JP5446195B2 - Lithium ion battery system and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオン電池システムとその製造方法池に関する。本発明のリチウムイオン電池システムは、例えば、電気自動車、燃料電池車及びハイブリッド電気自動車等の車両のモータ等の駆動用電源として用いられる。   The present invention relates to a lithium ion battery system and a method of manufacturing the same. The lithium ion battery system of the present invention is used as a power source for driving motors of vehicles such as electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid electric vehicles.

近年、環境・エネルギー問題の解決へ向けて、種々の電気自動車の普及が期待されている。これら電気自動車の実用化の鍵を握るモータ駆動用電源などの車載電源として、二次電池の開発が鋭意行われている。しかしながら、広く普及するためには電池を高性能にして、より安くする必要がある。また、電気自動車については、一充電走行距離をガソリンエンジン車に近づける必要があり、より高エネルギー密度の電池が望まれている。   In recent years, various electric vehicles are expected to be widely used for solving environmental and energy problems. Secondary batteries have been intensively developed as in-vehicle power supplies such as motor drive power supplies that hold the key to commercialization of these electric vehicles. However, in order to spread widely, it is necessary to make the battery high performance and cheaper. Further, for electric vehicles, it is necessary to bring the one-charge travel distance closer to a gasoline engine vehicle, and a battery with a higher energy density is desired.

電池を高エネルギー密度にするためには、正極と負極の単位質量あたりの蓄えられる電気量を大きくする必要がある。この要請に応えられる可能性のある正極材料として、所謂、固溶体系正極材料が検討されている。なかでも、電気化学的に不活性な層状のLiMnOと、電気化学的に活性な層状のLiMO(ここでMは、Co、Ni、Mn、Feなどの遷移金属)との固溶体は、200mAh/gを超える大きな電気容量を示しうる高容量正極候補材料として期待されている(例えば、特許文献1参照)。
特開平9−55211号公報
In order to make the battery have a high energy density, it is necessary to increase the amount of electricity stored per unit mass of the positive electrode and the negative electrode. A so-called solid solution positive electrode material has been studied as a positive electrode material that may meet this demand. Among them, the solid solution of the electrochemically inactive layered Li 2 MnO 3 and the electrochemically active layered LiMO 2 (where M is a transition metal such as Co, Ni, Mn, Fe) is It is expected as a high-capacity positive electrode candidate material capable of exhibiting a large electric capacity exceeding 200 mAh / g (see, for example, Patent Document 1).
JP-A-9-55211

しかしながら、上記特許文献1に記載の固溶体系の正極を高容量正極として用いたリチウムイオン電池でも、高容量使用条件でのサイクル耐久性が悪く、高電位にして充放電を繰り返すとすぐに劣化してしまうという問題があった。   However, even a lithium ion battery using the solid solution positive electrode described in Patent Document 1 as a high-capacity positive electrode has poor cycle durability under high-capacity use conditions, and deteriorates as soon as charging and discharging are repeated at a high potential. There was a problem that.

かかる問題に対し、本発明者は、この正極を高容量使用条件の充放電電位よりも、初期にいくらか低い電位で充放電前処理することによりサイクル耐久性を大幅に改善できることを見出した。   In response to such a problem, the present inventor has found that the cycle durability can be greatly improved by pretreating the positive electrode at a potential somewhat lower than the charge / discharge potential in the high capacity use condition in the initial stage.

本発明者は、上記解決手段に満足することなく、量産化に適するように、この正極を用いて電池を構成した後に前述の充放電前処理を施すためには、以下の技術課題が存在することを見出した。即ち、この正極を使用して電池を構成してさらに電動車両用の電源システム(電池を複数直列接続した電池システム)を構成しようとすると、充放電曲線が平坦でない負極(シリコン等)とこの正極を組み合わせて電池を構成する場合が多い。こうした電池では、電池を構成してから、正極の電位を規制して前述の充放電前処理を行おうとすると充電に伴って負極の電位が変化してしまうので、正極の電位を規制しての前述の充放電前処理を適切にできなくなるという技術課題があることがわかった。   The present inventor has the following technical problems in order to perform the above-described pre-charge / discharge treatment after constituting a battery using this positive electrode so as to be suitable for mass production without being satisfied with the above solution. I found out. In other words, when a battery is configured using this positive electrode to further configure a power system for an electric vehicle (battery system in which a plurality of batteries are connected in series), a negative electrode (such as silicon) having a non-flat charge / discharge curve and the positive electrode In many cases, a battery is configured by combining the two. In such a battery, after the battery is configured, if the potential of the positive electrode is regulated and the above charge / discharge pretreatment is performed, the potential of the negative electrode changes with charging. It has been found that there is a technical problem that the above-described charge / discharge pretreatment cannot be performed properly.

そこで、本発明の目的は、固溶体系の正極と充放電曲線が平坦でない負極を使った電池を複数直列接続したリチウムイオン電池システムでも、正極の電位を規制した電池の充放電前処理を適切にできる電池システムを提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to appropriately perform pre-charge / discharge pretreatment of a battery in which the positive electrode potential is regulated even in a lithium ion battery system in which a plurality of batteries using a solid solution positive electrode and a negative electrode having a non-flat charge / discharge curve are connected in series. It is to provide a battery system that can.

本発明者は、電池システムの一以上の電池に正極と負極の他に第3電極を組み入れ、電池システム全体に同じ電流を流して該第3電極の電位に対するこの電池の正極電位を検出して電池システム全体を一度に充放電前処理することで上記課題を解決できることを見出した。かかる知見に基づき本発明に至ったものである。   The inventor incorporated a third electrode in addition to the positive electrode and the negative electrode into one or more batteries of the battery system, and detected the positive electrode potential of this battery relative to the potential of the third electrode by passing the same current through the entire battery system. It has been found that the above problem can be solved by pre-charging and discharging the entire battery system at once. Based on this knowledge, the present invention has been achieved.

即ち、本発明の目的は、電池を複数直列接続した電池システムにおいて、正極と負極から絶縁された第3電極を備える電池の正極が第3電極に対し所定の電位範囲となるように、電池システム全体に同じ電流を流して充放電前処理をしてなる電池システムにより達成できる。   That is, an object of the present invention is to provide a battery system in which a plurality of batteries are connected in series so that the positive electrode of the battery including the third electrode insulated from the positive electrode and the negative electrode has a predetermined potential range with respect to the third electrode. This can be achieved by a battery system in which the same current is applied to the whole to perform pre-charge / discharge treatment.

上記電池システムを構成する電池は、主要正極活物質が一般式:xLiMO・(1−x)LiNOで表されるリチウムイオン電池である。上記一般式中のxは、0<x<1を満たす数であり、Mは、平均酸化状態が3+である1種類以上の遷移金属であり、Nは、平均酸化状態が4+である1種類以上の遷移金属である。 The battery constituting the battery system is a lithium ion battery in which a main positive electrode active material is represented by a general formula: xLiMO 2 · (1-x) Li 2 NO 3 . X in the above general formula is a number satisfying 0 <x <1, M is one or more transition metals whose average oxidation state is 3+, and N is one type whose average oxidation state is 4+ The above transition metals.

本発明では、固溶体系の正極と充放電曲線が平坦でない負極を使った電池を複数直列接続した電池システムでも、正極の電位を規制した電池の充放電前処理を適切にでき、サイクル特性のよい高容量のリチウムイオン電池システムを構築できる。   In the present invention, even in a battery system in which a plurality of batteries using a solid solution positive electrode and a negative electrode having a non-flat charge / discharge curve are connected in series, the charge / discharge pretreatment of the battery in which the potential of the positive electrode is regulated can be appropriately performed, and the cycle characteristics are good. A high-capacity lithium-ion battery system can be constructed.

本発明の電池システムは、電池を複数直列接続した電池システムにおいて、少なくとも1つの電池が正極と負極から電子的に絶縁された第3電極を備え、この第3電極を参照電極として、正極の電位を規制した電池の充放電前処理をしてなることを特徴とする。   The battery system of the present invention is a battery system in which a plurality of batteries are connected in series, and at least one battery includes a third electrode that is electronically insulated from the positive electrode and the negative electrode. It is characterized by being subjected to a pre-charge / discharge treatment for a battery that regulates the above.

ここで、上記電池システムを構成する電池は、主要正極活物質が一般式:xLiMO・(1−x)LiNOで表されるリチウムイオン電池である。該リチウムイオン電池では、正極と負極の面密度を均一にして容量を揃えてなるものが好適に用いられる。また、上記一般式中のxは、0<x<1を満たす数であり、Mは、平均酸化状態が3+である1種類以上の遷移金属であり、Nは、平均酸化状態が4+である1種類以上の遷移金属である。 Here, the battery constituting the battery system is a lithium ion battery in which a main positive electrode active material is represented by a general formula: xLiMO 2 · (1-x) Li 2 NO 3 . In the lithium ion battery, a battery having a uniform surface density of the positive electrode and the negative electrode and uniform capacity is preferably used. In the above general formula, x is a number satisfying 0 <x <1, M is one or more transition metals having an average oxidation state of 3+, and N has an average oxidation state of 4+. One or more transition metals.

また、上記正極の電位を規制した電池の充放電前処理とは、上記第3電極を備えた電池の正極が第3電極に対し所定の電位範囲となるようにして、直列接続されたリチウムイオン電池システム全体に同じ電流を流して充放電前処理をすることをいう。かかる構成とすることにより、高容量でサイクル耐久性がよいリチウムイオン電池システムを構築できる。   In addition, the charge / discharge pretreatment of the battery in which the potential of the positive electrode is regulated refers to lithium ions connected in series so that the positive electrode of the battery including the third electrode is in a predetermined potential range with respect to the third electrode. It means that the same current is applied to the whole battery system to perform pre-charge / discharge treatment. With this configuration, it is possible to construct a lithium ion battery system with high capacity and good cycle durability.

すなわち、一般式:xLiMO・(1−x)LiNOで表される、いわゆる固溶体系の正極材料は、高容量材料として期待されるが、高容量を発現させるような高電位まで充電して使用すると、充放電での劣化がはやいという問題があった(図参照)。この際の高電位まで充電して使用した際の第1回目、第2回目、第5回目の充放電曲線のうち、第1回目の充電曲線を、単に「最初の充電曲線」または「初期の充電曲線」ともいう。これに対して、その効果のメカニズムはまだ十分に解明されてはいないが、最高電位を最初の充電曲線のプラトーの部分(平坦な部分)の初期領域(平坦部分の下限から上限までの電位幅を100%とするとき、下限から下限+30%の領域)に対応する電位にして充放電前処理をすると改善されることを見出した。更に、この電池を用いて直列接続の電池システムを構成すると、どの電池にも常に同じ電流が流れる。また直列接続の電池システムを構成する際には、通常、正極と負極の面密度を均一にして容量を揃えて、電池の容量ばらつきが小さくなるように構成される。そこで、こうした通常の直列接続の電池システムにおいて、一つの電池に参照電極(第3電極)をつけて、それに対する同電池の正極の電位変化を検出しながら直列接続電池システム全体を充放電すれば、一度に全部の電池を充放電前処理できることを見出したものである(図3、図4B、図6参照)。その結果、本発明のリチウムイオン電池システムでは、本発明の固溶体系の正極材料を主要活物質とするリチウムイオン電池用正極を用いることにより、高エネルギー密度で、サイクル耐久性のよい電池システムを構築できる点で優れている。 That is, a positive electrode material of a so-called solid solution system represented by the general formula: xLiMO 2 · (1-x) Li 2 NO 3 is expected as a high-capacity material, but is charged to a high potential to develop a high capacity. When used in such a manner, there is a problem that deterioration due to charge and discharge is rapid (see FIG. 7 ). Among the first, second, and fifth charge / discharge curves when charged to a high potential at this time, the first charge curve is simply referred to as “initial charge curve” or “initial charge curve”. Also called “charge curve”. In contrast, the mechanism of the effect is not yet fully understood, but the maximum potential is set to the initial region of the plateau part (flat part) of the first charging curve (potential width from the lower limit to the upper limit of the flat part). It was found that when the pre-charge / discharge pretreatment is performed at a potential corresponding to the range from the lower limit to the lower limit + 30%). Furthermore, when a battery system connected in series is configured using this battery, the same current always flows through any battery. Further, when configuring a battery system connected in series, it is usually configured so that the surface density of the positive electrode and the negative electrode is made uniform, the capacities are made uniform, and the battery capacity variation is reduced. Therefore, in such a normal series-connected battery system, if a reference electrode (third electrode) is attached to one battery, and the whole series-connected battery system is charged and discharged while detecting the potential change of the positive electrode of the battery with respect to it. The present inventors have found that all the batteries can be pre-charged / discharged at one time (see FIGS. 3, 4B, and 6). As a result, in the lithium ion battery system of the present invention, a battery system with high energy density and good cycle durability is constructed by using a positive electrode for a lithium ion battery whose main active material is the solid solution positive electrode material of the present invention. It is excellent in that it can be done.

即ち、いわゆる固溶体系の正極材料は、充放電電位を高くして高容量正極として使用すると、充放電の繰り返しで容易に劣化してしまうが、適切な電位で充放電前処理することにより懸案の高容量でのサイクル耐久性を大幅に改善できるようになった。このサイクル耐久性向上メカニズムはまだ確定できないものの、次のように考えている。初期の充電曲線に見られるプラトーの部分は、まだ明確に理解されているとはいえないが、一説によれば固溶体正極結晶内の酸素のジアニオンが酸化されるとともに、リチウムイオンが放出されるプロセスと考えられている。この反応がおこると結晶構造の大幅な変化が起こるため、その結果としてその後の充放電サイクル劣化が起こってしまうと推察される。この結晶構造の大幅な変化を最初から引き起こすことなく、最高電位を最初の充電曲線のプラトーの部分の初期領域に対応する電位にした充放電サイクルをいくらか行う(繰り返す)ことにより構成元素のより安定配置、安定構造への穏やかな移行がなされる。これにより、その後、さらに電圧を上げて、上記のプラトー領域を経て充電を行っても、既に構造的に安定化が済んでいるため、高容量を発現できる高電位領域を含めた充放電のサイクルに耐えられるようになるのではないかと考えている。本発明は、この正極活物質を用いて電池を構成し、それを複数直列接続して電動車両用に適用できるようにした電池システムを構成してから、懸案の正極の充放電前処理を行なう製造方法とそれによって安定化した電池システムを与えるためのものである。本発明によって、高容量でサイクル耐久性がよい安定化した電池システムおよびその製造方法を提供できる。   In other words, a so-called solid solution positive electrode material is easily deteriorated by repeated charge / discharge when it is used as a high-capacity positive electrode with a high charge / discharge potential. Cycle durability at high capacity can be greatly improved. Although the cycle durability improvement mechanism cannot be determined yet, it is considered as follows. The plateau part of the initial charge curve is not yet clearly understood, but according to one theory, the process in which the dianion of oxygen in the solid solution cathode crystal is oxidized and lithium ions are released. It is believed that. When this reaction occurs, a significant change in the crystal structure occurs, and it is assumed that subsequent charge / discharge cycle deterioration occurs as a result. Without causing a significant change in the crystal structure from the beginning, the constituent elements can be made more stable by performing (repeating) some charge / discharge cycles with the highest potential corresponding to the initial region of the plateau part of the first charge curve. A gentle transition to placement and stability is made. As a result, even if the voltage is further increased and charging is performed through the plateau region described above, the structure has already been stabilized, so a charge / discharge cycle including a high potential region capable of developing a high capacity is achieved. I think I will be able to withstand. The present invention forms a battery using this positive electrode active material, forms a battery system in which a plurality of the positive electrode active materials are connected in series and can be applied to an electric vehicle, and then performs charge / discharge pretreatment on the positive electrode in question. A manufacturing method and a battery system stabilized thereby are provided. According to the present invention, it is possible to provide a stabilized battery system having a high capacity and good cycle durability and a method for manufacturing the same.

以下、図面を参照しながら、本発明のリチウムイオン電池システム(以下、単に電池システムともいう)を構成するリチウムイオン電池とこれを複数直列接続してなる電池システムの実施形態を説明する。但し、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。   Hereinafter, an embodiment of a lithium ion battery constituting a lithium ion battery system (hereinafter also simply referred to as a battery system) of the present invention and a battery system formed by connecting a plurality of them in series will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following forms. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.

まず、本発明の電池システムを構成するリチウムイオン電池は、高容量とできることから、車両の駆動電源用等の電池システムとして好適に利用できるほか、携帯パソコンや携帯電話などの携帯機器向けの電池システムにも十分に適用可能である。   First, since the lithium ion battery constituting the battery system of the present invention can have a high capacity, it can be suitably used as a battery system for a vehicle drive power source and the like, and a battery system for portable devices such as a portable personal computer and a cellular phone. It is also fully applicable to.

すなわち、本発明で用いられるリチウムイオン電池は、主要正極活物質が一般式:xLiMO・(1−x)LiNOで表される、いわゆる固溶体系の正極材料を用いてなるものであればよく、他の構成要件に関しては、特に制限されるべきものではない。 That is, the lithium ion battery used in the present invention uses a so-called solid solution positive electrode material in which the main positive electrode active material is represented by the general formula: xLiMO 2. (1-x) Li 2 NO 3. The other configuration requirements are not particularly limited.

例えば、上記リチウムイオン電池を形態・構造で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など、従来公知のいずれの形態・構造にも適用し得るものである。積層型(扁平型)電池構造を採用することで簡単な熱圧着などのシール技術により長期信頼性を確保でき、コスト面や作業性の点では有利である。   For example, when the lithium ion battery is distinguished by its form / structure, it can be applied to any conventionally known form / structure, such as a stacked (flat) battery or a wound (cylindrical) battery. is there. By adopting a stacked (flat) battery structure, long-term reliability can be secured by a sealing technique such as simple thermocompression bonding, which is advantageous in terms of cost and workability.

また、リチウムイオン電池内の電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用し得るものである。   Moreover, when viewed in terms of electrical connection form (electrode structure) in a lithium ion battery, it can be applied to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries. is there.

リチウムイオン電池内の電解質層の種類で区別した場合には、電解質層に非水系の電解液等の溶液電解質を用いた溶液電解質型電池、電解質層に高分子電解質を用いたポリマー電池など従来公知のいずれの電解質層のタイプにも適用し得るものである。該ポリマー電池は、更に高分子ゲル電解質(単にゲル電解質ともいう)を用いたゲル電解質型電池、高分子固体電解質(単にポリマー電解質ともいう)を用いた固体高分子(全固体)型電池に分けられる。   Conventionally known, such as a solution electrolyte type battery using a solution electrolyte such as a non-aqueous electrolyte for the electrolyte layer, a polymer battery using a polymer electrolyte for the electrolyte layer when distinguished by the type of electrolyte layer in the lithium ion battery It can be applied to any electrolyte layer type. The polymer battery is further divided into a gel electrolyte type battery using a polymer gel electrolyte (also simply referred to as a gel electrolyte) and a solid polymer (all solid) type battery using a polymer solid electrolyte (also simply referred to as a polymer electrolyte). It is done.

