JP5398302B2 - Lithium ion secondary battery - Google Patents

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Description

本発明はリチウムイオン二次電池に係り、特に、リチウム遷移金属複酸化物を含む正極板と負極板とがセパレータを介して配置された電極群が電解液に浸潤され電池容器に収容されたリチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a lithium ion secondary battery, and in particular, a lithium electrode in which an electrode group in which a positive electrode plate and a negative electrode plate containing a lithium transition metal double oxide are arranged via a separator is infiltrated with an electrolytic solution and accommodated in a battery container. The present invention relates to an ion secondary battery.

従来リチウムイオン二次電池では、正極活物質として、リチウムイオンを吸蔵、放出可能なリチウム遷移金属複酸化物が用いられている。中でも、安全性に優れることや原料が低コストであることからスピネル系マンガン酸リチウムの使用が提案されている。このマンガン酸リチウムを使用した場合は、安全性等で利点がある反面、サイクル(充放電の繰り返し)や電池の保存、放置によりマンガン(遷移金属)イオンが溶出することで正極活物質の結晶構造の変化を生じ、リチウムイオンを吸蔵、放出する正極活物質の可逆性が低下するため、容量劣化を引き起こすことが知られている。   In the conventional lithium ion secondary battery, a lithium transition metal double oxide capable of inserting and extracting lithium ions is used as a positive electrode active material. Among them, the use of spinel-type lithium manganate has been proposed because of its excellent safety and low cost raw materials. When this lithium manganate is used, there are advantages in terms of safety, but the crystal structure of the positive electrode active material by elution of manganese (transition metal) ions by cycling (repetition of charge / discharge), storage and storage of batteries It is known that the reversibility of the positive electrode active material that occludes and releases lithium ions is reduced, causing capacity deterioration.

また、リチウムイオン二次電池では、有機溶媒にリチウム塩等のリチウム含有電解質が溶解された非水電解液が用いられている。電池内に水分が混入した場合は、非水電解液中でリチウム含有電解質が水分との反応により分解する。このため、正極活物質から放出されたリチウムイオンの移動が阻害され、容量や出力の低下、更には寿命低下を引き起こす。非水電解液中の水分を除去するために、例えば、非水電解液に吸着剤を混入させる技術が開示されている(特許文献1参照)。   Further, in the lithium ion secondary battery, a non-aqueous electrolyte solution in which a lithium-containing electrolyte such as a lithium salt is dissolved in an organic solvent is used. When moisture is mixed in the battery, the lithium-containing electrolyte is decomposed in the non-aqueous electrolyte by reaction with moisture. For this reason, the movement of lithium ions released from the positive electrode active material is hindered, causing a decrease in capacity and output, and further a decrease in life. In order to remove moisture in the non-aqueous electrolyte, for example, a technique of mixing an adsorbent into the non-aqueous electrolyte is disclosed (see Patent Document 1).

特開平7−262999号公報JP-A-7-262999

しかしながら、リチウム含有電解質として6フッ化リン酸リチウム(LiPF)等のリチウムフッ化物や過塩素酸リチウム(LiClO)等のリチウム塩化物を使用した場合は、リチウムイオン二次電池内に含まれる水分が微量であってもリチウム含有電解質の分解が起こり、フッ化水素(HF)や過塩素酸(HClO)といった酸が発生することとなる。この酸がリチウム遷移金属複酸化物からの遷移金属イオンの溶出を促進することから、上述したように、容量劣化や寿命低下といった問題を引き起こす。特許文献1の技術では、水分除去用の吸着剤を混入させているものの、リチウム含有電解質の分解が微量の水分でも生じることから、吸着剤による水分の除去が十分とはいえない。従って、正極活物質にマンガン酸リチウム等のリチウム遷移金属複酸化物を用いた場合、リチウムイオン二次電池の長寿命化を図るためには、リチウム含有電解質の分解で発生した酸を中和する、または、酸の発生を抑制することが重要と考えられる。 However, when lithium fluoride such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) or lithium chloride such as lithium perchlorate (LiClO 4 ) is used as the lithium-containing electrolyte, it is included in the lithium ion secondary battery. Even if the amount of moisture is small, the lithium-containing electrolyte is decomposed, and an acid such as hydrogen fluoride (HF) or perchloric acid (HClO 4 ) is generated. Since this acid promotes the elution of transition metal ions from the lithium transition metal complex oxide, as described above, it causes problems such as capacity deterioration and life reduction. In the technique of Patent Document 1, although an adsorbent for removing water is mixed, since the lithium-containing electrolyte is decomposed even with a very small amount of water, it cannot be said that removal of water with the adsorbent is sufficient. Therefore, when a lithium transition metal double oxide such as lithium manganate is used as the positive electrode active material, in order to extend the life of the lithium ion secondary battery, the acid generated by the decomposition of the lithium-containing electrolyte is neutralized. Alternatively, it is considered important to suppress the generation of acid.

本発明は、上記事案に鑑み、容量低下を抑制し長寿命化を図ることができるリチウムイオン二次電池を提供することを課題とする。   An object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery capable of suppressing a decrease in capacity and extending its life in view of the above-described case.

