。   In the present embodiment, an example in which a compression grinder is used for the mechanochemical treatment is shown, but the present invention is not limited to this. Any method and apparatus may be used as long as sufficient mechanical energy can be applied to the mixed powder of lithium manganate, conductive material, and additive to cause a mechanochemical reaction. Examples of such an apparatus include a ball mill such as a planetary ball mill that uses a rotational force, a vibration force, or the like to pulverize powder with a large number of spheres.

また、本実施形態では、正極活物質としてマンガン酸リチウムを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、リチウムイオンの吸蔵放出が可能で予め十分な量のリチウムが挿入されていればよい。正極活物質としては、リチウム遷移金属複酸化物等のリチウム含有複酸化物を用いるようにしてもよい。また、結晶中のリチウムや遷移金属の一部を他の元素と置換またはドープした材料を用いてもよい。更に、結晶構造についても特に制限はなく、スピネル結晶構造や層状結晶構造であってもよい。   Further, in this embodiment, lithium manganate is exemplified as the positive electrode active material, but the present invention is not limited to this, and lithium ions can be occluded and released, and a sufficient amount of lithium is inserted in advance. That's fine. As the positive electrode active material, a lithium-containing double oxide such as a lithium transition metal double oxide may be used. Alternatively, a material obtained by replacing or doping a part of lithium or transition metal in the crystal with another element may be used. Further, the crystal structure is not particularly limited, and may be a spinel crystal structure or a layered crystal structure.

更に、本実施形態では、マンガン酸リチウムの表面にメカノケミカル処理する導電材として黒鉛系または非晶質系の炭素材の一例を示したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、導電性を有していればよい。炭素材としては、天然黒鉛や人造黒鉛の各種黒鉛材やコークス等、カーボンブラック等の非晶質炭素材等を挙げることができ、その粒子形状においても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。出力特性、寿命特性を一層向上させることを考慮すれば、黒鉛系炭素材より非晶質炭素材を用いることが好ましい。導電材に非晶質炭素材を用いた場合は、マンガン酸リチウムと、導電材および添加材との比率(マンガン酸リチウム:(導電材+添加材))を、比表面積割合で、60:40〜95:5の範囲に設定することが好ましい。また、添加材として炭酸リチウムを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、硝酸リチウム等のリチウムを含む化合物を用いることができる。   Furthermore, in this embodiment, an example of a graphite-based or amorphous carbon material is shown as a conductive material to be mechanochemically treated on the surface of lithium manganate. However, the present invention is not limited to these, and the conductive material What is necessary is just to have sex. Examples of the carbon material include various graphite materials such as natural graphite and artificial graphite, and coke, and amorphous carbon materials such as carbon black. Also in the particle shape, scale-like, spherical, fibrous, massive, etc. There is no particular limitation. In consideration of further improving the output characteristics and life characteristics, it is preferable to use an amorphous carbon material rather than a graphite-based carbon material. When an amorphous carbon material is used for the conductive material, the ratio of lithium manganate to the conductive material and the additive (lithium manganate: (conductive material + additive)) is 60:40 in terms of the specific surface area. It is preferable to set in the range of ~ 95: 5. Moreover, although lithium carbonate was illustrated as an additive, this invention is not limited to this, For example, the compound containing lithium, such as lithium nitrate, can be used.

また更に、本実施形態では、非水電解液にエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートを体積比1:1:1で混合した混合溶媒中に6フッ化リン酸リチウムを1モル/リットル溶解したものを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。非水電解液としては、通常、リチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液を用いることができる。   Furthermore, in this embodiment, 1 mol / liter of lithium hexafluorophosphate is dissolved in a mixed solvent in which ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate are mixed at a volume ratio of 1: 1: 1 in a non-aqueous electrolyte. However, the present invention is not limited to this. As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte generally used for a lithium ion secondary battery can be used.

更にまた、本実施形態では、円筒型のリチウムイオン二次電池20を例示したが、本発明は電池の形状に制限されるものではなく、例えば、角形、その他の多角形の電池にも適用可能である。また、本発明の適用可能な電池の構造としては、上述した電池缶に上蓋がカシメ固定されて封口されている構造の電池以外であっても構わない。このような構造の一例として正負極外部端子が電池蓋を貫通し電池容器内で軸芯を介して正負極外部端子が押し合っている状態の電池を挙げることができる。更に、正負極板を捲回した捲回式の電池に代えて、積層型の電池にも適用することができる。また、本実施形態では、電気自動車用電源に用いられる比較的大型のリチウムイオン二次電池を例示したが、本発明は電池容量やサイズ等にも制限されないことはもちろんである。   Furthermore, in the present embodiment, the cylindrical lithium ion secondary battery 20 is illustrated, but the present invention is not limited to the shape of the battery, and can be applied to, for example, a rectangular battery or other polygonal batteries. It is. Further, the battery structure to which the present invention can be applied may be other than a battery having a structure in which the upper lid is caulked and sealed to the battery can described above. As an example of such a structure, a battery in which the positive and negative external terminals penetrate through the battery lid and the positive and negative external terminals are pressed together through the shaft core in the battery container can be mentioned. Furthermore, it can be applied to a laminated battery instead of a wound battery in which positive and negative plates are wound. Moreover, in this embodiment, although the comparatively large sized lithium ion secondary battery used for the electric vehicle power supply was illustrated, of course, this invention is not restrict | limited to battery capacity, size, etc.