したがって、以下の説明では、本発明の電池システムに用いられる非双極型(内部並列接続タイプ)リチウムイオン二次電池及び双極型(内部直列接続タイプ)リチウムイオン二次電池につき図面を用いてごく簡単に説明する。但し、本発明のリチウムイオン電池の技術的範囲が、これらに制限されるべきものではない。   Therefore, in the following description, the non-bipolar (internal parallel connection type) lithium ion secondary battery and the bipolar (internal series connection type) lithium ion secondary battery used in the battery system of the present invention are very simple with reference to the drawings. Explained. However, the technical scope of the lithium ion battery of the present invention should not be limited to these.

図1は、本発明に用いられるリチウムイオン電池の代表的な一実施形態である、扁平型(積層型)のリチウムイオン二次電池(以下、単に非双極型リチウムイオン二次電池、または非双極型二次電池ともいう)の全体構造を模式的に表した断面概略図である。   FIG. 1 shows a typical embodiment of a lithium ion battery used in the present invention, a flat (stacked) lithium ion secondary battery (hereinafter simply referred to as a non-bipolar lithium ion secondary battery or non-bipolar). 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing the overall structure of a secondary battery.

図1に示すように、非双極型リチウムイオン二次電池10では、電池外装材22に高分子−金属を複合したラミネートフィルムを用いて、その周辺部の全部を熱融着にて接合することにより、発電要素17を収納し密封した構成を有している。即ち、実際に充放電反応が進行する略直方形の発電要素17が、電池外装材22であるラミネートシートの内部に封止された構造を有する。尚、電池外装材22の周辺部の全部を熱融着にて接合することにより、封止部(図3の符号23参照)が形成されている。   As shown in FIG. 1, in the non-bipolar lithium ion secondary battery 10, a battery film 22 is made of a polymer-metal composite laminate film, and the entire periphery thereof is bonded by thermal fusion. Thus, the power generation element 17 is housed and sealed. That is, the substantially rectangular power generation element 17 in which the charge / discharge reaction actually proceeds has a structure sealed inside the laminate sheet that is the battery exterior material 22. In addition, the sealing part (refer code | symbol 23 of FIG. 3) is formed by joining all the peripheral parts of the battery exterior material 22 by heat sealing | fusion.

ここで発電要素17は、正極集電体11の両面(発電要素の最外層用は片面)に正極(正極活物質層)12が形成された正極板、電解質層13、および負極集電体14の両面に負極(負極活物質層)15が形成された負極板を積層した構成を有している。この際、一の正極板片面の正極(正極活物質層)12と前記一の正極板に隣接する一の負極板片面の負極(負極活物質層)15とが電解質層13を介して向き合うようにして、正極板、電解質層13、負極板の順に複数積層されている。   Here, the power generation element 17 includes a positive electrode plate having a positive electrode (positive electrode active material layer) 12 formed on both surfaces of the positive electrode current collector 11 (one surface for the outermost layer of the power generation element), an electrolyte layer 13, and a negative electrode current collector 14. The negative electrode plate in which the negative electrode (negative electrode active material layer) 15 was formed on both surfaces is laminated. At this time, the positive electrode (positive electrode active material layer) 12 on one surface of one positive electrode plate and the negative electrode (negative electrode active material layer) 15 on one surface of one negative electrode plate adjacent to the one positive electrode plate face each other through the electrolyte layer 13. Thus, a plurality of layers of the positive electrode plate, the electrolyte layer 13, and the negative electrode plate are laminated in this order.

これにより、隣接する正極(正極活物質層)12、電解質層13、および負極(負極活物質層)15は、一つの単電池層16を構成する。従って、本実施形態のリチウムイオン二次電池10は、単電池層16が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素17の両最外層に位置する最外層正極集電体11aには、いずれも片面のみに正極(正極活物質層)12が形成されている。なお、図1と正極板と負極板の配置を変えることで、発電要素17の両最外層に最外層負極集電体(図示せず)が位置するようにし、該最外層負極集電体の場合にも片面のみに負極(負極活物質層)15が形成されているようにしてもよい。   As a result, the adjacent positive electrode (positive electrode active material layer) 12, electrolyte layer 13, and negative electrode (negative electrode active material layer) 15 constitute one unit cell layer 16. Therefore, it can be said that the lithium ion secondary battery 10 of the present embodiment has a configuration in which a plurality of single battery layers 16 are stacked and electrically connected in parallel. Note that the positive electrode (positive electrode active material layer) 12 is formed on only one side of the outermost positive electrode current collector 11 a located in both outermost layers of the power generation element 17. In addition, by changing the arrangement of the positive electrode plate and the negative electrode plate in FIG. 1, the outermost layer negative electrode current collector (not shown) is positioned in both outermost layers of the power generation element 17, and the outermost layer negative electrode current collector In some cases, the negative electrode (negative electrode active material layer) 15 may be formed only on one side.

また、上記の各電極板(正極板及び負極板)と導通される正極タブ18および負極タブ19が、正極端子リード20および負極端子リード21を介して各電極板の正極集電体11及び負極集電体14に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられている。これにより、正極集電体11及び負極集電体14に電気的に接続された正極タブ18および負極タブ19は、上記熱融着部に挟まれて上記の電池外装材22の外部に露出される構造を有している。   Further, the positive electrode tab 18 and the negative electrode tab 19 that are electrically connected to the respective electrode plates (positive electrode plate and negative electrode plate) are connected to the positive electrode current collector 11 and the negative electrode of each electrode plate via the positive electrode terminal lead 20 and the negative electrode terminal lead 21. It is attached to the current collector 14 by ultrasonic welding or resistance welding. Accordingly, the positive electrode tab 18 and the negative electrode tab 19 that are electrically connected to the positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 14 are sandwiched between the heat fusion portions and exposed to the outside of the battery exterior material 22. It has a structure.

図2は、本発明に用いられるリチウムイオン電池の他の代表的な一実施形態である双極型の扁平型(積層型)のリチウムイオン二次電池(以下、単に双極型リチウムイオン二次電池、または双極型二次電池とも称する)の全体構造を模式的に表わした概略断面図である。   FIG. 2 shows another typical embodiment of a lithium ion battery used in the present invention, a bipolar flat (stacked) lithium ion secondary battery (hereinafter simply referred to as a bipolar lithium ion secondary battery, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing the entire structure of a secondary type secondary battery).

図2に示すように、双極型リチウムイオン二次電池30は、実際に充放電反応が進行する略直方形の発電要素37が、電池外装材42の内部に封止された構造を有する。即ち、電池外装材42の内部に発電要素37を収納し、該電池外装材42の周辺部の全部を熱融着等にて接合することにより、封止部(図3の符号23参照)を形成することで、電池外装材42内部を密封した構成となっている。   As shown in FIG. 2, the bipolar lithium ion secondary battery 30 has a structure in which a substantially rectangular power generation element 37 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a battery exterior member 42. That is, the power generation element 37 is accommodated in the battery outer packaging material 42, and the entire peripheral portion of the battery outer packaging material 42 is joined by thermal fusion or the like, so that the sealing portion (see reference numeral 23 in FIG. 3) is formed. By forming, the inside of the battery exterior material 42 is sealed.

本実施形態の双極型二次電池30の発電要素37は、1枚または2枚以上で構成される双極型電極34で電解質層35を挟み、隣合う双極型電極34の正極(正極活物質層)32と負極(負極活物質層)33とが対向するようになっている。ここで、双極型電極34は、集電体31の片面に正極(正極活物質層)32を設け、もう一方の面に負極(負極活物質層)33を設けた構造を有している。即ち、双極型二次電池30では、集電体31の片方の面上に正極(正極活物質層)32を有し、他方の面上に負極(負極活物質層)33を有する双極型電極34を、電解質層35を介して複数枚積層した構造の発電要素37を具備してなるものである。   The power generation element 37 of the bipolar secondary battery 30 according to the present embodiment has an electrolyte layer 35 sandwiched between one or two or more bipolar electrodes 34, and a positive electrode (positive electrode active material layer) of adjacent bipolar electrodes 34. ) 32 and the negative electrode (negative electrode active material layer) 33 are opposed to each other. Here, the bipolar electrode 34 has a structure in which a positive electrode (positive electrode active material layer) 32 is provided on one surface of the current collector 31 and a negative electrode (negative electrode active material layer) 33 is provided on the other surface. That is, in the bipolar secondary battery 30, a bipolar electrode having a positive electrode (positive electrode active material layer) 32 on one surface of the current collector 31 and a negative electrode (negative electrode active material layer) 33 on the other surface. A power generation element 37 having a structure in which a plurality of 34 are stacked via an electrolyte layer 35 is provided.

隣接する正極(正極活物質層)32、電解質層35および負極(負極活物質層)33は、一つの単電池層(=電池単位ないし単セル)36を構成する。従って、双極型二次電池30は、単電池層36が積層されてなる構成を有するともいえる。また、電解質層35からの電解液の漏れによる液絡を防止するために単電池層36の周辺部にはシール部(絶縁層)43が配置されている。該シール部(絶縁層)43を設けることで隣接する集電体31間を絶縁し、隣接する電極(正極32及び負極33)間の接触による短絡を防止することもできる。   The adjacent positive electrode (positive electrode active material layer) 32, electrolyte layer 35, and negative electrode (negative electrode active material layer) 33 constitute one single battery layer (= battery unit or single cell) 36. Therefore, it can be said that the bipolar secondary battery 30 has a configuration in which the single battery layers 36 are stacked. Further, a seal portion (insulating layer) 43 is disposed around the unit cell layer 36 in order to prevent liquid junction due to leakage of the electrolyte from the electrolyte layer 35. By providing the seal portion (insulating layer) 43, the adjacent current collectors 31 can be insulated and a short circuit due to contact between the adjacent electrodes (the positive electrode 32 and the negative electrode 33) can be prevented.

なお、発電要素37の最外層に位置する正極側電極34a及び負極側電極34bは、双極型電極構造でなくてもよい。例えば、集電体31a、31b(または端子板)に必要な片面のみの正極(正極活物質層)32または負極(負極活物質層)33を配置した構造としてもよい。発電要素37の最外層に位置する正極側の最外層集電体31aには、片面のみに正極(正極活物質層)32が形成されているようにしてもよい。同様に、発電要素37の最外層に位置する負極側の最外層集電体31bには、片面のみに負極(負極活物質層)33が形成されているようにしてもよい。また、双極型リチウムイオン二次電池30では、上下両端の正極側最外層集電体31a及び負極側最外層集電体31bにそれぞれ正極タブ38および負極タブ39が、必要に応じて正極端子リード40及び負極端子リード41を介して接合されている。但し、正極側最外層集電体31aが延長されて正極タブ38とされ、電池外装材42であるラミネートシートから導出されていてもよい。同様に、負極側最外層集電体31bが延長されて負極タブ39とされ、同様に電池外装材42であるラミネートシートから導出される構造としてもよい。   In addition, the positive electrode side electrode 34a and the negative electrode side electrode 34b located in the outermost layer of the power generation element 37 may not have a bipolar electrode structure. For example, a structure in which the positive electrode (positive electrode active material layer) 32 or the negative electrode (negative electrode active material layer) 33 only on one side necessary for the current collectors 31a and 31b (or terminal plates) may be provided. A positive electrode (positive electrode active material layer) 32 may be formed on only one surface of the positive electrode-side outermost layer current collector 31 a located in the outermost layer of the power generation element 37. Similarly, a negative electrode (negative electrode active material layer) 33 may be formed on only one side of the outermost current collector 31b on the negative electrode side located in the outermost layer of the power generation element 37. In the bipolar lithium ion secondary battery 30, the positive electrode tab 38 and the negative electrode tab 39 are provided on the positive electrode side outermost layer current collector 31 a and the negative electrode side outermost layer current collector 31 b at both the upper and lower ends, respectively. 40 and the negative terminal lead 41 are joined. However, the positive electrode side outermost layer current collector 31 a may be extended to form a positive electrode tab 38, and may be derived from a laminate sheet that is the battery exterior material 42. Similarly, the negative electrode side outermost layer current collector 31b may be extended to form a negative electrode tab 39, which may be similarly derived from a laminate sheet that is the battery outer packaging material 42.

また、双極型リチウムイオン二次電池30でも、発電要素37部分を電池外装材(外装パッケージ)42に減圧封入し、正極タブ38及び負極タブ39を電池外装材42の外部に取り出した構造とするのがよい。かかる構造とすることで、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止することができるためである。この双極型リチウムイオン二次電池30の基本構成は、複数積層した単電池層(単セル)36が直列に接続された構成ともいえるものである。   Further, the bipolar lithium ion secondary battery 30 also has a structure in which the power generation element 37 portion is sealed in a battery exterior material (exterior package) 42 under reduced pressure, and the positive electrode tab 38 and the negative electrode tab 39 are taken out of the battery exterior material 42. It is good. This is because such a structure can prevent external impact and environmental degradation during use. The basic configuration of the bipolar lithium ion secondary battery 30 can be said to be a configuration in which a plurality of stacked single battery layers (single cells) 36 are connected in series.

上記した通り、非双極型リチウムイオン二次電池と双極型リチウムイオン二次電池の各構成要件および製造方法に関しては、リチウムイオン二次電池内の電気的な接続形態(電極構造)が異なることを除いては、基本的には同様である。よって以下では、上記した非双極型リチウムイオン二次電池を用いて説明する。但し、双極型リチウムイオン二次電池にも同様の構成要件及び製造方法を適宜利用して構成ないし製造することができる。   As described above, regarding each constituent requirement and manufacturing method of the non-bipolar lithium ion secondary battery and the bipolar lithium ion secondary battery, the electrical connection form (electrode structure) in the lithium ion secondary battery is different. Except for this, it is basically the same. Therefore, below, it demonstrates using the above non-bipolar type lithium ion secondary battery. However, the bipolar lithium ion secondary battery can be configured or manufactured by appropriately using the same configuration requirements and manufacturing method.

まず、本発明の電池システムでは、少なくとも1つの電池が、正極と負極から電子的に絶縁された第3電極を備えてなることを特徴とする。図3は、本発明の電池システムにおいて、正極と負極から電子的に絶縁された第3電極を備えてなる非双極型リチウムイオン二次電池の第3電極を設置の様子を模式的に表わした概略部分断面図である。   First, in the battery system of the present invention, at least one battery includes a third electrode that is electronically insulated from the positive electrode and the negative electrode. FIG. 3 schematically shows how the third electrode of the non-bipolar lithium ion secondary battery including the third electrode electronically insulated from the positive electrode and the negative electrode is installed in the battery system of the present invention. It is a general | schematic fragmentary sectional view.

図3に示す第3電極を備えてなる非双極型リチウムイオン二次電池10aの基本構成は、図1に示す非双極型リチウムイオン二次電池10の構成と同様である。図3に示す電池10aでは、正極(正極活物質層)12と負極(負極活物質層)15から電子的に絶縁された電解質層13の間に、第3電極25が備えられている。この第3電極25には必要に応じて第3電極端子リード26を介して第3電極タブ27と接続されている。該第3電極タブ27は、電池外装材22の封止部23を介して外部に導出されていている(図3、図4B参照)。但し、第3電極端子リード26が延長されて第3電極タブ27とされ、電池外装材22であるラミネートシートから導出されていてもよい。   The basic configuration of the non-bipolar lithium ion secondary battery 10a including the third electrode shown in FIG. 3 is the same as the configuration of the non-bipolar lithium ion secondary battery 10 shown in FIG. In the battery 10 a shown in FIG. 3, a third electrode 25 is provided between the electrolyte layer 13 that is electronically insulated from the positive electrode (positive electrode active material layer) 12 and the negative electrode (negative electrode active material layer) 15. The third electrode 25 is connected to a third electrode tab 27 via a third electrode terminal lead 26 as necessary. The third electrode tab 27 is led out to the outside through the sealing portion 23 of the battery exterior material 22 (see FIGS. 3 and 4B). However, the third electrode terminal lead 26 may be extended to form a third electrode tab 27 and may be derived from a laminate sheet that is the battery exterior material 22.

以下、上記した電池の各構成要件につき、説明する。   Hereinafter, each component of the battery described above will be described.

[集電体]
集電体は、非双極型及び双極型リチウムイオン二次電池のいずれに関しても、特に制限されるものではない。具体的には、集電体として、鉄、クロム、ニッケル、マンガン、チタン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、アルミニウム、銅、銀、金、白金およびカーボンよりなる群から選ばれてなる少なくとも1種類の集電体材料で構成された集電体を用いることができる。また本発明では、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、あるいはこれらの集電体材料の組み合わせのめっき材なども好ましく使える。また、上記集電体材料である金属(アルミニウムを除く)表面に、他の集電体材料であるアルミニウムを被覆させた集電体であってもよい。また、場合によっては、2つ以上の上記集電体材料である金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。集電体の厚さは、特に限定されないが、通常は1〜100μm程度である。
[Current collector]
The current collector is not particularly limited with respect to any of the non-bipolar type and the bipolar type lithium ion secondary battery. Specifically, the current collector is at least one type of current selected from the group consisting of iron, chromium, nickel, manganese, titanium, molybdenum, vanadium, niobium, aluminum, copper, silver, gold, platinum, and carbon. A current collector made of a current material can be used. In the present invention, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plating material of a combination of these current collector materials can be preferably used. Further, a current collector in which the surface of a metal (excluding aluminum) as the current collector material is coated with aluminum as another current collector material may be used. Moreover, you may use the electrical power collector which bonded together the metal foil which is two or more said electrical power collector materials depending on the case. Although the thickness of a collector is not specifically limited, Usually, it is about 1-100 micrometers.

[電極(正極及び負極)]
正極(正極活物質層)および負極(負極活物質層)の構成は、非双極型及び双極型リチウムイオン二次電池のいずれに関しても、特に限定されず、公知の正極および負極が適用可能である。電極には、電極が正極であれば正極活物質、電極が負極であれば負極活物質が含まれる。
[Electrodes (positive electrode and negative electrode)]
The configurations of the positive electrode (positive electrode active material layer) and the negative electrode (negative electrode active material layer) are not particularly limited for both non-bipolar and bipolar lithium ion secondary batteries, and known positive electrodes and negative electrodes are applicable. . The electrode includes a positive electrode active material if the electrode is a positive electrode and a negative electrode active material if the electrode is a negative electrode.

(正極活物質)
正極活物質の材料(材質)としては、上記一般式;xLiMO・(1−x)LiNOで表される正極材料を主要正極活物質として用いるものであればよい。
(Positive electrode active material)
As a material (material) of the positive electrode active material, any material may be used as long as the positive electrode material represented by the above general formula; xLiMO 2 · (1-x) Li 2 NO 3 is used as the main positive electrode active material.

ここで、上記一般式中のxは、0<x<1を満たす数であればよい。   Here, x in the above general formula may be a number satisfying 0 <x <1.

