JP5418828B2 - Lithium secondary battery and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、リチウム二次電池とその製造方法に関する。詳しくは、リチウム二次電池の負極に備えられている負極合剤層の性状に関する。   The present invention relates to a lithium secondary battery and a method for manufacturing the same. In detail, it is related with the property of the negative mix layer provided in the negative electrode of a lithium secondary battery.

リチウムイオンが正極と負極との間を行き来することにより充電および放電するリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)は、軽量で高エネルギー密度が得られることから、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の電源に好ましく用いられるものとして重要性が高まっている。
リチウムイオン電池の典型的な負極では、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出し得る材料(負極活物質)として、少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む粒子状の炭素材料(カーボン粒子)が用いられている。例えば、負極の代表的な構成として、負極活物質たるカーボン粒子を主体とする層(負極合剤層)が負極集電体上に保持された構成が挙げられる。上記負極合剤層を形成する好適な方法として、カーボン粒子を適当な溶媒に分散または溶解させてペーストまたはスラリー状に調製した組成物(以下、当該組成物を「負極合剤層形成用ペースト」という。)を負極集電体に塗布し、次いで適当な密度と厚さにするため当該塗布物をプレスする方法が挙げられる。この種のリチウム二次電池に関する従来技術として、特許文献1〜5が挙げられる。例えば、特許文献1には、負極材料の比表面積を規定することで、高エネルギー密度を維持しつつ充放電サイクル特性を向上させている電池が記載されている。
A lithium secondary battery (typically a lithium ion battery) that is charged and discharged by moving lithium ions back and forth between the positive electrode and the negative electrode is lightweight and has a high energy density. The importance is increasing as what is preferably used for the power supply of a personal computer and a portable terminal.
In a typical negative electrode of a lithium ion battery, a particulate carbon material (carbon particle) containing at least a part of a graphite structure (layered structure) as a material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions (negative electrode active material) Is used. For example, a typical configuration of the negative electrode includes a configuration in which a layer mainly composed of carbon particles as a negative electrode active material (negative electrode mixture layer) is held on a negative electrode current collector. As a preferred method for forming the negative electrode mixture layer, a composition prepared by dispersing or dissolving carbon particles in an appropriate solvent to prepare a paste or slurry (hereinafter, the composition is referred to as “negative electrode mixture layer forming paste”). Is applied to the negative electrode current collector, and then the applied product is pressed to obtain an appropriate density and thickness. Patent documents 1-5 are mentioned as conventional technology about this kind of lithium secondary battery. For example, Patent Document 1 describes a battery in which charge / discharge cycle characteristics are improved while maintaining a high energy density by defining a specific surface area of a negative electrode material.

特開2002−270160号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-270160 特開平10−228896号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-228896 特開2006−236753号公報JP 2006-236753 A 特開2004−296305号公報JP 2004-296305 A 特開2004−127913号公報JP 2004-127913 A

ところで、車両の駆動用電源としてリチウム二次電池を用いる場合、当該電池に対して比較的過酷な環境条件下でハイレートでの充放電が要求される。例えば、低温条件化(例えば−15℃程度の環境下)でハイレート充電が行われる際、その態様によってはリチウムイオンが負極活物質(炭素材料)の層間に吸蔵されず該負極活物質の表面にリチウムが析出して容量が低下してしまう場合があり得る。このような不具合に対処する方策として、負極活物質の表面積を大きくして電解液の界面と接触する面積を増加させることによりリチウムの析出を減少させるため、負極活物質の比表面積を規定することが知られている。
しかしながら、負極活物質の比表面積を規定したとしても、負極活物質を混錬して負極合剤層形成用ペーストを製造する際には負極活物質の表面に結着材(バインダ)が付着することがあり、また、負極を製造する際にはプレス工程により負極活物質に割れや亀裂が発生することがあるので、実質的な有効反応面積が変化する場合がある。
プレス後の負極合剤層の表面積が小さすぎると、低温でハイレートの充電(入力)を行う際にリチウムが表面に金属として析出して容量が低下する事象が生じ得る。また、プレス後の負極合剤層の表面積が大きすぎると、リチウムイオンを消費して形成されるSEI皮膜(Solid Electrolyte Interface)が増大するため、結果としてリチウムイオンが減少すると共に該SEI皮膜がリチウムイオンの動きを阻害するため、容量が低下する事象が生じ得る。
By the way, when a lithium secondary battery is used as a power source for driving a vehicle, the battery is required to be charged and discharged at a high rate under relatively severe environmental conditions. For example, when high-rate charging is performed under low-temperature conditions (for example, in an environment of about −15 ° C.), depending on the mode, lithium ions are not occluded between the layers of the negative electrode active material (carbon material) and do not enter the surface of the negative electrode active material. Lithium may precipitate and the capacity may decrease. As a measure to deal with such problems, the specific surface area of the negative electrode active material should be specified in order to reduce lithium deposition by increasing the surface area of the negative electrode active material and increasing the area in contact with the electrolyte interface. It has been known.
However, even if the specific surface area of the negative electrode active material is defined, when the negative electrode active material is kneaded to produce a negative electrode mixture layer forming paste, a binder (binder) adheres to the surface of the negative electrode active material. In addition, when the negative electrode is manufactured, the negative active material may be cracked or cracked by the pressing process, so that the substantial effective reaction area may change.
When the surface area of the negative electrode mixture layer after pressing is too small, an event may occur in which lithium is deposited as a metal on the surface and the capacity decreases when performing high-rate charging (input) at a low temperature. In addition, if the surface area of the negative electrode mixture layer after pressing is too large, the SEI film (Solid Electrolyte Interface) formed by consuming lithium ions increases, resulting in a decrease in lithium ions and a decrease in the SEI film. In order to inhibit the movement of ions, an event may occur in which the volume decreases.

そこで、本発明はリチウム二次電池に関する従来の問題点を解決すべく創出されたものであり、その目的とするところは、プレス後の負極合剤層の単位面積当たりの表面積を規定することで、低温条件化でのハイレート充放電に対してもリチウムの析出およびSEI皮膜の増大が抑制され、サイクル特性に優れたリチウム二次電池とその製造方法を提供することである。また、このようなリチウム二次電池を備える車両を提供することを他の目的とする。   Therefore, the present invention was created to solve the conventional problems related to lithium secondary batteries, and the object is to define the surface area per unit area of the negative electrode mixture layer after pressing. Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery excellent in cycle characteristics and a method for producing the same, in which the deposition of lithium and the increase in SEI film are suppressed even for high-rate charge / discharge under low temperature conditions. Another object is to provide a vehicle including such a lithium secondary battery.

上記目的を実現するべく本発明により、リチウム二次電池を製造する方法が提供される。ここで開示される製造方法は、以下の工程、すなわち、(1).リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出可能な炭素材料と結着材とを含む負極合剤を所定の溶媒に分散させてなる負極合剤層形成用ペーストを調製する工程、(2).前記ペーストを負極集電体の表面に塗布する工程、(3).前記塗布物をプレスして、プレス後の集電体単位面積当たりの表面積(BET法に基づく。)が180cm2/cm2〜240cm2/cm2である負極合剤層を形成する工程、(4).前記製造した負極合剤層を用いて前記リチウム二次電池を構築する工程、を包含する。好適には、前記プレスは、前記炭素材料の比表面積増加率が少なくとも20%以上となるように、2MPa〜10MPaのプレス圧で行われる。 In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a lithium secondary battery. The manufacturing method disclosed here includes the following steps: (1). A step of preparing a negative electrode mixture layer forming paste in which a negative electrode mixture containing a carbon material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions and a binder is dispersed in a predetermined solvent; (2). Applying the paste to the surface of the negative electrode current collector, (3). (4) a step of pressing the coated material to form a negative electrode mixture layer having a surface area per unit area of the current collector after pressing (based on the BET method) of 180 cm 2 / cm 2 to 240 cm 2 / cm 2; A step of constructing the lithium secondary battery using the produced negative electrode mixture layer. Preferably, the pressing is performed at a pressing pressure of 2 MPa to 10 MPa so that the specific surface area increase rate of the carbon material is at least 20% or more.

なお、本明細書において「リチウム二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間のリチウムイオンの移動により充放電が実現される二次電池をいう。一般にリチウムイオン電池と称される二次電池は、本明細書におけるリチウム二次電池に包含される典型例である。
また、本明細書において「負極活物質」とは、二次電池において電荷担体となる化学種(ここではリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出(典型的には挿入及び離脱)可能な負極側の活物質をいう。
In the present specification, the “lithium secondary battery” refers to a secondary battery that uses lithium ions as electrolyte ions and is charged and discharged by movement of lithium ions between the positive and negative electrodes. A secondary battery generally referred to as a lithium ion battery is a typical example included in the lithium secondary battery in this specification.
Further, in this specification, the “negative electrode active material” means a negative electrode side capable of reversibly occluding and releasing (typically inserting and removing) chemical species (here, lithium ions) as charge carriers in the secondary battery. The active material.