次に、本実施形態に従い作製したリチウムイオン二次電池20の実施例について説明する。なお、実施例7、実施例14、実施例18および実施例22は、参考として示したものである。また、比較のために作製した比較例についても併記する。 Next, examples of the lithium ion secondary battery 20 manufactured according to the present embodiment will be described. In addition, Example 7, Example 14, Example 18, and Example 22 are shown for reference. In addition, a comparative example produced for comparison is also shown.

(実施例1)
下表1に示すように、実施例1では、導電材として黒鉛系炭素材(以下、Bと表記する。)および添加材として炭酸リチウム(以下、Cと表記する。)を質量比が、B:C=80:20となるように設定した。マンガン酸リチウム(以下、Aと表記する。)と、BおよびCを合わせた粉末(以下、Dと表記する。)との比表面積割合が、A:D=95:5となるように設定し、メカノケミカル処理粉末を調製した。メカノケミカル処理では、圧縮摩砕式粉砕機の負荷電流を18A、冷却水温度を20℃、主軸回転数を70rpmに設定した。得られたメカノケミカル処理粉末を用いてアルミニウム箔に正極合材層W2を形成し、実施例1のリチウムイオン二次電池20を作製した。
Example 1
As shown in Table 1 below, in Example 1, the mass ratio of graphite-based carbon material (hereinafter referred to as B) as a conductive material and lithium carbonate (hereinafter referred to as C) as an additive is B. : C = 80: 20. The specific surface area ratio of lithium manganate (hereinafter referred to as “A”) and the combined powder of B and C (hereinafter referred to as “D”) is set to A: D = 95: 5. A mechanochemically treated powder was prepared. In the mechanochemical treatment, the load current of the compression grinder was set to 18 A, the cooling water temperature was set to 20 ° C., and the spindle rotation speed was set to 70 rpm. Using the obtained mechanochemically treated powder, a positive electrode mixture layer W2 was formed on an aluminum foil, and a lithium ion secondary battery 20 of Example 1 was produced.

Figure 0005354984
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(実施例2〜実施例7)
表1に示すように、実施例2〜実施例7では、AとDとの比表面積割合A:Dを変える以外は、実施例1と同様にしてそれぞれリチウムイオン二次電池20を作製した。比表面積割合A:Dは、実施例2では90:10、実施例3では80:20、実施例4では70:30、実施例5では60:40、実施例6では50:50、実施例7では40:60にそれぞれ設定した。
(Example 2 to Example 7)
As shown in Table 1, in Examples 2 to 7, lithium ion secondary batteries 20 were produced in the same manner as in Example 1 except that the specific surface area ratio A: D between A and D was changed. Specific surface area ratio A: D is 90:10 in Example 2, 80:20 in Example 3, 70:30 in Example 4, 60:40 in Example 5, 50:50 in Example 6, and Example 7 was set to 40:60.

(比較例1)
表1に示すように、比較例1では、AとDとをメカノケミカル処理することなく単に混合して用いる以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。すなわち、比較例1では、比表面積割合A:Dが95:5である。
(Comparative Example 1)
As shown in Table 1, in Comparative Example 1, a lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that A and D were simply mixed and used without mechanochemical treatment. That is, in Comparative Example 1, the specific surface area ratio A: D is 95: 5.

(比較例2〜比較例7)
表1に示すように、比較例2〜比較例7では、AとDとの比表面積割合A:Dを変える以外は、比較例1と同様にした。比表面積割合A:Dは、比較例2では90:10、比較例3では80:20、比較例4では70:30、比較例5では60:40、比較例6では50:50、比較例7では40:60にそれぞれ設定した。すなわち、比較例2〜比較例7では、比表面積割合A:Dがそれぞれ実施例2〜実施例7と同じに設定されている。
(Comparative Example 2 to Comparative Example 7)
As shown in Table 1, Comparative Example 2 to Comparative Example 7 were the same as Comparative Example 1 except that the specific surface area ratio A: D between A and D was changed. Specific surface area ratio A: D is 90:10 in Comparative Example 2, 80:20 in Comparative Example 3, 70:30 in Comparative Example 4, 60:40 in Comparative Example 5, 50:50 in Comparative Example 6, and Comparative Example 7 was set to 40:60. That is, in Comparative Examples 2 to 7, the specific surface area ratio A: D is set to be the same as those in Examples 2 to 7, respectively.

(実施例8)
下表2に示すように、実施例8では、BとCとの質量比B:Cを95:5となるように設定した以外は実施例1と同様にしてリチウムイオン二次電池20を作製した。すなわち、実施例8では、比表面積割合A:Dが95:5のメカノケミカル処理粉末が用いられている。
(Example 8)
As shown in Table 2 below, in Example 8, a lithium ion secondary battery 20 was produced in the same manner as in Example 1 except that the mass ratio B: C of B and C was set to 95: 5. did. That is, in Example 8, mechanochemically treated powder having a specific surface area ratio A: D of 95: 5 is used.