また、上記一般式:xLiMO・(1−x)LiNOで表される固溶体系の正極材料のうちの電気化学的に活性な、LiMOのMとしては、平均酸化状態が3+である1種類以上の遷移金属であればよく、特に制限されるものではない。前記式中のMとしては、Mn、Ni、Co、Fe、V、Crから選ばれてなる1種類以上の元素であればよいが、好ましくは、Mn、Ni、CoおよびFeから選ばれてなる1種類以上の元素が望ましい。これらの遷移金属を用いる場合には、より高容量でサイクル耐久性がよいリチウムイオン電池用正極を製造できるからである。なかでも、電気化学的に活性な層状のLiMOを用いた固溶体系の正極では、Niを含まないと高容量正極候補材料の活物質としての意味が低くなる。そのため、前記式中のMとしては、Niを含むものが特に好ましい。 In addition, the electrochemically active M of LiMO 2 in the solid solution positive electrode material represented by the general formula: xLiMO 2 · (1-x) Li 2 NO 3 has an average oxidation state of 3+. There is no particular restriction as long as it is one or more transition metals. M in the above formula may be one or more elements selected from Mn, Ni, Co, Fe, V, and Cr, but preferably selected from Mn, Ni, Co, and Fe. One or more elements are desirable. This is because when these transition metals are used, a positive electrode for a lithium ion battery having a higher capacity and better cycle durability can be produced. In particular, a solid solution positive electrode using electrochemically active layered LiMO 2 has a low meaning as an active material of a high-capacity positive electrode candidate material unless Ni is contained. Therefore, as M in the above formula, those containing Ni are particularly preferable.

上記一般式:xLiMO・(1−x)LiNOで表される固溶体のうちの電気化学的に不活性な、LiNOのNとしては、平均酸化状態が4+である1種類以上の遷移金属であればよく、特に制限されるものではない。前記式中のNとしては、好ましくは、Mn、ZrおよびTiから選ばれてなる1種類以上の元素が望ましい。これらの遷移金属を用いる場合には、より高容量でサイクル耐久性がよいリチウムイオン電池用正極を製造できるからである。 The general formula: xLiMO 2 · (1-x ) Li 2 NO 3 in an electrochemically inert of solid solution represented as the N of Li 2 NO 3, 1 kind average oxidation state is 4+ Any transition metal may be used as long as it is not particularly limited. N in the above formula is preferably one or more elements selected from Mn, Zr and Ti. This is because when these transition metals are used, a positive electrode for a lithium ion battery having a higher capacity and better cycle durability can be produced.

正極活物質としては、上記一般式;xLiMO・(1−x)LiNOで表される正極材料を単独で使用してもよいほか、さらに必要に応じて、従来公知の他の正極活物質を併用してもよい。他の正極活物質としては、LiMn、LiCoO、LiNiO、Li(Ni−Co−Mn)Oおよびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物が挙げられる。この他にも、例えば、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物なども挙げられる。場合によっては、2種以上の他の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物であるが、上記以外の他の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 As the positive electrode active material, a positive electrode material represented by the above general formula; xLiMO 2 · (1-x) Li 2 NO 3 may be used alone, or, if necessary, another positive electrode known in the art. An active material may be used in combination. Other positive electrode active materials include LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li (Ni—Co—Mn) O 2, and lithium—such as those in which some of these transition metals are substituted with other elements A transition metal complex oxide is mentioned. In addition, for example, a lithium-transition metal phosphate compound, a lithium-transition metal sulfate compound, and the like can be given. In some cases, two or more other positive electrode active materials may be used in combination. Preferably, it is a lithium-transition metal composite oxide from the viewpoint of capacity and output characteristics, but it is needless to say that other positive electrode active materials may be used.

ここで、正極活物質のうち、上記一般式;xLiMO・(1−x)LiNOで表される主要活物質の含有量は、50質量%以上、好ましくは70質量%以上、より好ましくは85質量%以上、さらに好ましくは95質量%以上である。なかでも、全量(100質量%)を200mAh/gを超える大きな電気容量を示し得る上記一般式で表される固溶体系材料を用いるのが特に望ましい。 Here, in the positive electrode active material, the content of the main active material represented by the above general formula; xLiMO 2 · (1-x) Li 2 NO 3 is 50% by mass or more, preferably 70% by mass or more. Preferably it is 85 mass% or more, More preferably, it is 95 mass% or more. Among them, it is particularly desirable to use a solid solution system material represented by the above general formula that can exhibit a large electric capacity exceeding 200 mAh / g in the total amount (100 mass%).

(負極活物質)
負極活物質の材料(材質)としては、特に制限されるものではなく、電池の種類に応じて適宜選択すればよい。
(Negative electrode active material)
The material (material) of the negative electrode active material is not particularly limited, and may be appropriately selected according to the type of battery.

負極活物質としては、通常リチウムイオン二次電池に用いられている負極活物質なら何でもよく、具体的には、カーボンもしくはリチウム合金、リチウム遷移金属複合酸化物を好適に用いることができる。上記カーボンとしては、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、活性炭、カーボンファイバ、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボン(難黒鉛化炭素材料)などの結晶性炭素材や非結晶性炭素材等のカーボンなどが挙げられる。リチウム合金としては、リチウム−スズ合金、リチウム−シリコン合金、さらにこれらに他の元素を添加したリチウム合金、遷移金属複合酸化物としてはリチウムチタン複合酸化物(チタン酸リチウム:LiTi12)などのリチウム−移金属複合酸化物などが挙げられる。但し、これらに何ら制限されるものではない。これらは1種単独で使用しても良いし、2種以上を併用しても良い。 As the negative electrode active material, any negative electrode active material usually used in a lithium ion secondary battery may be used. Specifically, carbon, a lithium alloy, or a lithium transition metal composite oxide can be suitably used. Examples of the carbon include crystalline carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, carbon black, acetylene black, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon, and hard carbon (non-graphitizable carbon material), and amorphous carbon materials. For example, carbon. Examples of the lithium alloy include a lithium-tin alloy, a lithium-silicon alloy, and a lithium alloy obtained by adding other elements thereto, and examples of the transition metal composite oxide include a lithium titanium composite oxide (lithium titanate: Li 4 Ti 5 O 12 ) And the like. However, it is not limited to these. These may be used alone or in combination of two or more.

本発明では、上記したように、固溶体系の正極と充放電曲線が平坦でない負極を使った電池を複数直列接続したリチウムイオン電池システムでも、正極の電位を規制した電池の充放電前処理を施して、サイクル特性のよい高容量の電池システムを提供することにある。かかる観点から、負極活物質としては、リチウム−スズ合金、リチウム−シリコン合金、さらにこれらに他の元素を添加したリチウム合金などの高容量で、かつ充放電曲線が平坦でない負極を形成し得るものが好適に利用できる。   In the present invention, as described above, even in a lithium ion battery system in which a plurality of batteries using a solid solution positive electrode and a negative electrode having a non-flat charge / discharge curve are connected in series, the charge / discharge pretreatment of the battery in which the potential of the positive electrode is regulated is performed. An object of the present invention is to provide a high capacity battery system with good cycle characteristics. From this point of view, as the negative electrode active material, a lithium-tin alloy, a lithium-silicon alloy, and a lithium alloy obtained by adding other elements to these can form a negative electrode having a high capacity and a non-flat charge / discharge curve. Can be suitably used.

各正極活物質層、負極活物質層に含まれるそれぞれの活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1〜20μmである。なお、本明細書中において、「粒子径」とは、活物質の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。他の構成成分の粒子径や平均粒子径も同様に定義することができる。   The average particle diameter of each active material contained in each positive electrode active material layer and negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 1 to 20 μm from the viewpoint of increasing the output. In the present specification, the “particle diameter” means the maximum distance L among the distances between any two points on the contour line of the active material. As the value of “average particle diameter”, the average particle diameter of particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The calculated value shall be adopted. The particle diameters and average particle diameters of other components can be defined in the same manner.

活物質それぞれの固有の効果を発現する上で最適な粒径が異なる場合には、それぞれの固有の効果を発現する上で最適な粒径同士をブレンドして用いればよく、全ての活物質の粒径を必ずしも均一化させる必要はない。   When the optimum particle size for expressing the unique effect of each active material is different, the optimum particle size for expressing each unique effect may be blended and used. It is not always necessary to make the particle size uniform.

正極(正極活物質層:片面)及び負極(負極活物質層:片面)の厚さは、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮して適宜決定すればよく、共に、通常1〜500μm程度である。   The thickness of the positive electrode (positive electrode active material layer: one side) and the negative electrode (negative electrode active material layer: one side) may be determined as appropriate in consideration of the intended use of the battery (emphasis on output, energy, etc.) and ion conductivity. Both are usually about 1 to 500 μm.

正極(正極活物質層)及び負極(負極活物質層)は、通常のスラリーを塗布(コーティング)する方法のほか、スパッタ、蒸着、CVD、PVD、イオンプレーティングおよび溶射のいずれかの方法によっても形成することもできる。こうした形成法に適した負極活物質としては、チタン酸リチウムのほか、カーボン、リチウム金属、リチウムアルミ合金、リチウムスズ合金、リチウムケイ素合金などが好適に利用可能である。正極活物質については、上記般式;xLiMO・(1−x)LiNOで表される正極材料を含むものであればよい。 The positive electrode (positive electrode active material layer) and the negative electrode (negative electrode active material layer) can be applied by any of sputtering, vapor deposition, CVD, PVD, ion plating, and thermal spraying methods in addition to the usual method of applying (coating) slurry. It can also be formed. As the negative electrode active material suitable for such a forming method, carbon, lithium metal, lithium aluminum alloy, lithium tin alloy, lithium silicon alloy and the like can be suitably used in addition to lithium titanate. The positive electrode active material only needs to include a positive electrode material represented by the above general formula; xLiMO 2 · (1-x) Li 2 NO 3 .

電極(正極および負極)は、電子伝導性を高めるための導電材(以下、導電助剤とも称する)、バインダ、電解質(イオン伝導性を賦与するためのリチウム塩を含むポリマーマトリックス、イオン伝導性高分子、電解液など)などが含まれ得る。   The electrodes (positive electrode and negative electrode) are made of a conductive material (hereinafter also referred to as a conductive additive) for enhancing electronic conductivity, a binder, an electrolyte (a polymer matrix containing a lithium salt for imparting ion conductivity, high ion conductivity). Molecules, electrolytes, etc.).

上記導電材(導電助剤ともいう)としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などが挙げられる。導電材を含ませることによって、電極で発生した電子の伝導性を高めて、電池性能を向上させることができる。   Examples of the conductive material (also referred to as a conductive additive) include acetylene black, carbon black, graphite, and carbon fiber. By including a conductive material, the conductivity of electrons generated in the electrode can be increased and the battery performance can be improved.

上記バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、スチレンブタジエンゴム、ポリイミドなどが挙げられる。ただし、これらに限られるわけではない。   Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF), styrene butadiene rubber, and polyimide. However, it is not necessarily limited to these.

また、上記導電材とバインダの機能を併せ持つ導電性結着剤をこれら導電材とバインダに代えて用いてもよいし、あるいはこれら導電材とバインダの一方ないし双方と併用してもよい。導電性結着剤としては、既に市販のTAB−2(宝泉株式会社製)などを用いることができる。   The conductive binder having the functions of the conductive material and the binder may be used in place of the conductive material and the binder, or may be used in combination with one or both of the conductive material and the binder. Commercially available TAB-2 (manufactured by Hosen Co., Ltd.) or the like can be used as the conductive binder.

電解質としては、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、それらの共重合体などのリチウム塩を含むイオン伝導性高分子(固体高分子電解質)などが挙げられる。   Examples of the electrolyte include ion conductive polymers (solid polymer electrolytes) including lithium salts such as polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof.

使用される上記リチウム塩は、電池の種類に応じて選択すればよい。例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩;LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩;これらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。 What is necessary is just to select the said lithium salt used according to the kind of battery. For example, inorganic acid anion salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiTaF 6 , LiAlCl 4 , Li 2 B 10 Cl 10 ; LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li Organic acid anion salts such as (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N; mixtures thereof and the like can be used. However, it is not necessarily limited to these.

活物質、導電材、バインダ、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性高分子、電解液など)、リチウム塩等の電極の構成材料の配合量は、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮して決定することが好ましい。この際、負極上へのリチウム金属の析出防止の観点から負極の容量を正極の容量よりいくらか多くしたり、負極活物質層のエッジへのリチウムの析出防止の観点から正極活物質層の面積を負極活物質層の面積より小さくするなど、本発明の技術分野では周知な技術を適用するのが望ましいことはいうまでもない。   The active material, conductive material, binder, electrolyte (polymer matrix, ion-conductive polymer, electrolyte, etc.), and the amount of electrode constituent materials such as lithium salt are determined for the intended use of the battery (emphasis on output, energy, etc.) It is preferable to determine in consideration of ionic conductivity. At this time, the capacity of the negative electrode is somewhat larger than the capacity of the positive electrode from the viewpoint of preventing lithium metal deposition on the negative electrode, or the area of the positive electrode active material layer is reduced from the viewpoint of preventing lithium deposition on the edge of the negative electrode active material layer. Needless to say, it is desirable to apply a well-known technique in the technical field of the present invention, such as making the area smaller than the area of the negative electrode active material layer.

[電解質層]
電解質層は、非双極型及び双極型リチウムイオン二次電池のいずれに関しても、液体、ゲル、固体のいずれの相であってもよい。電池が破損した際の安全性や液絡の防止を考慮すると、電解質層は、ゲルポリマー電解質層、全固体電解質層のような固体電解質を用いることが好ましい。電解質層として固体電解質(詳しくは、後述するが、高分子ゲル電解質、固体高分子型電解質、無機固体型電解質すべてを含めるものとする)を用いることにより漏液を防止することが可能となり、液絡を防ぎ信頼性の高いリチウムイオン電池を構成できるからである。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer may be in a liquid, gel, or solid phase for any of the non-bipolar and bipolar lithium ion secondary batteries. In consideration of safety when the battery is damaged and prevention of liquid junction, the electrolyte layer is preferably a solid electrolyte such as a gel polymer electrolyte layer or an all-solid electrolyte layer. By using a solid electrolyte (which will be described later in detail, including a polymer gel electrolyte, a solid polymer electrolyte, and an inorganic solid electrolyte) as the electrolyte layer, it becomes possible to prevent liquid leakage. This is because it is possible to construct a lithium ion battery with high reliability that prevents entanglement.

電解質層としてゲルポリマー電解質層(高分子ゲル電解質)を用いることで、電解質の流動性がなくなり、集電体への電解質の流出をおさえ、各層間のイオン伝導性を遮断することが可能になる。ゲル電解質のホストポリマーとしては、PEO、PPO、PVdF、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(PVdF−HFP)、PAN、PMA、PMMAなどが挙げられる。また、可塑剤としては通常リチウムイオン電池に用いられる電解液を用いることが可能である。   By using a gel polymer electrolyte layer (polymer gel electrolyte) as the electrolyte layer, the fluidity of the electrolyte is lost, the electrolyte is prevented from flowing out to the current collector, and the ionic conductivity between the layers can be blocked. . Examples of the gel electrolyte host polymer include PEO, PPO, PVdF, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), PAN, PMA, and PMMA. Moreover, as a plasticizer, it is possible to use the electrolyte solution normally used for a lithium ion battery.

上記ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)は、PEO、PPOなどの全固体型高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含ませることにより作製される。PVdF、PAN、PMMAなど、リチウムイオン伝導性をもたない高分子の骨格中に、電解液を保持させたものもゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)にあたる。ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)を構成するポリマーと電解液との比率は、特に限定されず、ポリマー100%を全固体高分子電解質、電解液100%を液体電解質とすると、その中間体はすべてゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)の概念に含まれる。また、セラミックなどの無機固体などイオン伝導性を持つ無機固体型電解質も全固体型電解質にあたる。よって、上記高分子ゲル電解質、固体高分子型電解質、無機固体型電解質すべてを含めて固体電解質とする。   The gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte) is produced by including an electrolyte solution usually used in a lithium ion battery in an all solid polymer electrolyte such as PEO or PPO. PVdF, PAN, PMMA, and the like, in which the electrolyte solution is held in a polymer skeleton having no lithium ion conductivity, also corresponds to the gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte). The ratio of the polymer constituting the gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte) and the electrolytic solution is not particularly limited. When 100% of the polymer is an all solid polymer electrolyte and 100% of the electrolytic solution is a liquid electrolyte, the intermediate is All are included in the concept of gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte). An inorganic solid electrolyte having ion conductivity such as an inorganic solid such as ceramic corresponds to the all solid electrolyte. Therefore, the polymer gel electrolyte, the solid polymer electrolyte, and the inorganic solid electrolyte are all included in the solid electrolyte.

電解質層としては、従来公知の材料を用いることができる。具体的には、(a)高分子ゲル電解質(ゲルポリマー電解質)、(b)全固体高分子電解質(高分子固体電解質、無機固体型電解質)、(c)液体電解質(電解液)または(d)これら電解質を含浸させたセパレータ(不織布セパレータを含む)を用いることができる。   As the electrolyte layer, a conventionally known material can be used. Specifically, (a) polymer gel electrolyte (gel polymer electrolyte), (b) all solid polymer electrolyte (polymer solid electrolyte, inorganic solid electrolyte), (c) liquid electrolyte (electrolyte) or (d ) Separators (including non-woven fabric separators) impregnated with these electrolytes can be used.

(a)ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)
ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)とは、ポリマーマトリックス中に電解液を保持させたものをいう。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、導電性高分子膜などの集電体層への電解質の流出をおさえ、各層間のイオン伝導性を遮断することが容易になる点で優れている。
(A) Gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte)
The gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte) refers to an electrolyte solution held in a polymer matrix. By using a gel polymer electrolyte as the electrolyte, the fluidity of the electrolyte is lost, and it is easy to cut off the ionic conductivity between each layer by suppressing the outflow of the electrolyte to the current collector layer such as a conductive polymer film. Is excellent.

高分子ゲル電解質として用いるポリマーマトリックス(高分子)ないしゲル電解質のホストポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシドを主鎖または側鎖に持つポリマー(PEO)、ポリプロピレンオキシドを主鎖または側鎖に持つポリマー(PPO)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメタクリル酸エステル、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体(PVdF−HFP)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)およびそれらの共重合体が望ましい。中でもPEO、PPOおよびそれらの共重合体、あるいは、PVdF−HFPを用いることが望ましい。また、可塑剤としては通常リチウムイオン電池に用いられる電解液を用いることが可能である。かかる電解液とは、電解質塩を溶媒に溶かしたものである。電解質(塩)としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩等から選ばれる少なくとも1種が望ましい。溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(GBL)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)およびそれらの混合物が望ましい。 Examples of the polymer matrix (polymer) or the gel electrolyte host polymer used as the polymer gel electrolyte include polymers having polyethylene oxide in the main chain or side chain (PEO), polymers having polypropylene oxide in the main chain or side chain ( PPO), polyethylene glycol (PEG), polyacrylonitrile (PAN), polymethacrylic acid ester, polyvinylidene fluoride (PVdF), a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVdF-HFP), poly (methyl methacrylate) ( PMMA) and copolymers thereof are desirable. Among these, it is desirable to use PEO, PPO and their copolymers, or PVdF-HFP. Moreover, as a plasticizer, it is possible to use the electrolyte solution normally used for a lithium ion battery. Such an electrolytic solution is obtained by dissolving an electrolyte salt in a solvent. As the electrolyte (salt), LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, Li 2 B 10 Cl 10 inorganic acid anion salts such as, LiCF 3 SO 3, Li ( CF 3 SO 2 ) At least one selected from organic acid anion salts such as 2 N and Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N is desirable. As the solvent, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (GBL), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) and mixtures thereof are desirable.

本発明におけるゲル電解質中の電解液の割合としては、特に制限されるべきものではないが、イオン伝導度などの観点から、数質量%〜98質量%程度とするのが望ましい。本発明では、電解液の割合が70質量%以上の、電解液が多いゲル電解質について、特に効果がある。   The ratio of the electrolytic solution in the gel electrolyte in the present invention is not particularly limited, but is preferably about several mass% to 98 mass% from the viewpoint of ionic conductivity. The present invention is particularly effective for a gel electrolyte having a large amount of electrolytic solution in which the proportion of the electrolytic solution is 70% by mass or more.