本発明によって提供されるリチウム二次電池の製造方法では、負極合剤層形成用ペーストを負極集電体の表面に塗布し該塗布物をプレスし(典型的には塗布物を乾燥させた後にプレスする。)、そのプレス後の集電体単位面積当たりの表面積が180cm/cm〜240cm/cmである負極合剤層を形成している。
このように、負極合剤層のプレス後(即ち塗布直後のものと比較して形態が変化した後であるプレス後)の集電体単位面積当たりの表面積(以下、単に「プレス後表面積」という場合がある。)を上記のように調整することで、低温条件下(例えば−15℃程度)においてハイレートの充電を行う際に、負極合剤層のプレス後表面積値が上記範囲よりも小さすぎる場合と比較してリチウムイオンが負極活物質内(典型的には炭素系粒子)に吸蔵(挿入)されずに負極活物質の表面に金属リチウムとして析出(デンドライト)することを抑制することができる。さらに、負極合剤層のプレス後表面積値が上記範囲よりも大きすぎる場合と比較して負極活物質の表面においてリチウムイオンの消費を伴うSEI皮膜が増大することを防止することができる。これにより、リチウム二次電池中のリチウムイオンの減少に伴うリチウム二次電池全体の容量低下を回避することができる。すなわち、本発明によれば、低温条件化でのハイレート充放電に対してもサイクル特性に優れたリチウム二次電池を製造することができる。
In the method for producing a lithium secondary battery provided by the present invention, the negative electrode mixture layer forming paste is applied to the surface of the negative electrode current collector, and the applied material is pressed (typically after the applied material is dried). press.), the surface area of the collector per unit area after pressing forms a negative electrode mixture layer is 180cm 2 / cm 2 ~240cm 2 / cm 2.
Thus, the surface area per unit area of the current collector (hereinafter simply referred to as “surface area after pressing”) after pressing the negative electrode mixture layer (that is, after pressing after the form is changed as compared with that immediately after coating). In some cases, the surface area value after pressing of the negative electrode mixture layer is too smaller than the above range when charging at a high rate under low temperature conditions (for example, about −15 ° C.). Compared to the case, lithium ions can be prevented from being deposited (dendrite) as metallic lithium on the surface of the negative electrode active material without being inserted (inserted) into the negative electrode active material (typically carbon-based particles). . Furthermore, it is possible to prevent an increase in the SEI film accompanying the consumption of lithium ions on the surface of the negative electrode active material as compared with the case where the surface area value after pressing of the negative electrode mixture layer is too larger than the above range. Thereby, the capacity | capacitance fall of the whole lithium secondary battery accompanying the reduction | decrease of the lithium ion in a lithium secondary battery can be avoided. That is, according to the present invention, it is possible to manufacture a lithium secondary battery excellent in cycle characteristics even for high rate charge / discharge under low temperature conditions.

好ましくは、前記ペースト塗布工程において、前記負極集電体に塗布する塗布物の集電体単位面積当たりの塗工量を7.5mg/cm以下とする。上記ペーストを負極集電体に塗布する際、当該塗布物の塗工量を7.5mg/cm以下とすることにより、上述したような範囲にある好適なプレス後表面積のプレス後負極合剤層を容易に形成することができる。 Preferably, in the paste application step, the coating amount per unit area of the current collector applied to the negative electrode current collector is 7.5 mg / cm 2 or less. When the paste is applied to the negative electrode current collector, the post-press negative electrode mixture having a suitable post-press surface area in the above-described range by setting the coating amount of the applied product to 7.5 mg / cm 2 or less. Layers can be easily formed.

また、ここで開示される製造方法の好適な一態様では、前記負極合剤層形成工程において、前記負極合剤層のプレス後の集電体単位面積当たりの表面積を200cm/cm〜230cm/cmとする。負極合剤層のプレス後の集電体単位面積当たりの表面積を上記のように調整することで、低温条件化でのハイレート充放電に対してより優れたサイクル特性を備えるリチウム二次電池を製造することができる。 In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, in the negative electrode mixture layer forming step, a surface area per unit area of the current collector after pressing of the negative electrode mixture layer is 200 cm 2 / cm 2 to 230 cm. 2 / cm 2 . Producing a lithium secondary battery with better cycle characteristics for high-rate charge / discharge under low temperature conditions by adjusting the surface area per unit area of the current collector after pressing the negative electrode mixture layer as described above can do.

また、ここで開示される製造方法の好適な一態様では、前記プレスにより前記炭素材料の比表面積を20%以上50%以下(好ましくは25%以上40%以下)増大させる。
この程度の比表面積増大を生じるプレスを行うことによってプレス後表面積が180cm/cm〜240cm/cmである負極合剤層を容易に形成することができる。
In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the specific surface area of the carbon material is increased by 20% to 50% (preferably 25% to 40%) by the press.
The negative electrode mixture layer surface area after pressing is 180cm 2 / cm 2 ~240cm 2 / cm 2 by performing a press to produce this degree of specific surface area increase can be easily formed.

また、本発明により提供される正極と負極と電解質とを備えたリチウム二次電池は、該負極が負極集電体と、該集電体上に形成されたリチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出可能な炭素材料と結着材とを含む負極合剤から構成される負極合剤層とを備え、該負極合剤層の集電体単位面積当たりの表面積(BET法に基づく。)が180cm/cm〜240cm/cmであることを特徴とする。
本発明によって提供されるリチウム二次電池は、負極合剤層のプレス後表面積が180cm/cm〜240cm/cmを満たしている。これにより、低温条件下においてハイレートの充電を行う際に、負極活物質の表面に金属リチウムが析出したり、リチウムイオンの消費を伴うSEI皮膜の増大を防止することができる。この結果、低温条件化でのハイレート充放電に対してもサイクル特性に優れたリチウム二次電池を提供することができる。
Further, the lithium secondary battery provided with the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte provided by the present invention has a negative electrode current collector and reversibly occludes and releases lithium ions formed on the current collector. A negative electrode mixture layer composed of a negative electrode mixture containing a possible carbon material and a binder, and the surface area of the negative electrode mixture layer per unit area of the current collector (based on the BET method) is 180 cm 2. characterized in that it is a / cm 2 ~240cm 2 / cm 2 .
Lithium secondary battery provided by the present invention, after pressing surface area of the negative electrode mixture layer satisfies the 180cm 2 / cm 2 ~240cm 2 / cm 2. Thereby, when performing high-rate charging under low temperature conditions, it is possible to prevent metallic lithium from being deposited on the surface of the negative electrode active material and increase of the SEI film accompanying consumption of lithium ions. As a result, it is possible to provide a lithium secondary battery excellent in cycle characteristics even for high-rate charge / discharge under low temperature conditions.

また、ここで開示されるリチウム二次電池の好適な一態様では、前記負極合剤の集電体単位面積当たりの含量は、7.5mg/cm以下である。負極合剤の集電体単位面積当たりの含量が7.5mg/cm以下であることによって、当該含量が7.5mg/cmを超える場合に比べて、負極合剤層の厚み方向(負極の深さ方向)におけるリチウムイオンと電子との反応不均一が大きく低減され、リチウムイオンが負極活物質の表面に金属リチウムとして析出することを防止することができる。この結果、リチウムの析出が抑制され、サイクル特性に優れたリチウム二次電池を提供することができる。 In a preferred embodiment of the lithium secondary battery disclosed herein, the content of the negative electrode mixture per unit area of the current collector is 7.5 mg / cm 2 or less. When the content per unit area of the current collector of the negative electrode mixture is 7.5 mg / cm 2 or less, the thickness direction of the negative electrode mixture layer (the negative electrode is less than when the content exceeds 7.5 mg / cm 2. The reaction inhomogeneity between lithium ions and electrons in the depth direction) is greatly reduced, and lithium ions can be prevented from being deposited as metallic lithium on the surface of the negative electrode active material. As a result, it is possible to provide a lithium secondary battery that suppresses lithium deposition and has excellent cycle characteristics.

また、ここで開示されるリチウム二次電池の好適な一態様では、前記負極合剤層は、集電体単位面積当たりの表面積が200cm/cm〜230cm/cmである。このような数値範囲のプレス後表面積を有することにより、低温条件化でのハイレート充放電に対してより優れたサイクル特性を備えるリチウム二次電池を提供することができる。 Further, in one preferred embodiment of the lithium secondary battery disclosed herein, the negative electrode mixture layer, the surface area per collector unit area is 200cm 2 / cm 2 ~230cm 2 / cm 2. By having the surface area after pressing in such a numerical range, it is possible to provide a lithium secondary battery having more excellent cycle characteristics with respect to high-rate charge / discharge under low temperature conditions.