Figure 0005354984
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(実施例9〜実施例14)
表2に示すように、実施例9〜実施例14では、AとDとの比表面積割合A:Dを変える以外は、実施例8と同様にしてそれぞれリチウムイオン二次電池20を作製した。比表面積割合A:Dは、実施例9では90:10、実施例10では80:20、実施例11では70:30、実施例12では60:40、実施例13では50:50、実施例14では40:60にそれぞれ設定した。
(Examples 9 to 14)
As shown in Table 2, in Examples 9 to 14, lithium ion secondary batteries 20 were produced in the same manner as in Example 8 except that the specific surface area ratio A: D between A and D was changed. Specific surface area ratios A: D were 90:10 in Example 9, 80:20 in Example 10, 70:30 in Example 11, 60:40 in Example 12, 50:50 in Example 13, and Example 14 was set to 40:60.

(比較例8)
表2に示すように、比較例8では、AとDとをメカノケミカル処理することなく単に混合して用いる以外は実施例8と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。すなわち、比較例8では、比表面積割合A:Dが95:5である。
(Comparative Example 8)
As shown in Table 2, in Comparative Example 8, a lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Example 8 except that A and D were simply mixed and used without mechanochemical treatment. That is, in Comparative Example 8, the specific surface area ratio A: D is 95: 5.

(比較例9〜比較例14)
表2に示すように、比較例9〜比較例14では、AとDとの比表面積割合A:Dを変える以外は、比較例8と同様にした。比表面積割合A:Dは、比較例9では90:10、比較例10では80:20、比較例11では70:30、比較例12では60:40、比較例13では50:50、比較例14では40:60にそれぞれ設定した。すなわち、比較例9〜比較例14では、比表面積割合A:Dがそれぞれ実施例9〜実施例14と同じに設定されている。
(Comparative Example 9 to Comparative Example 14)
As shown in Table 2, Comparative Examples 9 to 14 were the same as Comparative Example 8 except that the specific surface area ratio A: D between A and D was changed. Specific surface area ratio A: D is 90:10 in Comparative Example 9, 80:20 in Comparative Example 10, 70:30 in Comparative Example 11, 60:40 in Comparative Example 12, 50:50 in Comparative Example 13, and Comparative Example 14 was set to 40:60. That is, in Comparative Example 9 to Comparative Example 14, the specific surface area ratio A: D is set to be the same as that of Example 9 to Example 14, respectively.

(サイクル寿命特性)
作製した実施例1〜実施例14および比較例1〜比較例14のリチウムイオン二次電池について、次のようにしてサイクル寿命特性を評価した。すなわち、各リチウムイオン二次電池を充電した後放電し、環境温度23〜27℃の雰囲気下で初期放電容量を測定した。充電条件は、4.2V定電圧、制限電流5A、充電時間2.5時間とした。放電条件は、5A定電流、終止電圧2.7Vとした。また、上述した充電条件で充電後、環境温度48〜52℃の雰囲気下で、同じ充放電条件による充放電を300回繰り返した。その後、環境温度23〜27℃の雰囲気下で初期放電容量の測定と同様にして300サイクル目の放電容量を測定した。容量維持率として、初期放電容量に対する300サイクル目の放電容量の割合を百分率で求め、サイクル寿命特性を評価した。寿命特性の評価結果(寿命結果)を、実施例1〜実施例7および比較例1〜比較例7について下表3に、実施例8〜実施例14および比較例8〜比較例14について下表4にそれぞれ示す。
(Cycle life characteristics)
Regarding the produced lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 14, the cycle life characteristics were evaluated as follows. That is, each lithium ion secondary battery was charged and then discharged, and the initial discharge capacity was measured in an atmosphere having an environmental temperature of 23 to 27 ° C. The charging conditions were a 4.2 V constant voltage, a limiting current of 5 A, and a charging time of 2.5 hours. The discharge conditions were a 5 A constant current and a final voltage of 2.7 V. In addition, after charging under the above-described charging conditions, charging / discharging under the same charging / discharging conditions was repeated 300 times in an atmosphere having an environmental temperature of 48 to 52 ° C. Thereafter, the discharge capacity at the 300th cycle was measured in the same manner as the measurement of the initial discharge capacity in an atmosphere at an ambient temperature of 23 to 27 ° C. As the capacity retention rate, the ratio of the discharge capacity at the 300th cycle to the initial discharge capacity was obtained as a percentage, and the cycle life characteristics were evaluated. The evaluation results (life results) of the life characteristics are shown in Table 3 below for Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 7, and are shown in Tables below for Examples 8 to 14 and Comparative Examples 8 to 14. 4 respectively.