(b)全固体型電解質(全固体高分子電解質、高分子固体電解質、無機固体型電解質)
電解質として全固体型電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、集電体層への電解質の流出がなくなり各層間のイオン伝導性を遮断することが可能になる点で優れている。
(B) All solid electrolyte (all solid polymer electrolyte, polymer solid electrolyte, inorganic solid electrolyte)
The use of an all solid electrolyte as the electrolyte is superior in that the fluidity of the electrolyte is lost, the electrolyte does not flow out to the current collector layer, and the ion conductivity between the layers can be blocked.

全固体高分子電解質としては、例えば、PEO、PPO、これらの共重合体などの公知の固体高分子電解質、セラミックなどのイオン伝導性を持つ無機固体型電解質が挙げられる。固体高分子電解質中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。リチウム塩としては、LiBF、LiPF、LiN(SOCF、LiN(SO、またはこれらの混合物などが使用できる。 Examples of the all solid polymer electrolyte include known solid polymer electrolytes such as PEO, PPO, and copolymers thereof, and inorganic solid electrolytes having ion conductivity such as ceramics. The solid polymer electrolyte contains a lithium salt in order to ensure ionic conductivity. As the lithium salt, LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , or a mixture thereof can be used.

(c)液体電解質(電解液)
電解液とは、電解質塩を溶媒に溶かしたものが挙げられる。電解質(塩)としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩から選ばれる少なくとも1種が望ましい。溶媒としては、EC、PC、GBL、DMC、DECおよびそれらの混合物が望ましい。
(C) Liquid electrolyte (electrolyte)
Examples of the electrolytic solution include those obtained by dissolving an electrolyte salt in a solvent. As the electrolyte (salt), LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, Li 2 B 10 Cl 10 inorganic acid anion salts such as, LiCF 3 SO 3, Li ( CF 3 SO 2 ) At least one selected from organic acid anion salts such as 2 N and Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N is desirable. As the solvent, EC, PC, GBL, DMC, DEC and a mixture thereof are desirable.

(d)上記電解質を含浸させたセパレータ(不織布セパレータを含む)
セパレータに含浸させることのできる電解質としては、既に説明した(a)〜(c)と同様のものを用いることができる。
(D) Separator impregnated with the electrolyte (including non-woven separator)
As the electrolyte that can be impregnated in the separator, the same electrolytes as those already described (a) to (c) can be used.

上記セパレータとしては、例えば、上記電解質を吸収保持するポリマーからなる多孔性シートおよび不織布を挙げることができる。   Examples of the separator include a porous sheet and a nonwoven fabric made of a polymer that absorbs and holds the electrolyte.

多孔性シートとしては、例えば、微多孔質セパレータを用いることができる。該ポリマーとしては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン;PP/PE/PPの3層構造をした積層体、ポリイミド、アラミドが挙げられる。上記セパレータの厚みとして、使用用途により異なることから一義的に規定することはできない。ただし、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)、燃料電池自動車(FCV)などのモータ駆動用二次電池などの用途においては、単層あるいは多層で4〜60μmであることが望ましい。上記セパレータの微細孔径は、最大で1μm以下(通常、数十nm程度の孔径である)、その空孔率は20〜80%であることが望ましい。   As the porous sheet, for example, a microporous separator can be used. Examples of the polymer include polyolefins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); laminates having a three-layer structure of PP / PE / PP, polyimide, and aramid. The thickness of the separator cannot be uniquely defined because it varies depending on the intended use. However, in applications such as a secondary battery for driving a motor such as an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), and a fuel cell vehicle (FCV), the thickness is preferably 4 to 60 μm in a single layer or multiple layers. The separator preferably has a fine pore size of 1 μm or less (usually a pore size of about several tens of nm) and a porosity of 20 to 80%.

不織布としては、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル;PP、PEなどのポリオレフィン;ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを、単独または混合して用いる。また、不織布のかさ密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性が得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。不織布セパレータの空孔率は50〜90%であることが好ましい。さらに、不織布セパレータの厚さは、電解質層と同じであればよく、好ましくは5〜200μmであり、特に好ましくは10〜100μmである。厚さが5μm未満では電解質の保持性が悪化し、200μmを超える場合には抵抗が増大することになる。   As the nonwoven fabric, cotton, rayon, acetate, nylon, polyester; polyolefins such as PP and PE; conventionally known materials such as polyimide and aramid are used alone or in combination. The bulk density of the nonwoven fabric is not particularly limited as long as sufficient battery characteristics can be obtained by the impregnated polymer gel electrolyte. The porosity of the nonwoven fabric separator is preferably 50 to 90%. Furthermore, the thickness of the nonwoven fabric separator may be the same as that of the electrolyte layer, preferably 5 to 200 μm, particularly preferably 10 to 100 μm. When the thickness is less than 5 μm, the electrolyte retention deteriorates, and when it exceeds 200 μm, the resistance increases.

[シール部(シーラントないし周辺絶縁層とも称されている)]
シール部は、双極型リチウムイオン二次電池に関して、電池内で隣り合う集電体同士が接触したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こったりするのを防止するために単電池層の周辺部に配置されている。双極型リチウムイオン二次電池では、電解質層の漏れによる液絡を防止するために有効に活用されている。該シール部としては、例えば、PE、PPなどのポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ゴム、ポリイミドなどが使用でき、耐蝕性、耐薬品性、製膜性、経済性などの観点からは、ポリオレフィン樹脂が好ましい。ただし、これらに何ら制限されるものではない。
[Seal (also called sealant or peripheral insulating layer)]
For the bipolar lithium ion secondary battery, the seal part is used to prevent adjacent collectors in the battery from contacting each other and short-circuiting due to slight unevenness of the end of the laminated electrode. It arrange | positions at the peripheral part of a battery layer. Bipolar lithium ion secondary batteries are effectively used to prevent liquid junction due to leakage of the electrolyte layer. As the seal portion, for example, polyolefin resin such as PE and PP, epoxy resin, rubber, polyimide and the like can be used, and polyolefin resin is preferable from the viewpoint of corrosion resistance, chemical resistance, film-forming property, economy and the like. . However, it is not limited to these.

[正極および負極タブ]
本発明の非双極型および双極型リチウムイオン電池においては、電池外部に電流を取り出す目的で、各集電体に、あるいは最外層集電体に、電気的に接続されたタブ(正極タブおよび負極タブ)が電池外装材の外部に取り出されている。具体的には、図1に示すように各正極集電体に電気的に接続された正極タブと各負極集電体に電気的に接続された正極タブとが、電池外装材であるラミネートシートの外部に取り出される。あるいは図2に示すように正極用最外層集電体に電気的に接続された正極タブと、負極用最外層集電体に電気的に接続された負極タブとが、電池外装材であるラミネートシートの外部に取り出される。
[Positive electrode and negative electrode tab]
In the non-bipolar and bipolar lithium ion batteries of the present invention, a tab (positive electrode tab and negative electrode) that is electrically connected to each current collector or to the outermost layer current collector for the purpose of taking out current outside the battery. Tab) is taken out of the battery case. Specifically, as shown in FIG. 1, a laminate sheet in which a positive electrode tab electrically connected to each positive electrode current collector and a positive electrode tab electrically connected to each negative electrode current collector are battery exterior materials. It is taken out outside. Alternatively, as shown in FIG. 2, a laminate in which a positive electrode tab electrically connected to the positive electrode outermost layer current collector and a negative electrode tab electrically connected to the negative electrode outermost layer current collector are battery outer packaging materials. It is taken out of the sheet.

タブ(正極タブおよび負極タブ)を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用のタブとして従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。タブの構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましく、より好ましくは軽量、耐食性、高導電性の観点からアルミニウム、銅などが好ましい、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極タブと負極タブとでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。また、各集電体あるいは最外層集電体を延長することにより正極および負極タブとしてもよいし、別途準備した正極および負極タブを各集電体あるいは最外層集電体に接続してもよい。   The material which comprises a tab (a positive electrode tab and a negative electrode tab) in particular is not restrict | limited, The well-known highly electroconductive material conventionally used as a tab for lithium ion secondary batteries can be used. As a constituent material of the tab, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable, and aluminum, copper, and the like are more preferable from the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity. Is preferable, and aluminum is particularly preferable. Note that the same material may be used for the positive electrode tab and the negative electrode tab, or different materials may be used. Moreover, it is good also as a positive electrode and a negative electrode tab by extending each electrical power collector or outermost layer electrical power collector, and you may connect the positive electrode and negative electrode tab which were prepared separately to each electrical power collector or outermost layer electrical power collector. .

[正極および負極リード]
正極および負極リードに関しても、必要に応じて使用する。例えば、各集電体あるいは最外部の集電体から出力電極端子となる正極タブ及び負極タブを直接取り出す場合には、正極および負極リードは用いなくてもよい。
[Positive electrode and negative electrode lead]
The positive electrode and the negative electrode lead are also used as necessary. For example, when directly taking out the positive electrode tab and the negative electrode tab to be output electrode terminals from each current collector or the outermost current collector, the positive electrode and the negative electrode lead may not be used.

正極および負極リードの材料は、公知のリチウムイオン電池で用いられるリードを用いることができる。なお、電池外装材から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。   As a material for the positive electrode and the negative electrode lead, a lead used in a known lithium ion battery can be used. In addition, the parts removed from the battery exterior material should be heat-insulating so that they do not affect products (for example, automobile parts, especially electronic devices) by touching peripheral devices or wiring and causing leakage. It is preferable to coat with a heat shrinkable tube or the like.

[第3電極]
上記第3電極25は、参照電極(リチウム金属参照電極)として、第3電極25の電位に対するこの電池の正極12の電位を検出し得るように、正極12(または負極15)との間でLiイオンの移動が行われ得る(イオン伝導性が確保されている)ことが必要である。そのため、上記したように正極12と負極15に挟まれ、充放電時にLiイオンの移動が行なわれてなる電解質層13の間に第3電極25を設けている。
[Third electrode]
As the reference electrode (lithium metal reference electrode), the third electrode 25 is connected to the positive electrode 12 (or the negative electrode 15) so that the potential of the positive electrode 12 of the battery relative to the potential of the third electrode 25 can be detected. It is necessary that ion movement can be performed (ion conductivity is ensured). Therefore, as described above, the third electrode 25 is provided between the electrolyte layer 13 that is sandwiched between the positive electrode 12 and the negative electrode 15 and in which Li ions move during charging and discharging.

上記第3電極25を構成する材料としては、例えば、Li、Sn−Li合金などを用いることができる。   As a material constituting the third electrode 25, for example, Li, Sn—Li alloy or the like can be used.

上記第3電極25は、第3電極端子リード26の先端部分に上記第3電極25を構成する材料をコーティングしたり、貼り付けたりすることによって形成してもよい。これによっても適切に、第三の電極を参照電極として用いて、該(リチウム金属)参照電極に対しての正極の電位を検出できるためである。第3電極25(参照電極)をコーティングする形態では、ニッケルの細線(第3電極端子リード26)の端(先端部)に錫をめっきして、それをリチウム電解液中で還元して、第3電極25(Liメッキ)として使用する形態などが例示できるが、これらに制限されるものではない。   The third electrode 25 may be formed by coating or pasting the material constituting the third electrode 25 on the tip portion of the third electrode terminal lead 26. This is also because the potential of the positive electrode with respect to the (lithium metal) reference electrode can be detected appropriately using the third electrode as a reference electrode. In the form in which the third electrode 25 (reference electrode) is coated, tin is plated on the end (tip portion) of the nickel fine wire (third electrode terminal lead 26), which is reduced in the lithium electrolyte, Although the form etc. which are used as 3 electrodes 25 (Li plating) can be illustrated, it is not restrict | limited to these.

第3電極25は、参照電極として高精度に電位を計測し得るだけの大きさがあればよく、電池反応に影響がないようにできるだけ小さなものを正極12と負極15の間に置くのが望ましい。正極12と負極15の間に置かないと間違った電位を示す恐れがあるためである。   The third electrode 25 only needs to be large enough to measure the potential with high accuracy as a reference electrode, and it is desirable to place a small electrode between the positive electrode 12 and the negative electrode 15 so as not to affect the battery reaction. . This is because if it is not placed between the positive electrode 12 and the negative electrode 15, there is a possibility of showing an incorrect potential.

[第3電極端子リード]
第3電極端子リード26は、第3電極25と第3電極タブ27を結ぶものである。そのため、第3電極端子リード26の一部も、正極12と負極15から電子的に絶縁された電解質層13内部に設置され得る(図3参照)。そのため、正極12と負極15から電子的に絶縁されている必要がある。なお、該第3電極端子リード26は、参照電極として機能させるものではなく、参照電極(リチウム金属参照電極)の第3電極25の電位を外部に取り出す端子リードとして機能すればよい。
[Third electrode terminal lead]
The third electrode terminal lead 26 connects the third electrode 25 and the third electrode tab 27. Therefore, a part of the third electrode terminal lead 26 can also be installed inside the electrolyte layer 13 that is electronically insulated from the positive electrode 12 and the negative electrode 15 (see FIG. 3). Therefore, it is necessary to be electrically insulated from the positive electrode 12 and the negative electrode 15. The third electrode terminal lead 26 does not function as a reference electrode, but may function as a terminal lead that extracts the potential of the third electrode 25 of the reference electrode (lithium metal reference electrode).

以上のことから、第3電極端子リード26を構成する材料としては、例えば、Ni、ステンレス、Feなどを用いることができる。   From the above, as a material constituting the third electrode terminal lead 26, for example, Ni, stainless steel, Fe, or the like can be used.

[第3電極タブ]
第3電極タブ27は、封止部23で電池外装材22のラミネートシートの間で接合されて、電池外部に取り出した構造とするのがよい(図3、図4B参照)。かかる構造とすることで、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止することができるためである。特に、電動車両用の電池システムに用いる場合、外部からの衝撃により電池外部に取り出されている第3電極タブ27の部分が破断しない程度に、一定の厚さを有するのが望ましく、例えば、実施例のように、電極タブと同じ材料、厚さのものを、必要に応じて所定の幅にカットして、用いてもよい。
[Third electrode tab]
The third electrode tab 27 is preferably bonded between the laminate sheets of the battery exterior material 22 at the sealing portion 23 and taken out of the battery (see FIGS. 3 and 4B). This is because such a structure can prevent external impact and environmental degradation during use. In particular, when used in a battery system for an electric vehicle, it is desirable to have a certain thickness so that the portion of the third electrode tab 27 taken out of the battery by an external impact is not broken. As an example, the same material and thickness as the electrode tab may be cut into a predetermined width as necessary.

また第3電極タブ27の電池外部への取り出しは、図4Bに示すように、電極タブと異なる辺から取り出してもよいし、同じ辺から取り出してもよい。   Further, as shown in FIG. 4B, the third electrode tab 27 may be taken out from the side different from the electrode tab or from the same side as shown in FIG. 4B.

以上のことから、第3電極タブ27を構成する材料としては、例えば、ニッケル箔、ステンレス箔などを用いることができる。   From the above, as a material constituting the third electrode tab 27, for example, nickel foil, stainless steel foil or the like can be used.

[電池外装材]
電池外装材としては、従来公知の金属缶ケースを用いることができほか、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた発電要素を覆うことができる袋状のケースを用いることができる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。
[Battery exterior materials]
As a battery exterior material, a conventionally known metal can case can be used, and a bag-like case that can cover a power generation element using a laminate film containing aluminum can be used. For example, a laminate film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order can be used as the laminate film, but the laminate film is not limited thereto.

[リチウムイオン二次電池の外観構成]
図4Aは、本発明の電池システムに用いられる代表的な実施形態である積層型の扁平な非双極型あるいは双極型のリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。図4Bは、本発明の電池システムに用いられる第3電極を備えてなる代表的な実施形態である積層型の扁平な非双極型あるいは双極型のリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
[Appearance structure of lithium ion secondary battery]
FIG. 4A is a perspective view showing the appearance of a stacked flat non-bipolar or bipolar lithium ion secondary battery which is a typical embodiment used in the battery system of the present invention. FIG. 4B is a perspective view showing the appearance of a laminated flat non-bipolar or bipolar lithium ion secondary battery which is a representative embodiment including the third electrode used in the battery system of the present invention. It is.

図4Aに示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ58、負極タブ59が引き出されている。発電要素57は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極タブ58及び負極タブ59を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素57は、先に説明した図1あるいは図2に示す非双極型あるいは双極型のリチウムイオン二次電池10、30の発電要素17、37に相当するものである。具体的には、正極(正極活物質層)12、32、電解質層13、35および負極(負極活物質層)15、33で構成される単電池層(単セル)16、36が複数積層されたものである。   As shown in FIG. 4A, the laminated flat lithium ion secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59 for taking out electric power from both sides thereof. Has been pulled out. The power generation element 57 is wrapped by the battery outer packaging material 52 of the lithium ion secondary battery 50 and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element 57 is sealed in a state where the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 are pulled out to the outside. Has been. Here, the power generation element 57 corresponds to the power generation elements 17 and 37 of the non-bipolar or bipolar lithium ion secondary batteries 10 and 30 shown in FIG. 1 or FIG. Specifically, a plurality of single battery layers (single cells) 16 and 36 composed of positive electrodes (positive electrode active material layers) 12 and 32, electrolyte layers 13 and 35, and negative electrodes (negative electrode active material layers) 15 and 33 are laminated. It is a thing.

図4Bに示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池50aでも、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ58、負極タブ59が引き出されている。さらに第3電極を参照電極として、電池50aの正極12との電位を検出するために、第3電極に第3電極端子リードを介して接続された第3電極タブ27が正極タブ58、負極タブ59とは異なる辺から引き出されている。   As shown in FIG. 4B, the laminated flat lithium ion secondary battery 50a also has a rectangular flat shape, and a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59 for taking out electric power from both sides thereof. Has been pulled out. Further, in order to detect the potential with the positive electrode 12 of the battery 50a using the third electrode as a reference electrode, the third electrode tab 27 connected to the third electrode via the third electrode terminal lead is a positive electrode tab 58, a negative electrode tab. It is drawn from a side different from 59.

なお、本発明に用いられるリチウムイオン電池は、図1〜3に示すような積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。例えば、巻回型のリチウムイオン電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。   In addition, the lithium ion battery used for this invention is not restrict | limited to the thing of a laminated | stacked flat shape as shown in FIGS. For example, the wound type lithium ion battery may have a cylindrical shape, or may have a shape that is a flattened rectangular shape by deforming such a cylindrical shape. There is no particular limitation. In the said cylindrical shape thing, a laminate film may be used for the exterior material, and the conventional cylindrical can (metal can) may be used, for example, It does not restrict | limit.

