JP5547591B2 - Selection method - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium secondary battery.
従来、リチウム二次電池が知られている。例えば、電解液を、ハロゲン原子を有する環状炭酸エステル誘導体と軽金属塩とを含むものとすることによって、負極における溶媒の分解反応を抑制し、サイクル特性を良好なものとすることが提案されている(例えば特許文献1参照)。また、例えば、黒鉛質炭素を用いた負極と、非水電解液とを有するものにおいて、非水電解液中の遷移金属イオンの濃度をA(ppm)、負極の電極面積をB(m2)としたときに、A/Bの値を所定の範囲とすることによってリチウムイオンの通過可能な被膜を負極表面に形成させるなどして、寿命の劣化等を抑制することが提案されている(例えば特許文献2参照)。 Conventionally, lithium secondary batteries are known. For example, it has been proposed that the electrolytic solution contains a cyclic carbonate derivative having a halogen atom and a light metal salt, thereby suppressing the decomposition reaction of the solvent in the negative electrode and improving the cycle characteristics (for example, Patent Document 1). In addition, for example, in a case having a negative electrode using graphitic carbon and a non-aqueous electrolyte, the concentration of transition metal ions in the non-aqueous electrolyte is A (ppm), and the electrode area of the negative electrode is B (m 2 ). In this case, it has been proposed to suppress the deterioration of the lifetime by, for example, forming a coating film through which lithium ions can pass by setting the A / B value within a predetermined range (for example, Patent Document 2).
ところで、特許文献1に記載のものでは電解液を所定のものとすることによって、また、特許文献2に記載のものでは、電解液中のイオン濃度と負極の電極面積を所定のものとすることによってサイクル特性を良好なものとすることができるが、出力特性が劣ることがあった。そこで、出力特性をより良好なものとすることが望まれていた。 By the way, in the thing of patent document 1, the electrolyte solution is made into a predetermined thing, and in the thing described in patent document 2, the ion concentration in an electrolyte solution and the electrode area of a negative electrode are made into a predetermined thing. As a result, the cycle characteristics can be improved, but the output characteristics may be inferior. Therefore, it has been desired to improve the output characteristics.
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、出力特性をより高めることのできるリチウム二次電池を提供することを主目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and a main object of the present invention is to provide a lithium secondary battery capable of further improving output characteristics.
上述した目的を達成するために、本発明者らは、リチウム二次電池において、非水系イオン伝導媒体中に含まれる所定のアニオン化合物の含有量と、負極活物質に用いる炭素材料の結晶子側面の面積とが所定の関係を満たすものとしたところ、出力特性を高めることができることを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to achieve the above-described object, the inventors of the present invention, in a lithium secondary battery, the content of a predetermined anion compound contained in a non-aqueous ion conductive medium and the crystallite side surface of the carbon material used for the negative electrode active material As a result, it was found that the output characteristics can be enhanced, and the present invention has been completed.
即ち、本発明のリチウム二次電池は、
正極活物質を有する正極と、
負極活物質として炭素材料を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、カチオン及び一般式(1)で表されるアニオン化合物を含む電解質化合物を有し、リチウムイオンを伝導する非水系イオン伝導媒体と、
を備え、
前記アニオン化合物の含有量をA(μmol)とし、前記炭素材料の表面積をB(m2)とし、該炭素材料のc軸方向の結晶子の大きさをLc(nm)とし、該炭素材料のa軸方向の結晶子の大きさをLa(nm)とすると、関係式(1)を満たすものである。
また、本発明の選定方法は、
正極活物質を有する正極と、負極活物質として炭素材料を有する負極と、前記正極と前記負極との間に介在し、カチオン及び一般式(1)で表されるアニオン化合物を含む電解質化合物を有し、リチウムイオンを伝導する非水系イオン伝導媒体と、を備えたリチウム二次電池において、前記負極及び前記非水系イオン伝導媒体を選定する方法であって、
前記アニオン化合物の含有量をA(μmol)とし、前記炭素材料の表面積をB(m 2 )とし、該炭素材料のc軸方向の結晶子の大きさをLc(nm)とし、該炭素材料のa軸方向の結晶子の大きさをLa(nm)とすると、関係式(1)を満たすように前記負極及び前記非水系イオン伝導媒体を選定するものである。
That is, the lithium secondary battery of the present invention is
A positive electrode having a positive electrode active material;
A negative electrode having a carbon material as a negative electrode active material;
A non-aqueous ion conductive medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode, has an electrolyte compound containing a cation and an anion compound represented by the general formula (1), and conducts lithium ions;
With
The content of the anionic compound is A (μmol), the surface area of the carbon material is B (m 2 ), the crystallite size in the c-axis direction of the carbon material is Lc (nm), When the size of the crystallite in the a-axis direction is La (nm), the relational expression (1) is satisfied.
The selection method of the present invention is as follows.
A positive electrode having a positive electrode active material; a negative electrode having a carbon material as a negative electrode active material; and an electrolyte compound including a cation and an anion compound represented by the general formula (1) interposed between the positive electrode and the negative electrode. In a lithium secondary battery comprising a non-aqueous ion conductive medium that conducts lithium ions, a method for selecting the negative electrode and the non-aqueous ion conductive medium,
The content of the anionic compound is A (μmol), the surface area of the carbon material is B (m 2 ), the crystallite size in the c-axis direction of the carbon material is Lc (nm), When the crystallite size in the a-axis direction is La (nm), the negative electrode and the non-aqueous ion conductive medium are selected so as to satisfy the relational expression (1).