一実施形態に係るリチウム二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the external shape of the lithium secondary battery which concerns on one Embodiment. 図1中のII−II線に沿う縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which follows the II-II line | wire in FIG. 一実施形態に係る負極集電体に塗布された負極合剤層に含まれる負極活物質(プレス後)の形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the form of the negative electrode active material (after press) contained in the negative mix layer apply | coated to the negative electrode collector which concerns on one Embodiment. 本発明に係る電池を備えた車両(自動車)を模式的に示す側面図である。It is a side view which shows typically the vehicle (automobile) provided with the battery which concerns on this invention.

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な一実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事項であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of a person skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

本発明によって提供されるリチウム二次電池は、負極合剤層のプレス後表面積を規定することによって特徴付けられる。以下、上記負極合剤層を用いて構築されるリチウム二次電池および該二次電池の製造方法を詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。   The lithium secondary battery provided by the present invention is characterized by defining the post-press surface area of the negative electrode mixture layer. Hereinafter, although the lithium secondary battery constructed | assembled using the said negative mix layer and the manufacturing method of this secondary battery are demonstrated in detail, it is not intending to limit this invention to this embodiment.

図1は、一実施形態に係るリチウム二次電池を模式的に示す斜視図である。図2は、図1中のII−II線に沿う縦断面図である。
図1および図2に示すように、本実施形態に係るリチウム二次電池10は、従来の単電池と同様、典型的には所定の電池構成材料(正負極それぞれの集電体に正負極それぞれの活物質が保持されたシート状の電極、セパレータ等)を具備する捲回電極体30と、該電極体30および適当な液状電解質(電解液)を収容する扁平な直方体形状(すなわち角型)の電池ケース50とを備える。
ケース50は、上記扁平直方体形状における幅狭面の一つが開口部52となっている箱型のケース本体54と、その開口部52に取り付けられて(例えば溶接されて)該開口部52を塞ぐ蓋体56とを備えている。ケース50を構成する材質としては、一般的なリチウム二次電池で使用されるものと同様のもの等を適宜使用することができ、特に制限はない。放熱性等の観点から、金属製(例えばアルミニウム製、スチール製等)のケース50を好ましく使用し得る。
蓋体56は、ケース本体54の開口部52の形状に適合する長方形状に形成されている。さらに、蓋体56には、外部接続用の正極端子60と負極端子70とがそれぞれ設けられており、これらの端子60,70の一部は蓋体56からケース50の外方に向けて突出するように形成されている。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a lithium secondary battery according to an embodiment. FIG. 2 is a longitudinal sectional view taken along line II-II in FIG.
As shown in FIGS. 1 and 2, the lithium secondary battery 10 according to the present embodiment typically has a predetermined battery constituent material (a positive and a negative current collector and a positive and negative electrode current collector, respectively), as in the conventional unit cell. A wound electrode body 30 having a sheet-like electrode, a separator, and the like on which the active material is held, and a flat rectangular parallelepiped shape (that is, a square shape) that accommodates the electrode body 30 and an appropriate liquid electrolyte (electrolyte) Battery case 50.
The case 50 is attached to (for example, welded) the box-shaped case main body 54 in which one of the narrow surfaces in the above-described flat rectangular parallelepiped shape is the opening 52 and the opening 52 is closed. And a lid 56. As a material constituting the case 50, a material similar to that used in a general lithium secondary battery can be appropriately used, and there is no particular limitation. From the viewpoint of heat dissipation and the like, a case 50 made of metal (for example, aluminum, steel, etc.) can be preferably used.
The lid 56 is formed in a rectangular shape that matches the shape of the opening 52 of the case main body 54. Further, the lid 56 is provided with a positive terminal 60 and a negative terminal 70 for external connection, respectively, and a part of these terminals 60, 70 protrudes from the lid 56 toward the outside of the case 50. It is formed to do.

図2に示すように、捲回電極体30は、捲回軸が横倒しとなる姿勢(すなわち、上記開口部が捲回軸に対して横方向に位置する向き)でケース本体54に収容されている。電極体30は、長尺シート状の正極集電体32の表面に正極合剤層34が形成された正極シート(正極)36と、長尺シート状の負極集電体42の表面に負極合剤層44が形成された負極シート(負極)46と、長尺シート状のセパレータ20とからなる。そして、正極シート36及び負極シート46を2枚のセパレータ20と共に重ね合わせて捲回し、得られた捲回電極体30を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に形成されている。   As shown in FIG. 2, the wound electrode body 30 is accommodated in the case main body 54 in a posture in which the winding shaft is laid down (that is, the direction in which the opening is positioned in the lateral direction with respect to the winding shaft). Yes. The electrode body 30 includes a positive electrode sheet (positive electrode) 36 in which a positive electrode mixture layer 34 is formed on the surface of a long sheet-like positive electrode current collector 32 and a negative electrode composite on the surface of a long sheet-like negative electrode current collector 42. It consists of a negative electrode sheet (negative electrode) 46 on which an agent layer 44 is formed and a long sheet-like separator 20. Then, the positive electrode sheet 36 and the negative electrode sheet 46 are overlapped with the two separators 20 and wound, and the obtained wound electrode body 30 is flattened by being crushed from the side surface direction.

また、捲回される正極シート36において、その長手方向に沿う一方の端部には正極合剤層34が形成されずに正極集電体32が露出しており、一方、捲回される負極シート46においても、その長手方向に沿う一方の端部は負極合剤層44が形成されずに負極集電体42が露出している。そして、正極集電体32の該露出端部に正極端子60が、負極集電体42の該露出端部には負極端子70がそれぞれ接合され、上記扁平形状に形成された捲回電極体30の正極シート36または負極シート46と電気的に接続されている。正負極端子60,70と正負極集電体32,42とは、例えば超音波溶接、抵抗溶接等によりそれぞれ接合され得る。
なお、従来のケースと同様に、これら電池ケース50の上面側には、ケース50内部で発生したガスをケース50の外部に排出するための安全弁(図示せず)が設けられている。安全弁は、ケース50内部の圧力が所定レベルを超えて上昇したときに、開弁してケース50の外部にガスを排出する機構を備えていれば特に制限無く使用することができる。
In the wound positive electrode sheet 36, the positive electrode current collector layer 34 is not formed at one end along the longitudinal direction, and the positive electrode current collector 32 is exposed, while the negative electrode is wound. Also in the sheet 46, the negative electrode current collector 42 is exposed at one end portion along the longitudinal direction without forming the negative electrode mixture layer 44. Then, the positive electrode terminal 60 is joined to the exposed end portion of the positive electrode current collector 32, and the negative electrode terminal 70 is joined to the exposed end portion of the negative electrode current collector 42, respectively. The positive electrode sheet 36 or the negative electrode sheet 46 is electrically connected. The positive and negative electrode terminals 60 and 70 and the positive and negative electrode current collectors 32 and 42 can be joined by, for example, ultrasonic welding, resistance welding, or the like.
Similar to the conventional case, a safety valve (not shown) for discharging the gas generated inside the case 50 to the outside of the case 50 is provided on the upper surface side of the battery case 50. The safety valve can be used without any limitation as long as it has a mechanism that opens and discharges gas to the outside of the case 50 when the pressure inside the case 50 rises above a predetermined level.

以下、本実施形態に係るリチウム二次電池10の負極の各構成要素について説明する。ここで開示されるリチウム二次電池の負極(典型的には負極シート46)は、負極集電体42の表面に負極合剤層44が形成された構成を備える。
上記負極集電体42としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、銅または銅を主体とする合金(銅合金)を用いることができる。負極集電体42の形状は、リチウム二次電池の形状等に応じて異なり得るため、特に制限はなく、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態であり得る。本実施形態ではシート状の銅製の負極集電体42が用いられている。
Hereinafter, each component of the negative electrode of the lithium secondary battery 10 according to the present embodiment will be described. The negative electrode (typically, the negative electrode sheet 46) of the lithium secondary battery disclosed herein has a configuration in which a negative electrode mixture layer 44 is formed on the surface of the negative electrode current collector 42.
As the negative electrode current collector 42, a conductive member made of a highly conductive metal is preferably used. For example, copper or an alloy mainly composed of copper (copper alloy) can be used. The shape of the negative electrode current collector 42 may vary depending on the shape of the lithium secondary battery, and is not particularly limited, and may be various forms such as a rod shape, a plate shape, a sheet shape, a foil shape, and a mesh shape. In the present embodiment, a sheet-like copper negative electrode current collector 42 is used.