上記課題を解決するために、本発明は、軸芯を中心にリチウム遷移金属複酸化物を含む正極板と負極板とセパレータを介して捲回した電極群が非水電解液に浸潤され電池容器に収容されたリチウムイオン二次電池において、前記非水電解液は有機溶媒にリチウム含有電解質が混合されたものであり、固体状で前記リチウム含有電解質の分解で生じる酸を中和する無機酸化物である酸中和剤と、多孔性物質である水吸収剤とが前記電極群の軸芯および前記電極群の外周部の少なくとも一方に存在しており、前記無機酸化物は少なくともアルミナ、シリカおよび酸化マグネシウムから選択された一種であるとともに、前記多孔性物質は少なくともゼオライト系化合物およびセルロース系化合物から選択される一種を材質としたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention includes an electrode group of wound via a separator and a positive electrode plate and negative electrode plate comprising a lithium transition metal complex oxide in about the axis is infiltrated into non-aqueous electrolyte cell In the lithium ion secondary battery housed in a container, the non-aqueous electrolyte is a mixture of a lithium-containing electrolyte in an organic solvent, and is a solid-state inorganic oxide that neutralizes acids generated by decomposition of the lithium-containing electrolyte. An acid neutralizing agent that is a product and a water absorbent that is a porous material are present in at least one of the axial core of the electrode group and the outer periphery of the electrode group, and the inorganic oxide is at least alumina, silica And the porous material is made of at least one selected from zeolite-based compounds and cellulose-based compounds.

本発明では、電極群の軸芯および電極群の外周部の少なくとも一方に存在している無機酸化物である酸中和剤を固体状とすることで、液体状で非水電解液と混合形態で存在する場合と比べ非水電解液に与える影響を抑制すると共に、非水電解液中のリチウム含有電解質が水分との反応で分解し酸を生じたときに、生じた酸が酸中和剤で中和されリチウム遷移金属複酸化物の分解による遷移金属イオンの溶出が抑制され、電極群の軸芯および電極群の外周部の少なくとも一方に多孔性物質である水吸収剤が存在していることで、電池内に混入した水分が吸収されリチウム含有電解質の分解が抑制されるので、容量低下を抑制し長寿命化を図ることができる。 In the present invention, the acid neutralizing agent, which is an inorganic oxide present in at least one of the axial core of the electrode group and the outer peripheral portion of the electrode group, is made into a solid state, so that it is liquid and mixed with the non-aqueous electrolyte. As compared with the case where it is present in the aqueous solution, the effect on the non-aqueous electrolyte is suppressed, and when the lithium-containing electrolyte in the non-aqueous electrolyte is decomposed by reaction with moisture to generate an acid, the generated acid is an acid neutralizer. The elution of transition metal ions due to the decomposition of the lithium transition metal complex oxide is suppressed , and a water absorbent that is a porous material is present on at least one of the axial core of the electrode group and the outer periphery of the electrode group it is, it is possible to achieve Runode the decomposition of contaminating moisture is absorbed lithium-containing electrolyte in the battery is suppressed, the suppression and long life capacity reduction.

この場合において、リチウム遷移金属複酸化物をスピネル系マンガン酸リチウムとすることができる。非水電解液にホスファゼン系難燃剤が含有されていてもよい。酸中和剤ないし水吸収剤が、さらに、セパレータ、正極板および負極板のうちの少なくとも1つに存在していてもよい。 In this case, it is possible to the Lithium transition metal complex oxide with a spinel-type lithium manganate. The non-aqueous electrolyte may contain a phosphazene flame retardant. An acid neutralizing agent or a water absorbent may be further present in at least one of the separator, the positive electrode plate, and the negative electrode plate.

本発明によれば、電極群の軸芯および電極群の外周部の少なくとも一方に存在している無機酸化物である酸中和剤を固体状とすることで、液体状で非水電解液と混合形態で存在する場合と比べ非水電解液に与える影響を抑制すると共に、非水電解液中のリチウム含有電解質が水分との反応で分解し酸を生じたときに、生じた酸が酸中和剤で中和されリチウム遷移金属複酸化物の分解による遷移金属イオンの溶出が抑制され、電極群の軸芯および電極群の外周部の少なくとも一方に多孔性物質である水吸収剤が存在していることで、電池内に混入した水分が吸収されリチウム含有電解質の分解が抑制されるので、容量低下を抑制し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 , the acid neutralizing agent, which is an inorganic oxide present in at least one of the axial core of the electrode group and the outer peripheral portion of the electrode group, is made solid, so that the liquid non-aqueous electrolyte and Compared to the case where it exists in a mixed form, the effect on the non-aqueous electrolyte is suppressed, and when the lithium-containing electrolyte in the non-aqueous electrolyte decomposes by reaction with moisture to produce an acid, the generated acid is in the acid. Elution of transition metal ions due to decomposition of the lithium transition metal double oxide is suppressed by neutralizing with a hydrating agent, and a water absorbent that is a porous substance is present on at least one of the axial core of the electrode group and the outer periphery of the electrode group. and it has, it is possible to achieve Runode is suppressed decomposition of entrained moisture is absorbed lithium-containing electrolyte into the battery, the suppressing long life capacity reduction, there can be provided an advantage.

本発明を適用した実施形態の円柱型リチウムイオン二次電池を一部破断して模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which fractures | ruptures partially and shows typically the cylindrical lithium ion secondary battery of embodiment to which this invention is applied. 実施形態の円柱型リチウムイオン二次電池を放置したときの放置日数に対する容量維持率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the capacity | capacitance maintenance factor with respect to the leaving days when the cylindrical lithium ion secondary battery of embodiment is left.

以下、図面を参照して、本発明を18650タイプの円柱型リチウムイオン二次電池に適用した実施の形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to an 18650 type cylindrical lithium ion secondary battery will be described with reference to the drawings.

図1に示すように、本実施形態の円柱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缶9を有している。電池缶9には、帯状の正極板4および帯状の負極板5がセパレータ6を介して断面渦巻状に捲回された電極群7が収容されている。   As shown in FIG. 1, the columnar lithium ion secondary battery 20 of the present embodiment includes a bottomed cylindrical battery can 9 made of nickel-plated steel. The battery can 9 contains an electrode group 7 in which a belt-like positive electrode plate 4 and a belt-like negative electrode plate 5 are wound in a spiral shape with a separator 6 interposed therebetween.