Figure 0005354984
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表3および表4に示すように、マンガン酸リチウム(A)の表面に導電材(B)および添加材(C)がメカノケミカル処理されたメカノケミカル処理粉末を用いた実施例1〜実施例14のリチウムイオン二次電池20では、いずれも、比表面積割合A:Dをそれぞれ同じに設定しメカノケミカル処理せずに各材料を混合して用いた比較例1〜比較例14のリチウムイオン二次電池と比較して寿命結果の向上が認められた。中でも、比表面積割合A:Dを70:30〜95:5に設定した、実施例1〜実施例4および実施例8〜実施例11のリチウムイオン二次電池20では、83%以上の容量維持率を示しており、寿命低下を小さく抑制することができることが判った。   As shown in Tables 3 and 4, Examples 1 to 14 using mechanochemically treated powders obtained by mechanochemically treating the conductive material (B) and additive (C) on the surface of lithium manganate (A). In each of the lithium ion secondary batteries 20 of Comparative Examples 1 to 14, the specific surface area ratios A: D were set to be the same and the materials were mixed and used without mechanochemical treatment. Improved lifetime results were observed compared to the battery. Among them, in the lithium ion secondary batteries 20 of Examples 1 to 4 and Examples 8 to 11 in which the specific surface area ratio A: D is set to 70:30 to 95: 5, the capacity is maintained at 83% or more. The rate was shown, and it turned out that the lifetime reduction can be suppressed small.

(出力特性)
また、作製した実施例1〜実施例14および比較例1〜比較例14のリチウムイオン二次電池について、次のようにして出力特性を評価した。すなわち、初期放電容量を測定後、上述した充電条件で充電し、25A定電流放電を行い、更に、再度上述した充電条件で充電し、50A定電流放電した。それぞれの10秒目電圧から出力を算出した。実施例1〜実施例7(B:C=80:20)では、各リチウムイオン二次電池20の出力を、比表面積割合A:Dをそれぞれ同じに設定した比較例1〜比較例7のリチウムイオン二次電池の出力に対する百分率として求めた。例えば、実施例1のリチウムイオン二次電池20では、比較例1のリチウムイオン二次電池の出力に対する百分率を求めた。また、実施例8〜実施例14(B:C=95:5)では、各リチウムイオン二次電池20の出力を、比表面積割合A:Dをそれぞれ同じに設定した比較例8〜比較例14のリチウムイオン二次電池の出力に対する百分率として求めた。出力の評価結果を、実施例1〜実施例7について下表5に、実施例8〜実施例14について下表6にそれぞれ示す。
(Output characteristics)
Further, the output characteristics of the manufactured lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 14 were evaluated as follows. That is, after measuring the initial discharge capacity, the battery was charged under the above-described charging conditions, subjected to 25 A constant current discharge, and further charged under the above-described charging conditions to discharge 50 A constant current. The output was calculated from each 10-second voltage. In Examples 1 to 7 (B: C = 80: 20), the output of each lithium ion secondary battery 20 was set to the same specific surface area ratio A: D. It calculated | required as a percentage with respect to the output of an ion secondary battery. For example, in the lithium ion secondary battery 20 of Example 1, the percentage with respect to the output of the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 was obtained. In Examples 8 to 14 (B: C = 95: 5), the output of each lithium ion secondary battery 20 was set to the same specific surface area ratio A: D. Comparative Examples 8 to 14 As a percentage of the output of the lithium ion secondary battery. The output evaluation results are shown in Table 5 for Examples 1 to 7 and in Table 6 for Examples 8 to 14, respectively.

Figure 0005354984
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表5および表6に示すように、メカノケミカル処理粉末を用いた実施例1〜実施例14のリチウムイオン二次電池20では、いずれも、比表面積割合A:Dをそれぞれ同じに設定し各材料をただ単に混合して用いた比較例1〜比較例14のリチウムイオン二次電池と比較して、出力密度が100%を超える値を示した。中でも、比表面積割合A:Dを50:50〜90:10に設定した、実施例2〜実施例6および実施例9〜実施例13のリチウムイオン二次電池20では、105%以上という優れた出力向上効果を得ることができた。   As shown in Tables 5 and 6, in each of the lithium ion secondary batteries 20 of Examples 1 to 14 using mechanochemically treated powder, the specific surface area ratio A: D was set to be the same, and each material Compared with the lithium ion secondary batteries of Comparative Examples 1 to 14, which were used simply by mixing, the output density showed a value exceeding 100%. Among them, in the lithium ion secondary batteries 20 of Examples 2 to 6 and Examples 9 to 13 in which the specific surface area ratio A: D was set to 50:50 to 90:10, an excellent value of 105% or more was excellent. The output improvement effect was able to be acquired.

実施例1〜実施例14および比較例1〜比較例14の評価結果から、マンガン酸リチウムの表面に導電材および添加材がメカノケミカル処理されたメカノケミカル処理粉末を用いることで、それぞれを単に混合して用いた場合と比較して、高出力で長寿命のリチウムイオン二次電池20を得ることができることが判明した。このとき、マンガン酸リチウム:(導電材+添加材)の比表面積割合を95:5〜50:50とすることで、出力ないし寿命の向上効果の認められることが明らかとなった。また、比表面積割合を95:5〜70:30とすれば長寿命化を一層向上させることができ、比表面積割合を90:10〜50:50とすれば高出力化を一層向上させることができることが判った。   From the evaluation results of Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 14, the mechanochemically treated powders obtained by mechanochemically treating the conductive material and the additive on the surface of lithium manganate were used, and each was simply mixed. It was found that the lithium ion secondary battery 20 having a high output and a long life can be obtained as compared with the case where it is used. At this time, it became clear that the effect of improving the output or life was recognized by setting the specific surface area ratio of lithium manganate: (conductive material + additive) to 95: 5 to 50:50. Further, if the specific surface area ratio is 95: 5 to 70:30, the life can be further improved, and if the specific surface area ratio is 90:10 to 50:50, the high output can be further improved. I found that I can do it.