次に、上記負極集電体42の表面に形成された負極合剤層44を構成する材料について説明する。
上記負極集電体42の表面には、負極活物質43と結着材等とを適当な溶媒(水、有機溶媒およびこれらの混合溶媒)に添加し、分散または溶解させて調製した負極合剤層形成用ペーストが用いられて形成された負極合剤層44を有している。
Next, materials constituting the negative electrode mixture layer 44 formed on the surface of the negative electrode current collector 42 will be described.
On the surface of the negative electrode current collector 42, a negative electrode mixture prepared by adding a negative electrode active material 43, a binder, and the like to a suitable solvent (water, an organic solvent and a mixed solvent thereof) and dispersing or dissolving them. The negative electrode mixture layer 44 is formed by using a layer forming paste.

ここで開示されるリチウム二次電池10の負極に用いられる負極合剤層44に含まれる負極活物質43としては、リチウムを可逆的に吸蔵および放出可能な炭素材料(典型的には粒子状)が挙げられる。少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む炭素材料が好ましい。いわゆる黒鉛質のもの(グラファイト)、難黒鉛化炭素質のもの(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質のもの(ソフトカーボン)、これらを組み合わせた構造を有するもののいずれの炭素材料も好適に使用し得る。特に黒鉛粒子は、粒径が小さく単位体積当たりの表面積が大きいことからより急速充放電(例えば高出力放電)に適した負極活物質となり得る。   As the negative electrode active material 43 contained in the negative electrode mixture layer 44 used for the negative electrode of the lithium secondary battery 10 disclosed herein, a carbon material (typically particulate) capable of reversibly occluding and releasing lithium. Is mentioned. A carbon material containing a graphite structure (layered structure) at least partially is preferable. Any carbon material of a so-called graphitic material (graphite), a non-graphitizable carbon material (hard carbon), a graphitizable carbon material (soft carbon), or a combination of these materials is preferably used. obtain. In particular, the graphite particles can be a negative electrode active material more suitable for rapid charge / discharge (for example, high-power discharge) because the particle size is small and the surface area per unit volume is large.

上記炭素材料としては、例えば、窒素ガス吸着によるBET法(JIS Z 8830に準拠)で測定される比表面積が凡そ2m/g〜5m/gのものを好ましく使用することができる。なかでも、比表面積が凡そ2.5m/g〜4m/gの炭素材料が好ましい。このように炭素材料の比表面積を調整する方法としては、例えば、炭素材料の表面を非晶質炭素で被覆する方法等が挙げられる。炭素材料の表面を非晶質炭素で被覆する方法は、炭素材料に非晶質炭素の前駆体となるピッチ、タール等の炭素化可能な材料を付着させて前駆体の黒鉛化が進行しない程度の温度で焼成することによって行われる。炭素材料の表面に前駆体を付着させる方法としては乾式法および湿式法が挙げられる。なお、乾式法および湿式法は従来公知の方法と同様であり本発明を何ら特徴付けるものではないためこれ以上の説明を省略する。 As the carbon material, for example, can be the specific surface area measured by the BET method by nitrogen gas adsorption (in accordance with JIS Z 8830) is used preferably those of about 2m 2 / g~5m 2 / g. Among them, a specific surface area of about 2.5m 2 / g~4m 2 / g carbon material is preferred. As a method for adjusting the specific surface area of the carbon material in this way, for example, a method of coating the surface of the carbon material with amorphous carbon can be cited. The method of coating the surface of the carbon material with amorphous carbon is such that the carbonization material such as pitch, tar, etc., which becomes a precursor of amorphous carbon adheres to the carbon material and the graphitization of the precursor does not proceed. It is carried out by firing at a temperature of Examples of the method for attaching the precursor to the surface of the carbon material include a dry method and a wet method. The dry method and the wet method are the same as conventionally known methods and do not characterize the present invention at all, so that further explanation is omitted.

負極合剤層は、上記負極合剤層の他に、一般的なリチウム二次電池の負極合剤層に配合され得る一種または二種以上の材料を必要に応じて含有することができる。そのような材料の例として、結着材(バインダ)として機能し得る各種のポリマー材料が挙げられる。例えば、上記負極合剤層を形成する組成物として水系の液状組成物(典型的にはペースト状またはスラリー状に調製された組成物、以下、負極合剤層形成用ペーストという。)を用いる場合には、上記結着材として水に溶解または分散するポリマー材料を好ましく採用し得る。水に溶解する(水溶性の)ポリマー材料としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、酢酸フタル酸セルロース(CAP)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)等のセルロース系ポリマー;ポリビニルアルコール(PVA);等が例示される。また、水に分散する(水分散性の)ポリマー材料としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系樹脂;酢酸ビニル共重合体;スチレンブタジエンゴム(SBR)等のゴム類;が例示される。あるいは、負極合剤層を形成する組成物として溶剤系の液状組成物を用いる場合には、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)等のポリマー材料を用いることができる。なお、上記で例示したポリマー材料は、結着材として用いられる他に、上記組成物の増粘剤その他の添加剤として使用されることもあり得る。   In addition to the negative electrode mixture layer, the negative electrode mixture layer can contain one or two or more materials that can be blended in the negative electrode mixture layer of a general lithium secondary battery, if necessary. Examples of such materials include various polymer materials that can function as a binder. For example, a water-based liquid composition (typically a composition prepared in a paste or slurry form, hereinafter referred to as a negative electrode mixture layer forming paste) is used as the composition for forming the negative electrode mixture layer. For this, a polymer material that dissolves or disperses in water can be preferably used as the binder. Cellulose polymers such as carboxymethylcellulose (CMC), methylcellulose (MC), cellulose acetate phthalate (CAP), hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), etc .; polyvinyl alcohol (PVA) And the like are exemplified. Examples of polymer materials that are dispersed in water (water dispersible) include fluorine resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE); vinyl acetate copolymers; rubbers such as styrene butadiene rubber (SBR); The Alternatively, when a solvent-based liquid composition is used as the composition for forming the negative electrode mixture layer, a polymer material such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyvinylidene chloride (PVDC) can be used. In addition, the polymer material illustrated above may be used as a thickener and other additives in the above composition in addition to being used as a binder.

ここで、「水系の液状組成物」とは、活物質の分散媒として水または水を主体とする混合溶媒(水系溶媒)を用いた組成物を指す概念である。該混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶媒(低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。「溶剤系の液状組成物」とは、活物質の分散媒が主として有機溶媒(非水系溶媒)である組成物を指す概念である。有機溶媒としては、例えば、N‐メチルピロリドン(NMP)等を用いることができる。   Here, the “aqueous liquid composition” is a concept indicating a composition using water or a mixed solvent mainly composed of water (aqueous solvent) as a dispersion medium of the active material. As the solvent other than water constituting the mixed solvent, one or more organic solvents (lower alcohol, lower ketone, etc.) that can be uniformly mixed with water can be appropriately selected and used. The “solvent-based liquid composition” is a concept indicating a composition in which a dispersion medium of an active material is mainly an organic solvent (non-aqueous solvent). As the organic solvent, for example, N-methylpyrrolidone (NMP) can be used.