電極群7の下側には、負極板5を構成する負極集電体に一端を接合されたニッケル製タブ端子の他端が導出されている。ニッケル製タブ端子の他端は、負極外部端子を兼ねる電池缶9の内底面に溶接で接合されている。   Under the electrode group 7, the other end of the nickel tab terminal joined at one end to the negative electrode current collector constituting the negative electrode plate 5 is led out. The other end of the nickel tab terminal is welded to the inner bottom surface of the battery can 9 that also serves as the negative electrode external terminal.

一方、電極群7の上側には、正極板4を構成する正極集電体に一端を接合されたアルミニウム製タブ端子の他端が導出されている。電極群7の上方には、安全弁を内蔵し正極外部端子を兼ねる円盤状の上蓋が配置されている。アルミニウム製タブ端子の他端は、上蓋の下面に溶接で接合されている。上蓋は、絶縁性のガスケットを介して電池缶9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。   On the other hand, on the upper side of the electrode group 7, the other end of the aluminum tab terminal joined at one end to the positive electrode current collector constituting the positive electrode plate 4 is led out. Above the electrode group 7, a disc-shaped upper lid that has a built-in safety valve and also serves as a positive external terminal is disposed. The other end of the aluminum tab terminal is joined to the lower surface of the upper lid by welding. The upper lid is caulked and fixed to the upper part of the battery can 9 via an insulating gasket. For this reason, the inside of the lithium ion secondary battery 20 is sealed.

電極群7は、正極板4と負極板5とが、これら両極板が直接接触しないように、リチウムイオンが通過可能なポリエチレン製微多孔膜のセパレータ6を介して捲回されている。電極群7の捲回中心には、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEと略記する。)製の軸芯1が用いられている。セパレータ6は、本例では、幅(電池缶9の長手方向の長さ)が58mm、厚さが40μmに設定されている。アルミニウム製タブ端子およびニッケル製タブ端子は、それぞれ電極群7の互いに反対側の両端面に導出されている。電極群7の周面全周には、電極群7と電池缶9との電気的接触を防止するために絶縁被覆が施されている。   In the electrode group 7, the positive electrode plate 4 and the negative electrode plate 5 are wound through a polyethylene microporous membrane separator 6 through which lithium ions can pass so that the two electrode plates do not directly contact each other. An axis 1 made of polytetrafluoroethylene (hereinafter abbreviated as PTFE) is used at the winding center of the electrode group 7. In this example, the separator 6 has a width (length in the longitudinal direction of the battery can 9) of 58 mm and a thickness of 40 μm. The aluminum tab terminal and the nickel tab terminal are led out to the opposite end surfaces of the electrode group 7, respectively. An insulation coating is applied to the entire circumference of the electrode group 7 in order to prevent electrical contact between the electrode group 7 and the battery can 9.

電極群7を構成する正極板4は、正極集電体としてアルミニウム箔を有している。アルミニウム箔の厚さは、本例では、20μmに設定されている。アルミニウム箔の両面には、正極活物質としてリチウム遷移金属複酸化物を含む正極合剤が塗着されている。リチウム遷移金属複酸化物には、本例では、スピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウム粉末が用いられている。正極合剤には、正極活物質以外に、導電材として炭素粉末、バインダ(結着剤)としてポリフッ化ビニリデン(以下、PVdFと略記する。)が配合されている。マンガン酸リチウム粉末、炭素粉末およびPVdFの配合割合は、本例では、80:10:10(重量%)に設定されている。アルミニウム箔に正極合剤を塗着するときには、分散溶媒のN−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと略記する。)で粘度調整されスラリが調製される。このスラリがアルミニウム箔の両面に塗布される。正極板4は、乾燥後圧延され、幅54mmに裁断され帯状に形成されている。   The positive electrode plate 4 constituting the electrode group 7 has an aluminum foil as a positive electrode current collector. The thickness of the aluminum foil is set to 20 μm in this example. A positive electrode mixture containing a lithium transition metal double oxide as a positive electrode active material is applied to both surfaces of the aluminum foil. In this example, lithium manganate powder having a spinel crystal structure is used as the lithium transition metal double oxide. In addition to the positive electrode active material, the positive electrode mixture contains carbon powder as a conductive material and polyvinylidene fluoride (hereinafter abbreviated as PVdF) as a binder (binder). In this example, the blending ratio of the lithium manganate powder, the carbon powder, and the PVdF is set to 80:10:10 (% by weight). When the positive electrode mixture is applied to the aluminum foil, the viscosity is adjusted with a dispersion solvent N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP) to prepare a slurry. This slurry is applied to both sides of the aluminum foil. The positive electrode plate 4 is rolled after being dried, cut into a width of 54 mm, and formed into a strip shape.

一方、負極板5は、負極集電体として銅箔を有している。銅箔の厚さは、本例では、10μmに設定されている。銅箔の両面には、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵、放出可能な非晶質炭素粉末や黒鉛粉末等の炭素材料を含む負極合剤が塗着されている。負極合剤には、負極活物質以外に、バインダとしてPVdFが配合されている。炭素材料およびPVdFの配合割合は、本例では、90:10(重量%)に設定されている。銅箔に負極合剤を塗着するときには、分散溶媒のNMPで粘度調整されスラリが調製される。このスラリが銅箔の両面に塗布される。負極板5は、乾燥後、圧延され、幅56mmに裁断され帯状に形成されている。   On the other hand, the negative electrode plate 5 has a copper foil as a negative electrode current collector. The thickness of the copper foil is set to 10 μm in this example. A negative electrode mixture containing a carbon material such as amorphous carbon powder or graphite powder capable of occluding and releasing lithium ions as a negative electrode active material is applied to both surfaces of the copper foil. In addition to the negative electrode active material, PVdF is blended in the negative electrode mixture as a binder. In this example, the blending ratio of the carbon material and PVdF is set to 90:10 (% by weight). When the negative electrode mixture is applied to the copper foil, the viscosity is adjusted with the dispersion solvent NMP to prepare a slurry. This slurry is applied to both sides of the copper foil. The negative electrode plate 5 is dried and then rolled, cut into a width of 56 mm, and formed in a strip shape.