次に、マンガン酸リチウムとメカノケミカル処理する導電材の炭素材として非晶質炭素材、黒鉛系炭素材をそれぞれ用いたリチウムイオン二次電池の比較について説明する。すなわち、実施例15〜実施例22では導電材として非晶質炭素材を用いたものである。また、炭素材が非晶質炭素材に限定されるものではないが、説明を簡単にするため、導電材に黒鉛系炭素材を用いたものを比較例15〜比較例22とした。   Next, a comparison of lithium ion secondary batteries using an amorphous carbon material and a graphite-based carbon material as the carbon material of the conductive material to be mechanochemically treated with lithium manganate will be described. That is, in Examples 15 to 22, an amorphous carbon material is used as the conductive material. Further, although the carbon material is not limited to the amorphous carbon material, Comparative Examples 15 to 22 are obtained by using a graphite-based carbon material as the conductive material in order to simplify the explanation.

(実施例15)
下表7に示すように、実施例15では、導電材として非晶質炭素材のカーボンブラック(以下、Eと表記する。)および添加材として炭酸リチウム(C)を質量比が、E:C=80:20となるように設定した。マンガン酸リチウム(A)と、EおよびCを合わせた粉末(以下、Fと表記する。)との比表面積割合が、A:F=95:5となるように設定し、メカノケミカル処理粉末を調製した。メカノケミカル処理では、圧縮摩砕式粉砕機の負荷電流を18A、冷却水温度を20℃、主軸回転数を70rpmに設定した。得られたメカノケミカル処理粉末を用いてアルミニウム箔に正極合材層W2を形成し、実施例15のリチウムイオン二次電池20を作製した。
(Example 15)
As shown in Table 7 below, in Example 15, the mass ratio of carbon black of an amorphous carbon material (hereinafter referred to as E) as a conductive material and lithium carbonate (C) as an additive is E: C. = 80: 20. The mechanochemically treated powder was set so that the specific surface area ratio of the lithium manganate (A) and the powder combining E and C (hereinafter referred to as F) was A: F = 95: 5. Prepared. In the mechanochemical treatment, the load current of the compression grinder was set to 18 A, the cooling water temperature was set to 20 ° C., and the spindle rotation speed was set to 70 rpm. Using the obtained mechanochemically treated powder, a positive electrode mixture layer W2 was formed on an aluminum foil, and a lithium ion secondary battery 20 of Example 15 was produced.

Figure 0005354984
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(実施例16〜実施例18)
表7に示すように、実施例16〜実施例18では、AとFとの比表面積割合A:Fを変える以外は、実施例15と同様にしてそれぞれリチウムイオン二次電池20を作製した。比表面積割合A:Fは、実施例16では80:20、実施例17では60:40、実施例18では40:60にそれぞれ設定した。
(Example 16 to Example 18)
As shown in Table 7, in Examples 16 to 18, lithium ion secondary batteries 20 were produced in the same manner as in Example 15 except that the specific surface area ratio A: F between A and F was changed. The specific surface area ratio A: F was set to 80:20 in Example 16, 60:40 in Example 17, and 40:60 in Example 18, respectively.

(比較例15)
表7に示すように、比較例15では、導電材として黒鉛系炭素材(以下、Gと表記する。)および添加材として炭酸リチウム(C)を質量比が、G:C=80:20となるように設定した。マンガン酸リチウム(A)と、GおよびCを合わせた粉末(以下、Hと表記する。)との比表面積割合が、A:H=95:5となるように設定し調製したメカノケミカル処理粉末を用いる以外は実施例15と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。
(Comparative Example 15)
As shown in Table 7, in Comparative Example 15, the mass ratio of graphite-based carbon material (hereinafter referred to as G) as the conductive material and lithium carbonate (C) as the additive is G: C = 80: 20. Was set to be. Mechanochemically treated powder prepared and prepared such that the specific surface area ratio of lithium manganate (A) and powder combining G and C (hereinafter referred to as H) is A: H = 95: 5 A lithium ion secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 15 except that the above was used.

(比較例16〜比較例18)
表7に示すように、比較例16〜比較例18では、AとHとの比表面積割合A:Hを変える以外は、比較例15と同様にした。比表面積割合A:Hは、比較例16では80:20、比較例17では60:40、比較例18では40:60にそれぞれ設定した。すなわち、比較例16〜比較例18では、比表面積割合A:Hがそれぞれ実施例16〜実施例18の比表面積割合A:Fと同じに設定されている。
(Comparative Example 16 to Comparative Example 18)
As shown in Table 7, Comparative Examples 16 to 18 were the same as Comparative Example 15 except that the specific surface area ratio A: H of A and H was changed. The specific surface area ratio A: H was set to 80:20 in Comparative Example 16, 60:40 in Comparative Example 17, and 40:60 in Comparative Example 18, respectively. That is, in Comparative Example 16 to Comparative Example 18, the specific surface area ratio A: H is set to be the same as the specific surface area ratio A: F of Examples 16 to 18, respectively.