また、図4Aに示すタブ58、59、図4Bの第3電極タブ27の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。例えば、正極タブ58と負極タブ59と、更には第3電極タブ27を同じ辺から引き出すようにしてもよい。また、正極タブ58と負極タブ59をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図4Aに示すものに制限されるものではない。即ち、正極タブ58と負極タブ59は、取り出す電力を分割して利用することもあるためである。また、巻回型のリチウムイオン電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。   Also, the tabs 58 and 59 shown in FIG. 4A and the third electrode tab 27 shown in FIG. 4B are not particularly limited. For example, the positive electrode tab 58, the negative electrode tab 59, and further the third electrode tab 27 may be pulled out from the same side. Further, the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side, and the present invention is not limited to the one shown in FIG. 4A. That is, the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may divide and use the extracted electric power. Further, in a wound type lithium ion battery, instead of a tab, for example, a terminal may be formed using a cylindrical can (metal can).

本発明のリチウムイオン電池システムは、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。   The lithium ion battery system of the present invention is a power source for driving a vehicle or an auxiliary power source that requires a high volume energy density and a high volume output density as a large capacity power source for an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a fuel cell vehicle, a hybrid fuel cell vehicle, etc. Can be suitably used.

本発明の電池システムは、上記した電池を複数直列接続して構成したリチウムイオン電池システムを用いて、以下に説明する正極の電位を規制した電池の充放電前処理をしてなることを特徴とするものである。   The battery system of the present invention is characterized by using a lithium ion battery system configured by connecting a plurality of the above-described batteries in series, and performing a pre-charge / discharge pretreatment of the battery with the positive electrode potential regulated as described below. To do.

[充放電前処理を行った後の電池システム]
本発明の電池システムでは、上記充放電前処理を行った後の電池システムをそのまま用いて、電動車両などの電源として利用してもよい。また上記充放電前処理を行った後の電池システムを複数個用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で、電動車両などの電源を構築してもよい。こうして、直列化・並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。さらに、上記充放電前処理を行った後の電池システムの電池を用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で再構成した電池システムによる電動車両などの電源を構築してもよい。なお、上記充放電前処理を行った後の電池を用いて直列化あるいは並列化あるいはその両方で再構成して電動車両などの電源とする場合には、第3電極を備えた電池は、必ずしも用いなくてもよい。
[Battery system after pre-charge / discharge treatment]
In the battery system of the present invention, the battery system after the charge / discharge pretreatment may be used as it is and used as a power source for an electric vehicle or the like. Moreover, you may construct | assemble power supplies, such as an electric vehicle, in series or in parallel, or both using the battery system after performing the said charging / discharging pre-processing. Thus, the capacity and voltage can be freely adjusted by serialization and parallelization. Furthermore, you may construct | assemble power supplies, such as an electric vehicle by the battery system reconfigure | reconstructed by serialization or parallelization, or both using the battery of the battery system after performing the said charge / discharge pre-processing. In the case where the battery after the charge / discharge pretreatment is used and reconfigured in series or parallel or both to be a power source for an electric vehicle or the like, the battery provided with the third electrode is not necessarily It may not be used.

本発明では、上記充放電前処理を行った後の非双極型二次電池やその電池システムと、双極型二次電池やその電池システムを用いて、これらを直列に、並列に、または直列と並列とに、複数個組み合わせて、電動車両などの電源を構築することもできる。   In the present invention, using the non-bipolar secondary battery and its battery system after the charge / discharge pretreatment and the bipolar secondary battery and its battery system, these are connected in series, in parallel, or in series. It is also possible to construct a power source for an electric vehicle or the like by combining a plurality of them in parallel.

図5は、本発明の電池システムの代表的な実施形態の外観図であって、図5Aは電池システムの平面図であり、図5Bは電池システムの正面図であり、図5Cは電池システムの側面図である。   FIG. 5 is an external view of a representative embodiment of the battery system of the present invention, FIG. 5A is a plan view of the battery system, FIG. 5B is a front view of the battery system, and FIG. It is a side view.

図5に示すように本発明に係る電池システム300は、上記充放電前処理を行った後の電池が複数直列(又は並列)接続した装脱着可能な小型の電池システム250を、さらに複数個、直列に又は並列に接続して形成してなるものである。これにより、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ電池システム300を形成することができる。図5Aは、電池システムの平面図、図5Aは正面図、図5Cは側面図を示しているが、作製した装脱着可能な小型の電池システム250は、バスバーのような電気的な接続手段を用いて相互に接続し、この電池システム250は接続治具310を用いて複数段積層される。何個の非双極型ないし双極型のリチウムイオン二次電池を接続して電池システム250を作成するか、また、何段の電池システム250を積層して電池システム300を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。   As shown in FIG. 5, the battery system 300 according to the present invention further includes a plurality of detachable small battery systems 250 in which a plurality of batteries after the charge / discharge pretreatment are connected in series (or in parallel), It is formed by connecting in series or in parallel. As a result, it is possible to form a battery system 300 having a large capacity and a large output suitable for a vehicle drive power supply and an auxiliary power supply that require a high volume energy density and a high volume output density. 5A is a plan view of the battery system, FIG. 5A is a front view, and FIG. 5C is a side view. The small battery system 250 that can be attached and detached has an electrical connection means such as a bus bar. The battery system 250 is stacked in a plurality of stages using a connection jig 310. How many non-bipolar or bipolar lithium ion secondary batteries are connected to create the battery system 250, and how many battery systems 250 are stacked to make the battery system 300 are mounted. What is necessary is just to determine according to the battery capacity and output of the vehicle (electric vehicle) to be.

[電池システムの構成及びその製造方法]
図6は、図5に示す電池システムを構成する小型の電池システム内部の構成の様子を模式的に表した概略面である。
[Configuration of battery system and manufacturing method thereof]
FIG. 6 is a schematic view schematically showing the internal configuration of a small battery system that constitutes the battery system shown in FIG.

正極の電位を規制した電池の充放電前処理とは、図6に示すように、上記第3電極(参照電極)25を備えた電池50aの正極12が所定の電位を超えないようにして、直列接続された電池システム(250)全体に同じ電流を流して充放電前処理をすることをいう。かかる構成とすることにより、高容量でサイクル耐久性がよい電池システムを構築できる。   As shown in FIG. 6, the charge / discharge pretreatment of the battery in which the potential of the positive electrode is regulated is such that the positive electrode 12 of the battery 50 a provided with the third electrode (reference electrode) 25 does not exceed a predetermined potential. It refers to pre-charging / discharging pretreatment by flowing the same current through the battery system (250) connected in series. By adopting such a configuration, a battery system with high capacity and good cycle durability can be constructed.

上記第3電極(参照電極)25を備えた電池50aは、電池システム中の電池群のどの位置(接続順)に直列接続しても構わない。   The battery 50a including the third electrode (reference electrode) 25 may be connected in series to any position (connection order) of the battery group in the battery system.

上記電池50aの正極12の電位が第3電極(リチウム金属参照電極25)に対し所定の電位範囲となるように(=上記電池50aの正極12が所定の電位を超えないようにして)とは、電池50aの正極12の最高の電位が、リチウム金属参照電極25に対して、図7に示すように、初回の充電曲線のプラトーの部分の初期領域に対応するように正極の電位を制御すればよい。好ましくは、正極活物質にLi[Ni0.17Li0.2Co0.07Mn0.56]Oを用いた正極の場合は電池50aの正極12の最高の電位が、リチウム金属参照電極25に対して、3.9V以上4.6V以下、特に4.4V以上4.6V以下となるように正極の電位を制御すればよい。即ち、図7は、リチウム金属対極に対し、正極活物質にLi[Ni0.17Li0.2Co0.07Mn0.56]Oを用いた正極の充放電曲線を示す図面であるが、この初回の充電曲線の平坦な部分の電位は、使用する正極活物質の種類等により異なる。そのためリチウム金属対極に対し、実際に使用し得る正極活物質ごとに、予め電池50aの正極12の充放電曲線を取得しておくことで、初回の充電曲線のプラトーの部分の初期領域に対応するように正極の電位を簡単に制御することができる。ここで、予め電池50aの正極12の充放電曲線を取得する場合の充放電条件は、充放電前処理の充放電条件と同じにして求めたものを用いるものとする。即ち、同じ電極構成(正極及び対極(=参照電極)を共に同じ組成)とし、同じ温度環境下で、同じ電流値(例えば、0.5C以下の電流レート)を用いて定電流充放電して求めたものを用いるものとする。なお、本発明において、リチウム金属参照電極に対しての最高の電位とは、リチウム金属の参照電極に換算した最高の電位と同義である。 The potential of the positive electrode 12 of the battery 50a is within a predetermined potential range with respect to the third electrode (lithium metal reference electrode 25) (= the positive electrode 12 of the battery 50a does not exceed the predetermined potential). The maximum potential of the positive electrode 12 of the battery 50a is controlled with respect to the lithium metal reference electrode 25 so as to correspond to the initial region of the plateau portion of the initial charge curve as shown in FIG. That's fine. Preferably, in the case of a positive electrode using Li [Ni 0.17 Li 0.2 Co 0.07 Mn 0.56 ] O 2 as the positive electrode active material, the highest potential of the positive electrode 12 of the battery 50a is a lithium metal reference electrode. 25, the potential of the positive electrode may be controlled so as to be 3.9 V to 4.6 V, particularly 4.4 V to 4.6 V. That is, FIG. 7 is a drawing showing a charge / discharge curve of a positive electrode using Li [Ni 0.17 Li 0.2 Co 0.07 Mn 0.56 ] O 2 as a positive electrode active material with respect to a lithium metal counter electrode. However, the potential of the flat portion of the initial charging curve varies depending on the type of positive electrode active material used. Therefore, by acquiring a charge / discharge curve of the positive electrode 12 of the battery 50a in advance for each positive electrode active material that can actually be used with respect to the lithium metal counter electrode, it corresponds to the initial region of the plateau portion of the initial charge curve. Thus, the potential of the positive electrode can be easily controlled. Here, the charge / discharge conditions for obtaining the charge / discharge curve of the positive electrode 12 of the battery 50a in advance are the same as those obtained in the same manner as the charge / discharge conditions of the pre-charge / discharge treatment. That is, the same electrode configuration (both positive electrode and counter electrode (= reference electrode) have the same composition), and constant current charge / discharge using the same current value (for example, current rate of 0.5 C or less) under the same temperature environment. Use what you have found. In the present invention, the highest potential with respect to the lithium metal reference electrode is synonymous with the highest potential converted to the lithium metal reference electrode.

また、直列接続された電池システム全体に同じ電流を流して充放電前処理をするものである。充放電性能は、活物質の基礎特性の他、活物質の粒子のサイズ、電極の構造による。充放電速度が遅い分には時間はかかるが、問題はないことが確認できている。他方、あまり充放電速度が速いと、本発明の充放電前処理を結晶内部まで十分行なえない恐れがある。かかる観点から、充放電前処理において、直列接続された電池システム全体に電流を流すための充放電方法としては、定電流法でも、定電流−定電圧法でもよいが、処理を的確に行なうためには電流値は大きくない方がよい。かかる観点から充放電前処理での電流値は、本発明の作用効果を損なわない範囲で行えばよく、特に規定するまでもないが、敢えて規定するとすれば、活物質の粒子径にもよるが、電流レートで0.5C以下で行なう(0.5C以下の電流レートを用いる)のが望ましいと言える。ただし、上記した充放電電性能は、活物質の基礎特性の他、活物質の粒子のサイズ、電極の構造によって異なることから、上記電流レートを超える場合であって、本発明の充放電前処理を結晶内部まで十分行な得る場合には、本発明の技術範囲に含まれるものである。即ち、充放電前処理の充電時及び放電時に直列接続された電池システム全体に流す電流値としては、0.5C以下の電流レートを用いるのが望ましいと言えるが、必ずしもかかる条件に制限されるものではない。   Moreover, the same electric current is sent through the whole battery system connected in series, and the charge / discharge pretreatment is performed. The charge / discharge performance depends on the particle size of the active material and the structure of the electrode in addition to the basic characteristics of the active material. Although it takes time to charge and discharge slowly, it has been confirmed that there is no problem. On the other hand, if the charge / discharge rate is too high, the pre-charge / discharge pretreatment of the present invention may not be sufficiently performed to the inside of the crystal. From this point of view, in the charge / discharge pretreatment, the charge / discharge method for flowing current to the whole battery system connected in series may be a constant current method or a constant current-constant voltage method. It is better not to have a large current value. From this point of view, the current value in the pre-charging / discharging treatment may be performed within a range that does not impair the operational effects of the present invention, and need not be specifically defined, but if it is intentionally defined, it depends on the particle diameter of the active material. It can be said that it is desirable to carry out at a current rate of 0.5 C or less (use a current rate of 0.5 C or less). However, since the above-described charge / discharge performance varies depending on the active material particle size and the electrode structure in addition to the basic characteristics of the active material, the charge / discharge pretreatment of the present invention In the technical scope of the present invention. That is, it can be said that it is desirable to use a current rate of 0.5 C or less as a current value flowing through the whole battery system connected in series at the time of charging and discharging in the pre-charge / discharge pretreatment, but it is not necessarily limited to such a condition. is not.

上記した正極の電位を規制した電池の充放電前処理につき、本発明の電池システムの製造方法の観点から、より詳しく説明する。   The above-described pre-charge / discharge treatment of the battery in which the potential of the positive electrode is regulated will be described in more detail from the viewpoint of the method for producing the battery system of the present invention.

本発明の電池システムの製造方法は、上記充放電前処理が第3電極25を参照電極として用いて、Li金属参照電極に対しての最高の電位が3.9V以上4.6V以下、となる条件下で充放電を1〜30サイクル行う電池の充放電前処理であること特徴とする。 In the manufacturing method of the battery system of the present invention, the charge / discharge pretreatment uses the third electrode 25 as a reference electrode, and the maximum potential with respect to the Li metal reference electrode is 3.9 V or more and 4.6 V or less . It is a charge / discharge pretreatment for a battery that is charged and discharged under conditions under 1 to 30 cycles.

すなわち、上記充放電の上限電位として、リチウム金属参照電極に対して、3.9V以上4.6V以下、好ましくは4.4V以上4.6V以下で充放電を行えばよく、充放電の必要なサイクル回数は、1回から30回が効果的に適用できる。上記範囲内で充放電前処理を行うことにより、高容量でサイクル耐久性がよい電池システムを大量に製造できる点で優れている。本発明の電池システムの製造方法では、上記充放電前処理した後に、電池システムを高容量で使用すべく、最高の電位を4.8V程度として充放電を繰り返し行う場合に、特に顕著なサイクル耐久性等の効果を有効に発現することができるものである。 That is, limit the potential of the charge and discharge, the lithium metal reference electrode, 3.9V or 4.6V or less, a preferably may be performed charging and discharging in less 4.6V or 4.4 V, the charge and discharge required The number of cycles can be effectively applied from 1 to 30 times. By performing the charge / discharge pretreatment within the above range, the battery system is excellent in that it can produce a large amount of battery systems with high capacity and good cycle durability. In the battery system manufacturing method of the present invention, after the above charge / discharge pretreatment, in order to use the battery system at a high capacity, particularly when the charge / discharge is repeated at a maximum potential of about 4.8V, the remarkable cycle durability is achieved. It is possible to effectively exhibit effects such as sex.

本発明では、上記した充放電前処理の後更に、充放電の最高の電位を徐々に上昇させる(段階的に上げていく)電池の充放電前処理を行うことが望ましい。このように充放電前処理を行うことによって、より高電位での使用においてもサイクル耐久性を改善できる点で優れている。特に、4.7V、4.8Vvs.Li(Li金属参照電極)という高電位の容量分まで使用(高容量使用)する場合において、上記の如く充放電前処理での充放電電位の最高電位を段階的に上げていくことで、短時間の充放電前処理でも電極の耐久性を改善することができる点で優れている。   In the present invention, it is desirable to perform pre-charge / discharge pretreatment for the battery that gradually increases (increases in stages) the highest charge / discharge potential after the pre-charge / discharge pre-treatment. By performing the pre-charging / discharging treatment in this manner, the cycle durability can be improved even when used at a higher potential. In particular, 4.7V, 4.8Vvs. In the case of using up to a high potential capacity of Li (Li metal reference electrode) (using a high capacity), the maximum potential of the charge / discharge potential in the charge / discharge pretreatment is gradually increased as described above. It is excellent in that the durability of the electrode can be improved even by pre-charge / discharge pretreatment.

ここで、充放電の所定の電位範囲の最高電位(上限電位)を段階的に上げていく際の各段階ごとの充放電に必要なサイクル回数は、1回から10回の範囲内が効果的である。但し、上記範囲に制限されるものではなく、上記効果を奏することができるものであれば、より多くのサイクル回数であってもよい。また、充放電の所定の電位範囲の最高電位(上限電位)を段階的に上げていく際の充放電前処理工程を通じた充放電サイクル回数(各段階ごとの充放電に必要なサイクル回数を足し合わせた回数)は、4回〜20回の範囲内が効果的である。但し、上記範囲に制限されるものではなく、上記効果を奏することができるものであれば、より多くのサイクル回数であってもよいし、より少ないサイクル回数であってもよい。   Here, the number of cycles required for charging / discharging at each stage when the maximum potential (upper limit potential) in a predetermined potential range of charging / discharging is increased in stages is effectively in the range of 1 to 10 times. It is. However, the number of cycles may be larger as long as the above effect can be achieved without being limited to the above range. In addition, the number of charge / discharge cycles through the charge / discharge pretreatment process when increasing the maximum potential (upper limit potential) in a predetermined charge / discharge potential range in stages (add the number of cycles required for charge / discharge at each stage. The combined number of times is effectively in the range of 4 to 20 times. However, the number of cycles is not limited to the above range, and may be a larger number of cycles or a smaller number of cycles as long as the above effect can be achieved.

また、充放電の所定の電位範囲の最高電位(上限電位)を段階的に上げていく際の各回の電位の上げ幅(上げ代)は、0.05V〜0.1Vが効果的である。但し、上記範囲に制限されるものではなく、上記効果を奏することができるものであれば、より大きな電位の上げ幅(上げ代)で行ってもよいし、より小さな電位の上げ幅(上げ代)で行ってもよい。   In addition, 0.05 V to 0.1 V is effective as the potential increase (increase) for each time when the maximum potential (upper limit potential) in a predetermined charge / discharge potential range is increased stepwise. However, the present invention is not limited to the above range, and may be performed with a larger potential increase width (raising allowance) or with a smaller potential increase width (raising allowance) as long as the above effect can be achieved. You may go.

充放電の所定の電位範囲の最高電位(上限電位)を段階的に上げていく際の最終的な最高電位(終止最高電位)は、4.5V以上5.0V以下であればよい。高すぎると副反応がおこり、低いと効果がないためである。好ましくは、4.6V以上4.9V以下とするのが効果的である。但し、上記範囲に制限されるものではなく、上記効果を奏することができるものであれば、より高い終止最高電位まで充放電前処理を行ってもよい。   The final maximum potential (end maximum potential) when raising the maximum potential (upper limit potential) in a predetermined potential range of charging / discharging stepwise may be 4.5 V or more and 5.0 V or less. If it is too high, side reactions will occur, and if it is too low, there will be no effect. Preferably, the voltage is 4.6V or more and 4.9V or less. However, the present invention is not limited to the above range, and the charge / discharge pretreatment may be performed up to a higher end maximum potential as long as the above effects can be achieved.