(但し、Mは、遷移元素、周期表の13族、14族又は15族元素を表す;bは1〜3の整数、mは1〜4の整数、nは0〜8の整数、qは0又は1を表す;R1は、炭素数1〜10のアルキレン、炭素数1〜10のハロゲン化アルキレン、炭素数6〜20のアリーレン又は炭素数6〜20のハロゲン化アリーレン(これらのアルキレン及びアリーレンはその構造中に置換基、ヘテロ原子を持っていてもよく、またqが1でmが2〜4のときにはm個のR1はそれぞれが結合していてもよい)を表す;R2は、ハロゲン、炭素数1〜10のアルキル、炭素数1〜10のハロゲン化アルキル、炭素数6〜20のアリール、炭素数6〜20のハロゲン化アリール(これらのアルキル及びアリールはその構造中に置換基、ヘテロ原子を持っていてもよく、またnが2〜8のときにはn個のR2はそれぞれが結合して環を形成してもよい)又は−X3R3を表す;X1,X2及びX3は、それぞれが独立でO,S又はNR4を表す;R3及びR4は、それぞれが独立で水素、炭素数1〜10のアルキル、炭素数1〜10のハロゲン化アルキル、炭素数6〜20のアリール、炭素数6〜20のハロゲン化アリール(これらのアルキル及びアリールはその構造中に置換基、ヘテロ原子を持っていてもよく、R3又はR4は複数個存在する場合にはそれぞれが結合して環を形成してもよい)を表す)
(However, M represents a transition element, a
なお、本発明において、炭素材料のc軸方向の結晶子の大きさLc(nm)、炭素材料のa軸方向の結晶子の大きさLa(nm)、炭素材料の基底面内の格子定数a0(m)、積層方向の格子定数c0(m)、炭素材料の基底面の層間距離d002(m)、については、標準シリコン粉末を内部標準物質として用いることにより、回折ピーク位置、半値幅の補正を行うことを特徴とする、学振法(日本学術振興会第117委員会により定められた方法)に準拠した方法で求めた値とする。 In the present invention, the crystallite size Lc (nm) in the c-axis direction of the carbon material, the crystallite size La (nm) in the a-axis direction of the carbon material, and the lattice constant a in the basal plane of the carbon material 0 (m), lattice constant c 0 of the stacking direction (m), the interlayer distance of the basal plane of carbon materials d 002 (m), for, by using a standard silicon powder as an internal standard, the diffraction peak position, the half The value obtained by a method based on the Japan Science and Technology Act (method determined by the Japan Society for the Promotion of Science 117), characterized by correcting the price range.
このリチウム二次電池では、出力特性を高めることができる。このような効果が得られる理由は定かではないが、一般式(1)で示したアニオン化合物が負極上で一部分解して負極活物質表面に安定な被膜を形成し、この被膜がリチウムイオンの吸蔵放出を円滑化するため、出力特性が良好となるものと考えられる。特に、一般式(1)の化合物と炭素材料とが所定の関係を満たすことで、負極活物質の表面状態がリチウムイオンの吸蔵放出により適したものとなり、出力特性をより高めることができると考えられる。 In this lithium secondary battery, output characteristics can be improved. The reason why such an effect is obtained is not clear, but the anionic compound represented by the general formula (1) is partially decomposed on the negative electrode to form a stable film on the surface of the negative electrode active material. It is considered that the output characteristics are improved to facilitate occlusion and release. In particular, it is considered that when the compound of the general formula (1) and the carbon material satisfy a predetermined relationship, the surface state of the negative electrode active material becomes more suitable for occlusion / release of lithium ions, and the output characteristics can be further improved. It is done.
次に本発明を具現化した一実施形態について説明する。本発明のリチウム二次電池は正極活物質を有する正極と、負極活物質として炭素材料を有する負極と、正極と負極との間に介在し、リチウムイオンを伝導する非水系イオン伝導媒体とを備えたものである。 Next, an embodiment embodying the present invention will be described. The lithium secondary battery of the present invention includes a positive electrode having a positive electrode active material, a negative electrode having a carbon material as a negative electrode active material, and a nonaqueous ion conductive medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducts lithium ions. It is a thing.
本発明のリチウム二次電池において、正極は、例えば正極活物質に導電材及びバインダーを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、正極集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成することができる。正極集電体としては、導電性材料で形成されたものであれば特に限定されないが、例えば、アルミニウムや銅、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼などの金属で形成されている箔やメッシュを用いることができる。正極活物質としては、リチウムと遷移金属元素とを含む酸化物、又はポリアニオン系化合物を用いることができる。具体的には、例えばリチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム鉄複合リン酸化物などが挙げられる。導電材は、正極の電気伝導性を確保するためのものであり、例えばカーボンブラック、アセチレンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類などの炭素物質の1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。バインダーは、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴムなどの含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂などを用いることができる。正極活物質、導電材、バインダーを分散させる溶剤としては、例えばN−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶剤を用いることができる。 In the lithium secondary battery of the present invention, the positive electrode is applied to the surface of the positive electrode current collector by mixing a positive electrode active material with a conductive material and a binder and adding a suitable solvent to form a paste-like positive electrode mixture. It can be dried and compressed to increase the electrode density as needed. The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it is formed of a conductive material. For example, a foil or mesh formed of a metal such as aluminum, copper, stainless steel, or nickel-plated steel may be used. it can. As the positive electrode active material, an oxide containing lithium and a transition metal element or a polyanionic compound can be used. Specifically, for example, lithium cobalt composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium manganese composite oxide, lithium iron composite phosphorus oxide, and the like can be given. The conductive material is for ensuring the electrical conductivity of the positive electrode, and for example, a material obtained by mixing one or more carbon materials such as carbon black, acetylene black, natural graphite, artificial graphite, and cokes is used. be able to. The binder plays a role of connecting the active material particles and the conductive material particles. For example, a fluorine-containing resin such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or fluororubber, or a thermoplastic resin such as polypropylene or polyethylene is used. be able to. As the solvent for dispersing the positive electrode active material, the conductive material, and the binder, for example, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used.