また、電極群7内には、水吸収剤および酸中和剤が存在している。水吸収剤、酸中和剤は、軸芯1、電極群7の外周部、セパレータ6、正極板4および負極板5のうち、少なくとも1つに含有されている。本例では、図1に示すように、水吸収剤、酸中和剤が軸芯1と、電極群7の外周部に巻かれた薄膜3とにそれぞれ含有されている。薄膜3は、電極群7の外周部に位置する正極板4または負極板5と、セパレータ6との間に配されている。すなわち、水吸収剤および酸中和剤が軸芯1と電極群7の外周部との2箇所にそれぞれ存在している。また、酸中和剤は、非水電解液中のリチウム塩の分解で生じる酸に対して中和作用を示す固体状の無機酸化物であり、本例では、アルミナ(酸化アルミニウム)が用いられている。また、水吸収剤は固体状の多孔性物質であり、本例では、モレキュラーシーブ(モレキュラーシーブス)が用いられている。   In the electrode group 7, a water absorbent and an acid neutralizing agent are present. The water absorbent and the acid neutralizing agent are contained in at least one of the shaft core 1, the outer peripheral portion of the electrode group 7, the separator 6, the positive electrode plate 4, and the negative electrode plate 5. In this example, as shown in FIG. 1, a water absorbent and an acid neutralizer are contained in the shaft core 1 and the thin film 3 wound around the outer periphery of the electrode group 7. The thin film 3 is disposed between the separator 6 and the positive electrode plate 4 or the negative electrode plate 5 located on the outer periphery of the electrode group 7. That is, the water absorbent and the acid neutralizer are present at two locations, the shaft core 1 and the outer peripheral portion of the electrode group 7, respectively. The acid neutralizing agent is a solid inorganic oxide that has a neutralizing action on the acid generated by the decomposition of the lithium salt in the non-aqueous electrolyte. In this example, alumina (aluminum oxide) is used. ing. The water absorbent is a solid porous material, and in this example, molecular sieves (molecular sieves) are used.

酸中和剤のアルミナと水吸収剤のモレキュラーシーブとを含む軸芯1は、次のようにして作製されたものである。すなわち、アルミナとモレキュラーシーブとPTFEとを60:35:5(重量%)の割合で混合した後、直径3mm、長さ55mmの円柱状に成形した。その後、120℃で12時間真空乾燥させた。アルミナ、モレキュラーシーブは、使用前に、それぞれ150℃で24時間真空乾燥したものを用いた。   The shaft core 1 containing the acid neutralizing agent alumina and the water absorbent molecular sieve is manufactured as follows. That is, alumina, molecular sieve, and PTFE were mixed at a ratio of 60: 35: 5 (% by weight), and then formed into a cylindrical shape having a diameter of 3 mm and a length of 55 mm. Then, it vacuum-dried at 120 degreeC for 12 hours. Alumina and molecular sieves were each vacuum-dried at 150 ° C. for 24 hours before use.

また、水吸収剤、酸中和剤を電極群7の外周部に存在させるために、酸中和剤と水吸収剤とを含有する薄膜3が用いられている。薄膜3は、次のようにして作製されたものである。すなわち、アルミナとモレキュラーシーブとPTFEとを60:35:5(重量%)の割合で混合した後、厚さ100μmの薄膜状に成形した。その後、120℃で12時間真空乾燥させた。   Moreover, in order to make a water absorber and an acid neutralizer exist in the outer peripheral part of the electrode group 7, the thin film 3 containing an acid neutralizer and a water absorber is used. The thin film 3 is produced as follows. That is, alumina, molecular sieve, and PTFE were mixed at a ratio of 60: 35: 5 (% by weight), and then formed into a thin film having a thickness of 100 μm. Then, it vacuum-dried at 120 degreeC for 12 hours.

電池缶9内には、非水電解液が注液されている。非水電解液の注液量は、本例では、4.5mlに設定されている。このため、非水電解液が電極群7に浸潤している。非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とジエチルカーボネート(DEC)との体積比1:1:1の混合溶媒中にリチウム塩(リチウム含有電解質)としてリチウムフッ化物である6フッ化リン酸リチウム(LiPF)を1.0モル/リットルで溶解したものが用いられている。また、この非水電解液には、難燃化剤として、リンおよび窒素を基本骨格とする液体状のホスファゼン化合物が含有されている。ホスファゼン化合物は、一般式(NPRまたは(NPRで表される環状化合物であり、一般式中のRはフッ素や塩素等のハロゲン元素または一価の置換基を示している。一価の置換基としては、メトキシ基やエトキシ基等のアルコキシ基、フェノキシ基やメチルフェノキシ基等のアリールオキシ基、メチル基やエチル基等のアルキル基、フェニル基やトリル基等のアリール基、メチルアミノ基等の置換型アミノ基を含むアミノ基、メチルチオ基やエチルチオ基等のアルキルチオ基、および、フェニルチオ基等のアリールチオ基を挙げることができる。非水電解液中の難燃化剤の含有割合は、本例では、15vol(体積)%に設定されている。 A non-aqueous electrolyte is injected into the battery can 9. The injection amount of the non-aqueous electrolyte is set to 4.5 ml in this example. For this reason, the non-aqueous electrolyte is infiltrated into the electrode group 7. The non-aqueous electrolyte includes lithium fluoride as a lithium salt (lithium-containing electrolyte) in a 1: 1: 1 volume ratio of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and diethyl carbonate (DEC). Some lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) dissolved at 1.0 mol / liter is used. The non-aqueous electrolyte contains a liquid phosphazene compound having phosphorus and nitrogen as a basic skeleton as a flame retardant. The phosphazene compound is a cyclic compound represented by the general formula (NPR 2 ) 3 or (NPR 2 ) 4 , and R in the general formula represents a halogen element such as fluorine or chlorine or a monovalent substituent. As monovalent substituents, alkoxy groups such as methoxy group and ethoxy group, aryloxy groups such as phenoxy group and methylphenoxy group, alkyl groups such as methyl group and ethyl group, aryl groups such as phenyl group and tolyl group, Examples thereof include an amino group containing a substituted amino group such as a methylamino group, an alkylthio group such as a methylthio group and an ethylthio group, and an arylthio group such as a phenylthio group. In this example, the content ratio of the flame retardant in the nonaqueous electrolytic solution is set to 15 vol (volume)%.