なお、本発明の充放電前処理は、充電中に所定の最高の電位に達した時点で充電を終えるのがよい。これは、所定の最高の電位を超えて充電を続けると、いわゆる過充電の状態になるおそれがあるためである。かかる観点から、所定の最高電位の上限値は5.0V程度を上限とし、かかる電位を超えて更なる充電を行わないようにするのが望ましいと言える。   In the pre-charging / discharging pretreatment of the present invention, it is preferable to finish charging when a predetermined maximum potential is reached during charging. This is because if charging is continued beyond a predetermined maximum potential, a so-called overcharge state may occur. From this point of view, it can be said that the upper limit value of the predetermined maximum potential is preferably about 5.0 V, and it is desirable not to perform further charging beyond this potential.

なお、充放電前処理では、前記第3電極を参照電極として用いて、リチウム金属参照電極に対しての最低の電位(放電終了電位)は、特に制限されるものではない。具体的には、リチウム金属参照電極に対して2V以上3.5V未満、より好ましくは2V以上3V未満となる条件下で充放電を1〜30サイクル行うことが望ましい。上記範囲内で充放電前処理を行うことにより、高容量でサイクル耐久性がよく、高エネルギー密度の電池システムを製造できる点で優れている。   In the charge / discharge pretreatment, the lowest potential (discharge end potential) with respect to the lithium metal reference electrode is not particularly limited by using the third electrode as a reference electrode. Specifically, it is desirable to perform charge and discharge for 1 to 30 cycles under the condition of 2 V or more and less than 3.5 V, more preferably 2 V or more and less than 3 V with respect to the lithium metal reference electrode. By performing the charge / discharge pretreatment within the above range, the battery system is excellent in that it has a high capacity, good cycle durability, and a high energy density battery system.

また、本発明の充放電前処理を施す際の温度は、本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、任意に設定することができる。具体的には、室温下で行ってもよいし、室温より高い温度で行ってもよいし、室温より低い温度で行ってもよい。経済性の観点からは、特段の加熱冷却を要しない室温下で行うのが望ましい。   Moreover, the temperature at the time of performing the pre-charging / discharging treatment of the present invention can be arbitrarily set as long as it is within a range that does not impair the effects of the present invention. Specifically, it may be performed at room temperature, may be performed at a temperature higher than room temperature, or may be performed at a temperature lower than room temperature. From the economical point of view, it is desirable to carry out at room temperature that does not require special heating and cooling.

また、より大きな容量を発現でき、なおかつ短時間の充放電前処理によりサイクル耐久性が向上し得る点からは、室温より高い温度で行うのが望ましい。この際の充放電前処理を施す際の温度としては、室温より高い温度であればよいが、35℃以上80℃以下が好ましく、より好ましくは40〜60℃の範囲である。なお、ここでいう室温は、特段の加熱冷却を行っていない状態での温度をいうものであるが、概ね15℃以上35℃未満といえる範囲である。ただし、上記範囲を外れる場合であっても、特段の加熱冷却を行っていない状態での温度であれば、室温下での実施ともいえる。   Moreover, it is desirable to carry out at a temperature higher than room temperature from the viewpoint that a larger capacity can be expressed and the cycle durability can be improved by a short charge / discharge pretreatment. The temperature at the time of performing the charge / discharge pretreatment at this time may be a temperature higher than room temperature, but is preferably 35 ° C. or higher and 80 ° C. or lower, and more preferably in the range of 40 to 60 ° C. The room temperature here means a temperature in a state where no special heating / cooling is performed, and it is in a range that can be said to be approximately 15 ° C. or more and less than 35 ° C. However, even if the temperature is out of the above range, it can be said that the temperature is at room temperature as long as the temperature is not in the state of special heating and cooling.

本発明の充放電前処理を施す工程(時期)としては、上記したように、電池を構成した後の状態、具体的には図6に示すように電池を複数直列接続した電池システムの状態(構成)にて行うものである。これにより、該電池システム全体に同じ電流を流して、電池システム全体を一度に充放電前処理することができ、量産化に適した製造方法といえる。この電池システムに用いられる全電池及び全単電池のいずれも、正極と負極の面密度を均一にして容量を揃えてなるものが好適である。これは、正極と負極の面密度を均一にして、対向する正負極の面積を一定にすることで、参照電極を備えた電池の参照電極を基準にして正極電位を規制して処理すると、直列接続の他の電池にも全て同じ電流が流れる。そのため、全ての電池の正極を一度に同時に処理することができ、面密度の均一性が高く、電極面積が揃っていれば、この処理を直列接続の他の電池についても精度よく行なうことができる点で優れているためである。   As described above, the step (time) for performing the pre-charge / discharge treatment of the present invention is the state after the battery is constructed, specifically, the state of the battery system in which a plurality of batteries are connected in series as shown in FIG. Configuration). Thereby, the same electric current can be sent through the whole battery system, and the whole battery system can be pre-charged / discharged at a time, which can be said to be a manufacturing method suitable for mass production. It is preferable that all the batteries and all the single batteries used in this battery system have the same surface density of the positive electrode and the negative electrode and have the same capacity. This is because when the surface area of the positive and negative electrodes is made uniform and the areas of the opposing positive and negative electrodes are made constant, the positive electrode potential is regulated based on the reference electrode of the battery equipped with the reference electrode, The same current flows in all other connected batteries. Therefore, the positive electrodes of all the batteries can be processed simultaneously at the same time, and if the surface density is uniform and the electrode area is uniform, this process can be accurately performed for other batteries connected in series. This is because it is excellent in terms.

また、充放電前処理前の上記一般式:xLiMO・(1−x)LiNOで表される固溶体系の正極材料(主要正極活物質)の作製方法としては、特に制限されるものではなく、従来公知の作製方法を適宜利用して行うことができる。例えば、実施例に示すように、複合炭酸塩法を用い以下のように行うことができる。即ち、上記式中のM及びNに相当する金属元素の各硫酸金属塩、硝酸金属塩など、例えば、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンを所定量秤量し、これらの混合溶液を調製する。これにアンモニア水をpH7になるまで滴下して、さらにNaCO溶液を滴下して、Ni−Co−Mnの複合炭酸塩(ただし、上記式中のM及びNの組み合わせにより当該M−Nの金属複合炭酸塩の種類は異なる)を沈殿させる。その後、吸引ろ過した後、水洗して、所定の温度、時間で(例えば、120℃にて5時間)乾燥する。これを所定の温度、時間で(例えば、500℃にて5時間)仮焼成する。これに小過剰のLiOH・HOを加えて、自動乳鉢で所定時間(例えば、30分間)混合する。このあと、所定の温度、時間で(例えば、900℃にて12時間)本焼成してから、液体窒素を用い急速冷却することで、充放電前処理前の上記一般式:xLiMO・(1−x)LiNOで表される固溶体系の正極材料を作製することができる。なお、最後の液体窒素を用いた急速冷却は、特に必要ないが、かかる処理を行うことで、固溶体状態が非常に綺麗なものを作製することができる点で有用な処理操作と言えるものである。 In addition, a method for producing a solid solution positive electrode material (main positive electrode active material) represented by the above general formula: xLiMO 2 · (1-x) Li 2 NO 3 before charge / discharge pretreatment is particularly limited. Instead, a conventionally known production method can be used as appropriate. For example, as shown in the Examples, the composite carbonate method can be used as follows. That is, a predetermined amount of, for example, nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate, such as metal sulfate salts and metal nitrate salts of metal elements corresponding to M and N in the above formula, is prepared to prepare a mixed solution thereof. Ammonia water was added dropwise to this until pH 7 was reached, and a Na 2 CO 3 solution was further added dropwise to form a composite carbonate of Ni—Co—Mn (however, the M—N by the combination of M and N in the above formula). Different types of metal complex carbonates). Then, after suction filtration, it is washed with water and dried at a predetermined temperature and time (for example, at 120 ° C. for 5 hours). This is calcined at a predetermined temperature and time (for example, at 500 ° C. for 5 hours). A small excess of LiOH.H 2 O is added thereto and mixed in an automatic mortar for a predetermined time (for example, 30 minutes). Thereafter, the main calcination is performed at a predetermined temperature and time (for example, at 900 ° C. for 12 hours), followed by rapid cooling using liquid nitrogen, whereby the above-described general formula: xLiMO 2 (1 -X) A solid solution positive electrode material represented by Li 2 NO 3 can be produced. The last rapid cooling using liquid nitrogen is not particularly necessary, but can be said to be a useful processing operation in that a solid solution can be produced with a very beautiful state by performing such processing. .

なお、充放電前処理前の上記一般式:xLiMO・(1−x)LiNOで表される固溶体系の正極材料(主要正極活物質)の同定は、後述する実施例で行ったような、X線回折(XRD)、誘導結合プラズマ(ICP)元素分析を用いて分析することができる。 In addition, the identification of the solid solution positive electrode material (main positive electrode active material) represented by the above general formula: xLiMO 2 · (1-x) Li 2 NO 3 before the charge / discharge pretreatment was performed in Examples described later. X-ray diffraction (XRD), inductively coupled plasma (ICP) elemental analysis can be used.

以上が、本発明の電池システムおよびその製造方法に関する説明である
[車両]
本発明の車両は、本発明の電池システムを搭載したことを特徴とするものである。本発明の高容量正極を用いた高エネルギー密度の電池を複数接続した電池システムを搭載することで、EV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。言い換えれば、本発明の電池システムは、電動車両の駆動用電源として用いられうる。本発明の電池システムを電動車両に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。かかる車両としては、例えば、自動車ならばハイブリット車、燃料電池車、電気自動車(いずれも乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車などの四輪車ほか、バイクなどの二輪車や三輪車を含む)等が挙げられる。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。
The above is the description of the battery system of the present invention and the manufacturing method thereof [Vehicle]
The vehicle of the present invention is equipped with the battery system of the present invention. By mounting a battery system in which a plurality of high energy density batteries using the high-capacity positive electrode of the present invention are connected, a plug-in hybrid electric vehicle having a long EV travel distance or an electric vehicle having a long charge travel distance can be configured. In other words, the battery system of the present invention can be used as a power source for driving an electric vehicle. This is because the use of the battery system of the present invention for an electric vehicle results in a long-life and highly reliable automobile. Examples of such vehicles include hybrid vehicles, fuel cell vehicles, and electric vehicles (including automobiles such as passenger cars, trucks, and buses, four-wheeled vehicles such as light vehicles, and motorcycles and three-wheeled vehicles). Etc. However, the application is not limited to automobiles. For example, it can be applied to various power sources for moving vehicles such as other vehicles, for example, trains, and power sources for mounting such as uninterruptible power supplies. It is also possible to use as.

図8は、本発明の電池システムを搭載した車両の概念図である。   FIG. 8 is a conceptual diagram of a vehicle equipped with the battery system of the present invention.

図8に示したように、電池システム300を電気自動車400のような車両に搭載するには、電気自動車400の車体中央部の座席下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、電池システム300を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。以上のような電池システム300を用いた電気自動車400は高い耐久性を有し、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。さらに、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。本発明の電池システムを搭載した車両としては、図8に示すような電気自動車のほか、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車などに幅広く適用できるものである。   As shown in FIG. 8, in order to mount the battery system 300 on a vehicle such as the electric vehicle 400, the battery system 300 is mounted under the seat at the center of the vehicle body of the electric vehicle 400. This is because if it is installed under the seat, the interior space and the trunk room can be widened. The place where the battery system 300 is mounted is not limited to under the seat, but may be a lower part of the rear trunk room or an engine room in front of the vehicle. The electric vehicle 400 using the battery system 300 as described above has high durability and can provide a sufficient output even when used for a long period of time. Furthermore, it is possible to provide electric vehicles and hybrid vehicles that are excellent in fuel efficiency and running performance. The vehicle equipped with the battery system of the present invention can be widely applied to a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle and the like in addition to the electric vehicle as shown in FIG.

[電池の製造方法]
次に、本発明の電池システムに用いることのできる電池の製造方法としては、上記した固溶体系の正極材料を用いてなる以外は、特に制限されるものではなく、従来公知の方法を適用して作製することができる。
[Battery manufacturing method]
Next, the method for producing a battery that can be used in the battery system of the present invention is not particularly limited except that the above-described solid solution positive electrode material is used, and a conventionally known method is applied. Can be produced.

よって、以下では、従来公知の方法を適用した本発明の電池システムに用いることのできる電池の製造方法につき簡単に説明する。ただし、電池の製造方法は、これらに何ら制限されるものでない。   Therefore, a battery manufacturing method that can be used in the battery system of the present invention to which a conventionally known method is applied will be briefly described below. However, the battery manufacturing method is not limited to these.

電解質が電解液の電池の作製は、正極及び負極の形成材料をスラリー化して作製した正極と負極から、少し負極を大きくして切り出し、それぞれを所定の温度(例えば、90℃)の真空乾燥機にて1日乾燥して用いる。正極と負極の間に、所定の厚さのセパレータ(例えば、25μm厚のポリプロピレンの多孔質膜等)を介して最外側が負極になるようにして正極と負極を交互に積層して、各正極と負極を束ねてリードを溶接して、発電要素を形成する。この発電要素に正負極のリードを取り出した構造にて、アルミニウムのラミネートフィルムバックに収めて、注液機により電解液を注液して、減圧下シールをして電池とする。第3電極を備えた電池では、電池を構成する複数の単電池(単セル)のうちの任意の1つ(以上)の単電池に用いる正極と負極の間に、所定の厚さのセパレータ2枚(例えば、12.5μm厚のポリプロピレンの多孔質膜等)を用いる。この2枚のセパレータの間に第3電極が接続された第3電極端子リードを挟み込む。あとは、上記と同様にして、セレータを介して最外側が負極になるようにして正極と負極を交互に積層する。各正極と負極を束ねてリードを溶接し、第3電極が接続されていない第3電極端子リードの他端に第3電極タブを溶接して、発電要素を形成する。この発電要素に正負極のリード及び第3電極タブを取り出した構造にて、アルミニウムのラミネートフィルムバックに収めて、注液機により電解液を注液して、減圧下シールをして第3電極を備えた電池とする。   The production of a battery in which the electrolyte is an electrolyte is made by cutting out a slightly larger negative electrode from a positive electrode and a negative electrode prepared by slurrying the forming materials of the positive electrode and the negative electrode, and vacuum-drying each of them at a predetermined temperature (eg, 90 ° C.). And dried for 1 day. The positive electrode and the negative electrode are alternately laminated between the positive electrode and the negative electrode with a separator having a predetermined thickness (for example, a 25 μm-thick polypropylene porous film) so that the outermost side becomes the negative electrode. And a negative electrode are bundled and a lead is welded to form a power generation element. A structure in which positive and negative leads are taken out from the power generation element is housed in an aluminum laminate film back, and an electrolytic solution is injected by a liquid injector, and sealed under reduced pressure to obtain a battery. In the battery including the third electrode, a separator 2 having a predetermined thickness is interposed between the positive electrode and the negative electrode used for any one (or more) of the plurality of unit cells (unit cells) constituting the battery. A sheet (for example, a 12.5 μm thick polypropylene porous film) is used. A third electrode terminal lead to which the third electrode is connected is sandwiched between the two separators. Thereafter, in the same manner as described above, the positive electrode and the negative electrode are alternately laminated so that the outermost side becomes a negative electrode via a serator. Each positive electrode and negative electrode are bundled and a lead is welded, and a third electrode tab is welded to the other end of the third electrode terminal lead to which the third electrode is not connected to form a power generation element. The power generation element has a structure in which positive and negative leads and a third electrode tab are taken out, placed in an aluminum laminate film back, injected with an electrolytic solution by a liquid injector, sealed under reduced pressure, and a third electrode. A battery equipped with

上記電解液を注液する場合には、封止部の一部を熱融着(接合)せずに適当なクリップなどで密封しておき、充放電前処理で発生したガスをクリップを外して当該未封止部よりガス抜きした後、当該未封止部を減圧下熱融着(接合)するようにしてもよい。   When injecting the above electrolyte, seal a part of the sealing part with a suitable clip, etc. without heat sealing (bonding), and remove the gas generated in the pre-charge / discharge treatment. After degassing from the unsealed portion, the unsealed portion may be heat-sealed (joined) under reduced pressure.

電解質が電解液の電池の他、電解質がゲルの電池、全固体ポリマーの電池、及びここで挙げた電解質を用いた双極電池の作製は、公知になった我々の技術により実施できるのでここでは省略する。   In addition to electrolyte batteries, electrolyte batteries, gel batteries, all-solid polymer batteries, and bipolar batteries using the electrolytes listed here can be produced by our well-known technology, so they are omitted here. To do.

次に、本発明の構成要件(技術範囲)を満足するか否かを、製造履歴によらずに判定する基準について説明する。   Next, a description will be given of criteria for determining whether or not the constituent requirements (technical scope) of the present invention are satisfied regardless of the manufacturing history.

(1)本発明の構成は、次の2つの発明(即ち、リチウムイオン電池システムの発明(第1の発明)と、このリチウムイオン電池システムの製造方法の発明(第2の発明))である。   (1) The configuration of the present invention is the following two inventions (that is, the invention of the lithium ion battery system (first invention) and the invention of the method of manufacturing this lithium ion battery system (second invention)). .

第1の発明:電池を複数直列接続した電池システムにおいて、少なくとも1つの電池が正極と負極から電子的に絶縁された第3電極を備え、この第3電極を参照電極として、正極の電位を規制した電池の充放電前処理をしてなることを特徴とするものである。   1st invention: In a battery system in which a plurality of batteries are connected in series, at least one battery includes a third electrode that is electronically insulated from the positive electrode and the negative electrode, and the potential of the positive electrode is regulated by using the third electrode as a reference electrode. The battery is subjected to pre-charging / discharging pretreatment.

ここで、上記電池システムを構成する電池は、主要正極活物質が一般式:xLiMO・(1−x)LiNOで表されるリチウムイオン電池である。上記一般式中のxは、0<x<1を満たす数であり、Mは、平均酸化状態が3+である1種類以上の遷移金属であり、Nは、平均酸化状態が4+である1種類以上の遷移金属である。 Here, the battery constituting the battery system is a lithium ion battery in which a main positive electrode active material is represented by a general formula: xLiMO 2 · (1-x) Li 2 NO 3 . X in the above general formula is a number satisfying 0 <x <1, M is one or more transition metals whose average oxidation state is 3+, and N is one type whose average oxidation state is 4+ The above transition metals.

また、上記正極の電位を規制した電池の充放電前処理とは、上記第3電極を備えた電池の正極が所定の電位を超えないようにして、直列接続されたリチウムイオン電池システム全体に同じ電流を流して充放電前処理をすることをいう。   In addition, the pre-charging / discharging pretreatment of the battery in which the positive electrode potential is regulated is the same as the entire lithium ion battery system connected in series so that the positive electrode of the battery including the third electrode does not exceed a predetermined potential. This refers to pre-charging / discharging pretreatment by flowing current.

第2の発明:第1の発明のリチウムイオン電池システムの製造方法である。   2nd invention: The manufacturing method of the lithium ion battery system of 1st invention.

ここで、第1の発明の充放電前処理が第3電極を参照電極として用いて、リチウム金属参照電極に対しての最高の電位が、3.9V以上4.6V以下となる条件下で充放電を1〜30サイクル行う電池の充放電前処理であることを特徴とする。 Here, the charge / discharge pretreatment of the first invention uses the third electrode as a reference electrode, and is charged under the condition that the maximum potential with respect to the lithium metal reference electrode is 3.9 V or more and 4.6 V or less. It is a pre-charge / discharge treatment for a battery that discharges for 1 to 30 cycles.