本発明のリチウム二次電池において、負極は、負極活物質として炭素材料を有するものである。この負極は、例えば負極活物質にバインダーを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、負極集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成することができる。負極集電体としては、導電性材料で形成されたものであれば特に限定されないが、例えば、銅やステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼などの金属で形成されている箔やメッシュを用いることができる。負極活物質としては、炭素材料であればよいが、黒鉛であることが好ましく、人造黒鉛であることがより好ましく、黒鉛化度の高いものであることがより好ましい。バインダーは、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴムなどの含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂などを用いることができる。負極活物質、バインダーを分散させる溶剤としては、例えばN−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶剤を用いることができる。 In the lithium secondary battery of the present invention, the negative electrode has a carbon material as a negative electrode active material. This negative electrode is prepared by, for example, mixing a binder with a negative electrode active material, adding a suitable solvent to form a paste-like positive electrode mixture, applying and drying on the surface of the negative electrode current collector, and increasing the electrode density as necessary. It can be formed as compressed as possible. The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it is formed of a conductive material. For example, a foil or mesh formed of a metal such as copper, stainless steel, or nickel-plated steel can be used. The negative electrode active material may be a carbon material, but is preferably graphite, more preferably artificial graphite, and more preferably high graphitization degree. As the binder, for example, fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and fluororubber, or thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene can be used. As the solvent for dispersing the negative electrode active material and the binder, for example, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used.
本発明のリチウム二次電池において、非水系イオン伝導媒体は、正極と負極との間に介在し、カチオン及び一般式(1)で表されるアニオン化合物を含む電解質化合物を有し、リチウムイオンを伝導するものである。一般式(1)において、Mは、遷移元素、周期表の13族、14族又は15族元素であり、このうちAl、B、V、Ti、Si、Zr、Ge、Sn、Cu、Y、Zn、Ga、Nb、Ta、Bi、P、As、Sc、HfおよびSbの少なくとも1以上であることが好ましく、Al、BおよびPの少なくとも1以上であることがより好ましい。MがAl、B又はPの場合には、アニオン化合物の合成が比較的容易になり、製造コストを抑えることができる。アニオンの価数bは1〜3であり、このうち1であることが好ましい。価数bが3より大きい場合には、アニオン化合物の塩が混合有機溶媒に溶解しにくくなる傾向があるので好ましくない。また、定数m,nは、配位子の数に関係する値であり、Mの種類によって決まってくるものであるが、mは1〜4の整数、nは0〜8の整数である。定数qは、0又は1である。qが0の場合には、キレートリングが五員環となり、qが1の場合にはキレートリングが六員環となる。
In the lithium secondary battery of the present invention, the non-aqueous ion conductive medium is interposed between the positive electrode and the negative electrode, has an electrolyte compound containing a cation and an anion compound represented by the general formula (1), and contains lithium ions. It conducts. In the general formula (1), M is a transition element, a
R1は、炭素数1〜10のアルキレン、炭素数1〜10のハロゲン化アルキレン、炭素数6〜20のアリーレン又は炭素数6〜20のハロゲン化アリーレンを表す。これらのアルキレン及びアリーレンはその構造中に置換基、ヘテロ原子を持っていてもよい。具体的には、アルキレン及びアリーレン上の水素の代わりに、ハロゲン、鎖状又は環状のアルキル基、アリール基、アルケニル基、アルコキシ基、アリーロキシ基、スルホニル基、アミノ基、シアノ基、カルボニル基、アシル基、アミド基、水酸基を置換基として持っていてもよいし、アルキレン及びアリーレン上の炭素の代わりに、窒素、硫黄、酸素が導入された構造であってもよい。またqが1でmが2〜4のときには、m個のR1はそれぞれが結合していてもよい。そのような例としては、エチレンジアミン四酢酸のような配位子を挙げることができる。 R 1 represents alkylene having 1 to 10 carbons, halogenated alkylene having 1 to 10 carbons, arylene having 6 to 20 carbons, or halogenated arylene having 6 to 20 carbons. These alkylene and arylene may have a substituent or a hetero atom in the structure. Specifically, instead of hydrogen on alkylene and arylene, halogen, chain or cyclic alkyl group, aryl group, alkenyl group, alkoxy group, aryloxy group, sulfonyl group, amino group, cyano group, carbonyl group, acyl It may have a group, an amide group or a hydroxyl group as a substituent, or may have a structure in which nitrogen, sulfur or oxygen is introduced instead of carbon on alkylene and arylene. When q is 1 and m is 2 to 4, m R 1 s may be bonded to each other. Examples thereof include a ligand such as ethylenediaminetetraacetic acid.