(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.

本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、軸芯1、電極群7に巻かれた薄膜3に酸中和剤のアルミナが含有されている。このため、リチウムイオン二次電池20内に混入した微量の水分により非水電解液中の6フッ化リン酸リチウムが分解してフッ化水素酸が発生しても、アルミナとの反応によりフッ化水素酸を中和することができる。このため、フッ化水素酸による正極活物質のマンガン酸リチウムからのマンガンイオンの溶出を抑制することができる。これにより、非水電解液中でのリチウムイオンの伝導性が確保されるため、容量低下を抑制し長寿命化を図ることができる。   In the lithium ion secondary battery 20 of this embodiment, the acid neutralizer alumina is contained in the thin film 3 wound around the shaft core 1 and the electrode group 7. For this reason, even if lithium hexafluorophosphate in the non-aqueous electrolyte is decomposed by a small amount of water mixed in the lithium ion secondary battery 20 and hydrofluoric acid is generated, the reaction with alumina causes fluorination. Hydrogen acid can be neutralized. For this reason, elution of manganese ions from lithium manganate of the positive electrode active material by hydrofluoric acid can be suppressed. Thereby, since the conductivity of lithium ions in the non-aqueous electrolyte is ensured, the capacity reduction can be suppressed and the life can be extended.

また、本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、軸芯1、薄膜3に酸中和剤のアルミナと共に水吸収剤のモレキュラーシーブが含有されている。このため、リチウムイオン二次電池20内に微量の水分が混入しても、モレキュラーシーブの作用により水分を吸着除去することができる。これにより、非水電解液中の微量の水分が除去されるため、非水電解液中の6フッ化リン酸リチウムの分解を抑制することができる。   Further, in the lithium ion secondary battery 20 of the present embodiment, the shaft core 1 and the thin film 3 contain a water absorbent molecular sieve together with an acid neutralizer alumina. For this reason, even if a very small amount of water is mixed in the lithium ion secondary battery 20, the water can be adsorbed and removed by the action of the molecular sieve. Thereby, since a trace amount of water | moisture content in a nonaqueous electrolyte solution is removed, decomposition | disassembly of lithium hexafluorophosphate in a nonaqueous electrolyte solution can be suppressed.

更に、本実施形態のリチウムイオン二次電池20では、酸中和剤および水吸収剤が電極群7の軸芯1と、電極群7の外周部に配された薄膜3との2箇所に存在している。このため、酸中和剤によるフッ化水素酸の中和、水吸収剤による水分の除去を効率よく行うことができる。また、酸中和剤や水吸収剤を液体状とした場合は、非水電解液との反応やリチウムイオンの移動性の阻害等が生じ、非水電解液に影響を及ぼすことが考えられる。本実施形態では、軸芯1、薄膜3に含有された酸中和剤および水吸収剤がいずれも固体状のため、非水電解液に与える影響を抑制することができる。   Furthermore, in the lithium ion secondary battery 20 of the present embodiment, the acid neutralizing agent and the water absorbent are present in two places, the axial core 1 of the electrode group 7 and the thin film 3 disposed on the outer periphery of the electrode group 7. doing. For this reason, neutralization of hydrofluoric acid with an acid neutralizer and removal of water with a water absorbent can be performed efficiently. In addition, when the acid neutralizing agent or the water absorbent is in a liquid state, it may be considered that the reaction with the nonaqueous electrolytic solution, the inhibition of lithium ion mobility, and the like occur, affecting the nonaqueous electrolytic solution. In this embodiment, since the acid neutralizer and the water absorbent contained in the shaft core 1 and the thin film 3 are both solid, the influence on the non-aqueous electrolyte can be suppressed.

また更に、本実施形態では、非水電解液中に難燃化剤として液体状のホスファゼン化合物が含有されている。このホスファゼン化合物が電池異常時等の高温環境下で分解し、消火作用を発揮するため、非水電解液に自己消化性が付与される。このため、リチウムイオン二次電池20が異常な高温環境下に曝されたときや電池異常が生じたときに非水電解液の分解で生じたガスの噴出や非水電解液の漏液が起こっても、噴出したガスや漏液した非水電解液に対する引火が抑制されるので、電池の安全性を確保することができる。   Furthermore, in the present embodiment, a liquid phosphazene compound is contained as a flame retardant in the nonaqueous electrolytic solution. Since this phosphazene compound decomposes in a high temperature environment such as when the battery is abnormal and exhibits a fire extinguishing action, self-digestibility is imparted to the non-aqueous electrolyte. For this reason, when the lithium ion secondary battery 20 is exposed to an abnormally high temperature environment or when a battery abnormality occurs, gas ejection or leakage of the nonaqueous electrolyte occurs due to decomposition of the nonaqueous electrolyte. However, since the ignition to the ejected gas or the leaked non-aqueous electrolyte is suppressed, the safety of the battery can be ensured.