(2)本発明の構成要件(技術範囲)を満足するか否かの判定基準(後述する実施例2と比較例2を対比参照のこと)
(i)本発明の構成要件(技術範囲)を満足すると考えられる電池システムを準備(入手)して、放電状態にして電池システムを解体し、電池システム内部の電池を更に解体して正極を取り出し、リチウム金属を対極とした電池を構成する。なお、機器に搭載される電池は、電池構成後単電池の段階で数回の初期充放電、図5の小型の電池システム250(モジュール電池)、電池システム300(組電池)に構成されてから、更に機器に搭載されてからの初期充放電検査をへて市場へ出回ることもある。従って、準備(入手)できる電池システムの電池は、電池構成後5〜50回程度充放電試験を経たものと考えられる。
(2) Criteria for determining whether or not the constituent requirements (technical scope) of the present invention are satisfied (see comparison between Example 2 and Comparative Example 2 described later)
(I) A battery system that is considered to satisfy the configuration requirements (technical scope) of the present invention is prepared (obtained), the battery system is disassembled in a discharged state, the battery inside the battery system is further disassembled, and the positive electrode is taken out A battery using lithium metal as a counter electrode is constructed. In addition, after the battery is configured, the battery mounted on the device is initially charged and discharged several times at the single cell stage, and after being configured into the small battery system 250 (module battery) and battery system 300 (assembled battery) in FIG. In addition, there is a case where it is put on the market after the initial charge / discharge inspection after being mounted on the device. Therefore, the battery of the battery system that can be prepared (obtained) is considered to have undergone a charge / discharge test about 5 to 50 times after the battery configuration.

(ii)そこで、解体した電池から取り出した正極を用いて構成した電池について、室温で、電圧範囲2.0V〜4.8Vにて定電流充放電試験を行う。     (Ii) Therefore, a battery constituted by using the positive electrode taken out from the disassembled battery is subjected to a constant current charge / discharge test at room temperature in a voltage range of 2.0 V to 4.8 V.

(iii)得られたデータから電気量(Q)の電位微分(dQ/dE)を計算して電位(E)に対してプロットする。     (Iii) A potential differentiation (dQ / dE) of the electric quantity (Q) is calculated from the obtained data and plotted against the potential (E).

本発明に従って充放電前処理を施した場合と、施さない場合について比較したのが、図9(50サイクル後)である。図9では、本発明の充放電前処理を施した場合のデータをプロットして表したdQ/dE曲線を“前処理あり”としている。一方、本発明の充放電前処理を施さない場合のデータをプロットして表したdQ/dE曲線を“前処理無し”としている。   FIG. 9 (after 50 cycles) shows a comparison between the case where the pre-charge / discharge treatment is performed according to the present invention and the case where it is not performed. In FIG. 9, a dQ / dE curve obtained by plotting data when the charge / discharge pretreatment of the present invention is performed is indicated as “with pretreatment”. On the other hand, the dQ / dE curve obtained by plotting the data when the charge / discharge pretreatment of the present invention is not applied is “no pretreatment”.

図9より、3.0V〜3.3V領域での波形の比較をすると、本発明の充放電前処理を施した正極材料は、3.2Vに特徴的なピークを示す。他方、本発明の充放電前処理を施していないものはこのピークがない。   From comparison of waveforms in the region of 3.0V to 3.3V as shown in FIG. 9, the positive electrode material subjected to the charge / discharge pretreatment of the present invention shows a characteristic peak at 3.2V. On the other hand, those not subjected to the charge / discharge pretreatment of the present invention do not have this peak.

このピークの有無により本発明の構成要件(技術範囲)を満足しているか否かを判定できる。また、もし電池システムが50サイクルに至らない充放電サイクルで出荷されていても、いくつかの電池を取り出して、それぞれ10サイクル、20サイクル、30サイクル、40サイクルの充放電を行なって、同様な電池解体検査を行なえば、同様の判定基準(3.2Vの特徴的なピークの有無)にて本発明の構成要件(技術範囲)を満足しているか否かを判定できる。   It can be determined whether or not the constituent requirements (technical scope) of the present invention are satisfied by the presence or absence of this peak. Also, even if the battery system is shipped with a charge / discharge cycle that does not reach 50 cycles, several batteries are taken out and charged / discharged for 10 cycles, 20 cycles, 30 cycles, and 40 cycles, respectively. If the battery disassembly inspection is performed, it can be determined whether or not the configuration requirement (technical scope) of the present invention is satisfied based on the same determination criterion (the presence or absence of a characteristic peak of 3.2 V).

なお、図6に示すように、第3電極を備えた電池がそのまま電池システムに用いられていれば、本発明の構成要件(技術範囲)を満足している蓋然性が極めて高いといえるが、前述の通り、充放電前処理後に意図的に第3電極を備えた電池を取り除いて、電池システムを構築しているような場合に、上記判定基準は有効である。   As shown in FIG. 6, if the battery including the third electrode is used as it is in the battery system, it can be said that the probability of satisfying the configuration requirement (technical scope) of the present invention is extremely high. As described above, the determination criterion is effective when the battery system is constructed by intentionally removing the battery including the third electrode after the pre-charge / discharge treatment.

(3)本発明の酸化前処理の物理的意味について
本発明の充放電前処理により、正極材料(xLiMO・(1−x)LiNO)の高電位領域での充放電サイクル特性が顕著に改善されるが、このメカニズムについては次のように考えている。この材料はLiCoOのような層状構造であるが、遷移金属層にもLiを含む。高容量を発現させるため高電位領域まで充電すると、Li層のLiのみならずこの遷移金属層のLiと結晶骨格の酸素が放出され、結晶内部で大きなイオンの移動(再配列)が起こると考えられる。本発明の充放電前処理をしないと、この急激に起こるイオンの再配列の際に、劣化が進行してしまうと考えられる。劣化のメカニズムとしては、従来の層状LiMnOでそうであったように、結晶内の小さな領域で充放電で層状構造からスピネル構造へ変化してしまうことにより劣化してしまうと考えられる。
(3) About the physical meaning of the oxidation pretreatment of the present invention By the charge / discharge pretreatment of the present invention, the charge / discharge cycle characteristics in the high potential region of the positive electrode material (xLiMO 2 · (1-x) Li 2 NO 3 ) are improved. Although it is remarkably improved, this mechanism is considered as follows. This material has a layered structure such as LiCoO 2 , but the transition metal layer also contains Li + . When charged to the high potential region for expressing a high capacity, Li + not a layer of Li + only of the transition metal layer Li + and oxygen in the crystalline framework is released, the movement of large ions inside the crystal (rearrangements) are It is thought to happen. If the pre-charge / discharge pretreatment of the present invention is not performed, it is considered that the deterioration proceeds during the rapid rearrangement of ions. The deterioration mechanism is considered to be deteriorated by changing from a layered structure to a spinel structure by charge / discharge in a small region in the crystal, as was the case with conventional layered LiMnO 2 .

高電位にて溶媒の酸化分解によって発生する可能性のあるHによるLiのイオン交換は、この急激なイオンの再配列のさいに結晶表面が開いたり、欠陥ができて起こりやすくなり、さらにこれが劣化を加速しうる。 Li + ion exchange with H + , which can occur by oxidative decomposition of the solvent at high potential, is more likely to occur due to the crystal surface opening or defects during this rapid ion rearrangement. This can accelerate the degradation.

これに対して、本発明の充放電前処理により、上記の結晶内部でのイオンの再配列が徐々に進行するため、初期の層構造を大きく乱すことなく、安定な層状構造へ到達するためサイクル耐久性が改善されると考えられる。安定な層状構造の候補としては、相対的により欠陥の少ない結晶構造や、ごくわずかのNi2+が結晶内のリチウム層に入ってピラーとして機能しているものや、ごくわずかのナノ結晶がこのピラーの役目をしているものなどが考えられる。 In contrast to this, the charge / discharge pretreatment of the present invention gradually advances the rearrangement of ions inside the crystal, so that a cycle can be achieved to reach a stable layered structure without greatly disturbing the initial layered structure. It is thought that durability is improved. Candidates for a stable layered structure include a crystal structure with relatively fewer defects, a very small amount of Ni 2+ entering the lithium layer in the crystal as a pillar, and a very small number of nanocrystals. The thing which has the role of can be considered.

以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail using examples.

実施例1及び比較例1
1.固溶体系正極材料(=正極活物質)の合成
試料(固溶体系正極材料)の合成は、複合炭酸塩法を用い以下のように行った。硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンを所定量秤量し、これらの混合溶液を調製して、これにアンモニア水をpH7になるまで滴下して、さらにNaCO溶液を滴下してNi−Co−Mnの複合炭酸塩を沈殿させた。NaCO溶液を滴下している間、アンモニア水でpH7を保持した。その後、吸引ろ過し、水洗して、120℃にて5時間乾燥した。これを500℃にて5時間仮焼成した。これに小過剰のLiOH・HOを加えて、自動乳鉢で30分間混合した。このあと900℃にて12時間本焼成してから、液体窒素を用い急速冷却した。
Example 1 and Comparative Example 1
1. Synthesis of solid solution based positive electrode material (= positive electrode active material) The sample (solid solution based positive electrode material) was synthesized as follows using a composite carbonate method. Nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate are weighed in predetermined amounts to prepare a mixed solution thereof. Ammonia water is added dropwise until pH 7 is reached, and a Na 2 CO 3 solution is further added dropwise to add Ni—Co—. A complex carbonate of Mn was precipitated. While the Na 2 CO 3 solution was dropped, pH 7 was maintained with aqueous ammonia. Then, it filtered by suction, washed with water, and dried at 120 degreeC for 5 hours. This was calcined at 500 ° C. for 5 hours. A small excess of LiOH.H 2 O was added thereto and mixed for 30 minutes in an automatic mortar. Thereafter, the main calcination was performed at 900 ° C. for 12 hours, followed by rapid cooling using liquid nitrogen.

上記により合成された試料(Li[Ni0.17Li0.2Co0.07Mn0.56]O)を、XRDとICPによって同定した。XRDの結果だけでなく、ICPによる元素分析によっても同定された。合成された試料は、空間群 The sample synthesized as described above (Li [Ni 0.17 Li 0.2 Co 0.07 Mn 0.56 ] O 2 ) was identified by XRD and ICP. It was identified not only by XRD results but also by elemental analysis by ICP. The synthesized sample is a space group

に帰属でき、20〜23°に超格子構造を示す回折線が現れていた。また、組成は表1に示したものになっていた。なお、表1の試料の下段の組成式(上記一般式:xLiMO・(1−x)LiNOの表記)の係数に、換算係数を掛けると表1の上段の組成式の表記になる。即ち、表1の試料の上段の組成式の表記は、全てが層状のLiMO(M:平均酸化状態が3+である1種類以上の遷移金属)とみなした場合の表記である。なお、以下の説明において、試料の表記は、表1の試料の上段の組成式の表記を用いているものもある。 A diffraction line showing a superlattice structure appeared at 20 to 23 °. The composition was as shown in Table 1. When the coefficient of the lower composition formula of the sample in Table 1 (the above general formula: xLiMO 2 · (1-x) Li 2 NO 3 notation) is multiplied by the conversion factor, the upper composition formula of Table 1 is represented. Become. That is, the notation of the composition formula in the upper part of the sample in Table 1 is a notation when all are regarded as layered LiMO 2 (M: one or more transition metals having an average oxidation state of 3+). In the following description, the notation of the sample may use the notation of the composition formula in the upper part of the sample in Table 1.

2.電極と電池の作製
負極活物質には平均粒子径21μmのハードカーボンを用いた。ハードカーボンの充放電曲線は、リチウム電位に近い部分に約200mAh/gの容量があり、そこから1V付近までの間に勾配を持った約200mAh/gの容量があり(図10参照)、最初の充放電時には100mAh/gの不可逆容量がある。このため、電池を組んでから充電したのでは、充電とともに負極の電位が変化してしまい通常の方法では電位を規制しての充放電前処理はできない。バインダには、PVdFを用い、導電助材としてアセチレンブラックを用いた。正極集電体には、厚さ20μmのアルミニウム箔を用い、負極集電体には厚さ15μmの銅箔を用いた。電解液としては、1M LiPF EC:DEC(3:7vol%)(ここで、ECはエチレンカーボネー、DECはジエチルカーボネートである。)を用いた。
2. Production of Electrode and Battery Hard carbon having an average particle diameter of 21 μm was used as the negative electrode active material. The charge / discharge curve of hard carbon has a capacity of about 200 mAh / g near the lithium potential, and has a capacity of about 200 mAh / g with a gradient from that to around 1 V (see FIG. 10). There is an irreversible capacity of 100 mAh / g during charging and discharging. For this reason, if the battery is assembled and then charged, the potential of the negative electrode changes as the battery is charged, and the charge / discharge pretreatment by regulating the potential cannot be performed by a normal method. PVdF was used for the binder, and acetylene black was used as the conductive additive. An aluminum foil with a thickness of 20 μm was used for the positive electrode current collector, and a copper foil with a thickness of 15 μm was used for the negative electrode current collector. As the electrolytic solution, 1M LiPF 6 EC: DEC (3: 7 vol%) (where EC is ethylene carbonate and DEC is diethyl carbonate) was used.

ハードカーボン負極の作製では、活物質とPVdFの質量比を91:9とした。ホモジナイザイーの容器に、活物質とPVdFと適量のNMPを加えてよく撹拌・混合してスラリーを調製した。このスラリーをダイコーターを用いて、銅箔(負極集電体)上に塗布して乾燥した。下記に示す正極と同様に銅箔(負極集電体)の両面に負極活物質層を形成して、プレスをかけて、負極活物質層部分が55mm×105mmになるように、しかも負極活物質層がないリード部分を残して切り出した。負極活物質層(片面)の厚さは、出来上り時点で、80μmであった。   In the production of the hard carbon negative electrode, the mass ratio of the active material and PVdF was 91: 9. An active material, PVdF, and an appropriate amount of NMP were added to a homogenizer container and well stirred and mixed to prepare a slurry. This slurry was applied onto a copper foil (negative electrode current collector) using a die coater and dried. Similarly to the positive electrode shown below, a negative electrode active material layer is formed on both sides of a copper foil (negative electrode current collector) and pressed to make the negative electrode active material layer portion 55 mm × 105 mm, and the negative electrode active material It was cut out leaving the lead part without the layer. The thickness of the negative electrode active material layer (one side) was 80 μm at the time of completion.

正極の作製は、電極組成比(質量比)が、活物質(上記試料の固溶体系正極材料を用いた):アセチレンブラック:PVdF=86:7:7になるようにして、これに適量のNMP(N−メチルー2−ピロリドン)を加えてホモジナイザーにてよく撹拌・混合した。その後、ダイコーターを用いてこのスラリーをアルミニウム箔(正極集電体)に一定量塗布して乾燥した。このようにしてアルミニウム箔(正極集電体)の両面に正極活物質層を形成して、ロールプレスにてプレスをかけて、正極活物質層部分が50mm×100mmになるように、しかも正極活物質層がないリード部分を残して切り出した。単面積あたりの活物質量は、ハードカーボン負極の活物質面密度に対して可逆容量で0.9になるよう塗工を繰り返して調節した。かかる調節により、正極及び負極がそれぞれ容量ばらつきが小さな電極(均一な電極)が得られ、電極の面密度のばらつきは、5%以内におさまっていた。ここで、電極の面密度の求め方:単位面積当たりの電極層の質量を求め、それに電極組成物中のハードカーボン(負極活物質)又は正極活物質の質量比を乗じて見当をつけ、実際に測定して求めた。正極活物質層(片面)の厚さは、出来上り時点で、72μmであった。   Preparation of the positive electrode was carried out so that the electrode composition ratio (mass ratio) was active material (using the solid solution positive electrode material of the above sample): acetylene black: PVdF = 86: 7: 7, and an appropriate amount of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) was added and well stirred and mixed with a homogenizer. Thereafter, a certain amount of this slurry was applied to an aluminum foil (positive electrode current collector) using a die coater and dried. In this way, a positive electrode active material layer is formed on both surfaces of an aluminum foil (positive electrode current collector), and pressed by a roll press so that the positive electrode active material layer portion becomes 50 mm × 100 mm, and the positive electrode active material layer The lead portion without the material layer was left and cut out. The amount of active material per unit area was adjusted by repeating coating so that the reversible capacity was 0.9 with respect to the active material surface density of the hard carbon negative electrode. By such adjustment, an electrode having a small capacity variation (uniform electrode) was obtained for each of the positive electrode and the negative electrode, and the variation in the surface density of the electrodes was within 5%. Here, how to determine the surface density of the electrode: The mass of the electrode layer per unit area is obtained, and is multiplied by the mass ratio of the hard carbon (negative electrode active material) or the positive electrode active material in the electrode composition. Measured to obtain. The thickness of the positive electrode active material layer (one side) was 72 μm at the time of completion.

上記で切り出した正極と負極それぞれを90℃の真空乾燥機にて1日乾燥して用いた。正極と負極の間に、厚さ25μmのポリプロピレン製の多孔質膜2枚を介して最外側が負極になるようにして5枚の正極を6枚の負極を交互に積層して、各正極と負極を束ねてリードを溶接して、この発電要素(積層体)から正極及び負極のリードを介して接続されたアルミニウム製の正極タブ及びニッケル製の負極タブを取り出した構造にて、アルミニウムのラミネートフィルムバックに収めて、注液機により電解液を注液して、減圧下シールをして電池とした。なお、この時点でのシールは仮のシールであり、充放電後開封して再度シールできる構造とした。   Each of the positive electrode and negative electrode cut out above was dried for 1 day in a vacuum dryer at 90 ° C. and used. Between the positive electrode and the negative electrode, five positive electrodes are alternately laminated with six negative electrodes so that the outermost side is a negative electrode through two porous films made of polypropylene having a thickness of 25 μm, An aluminum laminate with a structure in which a positive electrode tab and a nickel negative electrode tab connected to each other through a positive electrode and a negative electrode lead are taken out from this power generation element (laminate) by bundling the negative electrode and welding a lead. The battery was placed in a film bag, and an electrolyte solution was injected with a liquid injector and sealed under reduced pressure to obtain a battery. In addition, the seal | sticker at this time was a temporary seal | sticker, and it was set as the structure which can be opened and sealed again after charging / discharging.

また、正極、負極の他に第3電極を有する電池の作製は次のように行なった。この電池の模式図を図4Bに示し、第3電極の挿入構造を図3に示す。負極用のニッケルタブ(第3電極タブ27)に直径20μmのニッケル線(第3電極端子リード26)を溶接して取り付け、この先端に極少量のリチウム(第3電極25)を貼り付けて、その部分が正極12と負極13の間にくるようにして2枚のセパレータ13の間に挿入して、このニッケルタブ(第3電極タブ27)を電極タブ(正極及び負極タブ58、59)と同様にシールフィルムを用いて熱融着した。このシールフィルムは、タブに巻きつけて、それをラミネートフィルム22(52)で挟み熱融着して封止するためのものである。   In addition, a battery having a third electrode in addition to the positive electrode and the negative electrode was produced as follows. A schematic diagram of this battery is shown in FIG. 4B, and the insertion structure of the third electrode is shown in FIG. A nickel wire (third electrode terminal lead 26) with a diameter of 20 μm is attached by welding to a negative electrode nickel tab (third electrode tab 27), and a very small amount of lithium (third electrode 25) is attached to the tip. The nickel tab (third electrode tab 27) is inserted into the electrode tab (positive electrode and negative electrode tabs 58, 59) so that the portion is between the positive electrode 12 and the negative electrode 13, and between the two separators 13. Similarly, heat sealing was performed using a seal film. This seal film is wound around a tab, and is sandwiched between laminate films 22 (52) and heat-sealed for sealing.