R2は、ハロゲン、炭素数1〜10のアルキル、炭素数1〜10のハロゲン化アルキル、炭素数6〜20のアリール、炭素数6〜20のハロゲン化アリール又は−X3R3(X3,R3については後述)を表す。ここでのアルキル及びアリールも、R1と同様に、その構造中に置換基、ヘテロ原子を持っていてもよく、またnが2〜8のときにはn個のR2はそれぞれが結合して環を形成していてもよい。R2としては、電子吸引性の基が好ましく、特にフッ素原子が好ましい。フッ素原子の場合には、アニオン化合物の塩の溶解度や解離度が向上し、これに伴ってイオン伝導度が向上するからである。また、耐酸化性が向上し、これにより副反応の発生を抑制することができるからである。 R 2 is halogen, alkyl having 1 to 10 carbon atoms, alkyl halide having 1 to 10 carbon atoms, aryl having 6 to 20 carbon atoms, aryl halide having 6 to 20 carbon atoms, or —X 3 R 3 (X 3 , R 3 will be described later. Alkyl and aryl here may also have a substituent or a hetero atom in the structure in the same manner as R 1, and when n is 2 to 8, n R 2 are bonded to each other to form a ring. May be formed. R 2 is preferably an electron-withdrawing group, particularly preferably a fluorine atom. This is because in the case of a fluorine atom, the solubility and dissociation degree of the salt of the anion compound are improved, and the ionic conductivity is improved accordingly. Moreover, it is because oxidation resistance improves and generation | occurrence | production of a side reaction can be suppressed by this.
X1,X2及びX3は、それぞれが独立でO,S又はNR4を表す。つまり、配位子はこれらのヘテロ原子を介してMに結合することになる。 X 1 , X 2 and X 3 each independently represent O, S or NR 4 . That is, the ligand is bonded to M through these heteroatoms.
R3及びR4は、それぞれが独立で水素、炭素数1〜10のアルキル、炭素数1〜10のハロゲン化アルキル、炭素数6〜20のアリール、炭素数6〜20のハロゲン化アリールを表す。これらのアルキル及びアリールも、R1と同様に、その構造中に置換基、ヘテロ原子を持っていてもよい。また、R3又はR4は複数個存在する場合にはそれぞれが結合して環を形成してもよい。 R 3 and R 4 each independently represent hydrogen, an alkyl having 1 to 10 carbon atoms, an alkyl halide having 1 to 10 carbon atoms, an aryl having 6 to 20 carbon atoms, or an aryl halide having 6 to 20 carbon atoms. . Similarly to R 1 , these alkyls and aryls may have a substituent or a hetero atom in the structure. Further, when a plurality of R 3 or R 4 are present, they may be bonded to each other to form a ring.
アニオン化合物と対をなすカチオンとしては、例えばリチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、バリウム、セシウム、ルビジウム、銀、亜鉛、銅、コバルト、鉄、ニッケル、マンガン、チタン、鉛、クロム、バナジウム、ルテニウム、イットリウム、ランタノイド、アクチノイドなどのカチオンが挙げられるほか、テトラアルキルアンモニウム(アルキルはメチル、エチル、ブチルなど)、トリエチルアンモニウム、ピリジニウム、イミダゾリウムなどのアンモニウムカチオン、プロトン等が挙げられる。このうち、リチウム(Li+)、ナトリウム(Na+)又はカリウム(K+)が好ましい。 Examples of the cation paired with the anionic compound include lithium, sodium, potassium, magnesium, calcium, barium, cesium, rubidium, silver, zinc, copper, cobalt, iron, nickel, manganese, titanium, lead, chromium, vanadium, and ruthenium. In addition to cations such as yttrium, lanthanoid, and actinoid, tetraalkylammonium (alkyl is methyl, ethyl, butyl, etc.), ammonium cation such as triethylammonium, pyridinium, imidazolium, protons, and the like. Of these, lithium (Li + ), sodium (Na + ), or potassium (K + ) is preferable.
こうしたアニオン化合物は、リチウム二次電池を少なくとも1回充電することにより、アニオン化合物のすべて又は一部が分解して、正極及び負極の両方又は一方の表面や、正極活物質及び負極活物質の両方又は一方の表面に被覆して被膜を形成すると考えられる。この被覆物は、例えばX線光電子分光分析(XPS)やIR分析等により検出することができる。こうしたアニオン化合物は、化学式(2)〜(5)に示す、BFO,PTFO,PFO,POの1種以上であることが好ましい。その理由は、アニオン化合物の塩の溶解度や解離度が向上するため非水系イオン伝導媒体のイオン伝導度が向上するうえ、耐酸化性が向上するからである。特に、正極活物質としてCoを含むリチウム含有遷移金属窒化物を有するときに、添加化合物にPFOをアニオンとして含む場合は、過放電が生じても放電容量を維持する一層高い効果を得ることができる。 These anionic compounds are obtained by charging a lithium secondary battery at least once, so that all or part of the anionic compound is decomposed, and both the positive electrode and the negative electrode or both surfaces, and both the positive electrode active material and the negative electrode active material. Or it is thought that one surface is coat | covered and a film is formed. This coating can be detected by, for example, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) or IR analysis. Such an anionic compound is preferably at least one of BFO, PTFO, PFO, and PO represented by chemical formulas (2) to (5). The reason is that the solubility and dissociation degree of the salt of the anion compound are improved, so that the ionic conductivity of the non-aqueous ion conductive medium is improved and the oxidation resistance is improved. In particular, when the lithium-containing transition metal nitride containing Co is used as the positive electrode active material and the additive compound contains PFO as an anion, a higher effect of maintaining the discharge capacity can be obtained even if overdischarge occurs. .