なお、本実施形態では、18650タイプの円柱型リチウムイオン二次電池について例示したが、本発明は円柱型に限定されるものではなく、コイン型、ボタン型、角型等のリチウムイオン二次電池に適用することも可能である。また、電池サイズについても特に制限はない In this embodiment, the 18650 type cylindrical lithium ion secondary battery is illustrated, but the present invention is not limited to the cylindrical type, and a lithium ion secondary battery such as a coin type, a button type, or a square type is used. It is also possible to apply to. There is no particular limitation on the battery size .

また、本実施形態では、酸中和剤としてアルミナを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、非水電解液に溶存したリチウム塩の分解で生じる酸に対して中和作用を示す固体状のものであればよい。酸中和剤としては、例えば、ケイ素やマグネシウム等の酸化物、すなわち、シリカや酸化マグネシウムのような無機酸化物を用いることができ、少なくともアルミナ、シリカおよび酸化マグネシウムから選択される1種を用いることが好ましい。   In the present embodiment, alumina is exemplified as the acid neutralizing agent, but the present invention is not limited to this, and neutralizes the acid generated by the decomposition of the lithium salt dissolved in the non-aqueous electrolyte. It may be in a solid state showing. As the acid neutralizing agent, for example, an oxide such as silicon or magnesium, that is, an inorganic oxide such as silica or magnesium oxide can be used, and at least one selected from alumina, silica and magnesium oxide is used. It is preferable.

更に、本実施形態では、水吸収剤としてモレキュラーシーブを例示したが、本発明で用いることができる水吸収剤としては特に制限されるものではない。水吸収剤としては、例えば、ゼオライト系やセルロース系で固体状の多孔性物質を用いることができ、少なくともゼオライト系化合物およびセルロース系化合物の1種を材質としたものを用いることが好ましい。   Furthermore, in this embodiment, the molecular sieve was exemplified as the water absorbent, but the water absorbent that can be used in the present invention is not particularly limited. As the water absorbent, for example, a zeolite-based or cellulose-based solid porous material can be used, and it is preferable to use at least one of a zeolite-based compound and a cellulose-based compound as a material.

また更に、本実施形態では、酸中和剤および水吸収剤を軸芯1と、電極群7の外周に巻き付けられた薄膜3に含有させる例を示したが、本発明はこれに制限されるものではない。酸中和剤ないし水吸収剤が電極群7内に存在していればよく、少なくとも軸芯1、電極群7の外周部、セパレータ6、正極板4および負極板5のうちの1つに含有させることができる。例えば、捲回式の電極群7に代えて積層型の電極群を用いた場合は、軸芯1を用いないため、正極合剤や負極合剤に酸中和剤ないし水吸収剤を配合することで正極板4や負極板5に含有させるようにすればよい。また、酸中和剤および水吸収剤を一緒に含有させることなく、それぞれ別に含有させるようにしてもよい。例えば、軸芯1に酸中和剤を含有させ、薄膜3に水吸収剤を含有させるようにすることも可能である。   Furthermore, in the present embodiment, an example in which the acid neutralizer and the water absorbent are contained in the shaft core 1 and the thin film 3 wound around the outer periphery of the electrode group 7 is shown, but the present invention is limited to this. It is not a thing. An acid neutralizer or water absorbent may be present in the electrode group 7, and is contained in at least one of the shaft core 1, the outer periphery of the electrode group 7, the separator 6, the positive electrode plate 4, and the negative electrode plate 5. Can be made. For example, when a stacked electrode group is used instead of the wound electrode group 7, the shaft core 1 is not used, so that an acid neutralizer or a water absorbent is blended in the positive electrode mixture or the negative electrode mixture. Thus, the positive electrode plate 4 and the negative electrode plate 5 may be included. Moreover, you may make it contain separately, without making an acid neutralizer and a water absorber contain together. For example, the shaft core 1 can contain an acid neutralizing agent, and the thin film 3 can contain a water absorbent.

更にまた、本実施形態では、酸中和剤と水吸収剤を含有させる軸芯1および薄膜3を形成する際に、高分子材料としてPTFEを例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。軸芯1や薄膜3を形成する高分子材料としては、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレン/ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン等の重合体を挙げることができ、これらの混合体等を使用するようにしてもよい。   Furthermore, in the present embodiment, when the shaft core 1 and the thin film 3 containing the acid neutralizing agent and the water absorbent are formed, PTFE is exemplified as the polymer material, but the present invention is limited to this. is not. Examples of the polymer material for forming the shaft core 1 and the thin film 3 include polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate, polyethylene, polystyrene, polybutadiene, butyl rubber, nitrile rubber, styrene / butadiene rubber, polysulfide rubber, nitrocellulose, Polymers such as cyanoethyl cellulose, various latexes, acrylonitrile, vinyl fluoride, vinylidene fluoride, propylene fluoride, chloroprene fluoride, and the like may be used.

また、本実施形態では、正極活物質としてスピネル結晶構造を有する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い。例えば、コバルト酸リチウムやニッケル酸リチウム、また、これらの結晶中のリチウムやマンガンの一部をそれら以外の元素で置換またはドープした材料を用いるようにしてもよい。結晶構造についても特に制限はないが、長寿命化を図ることを考慮すれば、結晶構造の安定性からスピネル結晶構造を有するマンガン酸リチウムを用いることが好ましい。   Moreover, in this embodiment, although lithium manganate which has a spinel crystal structure was illustrated as a positive electrode active material, this invention is not limited to this. For example, lithium cobaltate or lithium nickelate, or a material obtained by substituting or doping a part of lithium or manganese in these crystals with other elements may be used. Although there is no particular limitation on the crystal structure, it is preferable to use lithium manganate having a spinel crystal structure from the viewpoint of stability of the crystal structure in consideration of extending the life.