以下、本実施形態に係るリチウム二次電池10の負極(典型的には負極シート46)の製造方法について説明する。図3は、一実施形態に係る負極シート46を模式的に示す側面図である。
ここで開示される方法は、負極集電体42の表面に負極合剤層44を形成することにより作製し得る。負極合剤層44の形成にあっては、まず、上記比表面積を有する負極活物質(例えば天然黒鉛を非晶質炭素で被覆した炭素材料)43と、結着材(例えばCMCおよびSBR)とを含む負極合剤を所定の溶媒(例えば水)に分散させてなる負極合剤層形成用ペーストを調整する。調整した該ペーストを負極集電体42に塗布する。ここで、上記ペーストを負極集電体42に塗布する際に、当該塗布物(即ち負極合剤)の集電体単位面積当たりの塗工量(含量)を7.5mg/cm以下とすることが好ましい。かかる塗工量(含量)は概ね7.5mg/cm以下であればよいが、より優れた特性を得られる点から、好適な一例として5.0〜7.5mg/cm、典型的には6.0〜7.0mg/cm程度にすることが好ましい。負極合剤の塗工量(含量)が7.5mg/cmよりも高すぎると、負極合剤層の厚み方向(負極の深さ方向)におけるリチウムイオンと電荷との反応性が低下してしまい負極活物質の表面にリチウムイオンが金属リチウムとして析出して電池の充放電容量の低下を招く虞がある。なお、負極集電体42に上記ペーストを塗布する方法としては、従来公知の方法と同様の技法を適宜採用することができる。例えば、スリットコーター、ダイコーター、グラビアコーター、コンマコーター等の適当な塗付装置を使用することにより、負極集電体42に上記ペーストを好適に塗付することができる。
Hereinafter, a method for manufacturing the negative electrode (typically, the negative electrode sheet 46) of the lithium secondary battery 10 according to the present embodiment will be described. FIG. 3 is a side view schematically showing the negative electrode sheet 46 according to the embodiment.
The method disclosed here can be produced by forming the negative electrode mixture layer 44 on the surface of the negative electrode current collector 42. In forming the negative electrode mixture layer 44, first, a negative electrode active material (for example, a carbon material obtained by coating natural graphite with amorphous carbon) 43 having a specific surface area, a binder (for example, CMC and SBR), A negative electrode mixture layer-forming paste is prepared by dispersing a negative electrode mixture containing a mixture in a predetermined solvent (for example, water). The adjusted paste is applied to the negative electrode current collector 42. Here, when the paste is applied to the negative electrode current collector 42, the coating amount (content) per unit area of the current collector of the coating material (that is, the negative electrode mixture) is 7.5 mg / cm 2 or less. It is preferable. Such coating amount (content) may be any generally 7.5 mg / cm 2 or less, but from the viewpoint of the resulting improved properties, as preferable example 5.0~7.5mg / cm 2, typically Is preferably about 6.0 to 7.0 mg / cm 2 . If the coating amount (content) of the negative electrode mixture is too higher than 7.5 mg / cm 2 , the reactivity between the lithium ions and the charges in the thickness direction of the negative electrode mixture layer (the negative electrode depth direction) decreases. In other words, lithium ions may precipitate as metallic lithium on the surface of the negative electrode active material, leading to a decrease in charge / discharge capacity of the battery. In addition, as a method of applying the paste to the negative electrode current collector 42, a technique similar to a conventionally known method can be appropriately employed. For example, the paste can be suitably applied to the negative electrode current collector 42 by using an appropriate application device such as a slit coater, a die coater, a gravure coater, or a comma coater.

図3に示すように、負極集電体42に塗布した塗布物を乾燥させた後、プレス(圧縮)することによって負極合剤層44が形成される(プレスによって負極活物質43にクラックが発生し負極活物質43の比表面積が増える)。ここで、塗布物をプレスする際のプレス圧は凡そ2MPa〜10MPa程度(好ましくは凡そ3MPa〜10MPa、例えば5MPa〜10MPa)である。負極活物質(炭素材料)の比表面積増加率が少なくとも20%以上、例えば20%以上50%以下(好ましくは25%以上40%以下)となるようにプレスすることが適当である。上記塗布物をプレスして負極合剤層44を形成する際に、プレス後の負極合剤層44の負極集電体42単位面積当たりの表面積は180cm/cm〜240cm/cmであることが好ましい。さらに好ましくは200cm/cm〜230cm/cmである。上記単位面積当たりの表面積が180cm/cmよりも小さすぎると、低温でハイレートの充電時にリチウムイオンが負極活物質内に吸蔵(インターカレート)されずに金属リチウムとして負極活物質の表面に析出される虞がある。また、上記集電体単位面積当たりの表面積が240cm/cmよりも大きすぎると、負極活物質の表面にリチウムイオンと電解液等との反応生成物であるSEI皮膜が増大する虞がある。負極活物質の表面にSEI皮膜が形成されると、リチウム二次電池中のリチウムイオンの一部が消費されてSEI膜内に不可逆的に取り込まれる。このように不可逆的に取り込まれたリチウムイオンは、それ以降の充放電過程に関与しなくなるため、その分だけ電池の充放電容量が低下する虞がある。
また、上記プレス(圧縮)方法としては、従来公知のロールプレス法、平板プレス法等の圧縮方法を採用することができる。かかる厚さを調整するにあたり、膜厚測定器で該厚みを測定し、プレス圧を調整して所望の厚さになるまで複数回圧縮してもよい。
As shown in FIG. 3, the coating applied to the negative electrode current collector 42 is dried and then pressed (compressed) to form a negative electrode mixture layer 44 (cracks occur in the negative electrode active material 43 due to pressing). The specific surface area of the negative electrode active material 43 increases). Here, the press pressure at the time of pressing the coated material is about 2 MPa to 10 MPa (preferably about 3 MPa to 10 MPa, for example, 5 MPa to 10 MPa). It is appropriate to press the negative electrode active material (carbon material) so that the specific surface area increase rate is at least 20% or more, for example, 20% or more and 50% or less (preferably 25% or more and 40% or less). When forming the negative electrode mixture layer 44 of the coating was pressed, the surface area of the negative electrode current collector 42 per unit area of the negative electrode mixture layer 44 after the pressing in 180cm 2 / cm 2 ~240cm 2 / cm 2 Preferably there is. More preferably from 200cm 2 / cm 2 ~230cm 2 / cm 2. When the surface area per unit area is less than 180 cm 2 / cm 2 , lithium ions are not occluded (intercalated) into the negative electrode active material at the time of high-rate charging at a low temperature, and are formed on the surface of the negative electrode active material as metallic lithium. There is a risk of precipitation. Further, if the surface area per unit area of the current collector is too larger than 240 cm 2 / cm 2 , the SEI film that is a reaction product of lithium ions and an electrolytic solution may increase on the surface of the negative electrode active material. . When the SEI film is formed on the surface of the negative electrode active material, a part of the lithium ions in the lithium secondary battery is consumed and irreversibly taken into the SEI film. Since the lithium ions irreversibly taken in do not participate in the subsequent charge / discharge process, the charge / discharge capacity of the battery may be reduced accordingly.
Moreover, as said press (compression) method, conventionally well-known compression methods, such as a roll press method and a flat plate press method, are employable. In adjusting the thickness, the thickness may be measured with a film thickness measuring instrument, and the press pressure may be adjusted to compress a plurality of times until a desired thickness is obtained.

ここで開示される方法により製造された負極(負極シート)46を備えるリチウム二次電池10を構成するその他の材料および部材自体は、従来同種の電池に備えられるものと同様でよく、特に制限はない。以下、その他の構成要素について説明するが、本発明を係る実施形態に限定することを意図したものではない。   The other materials and members constituting the lithium secondary battery 10 including the negative electrode (negative electrode sheet) 46 manufactured by the method disclosed herein may be the same as those conventionally provided for the same type of battery, and there are no particular restrictions. Absent. Hereinafter, other components will be described, but the present invention is not intended to be limited to such embodiments.

例えば、正極(正極シート)36は、シート状の正極集電体32(例えばアルミニウム箔)の上に正極合剤層34が形成された構成であり得る。上記正極合剤層34は、正極活物質、導電材、結着材、増粘材および固体高分子電解質等を適当な溶媒に混合されてなるペースト状(或いはスラリー状)の組成物(以下、正極合剤層形成用ペーストという。)を正極集電体32に塗布し、該塗布物を乾燥させて圧縮成型することにより形成される。   For example, the positive electrode (positive electrode sheet) 36 may have a configuration in which a positive electrode mixture layer 34 is formed on a sheet-like positive electrode current collector 32 (for example, an aluminum foil). The positive electrode mixture layer 34 is a paste-like (or slurry-like) composition (hereinafter referred to as a slurry) obtained by mixing a positive electrode active material, a conductive material, a binder, a thickener, a solid polymer electrolyte, and the like in an appropriate solvent. The positive electrode mixture layer forming paste) is applied to the positive electrode current collector 32, and the applied material is dried and compression molded.

上記正極合剤層34に含まれる正極活物質としては、リチウムを吸蔵および放出可能な粒状の活物質材料が用いられる。この種のリチウム二次電池の正極活物質として知られている層状構造の酸化物系正極活物質や、スピネル構造の酸化物系正極活物質等を好ましく用いることができる。例えば、リチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムマンガン系複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。なお、一般式がLiMPO(MはCo、Ni、Mn、Feのうちの少なくとも一種以上の元素;例えばLiFePO、LiMnPO)で表記されるオリビン型リン酸リチウムを上記正極活物質として用いてもよい。 As the positive electrode active material contained in the positive electrode mixture layer 34, a granular active material capable of occluding and releasing lithium is used. A layered oxide positive electrode active material known as a positive electrode active material of this type of lithium secondary battery, an oxide positive electrode active material having a spinel structure, or the like can be preferably used. Examples thereof include lithium transition metal composite oxides such as lithium nickel composite oxides, lithium cobalt composite oxides, and lithium manganese composite oxides. An olivine type lithium phosphate represented by the general formula LiMPO 4 (M is at least one element of Co, Ni, Mn, Fe; for example, LiFePO 4 , LiMnPO 4 ) is used as the positive electrode active material. Also good.