こうしたアニオン化合物の合成方法としては、例えばBFOの場合には、非水系溶媒中でLiBF4と2倍モルのリチウムアルコキシドとを反応させた後、シュウ酸を添加して、ホウ素に結合しているアルコキシドをシュウ酸で置換する方法等がある。また、PFOの場合には、非水系溶媒中でLiPF6と4倍モルのリチウムアルコキシドとを反応させた後、シュウ酸を添加して、リンに結合しているアルコキシドをシュウ酸で置換する方法等がある。これらの場合には、アニオン化合物のリチウム塩を得ることができる。 As a method for synthesizing such an anionic compound, for example, in the case of BFO, LiBF 4 and 2-fold moles of lithium alkoxide are reacted in a non-aqueous solvent, and then oxalic acid is added to bind to boron. There is a method of substituting alkoxide with oxalic acid. In the case of PFO, a method of reacting LiPF 6 with 4 times moles of lithium alkoxide in a non-aqueous solvent and then adding oxalic acid to replace the alkoxide bonded to phosphorus with oxalic acid. Etc. In these cases, a lithium salt of an anionic compound can be obtained.
本発明のリチウム二次電池において、非水系イオン伝導媒体は、カチオン及び一般式(1)で表されるアニオン化合物を含む電解質化合物と支持塩とを溶解した非水電解液であってもよい。非水電解液の溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類として、エチレンカーボネートやプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチル−n−ブチルカーボネート、メチル−t−ブチルカーボネート、ジ−i−プロピルカーボネート、t−ブチル−i−プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ−ブチルラクトン、γ−バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸エチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフランなどのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3−ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。このうち、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との組み合わせが好ましい。この組み合わせによると、充放電の繰り返しでの電池特性を表すサイクル特性が優れているばかりでなく、電解液の粘度、得られる電池の電気容量、電池出力などをバランスの取れたものとすることができる。なお、環状カーボネート類は、比誘電率が比較的高く、電解液の誘電率を高めていると考えられ、鎖状カーボネート類は、電解液の粘度を抑えていると考えられる。また、液状の非水電解液の代わりに、固体のイオン伝導性ポリマー、無機固体電解質、あるいは有機ポリマー電解質と無機固体電解質の混合材料、若しくは有機バインダーによって結着された無機固体粉末などを利用することができる。 In the lithium secondary battery of the present invention, the non-aqueous ion conductive medium may be a non-aqueous electrolyte solution in which an electrolyte compound containing a cation and an anion compound represented by the general formula (1) and a supporting salt are dissolved. Examples of the solvent for the nonaqueous electrolytic solution include carbonates, esters, ethers, nitriles, furans, sulfolanes and dioxolanes, and these can be used alone or in combination. Specifically, as carbonates, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl-n-butyl carbonate, methyl-t-butyl carbonate, di- chain carbonates such as i-propyl carbonate and t-butyl-i-propyl carbonate, cyclic esters such as γ-butyllactone and γ-valerolactone, chain esters such as methyl formate and ethyl acetate, dimethoxyethane, Ethers such as ethoxymethoxyethane, nitriles such as acetonitrile and benzonitrile, furans such as tetrahydrofuran and methyltetrahydrofuran, sulfolanes such as sulfolane and tetramethylsulfolane Examples include holanes, dioxolanes such as 1,3-dioxolane and methyldioxolane. Among these, the combination of cyclic carbonates and chain carbonates is preferable. According to this combination, not only the cycle characteristics representing the battery characteristics in repeated charge and discharge are excellent, but also the viscosity of the electrolyte, the electric capacity of the obtained battery, the battery output, etc. should be balanced. it can. The cyclic carbonates are considered to have a relatively high relative dielectric constant and increase the dielectric constant of the electrolytic solution, and the chain carbonates are considered to suppress the viscosity of the electrolytic solution. Also, instead of a liquid non-aqueous electrolyte, a solid ion conductive polymer, an inorganic solid electrolyte, a mixed material of an organic polymer electrolyte and an inorganic solid electrolyte, or an inorganic solid powder bound by an organic binder is used. be able to.