更に、本実施形態では、非水電解液中の難燃化剤の含有割合を15vol%に設定する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、含有割合を10vol%以上とすることで上述した効果の得られることを確認している。難燃化剤の含有割合が10vol%に満たないと非水電解液に対する難燃性や自己消化性の付与が難しくなり、反対に、25vol%を超えると充放電時のイオン伝導を妨げ、容量や出力を低下させることとなる。このため、難燃化剤の含有割合を10〜25vol%の範囲とすることが好ましい。   Furthermore, in this embodiment, although the example which sets the content rate of the flame retardant in nonaqueous electrolyte solution to 15 vol% was shown, this invention is not limited to this, A content rate is 10 vol% or more It has been confirmed that the effects described above can be obtained. If the content of the flame retardant is less than 10 vol%, it becomes difficult to impart flame retardancy and self-digestibility to the non-aqueous electrolyte. On the other hand, if it exceeds 25 vol%, ion conduction during charge / discharge is hindered, And output will be reduced. For this reason, it is preferable to make the content rate of a flame retardant into the range of 10-25 vol%.

また更に、本実施形態では、正極板4、負極板5を作製する際のバインダとしてPVdF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、PTFE、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレン/ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン等の重合体およびこれらの混合体などを使用するようにしてもよい。   Furthermore, in the present embodiment, PVdF is exemplified as a binder when the positive electrode plate 4 and the negative electrode plate 5 are produced. However, the present invention is not limited to this, for example, PTFE, polyethylene, polystyrene, polybutadiene, Polymers such as butyl rubber, nitrile rubber, styrene / butadiene rubber, polysulfide rubber, nitrocellulose, cyanoethyl cellulose, various latexes, acrylonitrile, vinyl fluoride, vinylidene fluoride, propylene fluoride, chloroprene, and mixtures thereof May be used.

更にまた、本実施形態では、非水電解液の有機溶媒として、EC、DMC、DECを例示したが、本発明は用いられる有機溶媒には特に制限されない。例えば、有機溶媒としては、プロピレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル等またはこれらの2種以上の混合溶媒を用いるようにしてもよく、混合配合比についても限定されるものではない。また、有機溶媒に溶解させるリチウム塩としてリチウムフッ化物の6フッ化リ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い。本実施形態以外で用いることのできるリチウム塩としては、例えば、LiClO等のリチウム塩化物、LiAsF、LiBF等のリチウムフッ化物やこれらの混合物を用いることができる。これらのリチウム塩についても、水と反応することで過塩素酸やフッ化水素といった酸を発生するため、上述したように酸中和剤や水吸収剤を含有させることで電池寿命を向上させることができる。 Furthermore, in the present embodiment, EC, DMC, and DEC are exemplified as the organic solvent of the nonaqueous electrolytic solution, but the present invention is not particularly limited to the organic solvent to be used. For example, as the organic solvent, propylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, Sulfolane, methyl sulfolane, acetonitrile, propionitrile, etc. or a mixed solvent of two or more of these may be used, and the mixing ratio is not limited. Moreover, although lithium hexafluorophosphate of lithium fluoride is exemplified as the lithium salt to be dissolved in the organic solvent, the present invention is not limited to this. As lithium salts that can be used in other than this embodiment, for example, may be used lithium chloride such as LiClO 4, the LiAsF 6, LiBF lithium fluoride, and mixtures thereof, such as 4. These lithium salts also generate acids such as perchloric acid and hydrogen fluoride by reacting with water, so that the battery life can be improved by adding an acid neutralizer and a water absorbent as described above. Can do.

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、比較のために作製した比較例のリチウムイオン二次電池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, it describes together about the lithium ion secondary battery of the comparative example produced for the comparison.

(実施例1)
実施例1では、酸中和剤のアルミナと水吸収剤のモレキュラーシーブとを含む軸芯1を用いて電極群7を作製し、リチウムイオン二次電池20を作製した。
Example 1
In Example 1, the electrode group 7 was produced using the axial core 1 containing the acid neutralizing agent alumina and the water absorbent molecular sieve, and the lithium ion secondary battery 20 was produced.

(実施例2)
実施例2では、酸中和剤のアルミナと水吸収剤のモレキュラーシーブとを含む薄膜3を幅6cm、長さ6cmに切断し、電極群7の外周部に配置してリチウムイオン二次電池20を作製した。
(Example 2)
In Example 2, the thin film 3 containing the acid neutralizing agent alumina and the water absorbent molecular sieve was cut into a width of 6 cm and a length of 6 cm, and arranged on the outer periphery of the electrode group 7 to be a lithium ion secondary battery 20. Was made.

(実施例3)
実施例3では、実施例1で用いた軸芯1を用い、実施例2で用いた薄膜3を電極群7の外周部に配置してリチウムイオン二次電池20を作製した。
(Example 3)
In Example 3, a lithium ion secondary battery 20 was manufactured by using the shaft 1 used in Example 1 and arranging the thin film 3 used in Example 2 on the outer periphery of the electrode group 7.

(比較例1)
比較例1では、電池缶内に水吸収剤および酸中和剤が存在しないリチウムイオン二次電池を作製した。すなわち、水吸収剤および酸中和剤を配合せずPTFEのみで軸芯1を作製した。比較例1の電池は、従来のリチウムイオン二次電池である。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a lithium ion secondary battery in which a water absorbent and an acid neutralizer were not present in the battery can was produced. That is, the shaft core 1 was produced only with PTFE without blending a water absorbent and an acid neutralizer. The battery of Comparative Example 1 is a conventional lithium ion secondary battery.