(実施例19)
下表8に示すように、実施例19では、EとCとの質量比E:Cを95:5となるように設定した以外は実施例15と同様にしてリチウムイオン二次電池20を作製した。すなわち、実施例19では、導電材が非晶質炭素材のカーボンブラックであり、比表面積割合A:Fが95:5のメカノケミカル処理粉末が用いられている。
(Example 19)
As shown in Table 8 below, in Example 19, a lithium ion secondary battery 20 was produced in the same manner as in Example 15 except that the mass ratio E: C of E and C was set to 95: 5. did. That is, in Example 19, mechanochemically treated powder having a conductive surface area of carbon black of an amorphous carbon material and a specific surface area ratio A: F of 95: 5 is used.

Figure 0005354984
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(実施例20〜実施例22)
表8に示すように、実施例20〜実施例22では、AとFとの比表面積割合A:Fを変える以外は、実施例19と同様にしてそれぞれリチウムイオン二次電池20を作製した。比表面積割合A:Fは、実施例20では80:20、実施例21では60:40、実施例22では40:60にそれぞれ設定した。
(Example 20 to Example 22)
As shown in Table 8, in Examples 20 to 22, lithium ion secondary batteries 20 were produced in the same manner as in Example 19 except that the specific surface area ratio A: F of A and F was changed. The specific surface area ratio A: F was set to 80:20 in Example 20, 60:40 in Example 21, and 40:60 in Example 22, respectively.

(比較例19)
表8に示すように、比較例19では、GとCとの質量比G:Cを95:5となるように設定した以外は比較例15と同様にしてリチウムイオン二次電池を作製した。すなわち、比較例19では、導電材が黒鉛系炭素材であり、比表面積割合A:Hが実施例19の比表面積割合A:Fと同じ95:5である。
(Comparative Example 19)
As shown in Table 8, in Comparative Example 19, a lithium ion secondary battery was fabricated in the same manner as Comparative Example 15 except that the mass ratio G: C of G and C was set to 95: 5. That is, in Comparative Example 19, the conductive material is a graphite-based carbon material, and the specific surface area ratio A: H is 95: 5, which is the same as the specific surface area ratio A: F of Example 19.

(比較例20〜比較例22)
表8に示すように、比較例20〜比較例22では、AとHとの比表面積割合A:Hを変える以外は、比較例19と同様にした。比表面積割合A:Hは、比較例20では80:20、比較例21では60:40、比較例22では40:60にそれぞれ設定した。すなわち、比較例20〜比較例22では、比表面積割合A:Hがそれぞれ実施例20〜実施例22の比表面積割合A:Fと同じに設定されている。
(Comparative Example 20 to Comparative Example 22)
As shown in Table 8, Comparative Example 20 to Comparative Example 22 were the same as Comparative Example 19 except that the specific surface area ratio A: H of A and H was changed. The specific surface area ratio A: H was set to 80:20 in Comparative Example 20, 60:40 in Comparative Example 21, and 40:60 in Comparative Example 22, respectively. That is, in Comparative Examples 20 to 22, the specific surface area ratio A: H is set to be the same as the specific surface area ratio A: F of Examples 20 to 22, respectively.

(出力特性)
作製した実施例15〜実施例22および比較例15〜比較例22のリチウムイオン二次電池について、上述した実施例1〜実施例14の出力特性評価と同様にして出力特性を評価した。実施例15〜実施例18(E:C=80:20)では、各リチウムイオン二次電池20の出力を、比表面積割合A:Fとそれぞれ同じになるように比表面積割合A:Hを設定した比較例15〜比較例18のリチウムイオン二次電池の出力に対する百分率として求めた。例えば、実施例15のリチウムイオン二次電池20では、比較例15のリチウムイオン二次電池の出力に対する百分率を求めた。また、実施例19〜実施例22(E:C=95:5)では、各リチウムイオン二次電池20の出力を、比表面積割合A:Fとそれぞれ同じになるように比表面積割合A:Hを設定した比較例19〜比較例22のリチウムイオン二次電池の出力に対する百分率として求めた。出力の評価結果を、実施例15〜実施例18について下表9に、実施例19〜実施例22について下表10にそれぞれ示す。
(Output characteristics)
Regarding the produced lithium ion secondary batteries of Examples 15 to 22 and Comparative Examples 15 to 22, the output characteristics were evaluated in the same manner as the output characteristics evaluation of Examples 1 to 14 described above. In Examples 15 to 18 (E: C = 80: 20), the specific surface area ratio A: H is set so that the output of each lithium ion secondary battery 20 is the same as the specific surface area ratio A: F. It calculated | required as a percentage with respect to the output of the lithium ion secondary battery of the comparative examples 15-18. For example, in the lithium ion secondary battery 20 of Example 15, the percentage with respect to the output of the lithium ion secondary battery of Comparative Example 15 was obtained. In Examples 19 to 22 (E: C = 95: 5), the specific surface area ratio A: H so that the output of each lithium ion secondary battery 20 is the same as the specific surface area ratio A: F. Was determined as a percentage of the output of the lithium ion secondary batteries of Comparative Examples 19 to 22. The output evaluation results are shown in Table 9 for Examples 15 to 18 and in Table 10 for Examples 19 to 22, respectively.