また、上記正極合剤層34に含まれる導電材としては、従来この種のリチウム二次電池で用いられているものであればよく、特定の導電材に限定されない。例えば、カーボン粉末やカーボンファイバー等のカーボン材料を用いることができる。カーボン粉末としては、種々のカーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック)、グラファイト粉末、等のカーボン粉末を用いることができる。これらのうち一種又は二種以上を併用してもよい。また、結着材としては、上述した負極合剤層に使用可能な結着材と同様のもの等を用いることができる。   In addition, the conductive material included in the positive electrode mixture layer 34 may be any conductive material conventionally used in this type of lithium secondary battery, and is not limited to a specific conductive material. For example, carbon materials such as carbon powder and carbon fiber can be used. As the carbon powder, various carbon blacks (for example, acetylene black, furnace black, ketjen black), graphite powder, and the like can be used. Among these, you may use together 1 type, or 2 or more types. Moreover, as a binder, the thing similar to the binder which can be used for the negative mix layer mentioned above etc. can be used.

固体高分子電解質としては、イオン伝導性を示す高分子であれば、特に限定されず、たとえば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体などが挙げられる。このようなポリアルキレンオキシド系高分子は、LiBF、LiPF、LiN(SOCF、LiN(SO等のリチウム塩を容易に溶解する。 The solid polymer electrolyte is not particularly limited as long as it is a polymer exhibiting ionic conductivity, and examples thereof include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. Such a polyalkylene oxide polymer readily dissolves lithium salts such as LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 .

また、正負極シート間に使用される好適なシート状セパレータ20としては多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成されたものが挙げられる。なお、電解質として固体電解質若しくはゲル状電解質を使用する場合には、一般的な樹脂製のセパレータシートが不要な場合(即ちこの場合には電解質自体がセパレータとして機能し得る)があり得る。   Moreover, as a suitable sheet-like separator 20 used between positive and negative electrode sheets, one made of a porous polyolefin-based resin can be mentioned. When a solid electrolyte or a gel electrolyte is used as the electrolyte, a general resin separator sheet may not be necessary (that is, in this case, the electrolyte itself may function as a separator).

電池ケース50内に捲回電極体30と共に収容される電解質としては、従来からリチウム二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる電解液は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等からなる群から選択される一種または二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えばリチウム電池の場合、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO、LiCSO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiI等から選択される一種または二種以上のリチウム化合物(リチウム塩)を用いることができる。なお、従来のリチウム二次電池においては、負極表面にSEI皮膜を形成しサイクル特性を高める目的でビニレンカーボネート(VC)等の添加剤が電解液と共に添加される場合があるが、該添加剤は繰り返しの充放電によってその量が減少し急激に電池特性が変化する場合がある。本実施形態に係るリチウム二次電池では、プレス後表面積を規定することで、添加剤を使用しないでも高いサイクル特性と安定した使用の実現が可能となる。 As the electrolyte accommodated together with the wound electrode body 30 in the battery case 50, the same electrolyte as the non-aqueous electrolyte conventionally used in lithium secondary batteries can be used without any particular limitation. Such an electrolytic solution typically has a composition in which a supporting salt is contained in a suitable nonaqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include one or two selected from the group consisting of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and the like. More than seeds can be used. Examples of the supporting salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF One or two or more lithium compounds (lithium salts) selected from 3 SO 2 ) 3 , LiI and the like can be used. In addition, in a conventional lithium secondary battery, an additive such as vinylene carbonate (VC) may be added together with an electrolyte for the purpose of forming a SEI film on the negative electrode surface and improving cycle characteristics. The amount may decrease due to repeated charge and discharge, and battery characteristics may change rapidly. In the lithium secondary battery according to the present embodiment, by specifying the surface area after pressing, high cycle characteristics and stable use can be realized without using an additive.

上記作製した正極シート36及び負極シート46を2枚のセパレータ20,20と共に積重ね合わせて捲回し、得られた捲回電極体30を電池ケース50内に収容するとともに上記電解液を注入した後、ケース開口部52に蓋体56を装着し封止することによって本実施形態のリチウム二次電池10を構築することができる。
なお、電池ケース50の構造、大きさ、材料(例えば金属製またはラミネートフィルム製であり得る)、および正負極を主構成要素とする電極体の構造(例えば捲回構造や積層構造)等について特に制限はない。
The produced positive electrode sheet 36 and the negative electrode sheet 46 are stacked and wound together with the two separators 20 and 20, and the obtained wound electrode body 30 is accommodated in the battery case 50 and injected with the electrolytic solution, The lithium secondary battery 10 of this embodiment can be constructed by attaching and sealing the lid 56 to the case opening 52.
In particular, the structure, size, material (for example, made of metal or laminate film) of the battery case 50, and the structure of the electrode body (for example, a wound structure or a laminated structure) having the positive and negative electrodes as main components, etc. There is no limit.

上記リチウム二次電池を構築することにより、低温条件化での品質安定性(サイクル特性)に優れたリチウム二次電池を構築できることを確認するため、実施例として以下の試験を行った。なお、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。   In order to confirm that a lithium secondary battery excellent in quality stability (cycle characteristics) under low temperature conditions can be constructed by constructing the lithium secondary battery, the following tests were conducted as examples. It should be noted that the present invention is not intended to be limited to those shown in the specific examples.

[負極活物質のプレス試験]
負極活物質としての天然黒鉛(電子顕微鏡(SEMまたはTEM等)観察に基づく平均粒子径D50は11μm)を非晶質炭素で被覆した炭素材(負極活物質)の比表面積が3.2m/gとなるように天然黒鉛を非晶質炭素で被覆した。そして、該炭素材をプレス圧4MPaでプレスした。プレス後の炭素材の比表面積は4.2m/gであり、プレスによる比表面積の増加率は凡そ30%であることが認められた。
[Press test of negative electrode active material]
Natural graphite as a negative active material The specific surface area of the (electron microscope (SEM or TEM, etc.) the average particle diameter D 50 was 11μm based on observation) carbon material coated with amorphous carbon (anode active material) of 3.2 m 2 Natural graphite was coated with amorphous carbon so as to be / g. The carbon material was pressed at a press pressure of 4 MPa. The specific surface area of the carbon material after pressing was 4.2 m 2 / g, and it was confirmed that the increase rate of the specific surface area by pressing was about 30%.

[実施例に係るリチウム二次電池の構築]
<実施例1>
まず、実施例1に係るリチウム二次電池の負極を作製した。すなわち、負極活物質としての天然黒鉛(電子顕微鏡(SEMまたはTEM等)観察に基づく平均粒子径D50は11μm)を非晶質炭素で被覆した炭素材(負極活物質)の比表面積が3.0m/gとなるように天然黒鉛を非晶質炭素で被覆した。そして、炭素材とSBRとCMCとを含みこれら材料の質量比が98:1:1となるように秤量し、これら材料をイオン交換水と混合して、水系の負極合剤層形成用ペーストを調製した。長尺状銅箔から構成される負極集電体(厚さ10μm)の両面に当該ペーストの合剤塗工量(炭素材とSBRとCMCとの固形分基準)が6.4mg/cmとなるように塗布した。該塗布物をプレス圧4MPaでプレスして、上記プレス後の負極合剤層の集電体単位面積当りの表面積が204cm/cmである負極合剤層を形成した。このようにしてシート状の負極(負極シート)を作製した。
次に、実施例1に係るリチウム二次電池の正極を作製した。すなわち、アルミニウム箔から構成される正極集電体の両面に、正極活物質としてのLiNi0.8Co0.15Al0.05と、アセチレンブラックと、CMCと、PEOとを含みこれら材料の質量比が88:10:1:1となるように調製された正極合剤層形成用ペーストを調製し、該ペーストを所定量塗布した後、プレスすることにより正極合剤層を形成した。このようにしてシート状の正極(正極シート)を作製した。
[Construction of Lithium Secondary Battery According to Example]
<Example 1>
First, the negative electrode of the lithium secondary battery according to Example 1 was produced. That is, the specific surface area of natural graphite as a negative electrode active material (electron microscope (SEM or TEM, etc.) the average particle diameter D 50 based on observations 11 [mu] m) carbon material coated with amorphous carbon (anode active material) is 3. Natural graphite was coated with amorphous carbon so as to be 0 m 2 / g. Then, the carbon material, SBR, and CMC are weighed so that the mass ratio of these materials is 98: 1: 1, these materials are mixed with ion-exchanged water, and the aqueous negative electrode mixture layer forming paste is prepared. Prepared. The paste coating amount (solid content standard of carbon material, SBR, and CMC) on both surfaces of a negative electrode current collector (thickness 10 μm) composed of a long copper foil was 6.4 mg / cm 2 . It applied so that it might become. The coated material was pressed at a press pressure of 4 MPa to form a negative electrode mixture layer having a surface area per unit area of the current collector of the negative electrode mixture layer after the press of 204 cm 2 / cm 2 . In this way, a sheet-like negative electrode (negative electrode sheet) was produced.
Next, the positive electrode of the lithium secondary battery according to Example 1 was produced. That is, these materials include LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 as a positive electrode active material, acetylene black, CMC, and PEO on both surfaces of a positive electrode current collector composed of an aluminum foil. A positive electrode mixture layer forming paste was prepared so that the mass ratio of the mixture was 88: 10: 1: 1, a predetermined amount of the paste was applied, and then the positive electrode mixture layer was formed by pressing. Thus, a sheet-like positive electrode (positive electrode sheet) was produced.