支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiSbF6、LiSiF6、LiAlF4、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlCl4などが挙げられる。このうち、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6などの無機塩、及びLiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3などの有機塩からなる群より選ばれる1種又は2種以上の塩を組み合わせて用いることが電気特性の点から見て好ましい。なかでもLiPF6 が好ましい。支持塩には、一般式(1)で表されるアニオン化合物を含む電解質化合物は含まれない。一般式(1)で表されるアニオン化合物を含む電解質化合物と支持塩との全体の非水系イオン伝導媒体中の濃度は0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。0.1mol/L以上では、十分な電流密度を得ることができ、5mol/L以下では、電解液をより安定させることができる。また、この非水系イオン伝導媒体には、リン系、ハロゲン系などの難燃剤を添加してもよい。 Examples of the supporting salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiSbF 6 , LiSiF 6 , LiAlF 4 , LiSCN, Examples include LiClO 4 , LiCl, LiF, LiBr, LiI, and LiAlCl 4 . Among these, from the group consisting of inorganic salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 and organic salts such as LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3. It is preferable from the viewpoint of electrical characteristics to use a combination of one or two or more selected salts. Of these, LiPF 6 is preferred. The supporting salt does not include an electrolyte compound containing the anion compound represented by the general formula (1). The concentration of the electrolyte compound containing the anion compound represented by the general formula (1) and the supporting salt in the entire non-aqueous ion conductive medium is preferably 0.1 mol / L or more and 5 mol / L or less, and 0.5 mol More preferably, it is / L or more and 2 mol / L or less. If it is 0.1 mol / L or more, a sufficient current density can be obtained, and if it is 5 mol / L or less, the electrolytic solution can be made more stable. Moreover, you may add flame retardants, such as a phosphorus type and a halogen type, to this non-aqueous ion conduction medium.
本発明のリチウム二次電池は、一般式(1)で表されるアニオン化合物の含有量をA(μmol)とし、炭素材料の表面積をB(m2)とし、炭素材料のc軸方向の結晶子の大きさをLc(nm)とし、炭素材料のa軸方向の結晶子の大きさをLa(nm)とすると、関係式(1)を満たすものである。 In the lithium secondary battery of the present invention, the content of the anion compound represented by the general formula (1) is A (μmol), the surface area of the carbon material is B (m 2 ), and the crystal of the carbon material in the c-axis direction. When the size of the child is Lc (nm) and the size of the crystallite in the a-axis direction of the carbon material is La (nm), the relational expression (1) is satisfied.
以下では、関係式(1)について説明する。図1には、炭素材料の結晶構造の一例を示す。この炭素材料は、SP2混成軌道を持つ炭素が規則正しく平面に配列し、これらが積層した結晶構造を有する。この炭素材料では、SP2混成軌道によって、共有結合が平面に広がり、六角網目の基底面を形成する。この基底面がABABAB・・・の順序で積層し、六方晶系に属する結晶構造を形成する。ここでは、基底面に垂直な方向をc軸、基底面内の任意の方向をa軸と称する。この結晶構造において、基底面内の炭素同士を結んだ1辺の長さa0(m)のひし形を底面とし、基底面の積層方向にc0の高さを有する立体が単位胞となる。ここで、a0(m)は基底面内の格子定数であり、c0(m)は積層方向の格子定数であり、これらの室温における代表的な値としては、a0=2.462×10-10(m)、c0=6.708×10-10(m)が挙げられる。なお、基底面の層間距離d002の室温における代表的な値としては、d002=3.354×10-10(m)が挙げられる。このような単位胞が1以上集合して結晶子が形成されるが、この結晶子は、例えば1辺の長さLa(nm)で鋭角が60°のひし形を底面とする高さLc(nm)の立体と仮定することができる。この場合、関係式(1)において、(√3×La2)は、Laを1辺とするひし形の2面分の面積、即ち、結晶子の上底と下底の面積の和を示す。また、(4×Lc×La)は、直交する2辺の長さをLc,Laとする長方形4面分の面積、即ち、結晶子の側面(以下エッジ面とも称する)の面積の和を示す。よって、関係式(1)における(4×Lc×La)/(√3×La2+4×Lc×La)は、結晶子の表面積におけるエッジ面の面積の割合を示すこととなる。そして、これに炭素材料の表面積B(m2)を乗じた値であるB×(4×Lc×La)/(√3×La2+4×Lc×La)は、炭素材料の結晶子のエッジ面の面積を表すこととなる。なお、炭素材料の表面積B(m2)は、炭素材料の重量(g)にBET法で求めた炭素材料の比表面積(m2/g)を乗じて求めた値である。ところで、炭素材料へのリチウムイオンの吸蔵放出はエッジ面を介して行われ、基底面ではリチウムイオンの吸蔵放出がなされない。よって、出力特性に影響を与えるのは電解液の分解等によってエッジ面に形成される被膜の状態であると考えられる。即ち、エッジ面に形成される被膜の厚さが適切であれば、エッジ面を介して行われるリチウムイオンの吸蔵放出が円滑に行われ、大電流での出力特性を高めることができると考えられる。イオン伝導媒体中の一般式(1)で表されるアニオン化合物の含有量A(μmol)を、結晶子のエッジ面の面積で除算した値Zが所定範囲にあると出力特性を高めることができる。このZは、Z=A/{B×(4×Lc×La)/(√3×La2+Lc×La)}で表され、0.010×102≦Z≦2.5×102を満たす場合に出力特性を高めることができる。なかでも、0.010×102<Z<0.060×102、または、0.060×102<Z<2.5×102であることがより好ましい。この範囲であれば、出力特性をより高めることができる。 Hereinafter, the relational expression (1) will be described. FIG. 1 shows an example of the crystal structure of the carbon material. This carbon material has a crystal structure in which carbons having SP 2 hybrid orbitals are regularly arranged in a plane and laminated. In this carbon material, a covalent bond spreads in a plane by the SP 2 hybrid orbital and forms a basal plane of a hexagonal network. The basal planes are stacked in the order of ABABAB... To form a crystal structure belonging to the hexagonal system. Here, a direction perpendicular to the basal plane is referred to as a c-axis, and an arbitrary direction within the basal plane is referred to as an a-axis. In this crystal structure, a unit cell is a solid having a rhombus of one side length a 0 (m) connecting carbons in the basal plane and having a height of c 0 in the stacking direction of the basal plane. Here, a 0 (m) is a lattice constant in the basal plane, c 0 (m) is a lattice constant in the stacking direction, and a typical value at room temperature is a 0 = 2.462 × 10 -10 (m), c 0 = 6.708 × 10 -10 (m). As the typical value at room temperature of the interlayer distance d 002 of the base plane, d 002 = 3.354 × 10 -10 (m) can be given. One or more such unit cells are aggregated to form a crystallite. This crystallite has a height Lc (nm) with a rhombus having a side length La (nm) and an acute angle of 60 ° as a bottom surface, for example. ). In this case, in the relational expression (1), (√3 × La 2 ) represents the area of two rhombuses with La as one side, that is, the sum of the upper and lower base areas of the crystallite. Further, (4 × Lc × La) indicates the area of four rectangular surfaces having the lengths of two orthogonal sides as Lc and La, that is, the sum of the areas of the side surfaces (hereinafter also referred to as edge surfaces) of the crystallites. . Therefore, (4 × Lc × La) / (√3 × La 2 + 4 × Lc × La) in the relational expression (1) indicates the ratio of the area of the edge surface to the surface area of the crystallite. And B × (4 × Lc × La) / (√3 × La 2 + 4 × Lc × La), which is a value obtained by multiplying this by the surface area B (m 2 ) of the carbon material, is the edge of the crystallite of the carbon material It represents the area of the surface. The surface area B (m 2 ) of the carbon material is a value obtained by multiplying the weight (g) of the carbon material by the specific surface area (m 2 / g) of the carbon material obtained by the BET method. By the way, occlusion / release of lithium ions to / from the carbon material is performed through the edge surface, and occlusion / release of lithium ions is not performed on the basal plane. Therefore, it is considered that the state of the film formed on the edge surface due to the decomposition of the electrolytic solution or the like affects the output characteristics. That is, if the thickness of the coating formed on the edge surface is appropriate, it is considered that the insertion and release of lithium ions performed smoothly through the edge surface can be performed and the output characteristics at a large current can be improved. . When the value Z obtained by dividing the content A (μmol) of the anion compound represented by the general formula (1) in the ion conductive medium by the area of the edge surface of the crystallite is within a predetermined range, output characteristics can be improved. . This Z is represented by Z = A / {B × (4 × Lc × La) / (√3 × La 2 + Lc × La)}, and 0.010 × 10 2 ≦ Z ≦ 2.5 × 10 2 When satisfying, the output characteristics can be enhanced. Among them, 0.010 × 10 2 <Z < 0.060 × 10 2, or, more preferably 0.060 × 10 2 <Z <2.5 × 10 2. If it is this range, an output characteristic can be improved more.
また、本発明のリチウム二次電池は、アボガドロ定数をNA(mol-1)とし、炭素材料の基底面内の格子定数をa0(m)とし、炭素材料の基底面の層間距離をd002(m)とし、アニオン化合物の分子の数を分子数NL とし、炭素材料においてリチウムの吸蔵放出に関与する活性点の数を活性点数nLとすると、関係式(2)で表される分子数NLと、関係式(3)で表される活性点数nLとが、関係式(4)を満たすものであることが好ましい。 In the lithium secondary battery of the present invention, the Avogadro constant is N A (mol −1 ), the lattice constant in the basal plane of the carbon material is a 0 (m), and the interlayer distance between the basal planes of the carbon material is d. 002 (m), where the number of molecules of the anion compound is the number of molecules N L, and the number of active sites involved in the occlusion and release of lithium in the carbon material is the number of active points n L , the relational expression (2) It is preferable that the number of molecules N L and the number of active sites n L represented by the relational expression (3) satisfy the relational expression (4).
以下では、関係式(2)について説明する。活性点数nL は、炭素材料のエッジ面に存在する炭素原子数を示すものであり、以下に示す仮定に基づいて定めた値である。結晶子のエッジ面をすべてつなぐとc軸とa軸とを含む正方形の平面となると仮定する。この場合、結晶子のエッジ面の面積をS(=B×(4×Lc×La)/(√3×La2+Lc×La))とすると、a軸方向に√S/a0個、c軸方向に√S/d002個の炭素原子が配列することにより、エッジ面内に(√S/a0)×(√S/d002)個の炭素原子が存在する。そうすると、活性点数nLは、nL=(√S/a0)×(√S/d002)で表すことができる。即ち、関係式(3)で表すことができる。そして、活性点数nLと、アニオン化合物の分子数NLとが、関係式(4)を満たす場合に、エッジ面に、より好ましい質と量の被膜を形成可能であり、出力特性をより高めることができるものと考えられる。なかでも、0.05≦NL/nL≦10であることが好ましく、0.59≦NL/nL≦9.91であることがより好ましく、2.52≦NL/nL≦2.97であることがさらに好ましい。この範囲であれば、出力特性をより高めることができる。 Below, relational expression (2) is demonstrated. The number of active points n L indicates the number of carbon atoms existing on the edge surface of the carbon material, and is a value determined based on the following assumptions. It is assumed that when all the edge surfaces of the crystallite are connected, a square plane including the c-axis and the a-axis is obtained. In this case, if the area of the edge surface of the crystallite is S (= B × (4 × Lc × La) / (√3 × La 2 + Lc × La)), √S / a 0 in the a-axis direction, c By arranging √S / d 002 carbon atoms in the axial direction, (√S / a 0 ) × (√S / d 002 ) carbon atoms exist in the edge plane. Then, the number of active points n L can be expressed by n L = (√S / a 0 ) × (√S / d 002 ). That is, it can be expressed by the relational expression (3). When the number of active sites n L and the number of molecules N L of the anionic compound satisfy the relational expression (4), it is possible to form a film with a more preferable quality and quantity on the edge surface, and to further improve the output characteristics. Can be considered. Among these, 0.05 ≦ N L / n L ≦ 10 is preferable, 0.59 ≦ N L / n L ≦ 9.91 is more preferable, and 2.52 ≦ N L / n L ≦. More preferably, it is 2.97. If it is this range, an output characteristic can be improved more.