Figure 0005354984
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表9および表10に示すように、マンガン酸リチウム(A)に導電材として非晶質炭素材(E)および添加剤として炭酸リチウム(C)をメカノケミカル処理した粉末を用いた実施例15〜実施例22のリチウムイオン二次電池20では、いずれも、比表面積割合A:Fとそれぞれ同じになるように比表面積割合A:Hを設定し、マンガン酸リチウム(A)に黒鉛系炭素材(G)および炭酸リチウム(C)をメカノケミカル処理した粉末を用いた比較例15〜比較例22のリチウムイオン二次電池と比較して、出力密度が100%を超える値を示した。すなわち、導電材として非晶質炭素材を用いることで黒鉛系炭素材と比較して、出力密度を向上させることのできることが判った。中でも、比表面積割合A:Fを60:40〜80:20に設定した、実施例16〜実施例17および実施例20〜実施例21のリチウムイオン二次電池20では、105%以上という優れた出力向上効果を得ることができた。   As shown in Tables 9 and 10, Examples 15 to 15 using powders obtained by mechanochemical treatment of lithium manganate (A) with an amorphous carbon material (E) as a conductive material and lithium carbonate (C) as an additive. In the lithium ion secondary battery 20 of Example 22, the specific surface area ratio A: H was set to be the same as the specific surface area ratio A: F, respectively, and the graphite-based carbon material ( Compared to the lithium ion secondary batteries of Comparative Examples 15 to 22 using powders obtained by mechanochemical treatment of G) and lithium carbonate (C), the output density showed a value exceeding 100%. That is, it has been found that the power density can be improved by using an amorphous carbon material as the conductive material as compared with the graphite-based carbon material. Among them, in the lithium ion secondary batteries 20 of Examples 16 to 17 and Examples 20 to 21 in which the specific surface area ratio A: F was set to 60:40 to 80:20, an excellent value of 105% or more was excellent. The output improvement effect was able to be acquired.

(サイクル寿命特性)
また、作製した実施例15〜実施例22および比較例15〜比較例22のリチウムイオン二次電池について、上述した実施例1〜実施例14のサイクル寿命特性評価と同様にしてサイクル寿命特性を評価した。寿命特性の評価結果(寿命結果)を、実施例15〜実施例18および比較例15〜比較例18について下表11に、実施例19〜実施例22および比較例19〜比較例22について下表12にそれぞれ示す。
(Cycle life characteristics)
Further, for the lithium ion secondary batteries of Examples 15 to 22 and Comparative Examples 15 to 22, the cycle life characteristics were evaluated in the same manner as the cycle life characteristics evaluation of Examples 1 to 14 described above. did. The evaluation results (life results) of the life characteristics are shown in Table 11 below for Examples 15 to 18 and Comparative Examples 15 to 18, and the tables below for Examples 19 to 22 and Comparative Examples 19 to 22 12 respectively.

Figure 0005354984
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表11および表12に示すように、マンガン酸リチウム(A)に非晶質炭素材のカーボンブラック(E)および炭酸リチウム(C)をメカノケミカル処理した粉末を用いた実施例15〜実施例22のリチウムイオン二次電池20では、いずれも、比表面積割合A:Fとそれぞれ同じになるように比表面積割合A:Hを設定し、マンガン酸リチウム(A)に黒鉛系炭素材(G)および炭酸リチウム(C)をメカノケミカル処理した粉末を用いた比較例15〜比較例22のリチウムイオン二次電池と比較して寿命結果の向上が認められた。すなわち、導電材として非晶質炭素材を用いることで黒鉛系炭素材と比較して、寿命結果を向上させることのできることが判った。中でも、比表面積割合A:Fを60:40〜95:5に設定した、実施例15〜実施例17および実施例19〜実施例21のリチウムイオン二次電池20では、84%以上の容量維持率を示しており、寿命低下を小さく抑制することができることが判った。   As shown in Tables 11 and 12, Examples 15 to 22 using powders obtained by mechanochemical treatment of lithium manganate (A) with carbon black (E) and lithium carbonate (C) as amorphous carbon materials. In the lithium ion secondary battery 20, the specific surface area ratio A: H is set to be the same as the specific surface area ratio A: F, and the graphite-based carbon material (G) and lithium manganate (A) are set. The improvement of the lifetime result was recognized compared with the lithium ion secondary battery of the comparative examples 15-22 using the powder which mechanochemically processed lithium carbonate (C). That is, it has been found that the lifetime result can be improved by using an amorphous carbon material as the conductive material as compared with the graphite-based carbon material. Among them, in the lithium ion secondary batteries 20 of Examples 15 to 17 and Examples 19 to 21 in which the specific surface area ratio A: F is set to 60:40 to 95: 5, the capacity is maintained at 84% or more. The rate was shown, and it turned out that the lifetime reduction can be suppressed small.