上記で作製した負極シートと正極シートとを二枚の長尺状セパレータ(ここでは多孔質ポリプロピレンシートを用いた。)とともに積層し、その積層シートを長尺方向に捲回して捲回電極体を作製した。この電極体を電解液とともに角型の電池ケースに収容することにより本実施例に係るリチウム二次電池を構築した。電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との3:3:4(質量比)混合溶媒に支持塩として約1mol/LのLiPFを溶解させたものを用いた。 The negative electrode sheet and the positive electrode sheet prepared above were laminated together with two long separators (here, a porous polypropylene sheet was used), and the laminated sheet was wound in the long direction to form a wound electrode body. Produced. A lithium secondary battery according to this example was constructed by housing this electrode body in a rectangular battery case together with an electrolytic solution. As an electrolytic solution, about 1 mol / L LiPF 6 was dissolved as a supporting salt in a 3: 3: 4 (mass ratio) mixed solvent of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC). Used.

<実施例2>
本例では、プレス後の集電体単位面積当りの表面積が222cm/cmである負極合剤層を用いた点以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を構築した。
<Example 2>
In this example, a lithium secondary battery was constructed in the same manner as in Example 1 except that a negative electrode mixture layer having a surface area per unit area of the current collector after pressing of 222 cm 2 / cm 2 was used.

<実施例3>
本例では、比表面積が3.5m/gの炭素材を用いた点と、プレス後の集電体単位面積当りの表面積が212cm/cmである負極合剤層とを用いた点以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を構築した。
<Example 3>
In this example, a point using a carbon material having a specific surface area of 3.5 m 2 / g and a point using a negative electrode mixture layer having a surface area per unit area of the current collector after pressing of 212 cm 2 / cm 2 are used. Except for the above, a lithium secondary battery was constructed in the same manner as in Example 1.

<実施例4>
本例では、負極集電体への合剤塗工量が片面当たり6.9mg/cmとなるように集電体の両面に塗布した点と、プレス後の集電体単位面積当りの表面積が202cm/cmである負極合剤層とを用いた点以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を構築した。
<Example 4>
In this example, the amount of the mixture applied to the negative electrode current collector was 6.9 mg / cm 2 per side, and the surface area per unit area of the current collector after the press was applied. A lithium secondary battery was constructed in the same manner as in Example 1 except that a negative electrode mixture layer having a thickness of 202 cm 2 / cm 2 was used.

<実施例5>
本例では、負極集電体への合剤塗工量が片面当たり8.0mg/cmとなるように集電体の両面に塗布した点と、プレス後の集電体単位面積当りの表面積が228cm/cmである負極合剤層とを用いた点以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を構築した。
<Example 5>
In this example, the amount of the mixture applied to the negative electrode current collector was 8.0 mg / cm 2 per side, and the surface area per unit area of the current collector after the press was applied. A lithium secondary battery was constructed in the same manner as in Example 1 except that a negative electrode mixture layer having a thickness of 228 cm 2 / cm 2 was used.

<実施例6>
本例では、比表面積が3.3m/gの炭素材を用いた点と、プレス後の集電体単位面積当りの表面積が181cm/cmである負極合剤層とを用いた点以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を構築した。
<Example 6>
In this example, a point using a carbon material having a specific surface area of 3.3 m 2 / g and a point using a negative electrode mixture layer having a surface area per unit area of the current collector after pressing of 181 cm 2 / cm 2 were used. Except for the above, a lithium secondary battery was constructed in the same manner as in Example 1.

<実施例7>
本例では、比表面積が3.3m/gの炭素材を用いた点と、プレス後の集電体単位面積当りの表面積が227cm/cmである負極合剤層とを用いた点以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を構築した。
<Example 7>
In this example, a point using a carbon material having a specific surface area of 3.3 m 2 / g and a point using a negative electrode mixture layer having a surface area per unit area of the current collector after pressing of 227 cm 2 / cm 2 Except for the above, a lithium secondary battery was constructed in the same manner as in Example 1.

[比較例に係るリチウム二次電池の構築]
<比較例1>
本例では、プレス後の集電体単位面積当りの表面積が161cm/cmである負極合剤層を用いた点以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を構築した。
[Construction of lithium secondary battery according to comparative example]
<Comparative Example 1>
In this example, a lithium secondary battery was constructed in the same manner as in Example 1 except that a negative electrode mixture layer having a surface area per unit area of the current collector after pressing of 161 cm 2 / cm 2 was used.

<比較例2>
本例では、比表面積が3.5m/gの炭素材を用いた点と、プレス後の集電体単位面積当りの表面積が168cm/cmである負極合剤層とを用いた点以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を構築した。
<Comparative example 2>
In this example, a point using a carbon material having a specific surface area of 3.5 m 2 / g and a point using a negative electrode mixture layer having a surface area per unit area of the current collector after pressing of 168 cm 2 / cm 2 were used. Except for the above, a lithium secondary battery was constructed in the same manner as in Example 1.

<比較例3>
本例では、比表面積が3.3m/gの炭素材を用いた点と、プレス後の集電体単位面積当りの表面積が248cm/cmである負極合剤層とを用いた点以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を構築した。
<Comparative Example 3>
In this example, a point using a carbon material having a specific surface area of 3.3 m 2 / g and a point using a negative electrode mixture layer having a surface area per unit area of the current collector after pressing of 248 cm 2 / cm 2 were used. Except for the above, a lithium secondary battery was constructed in the same manner as in Example 1.

[低温高入力試験]
上記のようにして構築した実施例1から実施例5および比較例1,2の各リチウム二次電池に対して、充放電を2000サイクル繰り返した後、各リチウム二次電池の容量低下率を測定した。すなわち、−15℃の温度条件下において各電池を定電流定電圧(CC−CV)で充電を行ってSOC40%の充電状態に調整して、このときの放電容量(初期容量)を測定した。次いで、各電池を−15℃の条件下で150Aの定電流で0.1秒間の定電流充電を行い、60秒間休止し、その後1.5Aの定電流で10秒間の定電流放電を行い、60秒間休止するというサイクルを2000回繰り返して2000サイクル目の放電容量(サイクル後容量)を測定した。そして、次式{(初期容量)−(サイクル後容量)}/(初期容量)×100;により、上記2000回の充放電サイクルに対する容量低下率(%)を求めた。得られた結果を表1に示す。
[Low temperature high input test]
For each of the lithium secondary batteries of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 constructed as described above, after 2000 cycles of charge and discharge, the capacity reduction rate of each lithium secondary battery was measured. did. That is, each battery was charged at a constant current and constant voltage (CC-CV) under a temperature condition of −15 ° C. to adjust the SOC to 40%, and the discharge capacity (initial capacity) at this time was measured. Next, each battery was charged with a constant current of 150 A under a condition of −15 ° C. for 0.1 seconds, rested for 60 seconds, and then discharged with a constant current of 1.5 A for 10 seconds. The cycle of resting for 60 seconds was repeated 2000 times, and the discharge capacity (post-cycle capacity) at 2000th cycle was measured. And the capacity | capacitance reduction rate (%) with respect to the said 2000 charging / discharging cycle was calculated | required by following Formula {(initial capacity)-(capacity after a cycle)} / (initial capacity) x100; The obtained results are shown in Table 1.