3.リチウムイオン電池システムの作製
上記の第3電極を含まない電池を直列に接続して、更に、第3電極を含む電池一つを直列接続に加えて、合計24個の電池を直列接続したリチウムイオン電池システムを作製し、実施例1のリチウムイオン電池システムとした(図6参照)。また、比較のため第三電極を含まない電池のみを用いて合計24個の電池を直列接続したリチウムイオン電池システムを作製し、比較例1のリチウムイオン電池システムとした。
3. Production of Lithium Ion Battery System Lithium ion in which a battery not including the third electrode is connected in series, and one battery including the third electrode is added in series connection, so that a total of 24 batteries are connected in series. A battery system was produced and used as the lithium ion battery system of Example 1 (see FIG. 6). For comparison, a lithium ion battery system in which a total of 24 batteries were connected in series using only a battery not including the third electrode was produced, and the lithium ion battery system of Comparative Example 1 was obtained.

実施例1のリチウムイオン電池システムの正極の充放電前処理をつぎのように行なった。この電池システムを充放電装置に接続して、更に第3電極を有する電池の第3電極に対する正極の電位を計測できるようにして、この電位差が4.5Vとなるまで電流値0.1Aにて定電流充電してから、この電位差が2Vとなるまで定電流放電を行ない、これを5回繰り返した。更にこの電位差を4.5Vから4.6V、4.7V、更に4.8Vに変えて同様にして充放電を(各電位差ごとに)各2回づつ行なった。各電池を放電状態にてドライルーム内で開封して、ガス抜きのために再度減圧シールしてリチウムイオン電池システムとした。   The charge / discharge pretreatment of the positive electrode of the lithium ion battery system of Example 1 was performed as follows. The battery system is connected to a charging / discharging device so that the potential of the positive electrode with respect to the third electrode of the battery having the third electrode can be measured, and at a current value of 0.1 A until the potential difference becomes 4.5V. After constant current charging, constant current discharge was performed until this potential difference became 2 V, and this was repeated 5 times. Further, the potential difference was changed from 4.5 V to 4.6 V, 4.7 V, and 4.8 V, and charging / discharging was performed twice each time (for each potential difference). Each battery was opened in a dry room in a discharged state, and sealed again under reduced pressure for degassing to obtain a lithium ion battery system.

他方、比較例1のリチウムイオン電池システムについては、1.5V〜4.8Vの間で0.1Aの電流にて2回充放電を繰り返したあと、各電池を開封して同様にして減圧シールしてリチウムイオン電池システムとした。比較例1では、2回充放電に際し、直列接続の24個の電池のうちの最初の1個が最高電圧4.8Vとなるまで充電して、直列接続の24個の電池のうちに最初の1個が最低電圧1.5Vとなるまで放電した(以下のリチウムイオン電池システムの評価も、同様にした)。また、比較例1は、ハードカーボン対極の電池の電圧なので、電池としての容量を十分活用できるように1.5V〜4.8Vの間で充放電を行った。   On the other hand, for the lithium ion battery system of Comparative Example 1, after repeating charging and discharging twice at a current of 0.1 A between 1.5 V and 4.8 V, each battery was opened and the reduced pressure seal was similarly applied. Thus, a lithium ion battery system was obtained. In Comparative Example 1, when charging and discharging twice, the first one of the 24 batteries connected in series is charged until the maximum voltage is 4.8 V, and the first of the 24 batteries connected in series is charged. One battery was discharged until the minimum voltage was 1.5 V (the following evaluation of the lithium ion battery system was performed in the same manner). Moreover, since the comparative example 1 is the voltage of the battery of a hard carbon counter electrode, it charged / discharged between 1.5V-4.8V so that the capacity | capacitance as a battery could fully be utilized.

4.リチウムイオン電池システムの評価
リチウムイオン電池システムの評価は、各電池の電圧を検出できるようにして、直列接続の電池の最高電圧が4.7Vとなるまで充電して、直列接続の電池の最低電圧が1.5Vとなるまで放電する方法で、定電流0.2Aにて30回の充放電を行った。30回後のそれぞれのリチウムイオン電池システムの放電容量を表1に「30サイクル目の容量(Ah)」として示した。充放電前処理では、定電流0.1Aとし、電池システムの評価では、定電流0.2Aと電流値として、充放電前処理では処理(=結晶構造の大幅な変化を最初から引き起こすことなく、構成元素のより安定配置、安定構造への穏やかな移行)がマイルドに、より確実に行なわれるように小さい電流レートで行なっている。
4). Lithium-ion battery system evaluation Lithium-ion battery system evaluation is performed so that the voltage of each battery can be detected and charged until the maximum voltage of the series-connected battery reaches 4.7 V. Was charged and discharged 30 times at a constant current of 0.2 A. The discharge capacity of each lithium ion battery system after 30 times is shown as “Capacity (Ah) at 30th cycle” in Table 1. In the charge / discharge pretreatment, the constant current is set to 0.1A, and in the evaluation of the battery system, the constant current is set to 0.2A and the current value. More stable arrangement of the constituent elements, gentle transition to a stable structure) is carried out at a small current rate so that it is milder and more reliable.

表1からわかるように、本発明によれば、直列接続の固溶体系正極を活物質に用いたリチウムイオン電池システムに第3電極を含む電池を組み入れた構成とすることで、固溶体系正極の高耐久化に必要な充放電前処理を電池システムのすべての電池に同時に施すことができる。そのため、高容量でしかもサイクル耐久性に優れるリチウムイオン電池システムを能率的に大量供給することが可能になることが確認できた。   As can be seen from Table 1, according to the present invention, the lithium ion battery system using the series-connected solid solution system positive electrode as the active material is combined with the battery including the third electrode, so that The charge / discharge pretreatment necessary for durability can be simultaneously applied to all the batteries of the battery system. Therefore, it has been confirmed that it is possible to efficiently supply a large amount of a lithium ion battery system having a high capacity and excellent cycle durability.

実施例2及び比較例2
実施例2及び比較例2共に、実施例1及び比較例1の上記「3.リチウムイオン電池システムの作製」まで同様に実施し、上記「4.リチウムイオン電池システムの評価」において、各電池の電圧を検出できるようにして、直列接続の電池の最高電圧が4.8Vとなるまで充電して、直列接続の電池の最低電圧が2.0Vとなるまで放電する方法で、定電流0.2Aにて50回の充放電を行った。
Example 2 and Comparative Example 2
Both Example 2 and Comparative Example 2 were carried out in the same manner up to “3. Production of Lithium Ion Battery System” in Example 1 and Comparative Example 1, and in “4. Evaluation of Lithium Ion Battery System” above, In such a manner that the voltage can be detected, the battery is charged until the maximum voltage of the series-connected batteries is 4.8V, and is discharged until the minimum voltage of the series-connected batteries is 2.0V. The battery was charged and discharged 50 times.

得られた充放電データからパソコンソフト:Origin 6.0 professionalを用いて容量の電位微分を算出し、充放電前処理を実施した電池(実施例2)のデータと実施していない電池(比較例2)の結果を合わせて図9に示した。   From the obtained charge / discharge data, the potential differentiation of the capacity was calculated using PC software: Origin 6.0 professional, and the data of the battery (Example 2) subjected to the charge / discharge pretreatment and the battery not subjected to the comparison (Comparative Example) The results of 2) are shown together in FIG.

図9に示す50サイクル後のdQ/dE曲線からは、比較例2の充放電前処理を施していない電池(処理無し)では約3.1Vのピークが明瞭に現れ、実施例2の充放電前処理を施した電池(前処理あり)では3.2Vのピークが強く現れる傾向を示した。この結果は充放電前処理を施していない電池と充放電前処理を施した電池との間での構造変化が異なることを示唆している(明細書中の「本発明の充放電前処理の物理的意味について」の項を参照のこと)。   From the dQ / dE curve after 50 cycles shown in FIG. 9, a peak of about 3.1 V appears clearly in the battery not subjected to the pre-charge / discharge treatment of Comparative Example 2 (no treatment), and the charge / discharge of Example 2 The battery that had been pretreated (with pretreatment) showed a tendency for a peak of 3.2 V to appear strongly. This result suggests that the structural change between the battery which has not been subjected to the charge / discharge pretreatment and the battery which has been subjected to the charge / discharge pretreatment is different (in the specification, “the charge / discharge pretreatment of the present invention”). See the section on physical meaning).

本発明のリチウムイオン電池の代表的な一実施形態である積層型の扁平な非双極型リチウムイオン二次電池の概要を模式的に表した断面概略図である。1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an outline of a laminated flat non-bipolar lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of a lithium ion battery of the present invention. 本発明のリチウムイオン電池の代表的な他の一実施形態である積層型の扁平な双極型リチウムイオン二次電池の概要を模式的に表した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which represented typically the outline | summary of the laminated flat bipolar lithium ion secondary battery which is another typical embodiment of the lithium ion battery of this invention. 正極と負極から電子的に絶縁された第3電極を備えてなる非双極型リチウムイオン二次電池の第3電極を設置の様子を模式的に表わした概略部分断面図である。FIG. 6 is a schematic partial cross-sectional view schematically showing a state of installing a third electrode of a non-bipolar lithium ion secondary battery including a third electrode that is electronically insulated from a positive electrode and a negative electrode. 本発明に係るリチウムイオン電池の代表的な実施形態である積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を模式的に表した斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view schematically showing an appearance of a stacked flat lithium ion secondary battery that is a typical embodiment of a lithium ion battery according to the present invention. 本発明の電池システムに用いられる、正極と負極から電子的に絶縁された第3電極を備えてなる代表的な実施形態である積層型の扁平な非双極型あるいは双極型のリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。A laminated flat non-bipolar or bipolar lithium ion secondary battery, which is a representative embodiment provided with a third electrode electronically insulated from a positive electrode and a negative electrode, used in the battery system of the present invention It is a perspective view showing the external appearance. 本発明の電池システムの代表的な実施形態を模式的に表した外観図であって、図5Aは電池システムの平面図であり、図5Bは電池システムの正面図であり、図5Cは電池システムの側面図である。5A and 5B are external views schematically showing typical embodiments of the battery system of the present invention, in which FIG. 5A is a plan view of the battery system, FIG. 5B is a front view of the battery system, and FIG. 5C is a battery system. FIG. 図5に示す電池システムを構成する小型の電池システム内部の構成の様子を模式的に表した概略面である。FIG. 6 is a schematic view schematically showing the internal configuration of a small battery system constituting the battery system shown in FIG. 5. Li[Ni0.17Li0.2Co0.07Mn0.56]Oの充放電曲線を示す図面であって、第1回目(1st)、第2回目(2nd)及び第5回目(5th)の各充放電曲線を示した図面である。A diagram showing charge-discharge curves of Li [Ni 0.17 Li 0.2 Co 0.07 Mn 0.56] O 2, the first time (1st), second round (2nd) and the fifth ( It is drawing which showed each charging / discharging curve of 5th). 本発明の電池システムを搭載した車両の概念図である。It is a conceptual diagram of the vehicle carrying the battery system of this invention. 実施例2及び比較例2の電極による定電流充放電試験により、得られた充放電データからパソコンソフトを用いて容量の電位微分を算出し、充放電前処理を実施したセルのデータと実施していないセルの結果をそれぞれ表したdQ/dE曲線を示した図面である。In the constant current charge / discharge test using the electrodes of Example 2 and Comparative Example 2, the potential differentiation of the capacity was calculated using the PC software from the obtained charge / discharge data, and the data of the cell subjected to the charge / discharge pretreatment were performed. It is the figure which showed the dQ / dE curve which each represented the result of the cell which is not. ハードカーボンの充電曲線を示す図面である。It is drawing which shows the charge curve of hard carbon.

符号の説明Explanation of symbols

10 非双極型リチウムイオン二次電池、
10a 第3電極を備えた非双極型リチウムイオン二次電池、
11 正極集電体、
11a 最外層正極集電体、
12、32 正極(正極活物質層)、
13、35 電解質層、
14 負極集電体、
15、33 負極(負極活物質層)、
16、36 単電池層(=電池単位ないし単セル)、
17、37、57 発電要素、
18、38、58 正極タブ、
19、39、59 負極タブ、
20、40 正極端子リード、
21、41 負極端子リード、
22、42、52 電池外装材(たとえばラミネートフィルム)、
23 ラミネートシートを熱融着した封止部、
25 第3電極、
26 第3電極端子リード、
27 第3電極タブ、
30 双極型リチウムイオン二次電池、
31 集電体、
31a 正極側の最外層集電体、
31b 負極側の最外層集電体、
34 双極型電極、
34a、34b 最外層に位置する電極、
43 シール部(絶縁層)、
50 リチウムイオン二次電池、
50a 第3電極を備えたリチウムイオン二次電池、
250 小型の組電池(モジュール電池)、
300 組電池、
310 接続治具、
400 電気自動車。
10 Non-bipolar lithium ion secondary battery,
10a Non-bipolar lithium ion secondary battery provided with a third electrode,
11 positive electrode current collector,
11a Outermost layer positive electrode current collector,
12, 32 positive electrode (positive electrode active material layer),
13, 35 electrolyte layer,
14 negative electrode current collector,
15, 33 negative electrode (negative electrode active material layer),
16, 36 single battery layer (= battery unit or single cell),
17, 37, 57 Power generation element,
18, 38, 58 positive electrode tab,
19, 39, 59 negative electrode tab,
20, 40 Positive terminal lead,
21, 41 Negative terminal lead,
22, 42, 52 Battery exterior material (for example, laminate film),
23 A sealing part in which a laminate sheet is heat-sealed,
25 third electrode,
26 Third electrode terminal lead,
27 Third electrode tab,
30 Bipolar lithium ion secondary battery,
31 current collector,
31a The outermost layer current collector on the positive electrode side,
31b The outermost layer current collector on the negative electrode side,
34 Bipolar electrode,
34a, 34b The electrode located in the outermost layer,
43 Sealing part (insulating layer),
50 lithium ion secondary battery,
50a lithium ion secondary battery provided with a third electrode;
250 Small assembled battery (module battery),
300 battery packs,
310 connection jig,
400 Electric car.

Claims (8)

主要正極活物質が、一般式
(ここで、xは、0<x<1を満たす数であり、Mは、平均酸化状態が3+である1種類以上の遷移金属であり、Nは、平均酸化状態が4+である1種類以上の遷移金属である。)で表されるリチウムイオン電池を複数直列接続したリチウムイオン電池システムにおいて、
少なくとも1つの電池が、正極と負極から電子的に絶縁された第3電極を備え、この第3電極を参照電極として、該第3電極を備えた電池の正極の電位が該第3電極に対し、
最高電位を、最初の充電曲線のプラトー部分の下限から上限までの電位幅を100%とするとき、下限から下限の30%高い電位範囲となるように、
直列接続されたリチウムイオン電池システム全体に同じ電流を流して充放電前処理をしてなることを特徴とするリチウムイオン電池システム。
The main cathode active material is a general formula
(Where x is a number satisfying 0 <x <1, M is one or more transition metals whose average oxidation state is 3+, and N is one or more types whose average oxidation state is 4+ In a lithium ion battery system in which a plurality of lithium ion batteries represented by
At least one battery includes a third electrode that is electronically insulated from the positive electrode and the negative electrode, and the potential of the positive electrode of the battery including the third electrode is defined with respect to the third electrode. ,
When the maximum potential is defined as 100% of the potential range from the lower limit to the upper limit of the plateau portion of the first charging curve, the potential range is 30% higher from the lower limit to the lower limit.
A lithium ion battery system, wherein the same current is supplied to the entire lithium ion battery system connected in series to perform pre-charging and discharging processes.
前記Mは、Mn、Ni、CoおよびFeから選ばれてなる1種類以上の元素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電池システム。   2. The lithium ion battery system according to claim 1, wherein the M is one or more elements selected from Mn, Ni, Co, and Fe. 前記Nは、Mn、ZrおよびTiから選ばれてなる1種類以上の元素であることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウムイオン電池システム。   3. The lithium ion battery system according to claim 1, wherein the N is one or more elements selected from Mn, Zr, and Ti. 4. 前記主要正極活物質がLi[NiThe main positive electrode active material is Li [Ni 0.170.17 LiLi 0.20.2 CoCo 0.070.07 MnMn 0.560.56 ]O] O 2 である場合に、If
前記充放電前処理が、前記第3電極を参照電極として用いてリチウム金属参照電極に対しての最高の電位が、3.9V以上4.6V以下となる条件下で行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のリチウムイオン電池システム。The charge / discharge pretreatment is performed under a condition that a maximum potential with respect to a lithium metal reference electrode is 3.9 V or more and 4.6 V or less using the third electrode as a reference electrode. Item 4. The lithium ion battery system according to any one of Items 1 to 3.
請求項1〜のいずれかに記載のリチウムイオン電池システムを搭載した車両。 Vehicle equipped with a lithium ion battery system according to any one of claims 1-4. 請求項1〜3のいずれかに記載のリチウムイオン電池システムの製造方法であって、
前記充放電前処理が、前記第3電極を参照電極として用いてリチウム金属参照電極に対しての最高の電位が、最初の充電曲線のプラトー部分の下限から上限までの電位幅を100%とするとき、下限から下限の30%高い電位範囲で、充放電を1〜30サイクル行う電池の充放電前処理であることを特徴とするリチウムイオン電池システムの製造方法。
It is a manufacturing method of the lithium ion battery system in any one of Claims 1-3,
In the pre-charging / discharging pretreatment, the maximum potential with respect to the lithium metal reference electrode using the third electrode as a reference electrode is 100% of the potential range from the lower limit to the upper limit of the plateau portion of the first charging curve. A method for producing a lithium ion battery system, characterized in that it is a pre-charge / discharge pretreatment for a battery that is charged and discharged for 1 to 30 cycles in a potential range 30% higher from the lower limit to the lower limit .
前記充放電前処理の後更に、充放電の最高電位を徐々に上昇させる電池の充放電前処理を行うことを特徴とする請求項に記載のリチウムイオン電池システムの製造方法。 The method of manufacturing a lithium ion battery system according to claim 6 , wherein after the pre-charge / discharge treatment, a pre-charge / discharge pretreatment for gradually increasing the maximum potential of charge / discharge is performed. 前記主要正極活物質がLi[NiThe main positive electrode active material is Li [Ni 0.170.17 LiLi 0.20.2 CoCo 0.070.07 MnMn 0.560.56 ]O] O 2 である場合に、If
前記充放電前処理が、前記第3電極を参照電極として用いてリチウム金属参照電極に対しての最高の電位が、3.9V以上4.6V以下となる条件下で行うことを特徴とする請求項6または7に記載のリチウムイオン電池システムの製造方法。The charge / discharge pretreatment is performed under a condition that a maximum potential with respect to a lithium metal reference electrode is 3.9 V or more and 4.6 V or less using the third electrode as a reference electrode. Item 8. A method for producing a lithium ion battery system according to Item 6 or 7.
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