(評価)
各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池について、容量維持率を測定した。容量維持率の測定では、各リチウムイオン二次電池を、4.2Vまで定電流、定電圧充電を行い満充電状態とし、放電させることで初期放電容量を測定した。再度、満充電状態とした後、40℃の環境下で放置した。一ヶ月ごとに放電容量を測定し、初期放電容量に対する比率を容量維持率として算出した。
(Evaluation)
About the lithium ion secondary battery of each Example and the comparative example, the capacity | capacitance maintenance factor was measured. In the capacity maintenance rate measurement, each lithium ion secondary battery was charged at a constant current and a constant voltage up to 4.2 V to be in a fully charged state, and discharged to measure an initial discharge capacity. After being fully charged again, it was left in an environment of 40 ° C. The discharge capacity was measured every month, and the ratio to the initial discharge capacity was calculated as the capacity maintenance rate.

図2に示すように、比較例1のリチウムイオン二次電池では、放置日数の増加に伴い、容量維持率が大きく低下した。これに対して、酸中和剤のアルミナと水吸収剤のモレキュラーシーブとを電池内に存在させた実施例1〜実施例3のリチウムイオン二次電池20では、容量維持率の低下が小さく抑えられることが判った。従って、リチウムイオン二次電池20の長寿命化を図ることができることが明らかとなった。また、酸中和剤および水吸収剤を軸芯1の内部に存在させた実施例1、電極群7の外周部に存在させた実施例2と比較して、軸芯1の内部と電極群7の外周部との両方に存在させた実施例3の容量維持率が高くなることが判った。このことから、酸中和剤および水吸収剤を存在させる場所は、1箇所に限らず、軸芯1の内部と電極群7の外周部との両方に存在させることが好ましいことが判った。   As shown in FIG. 2, in the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1, the capacity retention rate greatly decreased with an increase in the number of days left. On the other hand, in the lithium ion secondary battery 20 of Example 1 to Example 3 in which the acid neutralizing agent alumina and the water absorbent molecular sieve were present in the battery, the decrease in capacity maintenance rate was suppressed to a small level. It was found that Accordingly, it has been clarified that the life of the lithium ion secondary battery 20 can be extended. Moreover, compared with Example 1 which made the acid neutralizer and water absorbent exist in the inside of the shaft core 1, and Example 2 made to exist in the outer peripheral part of the electrode group 7, the inside of the shaft core 1 and the electrode group It was found that the capacity retention rate of Example 3 that was present both in the outer peripheral portion of 7 increased. From this, it was found that the place where the acid neutralizing agent and the water absorbent are present is not limited to one place, but is preferably present both in the shaft core 1 and in the outer peripheral portion of the electrode group 7.

本発明は容量低下を抑制し長寿命化を図ることができるリチウムイオン二次電池を提供するため、リチウムイオン二次電池の製造、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 provides a lithium ion secondary battery capable of suppressing a decrease in capacity and extending its life, and contributes to the manufacture and sale of lithium ion secondary batteries, it has industrial applicability.

3 薄膜
4 正極板
5 負極板
6 セパレータ
7 電極群
9 電池缶
20 円柱型リチウムイオン二次電池(リチウムイオン二次電池)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Thin film 4 Positive electrode plate 5 Negative electrode plate 6 Separator 7 Electrode group 9 Battery can 20 Cylindrical lithium ion secondary battery (lithium ion secondary battery)

Claims (4)

軸芯を中心にリチウム遷移金属複酸化物を含む正極板と負極板とセパレータを介して捲回した電極群が非水電解液に浸潤され電池容器に収容されたリチウムイオン二次電池において、前記非水電解液は有機溶媒にリチウム含有電解質が混合されたものであり、固体状で前記リチウム含有電解質の分解で生じる酸を中和する無機酸化物である酸中和剤と、多孔性物質である水吸収剤とが前記電極群の軸芯および前記電極群の外周部の少なくとも一方に存在しており、前記無機酸化物は少なくともアルミナ、シリカおよび酸化マグネシウムから選択された一種であるとともに、前記多孔性物質は少なくともゼオライト系化合物およびセルロース系化合物から選択される一種を材質としたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。 In the positive electrode plate and the negative electrode plate and a lithium-ion secondary battery electrode group wound with a separator interposed therebetween is infiltrated into non-aqueous electrolyte housed in a battery container comprising a lithium transition metal complex oxide in about the axis, The non-aqueous electrolyte is an organic solvent mixed with a lithium-containing electrolyte, and is a solid substance, an acid neutralizer that is an inorganic oxide that neutralizes acid generated by decomposition of the lithium-containing electrolyte, and a porous substance And a water absorbent that is present in at least one of the axis of the electrode group and the outer periphery of the electrode group, and the inorganic oxide is at least one selected from alumina, silica, and magnesium oxide, A lithium ion secondary battery, wherein the porous material is made of at least one selected from a zeolite compound and a cellulose compound. 前記リチウム遷移金属複酸化物はスピネル系マンガン酸リチウムであることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the lithium transition metal complex oxide is spinel-type lithium manganate. 前記非水電解液には、ホスファゼン系難燃剤が含有されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載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 non-aqueous electrolyte contains a phosphazene-based flame retardant. 前記酸中和剤ないし前記水吸収剤は、さらに、前記セパレータ、前記正極板および前記負極板のうちの少なくとも1つに存在していることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary according to claim 1, wherein the acid neutralizer or the water absorbent is further present in at least one of the separator, the positive electrode plate, and the negative electrode plate. battery.
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