Figure 0005418828
Figure 0005418828

表1に示すように、実施例1から実施例5によると、プレス後の負極合剤層の表面積が180cm/cm未満の比較例1及び比較例2と比較して、低温条件化でのハイレート充電における容量低下率が小さいことが認められる。さらに実施例1から実施例4によると、プレス後の負極合剤層の表面積が200cm/cm〜230cm/cmであると更に上記容量低下率が小さくなることが認められる。また、実施例1から実施例3によると、比較例2と比較して、予め炭素材の比表面積を規定したとしても、プレス後の負極合剤層の表面積が180cm/cm未満であると低温条件化でのハイレート充電における容量低下率が大きいことが認められる。さらにまた、実施例1、2及び4によると、合剤塗工量が7.5mg/cmを超えている実施例5と比較して、低温条件化でのハイレート充電における容量低下率が小さいことが認められる。 As shown in Table 1, according to Example 1 to Example 5, compared with Comparative Example 1 and Comparative Example 2 in which the surface area of the negative electrode mixture layer after pressing was less than 180 cm 2 / cm 2 , the temperature was reduced. It can be seen that the rate of capacity reduction during high-rate charging is small. In still from Example 1 to Example 4, it is recognized that the surface area of the negative electrode mixture layer is 200cm 2 / cm 2 ~230cm 2 / cm 2 Further the capacity reduction rate after the press is reduced. Moreover, according to Example 1 to Example 3, compared with Comparative Example 2, even if the specific surface area of the carbon material is defined in advance, the surface area of the negative electrode mixture layer after pressing is less than 180 cm 2 / cm 2. It can be seen that the rate of capacity reduction during high-rate charging under low temperature conditions is large. Furthermore, according to Examples 1, 2, and 4, compared with Example 5 in which the coating amount of the mixture exceeds 7.5 mg / cm 2 , the capacity reduction rate in high-rate charging under low temperature conditions is small. It is recognized that

[高温保存出力試験]
上記のようにして構築した実施例6,7および比較例3の各リチウム二次電池に対して、60℃の温度条件下で50日間保存した後の内部抵抗の上昇率を測定した。すなわち、上記各二次電池を定電流定電圧(CC−CV)充電によってSOC80%の充電状態に調整して、このときの内部抵抗(初期内部抵抗)を測定した。具体的には、各二次電池を100Aの定電流で10秒間放電し、放電前の開回路電圧と放電10秒後の電圧を測定し、両者の差である電圧降下を求め、これを放電電流で除して初期内部抵抗を求めた。次いで、これら各二次電池を60℃の恒温槽中に50日間保存して、保存後の各二次電池を100Aの定電流で10秒間放電し、放電前の開回路電圧と放電10秒後の電圧を測定し、両者の差である電圧降下を求め、これを放電電流で除して内部抵抗(保存後内部抵抗)を求めた。そして、次式{(保存後内部抵抗)−(初期内部抵抗)}/(初期内部抵抗)×100;により、50日保存後の抵抗上昇率(%)を求めた。得られた結果を表2に示す。
[High temperature storage output test]
For each of the lithium secondary batteries of Examples 6 and 7 and Comparative Example 3 constructed as described above, the rate of increase in internal resistance after storage for 50 days at a temperature of 60 ° C. was measured. That is, each secondary battery was adjusted to a SOC 80% charge state by constant current constant voltage (CC-CV) charging, and the internal resistance (initial internal resistance) at this time was measured. Specifically, each secondary battery is discharged at a constant current of 100 A for 10 seconds, the open circuit voltage before discharge and the voltage after 10 seconds are measured, and the voltage drop that is the difference between the two is obtained and discharged. The initial internal resistance was determined by dividing by the current. Next, each of these secondary batteries is stored in a constant temperature bath at 60 ° C. for 50 days, and each secondary battery after storage is discharged at a constant current of 100 A for 10 seconds, and the open circuit voltage before discharge and 10 seconds after discharge. The voltage was measured to determine the voltage drop, which was the difference between the two, and this was divided by the discharge current to determine the internal resistance (the internal resistance after storage). Then, the resistance increase rate (%) after storage for 50 days was determined by the following formula {(internal resistance after storage) − (initial internal resistance)} / (initial internal resistance) × 100; The obtained results are shown in Table 2.

Figure 0005418828
Figure 0005418828

表2に示すように、実施例6及び実施例7によると、プレス後の負極合剤層の表面積が240cm/cmを超える比較例3と比較して、抵抗上昇率が小さい。すなわち、上記表面積が240cm/cmを超えるとリチウム二次電池の容量低下が大きいことが認められる。
以上の測定結果をまとめると、プレス後の負極合剤層の表面積が180cm/cm〜240cm/cmであると、低温条件化でのハイレート充放電に対してもサイクル特性に優れていることが示された。
As shown in Table 2, according to Example 6 and Example 7, the rate of increase in resistance is small as compared with Comparative Example 3 in which the surface area of the negative electrode mixture layer after pressing exceeds 240 cm 2 / cm 2 . That is, it the surface area of 240 cm 2 / cm 2 by weight, the reduction capacity of the lithium secondary battery is large is observed.
Summarizing the above measurement results, the surface area of the negative electrode mixture layer after pressing is at 180cm 2 / cm 2 ~240cm 2 / cm 2, and excellent cycle characteristics even for high-rate charge and discharge at low temperature conditioned It was shown that

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。   As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible.

本発明に係るリチウム二次電池(例えばリチウムイオン電池)は、上記のとおり品質安定性に優れ、より良好な電池性能を示すことから、特に自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。したがって本発明は、図4に模式的に示すように、かかるリチウム二次電池10(典型的には当該電池10を複数個直列接続してなる組電池)を電源として備える車両(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)100を提供する。   Since the lithium secondary battery (for example, lithium ion battery) according to the present invention is excellent in quality stability and exhibits better battery performance as described above, the power source for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile is particularly preferred. Can be suitably used. Therefore, as schematically shown in FIG. 4, the present invention provides a vehicle (typically, a battery (typically, an assembled battery in which a plurality of such batteries 10 are connected in series) as a power source. An automobile, in particular an automobile equipped with an electric motor such as a hybrid automobile, an electric automobile, and a fuel cell automobile) 100 is provided.

10 リチウム二次電池
20 セパレータ
30 捲回電極体
32 正極集電体
34 正極合剤層
36 正極シート
42 負極集電体
43 負極活物質
44 負極合剤層
46 負極シート
50 電池ケース
52 開口部
54 ケース本体
56 蓋体
60 正極端子
70 負極端子
100 車両
10 lithium secondary battery 20 separator 30 wound electrode body 32 positive electrode current collector 34 positive electrode mixture layer 36 positive electrode sheet 42 negative electrode current collector 43 negative electrode active material 44 negative electrode mixture layer 46 negative electrode sheet 50 battery case 52 opening 54 case Body 56 Lid 60 Positive terminal 70 Negative terminal 100 Vehicle

Claims (4)

リチウム二次電池を製造する方法であって、
リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出可能な炭素材料と結着材とを含む負極合剤を所定の溶媒に分散させてなる負極合剤層形成用ペーストを調製する工程と、
前記ペーストを負極集電体の表面に塗布する工程と、
前記塗布物をプレスして、プレス後の集電体単位面積当りの表面積が180cm/cm〜240cm/cmである負極合剤層を形成する工程と、
前記製造した負極合剤層を用いて前記リチウム二次電池を構築する工程と、
を包含し、
ここで、前記プレスは、前記炭素材料の比表面積増加率が少なくとも20%以上となるように、2MPa〜10MPaのプレス圧で行うことを特徴とする製造方法。
A method for manufacturing a lithium secondary battery, comprising:
A step of preparing a negative electrode mixture layer forming paste in which a negative electrode mixture containing a carbon material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions and a binder is dispersed in a predetermined solvent;
Applying the paste to the surface of the negative electrode current collector;
By pressing the coating material, a step of surface area of the collector per unit area after the press to form a negative electrode mixture layer is 180cm 2 / cm 2 ~240cm 2 / cm 2,
Building the lithium secondary battery using the produced negative electrode mixture layer;
It encompasses,
Here, the pressing is performed at a pressing pressure of 2 MPa to 10 MPa so that the specific surface area increase rate of the carbon material is at least 20% or more .
前記ペースト塗布工程において、前記負極集電体に塗布する塗布物の集電体単位面積当たりの塗工量を7.5mg/cm以下とすることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。 2. The manufacturing method according to claim 1, wherein in the paste application step, a coating amount per unit area of the current collector applied to the negative electrode current collector is 7.5 mg / cm 2 or less. . 前記負極合剤層形成工程において、前記負極合剤層のプレス後の集電体単位面積当たりの表面積を200cm/cm〜230cm/cmとすることを特徴とする請求項1又は2に記載の製造方法。 In the negative electrode mixture layer formation step, according to claim 1 or 2, characterized in that the surface area of the collector per unit area after pressing of the negative electrode mixture layer and 200cm 2 / cm 2 ~230cm 2 / cm 2 The manufacturing method as described in. 前記プレスにより前記炭素材料の比表面積を20%以上50%以下増大させることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the pressing increases a specific surface area of the carbon material by 20% or more and 50% or less.
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