実施例15〜実施例22および比較例15〜比較例22の評価結果から、マンガン酸リチウムの表面に導電材および添加材がメカノケミカル処理されたメカノケミカル処理粉末を用いる場合、導電材として黒鉛系炭素材を用いたときと比較して、非晶質炭素材を用いることで、出力特性、サイクル寿命特性ともに一層向上させたリチウムイオン二次電池20を得ることができることが判明した。このとき、マンガン酸リチウム:(導電材+添加材)の比表面積割合を95:5〜60:40とすることで、出力ないし寿命の向上効果の認められることが明らかとなった。また、比表面積割合を80:20〜60:40とすれば高出力化を一層向上させることができることが判った。   From the evaluation results of Example 15 to Example 22 and Comparative Example 15 to Comparative Example 22, when mechanochemically treated powder obtained by mechanochemically treating the conductive material and additive on the surface of lithium manganate is used, the graphite material is used as the conductive material. It has been found that by using an amorphous carbon material, the lithium ion secondary battery 20 in which both output characteristics and cycle life characteristics are further improved can be obtained by using an amorphous carbon material as compared with the case where a carbon material is used. At this time, it became clear that the effect of improving the output or the life was recognized by setting the specific surface area ratio of lithium manganate: (conductive material + additive) to 95: 5 to 60:40. It was also found that high output can be further improved if the specific surface area ratio is 80:20 to 60:40.

本発明は高出力化および長寿命化を両立することができるリチウム二次電池を提供するため、リチウム二次電池の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。   Since the present invention contributes to the manufacture and sale of lithium secondary batteries in order to provide a lithium secondary battery that can achieve both high output and long life, it has industrial applicability.

本発明を適用した実施形態の円筒型リチウムイオン二次電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cylindrical lithium ion secondary battery of embodiment to which this invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

6 電極群
20 円筒型リチウムイオン二次電池(リチウム二次電池)
W1 正極板
W2 正極合材層
W3 負極板
W4 負極合材層
6 Electrode group 20 Cylindrical lithium ion secondary battery (lithium secondary battery)
W1 Positive electrode plate W2 Positive electrode mixture layer W3 Negative electrode plate W4 Negative electrode mixture layer

Claims (5)

リチウム含有複酸化物および正極導電材を含む正極合材を集電体に塗着した正極板と、充放電によりリチウムイオンを吸蔵・放出可能な非晶質炭素物および負極導電材を含む負極合材を集電体に塗着した負極板と、を有するリチウム二次電池において、前記リチウム含有複酸化物の表面に、前記正極導電材およびリチウムを含む添加材がメカノケミカル処理されており、前記メカノケミカル処理されたリチウム含有複酸化物は、前記正極導電材および添加材との比表面積割合が、リチウム含有複酸化物:(正極導電材+添加材)=50:50〜95:5であるとともに、前記正極合材は、前記メカノケミカル処理されたリチウム含有複酸化物と、該メカノケミカル処理されたリチウム含有複酸化物を前記集電体に塗着するためのバインダとが混合されたものであることを特徴とするリチウム二次電池。 A positive electrode plate in which a positive electrode mixture including a lithium-containing complex oxide and a positive electrode conductive material is applied to a current collector, and an negative electrode composite including an amorphous carbon material capable of inserting and extracting lithium ions by charge and discharge and a negative electrode conductive material In a lithium secondary battery having a negative electrode plate coated with a material on a current collector, the positive electrode conductive material and an additive containing lithium are mechanochemically treated on the surface of the lithium-containing complex oxide , In the mechanochemically treated lithium-containing double oxide, the specific surface area ratio with the positive electrode conductive material and additive is lithium-containing double oxide: (positive electrode conductive material + additive) = 50: 50 to 95: 5. The mesochemically treated lithium-containing double oxide and a binder for applying the mechanochemically treated lithium-containing double oxide to the current collector Lithium secondary battery is characterized in that which has been engaged. 前記正極導電材は、非晶質炭素であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。   The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode conductive material is amorphous carbon. 前記メカノケミカル処理されたリチウム含有複酸化物は、前記正極導電材および添加材との比表面積割合が、リチウム含有複酸化物:(正極導電材+添加材)=60:40〜95:5であることを特徴とする請求項に記載のリチウム二次電池。 The mechanochemically treated lithium-containing double oxide has a specific surface area ratio with the positive electrode conductive material and additive of lithium-containing double oxide: (positive electrode conductive material + additive) = 60: 40 to 95: 5. The lithium secondary battery according to claim 2 , wherein the lithium secondary battery is provided. 前記正極導電材は、カーボンブラックであることを特徴とする請求項または請求項に記載のリチウム二次電池。 The positive Gokushirube material is a lithium secondary battery according to claim 2 or claim 3, wherein the carbon black. 前記添加材は炭酸リチウムであることを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。 The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 4 , wherein the additive is lithium carbonate.
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