本発明のリチウム二次電池は、正極と負極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、2次電池の使用範囲に耐え得る組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。 The lithium secondary battery of the present invention may include a separator between the positive electrode and the negative electrode. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of the secondary battery. Is mentioned. These may be used alone or in combination.
本発明のリチウム二次電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。図2は、本発明のリチウム二次電池10の一例を示す模式図である。このリチウム二次電池10は、集電体11に正極活物質12を形成した正極シート13と、集電体14の表面に負極活物質17を形成した負極シート18と、正極シート13と負極シート18との間に設けられたセパレータ19と、正極シート13と負極シート18の間を満たす非水系イオン伝導媒体20と、を備えたものである。このリチウム二次電池10では、正極シート13と負極シート18との間にセパレータ19を挟み、これらを捲回して円筒ケース22に挿入し、正極シート13に接続された正極端子24と負極シートに接続された負極端子26とを配設して形成されている。
The shape of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Moreover, you may apply to the large sized thing etc. which are used for an electric vehicle etc. FIG. 2 is a schematic view showing an example of the lithium
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.
以下には、本発明のリチウム二次電池を具体的に作成した例を実施例として説明する。 Below, the example which produced the lithium secondary battery of this invention concretely is demonstrated as an Example.
(実施例1)
(電池の作製)
正極活物質としてのLiNi0.8Co0.15Al0.05O2を各金属の硝酸塩を原料として周知の共沈法で合成した。この正極活物質を85重量部、導電材としてのカーボンブラック(東海カーボン(株)製、TB5500)を10重量部、結着材としてのポリフッ化ビニリデン(呉羽化学工業製、KFポリマ)を5重量部混合した。そして、分散材としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加、分散してペースト状の正極合材とした。このペースト状正極合材を20μm厚のアルミニウム箔集電体の両面に均一に塗布し、加熱乾燥させて塗布シートを作製した。その後、塗布シートをロールプレスに通して高密度化させ、幅54mm×長さ450mmに切り出して正極シート(正極電極)とした。
Example 1
(Production of battery)
LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 as a positive electrode active material was synthesized by a known coprecipitation method using nitrates of the respective metals as raw materials. 85 parts by weight of the positive electrode active material, 10 parts by weight of carbon black (made by Tokai Carbon Co., Ltd., TB5500) as a conductive material, and 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride (manufactured by Kureha Chemical Industry, KF polymer) as a binder Mixed. Then, an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a dispersing agent was added and dispersed to obtain a paste-like positive electrode mixture. This paste-like positive electrode mixture was uniformly applied on both sides of an aluminum foil current collector having a thickness of 20 μm and dried by heating to prepare a coated sheet. Thereafter, the coated sheet was passed through a roll press to be densified and cut into a width of 54 mm and a length of 450 mm to obtain a positive electrode sheet (positive electrode).
負極活物質としては、c軸方向の結晶子の大きさLcが50nm、a軸方向の結晶子の大きさLaが50nm、基底面内の格子定数a0が2.4×10-10m、積層方向の黒鉛層間距離d002が3.35×10-10m、比表面積が1m2/gの人造黒鉛を用いた。なお、結晶子サイズ(Lc、La)は日本学術振興会第117委員会により定められた方法(稲垣道夫、炭素、1963[26]、25)に従って求めた。この負極活物質を95重量部、結着材としてのポリフッ化ビニリデン(呉羽化学工業(株)製、KFポリマ)を5重量部混合し、分散材としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量添加、分散してスラリー状合材とした。これらスラリー状合材を10μm厚の銅箔集電体の両面に均一に塗布し、加熱乾燥させて塗布シートを作製した。その後塗布シートをロールプレスに通して高密度化させ、幅56mm×長さ500mmに切り出して負極シート(負極電極)とした。なお、このとき負極中に含まれる黒鉛の重量は2.8gであった。 As the negative electrode active material, the crystallite size Lc in the c-axis direction is 50 nm, the crystallite size La in the a-axis direction is 50 nm, the lattice constant a 0 in the basal plane is 2.4 × 10 −10 m, graphite interlayer distance d 002 in the stacking direction 3.35 × 10 -10 m, the specific surface area was used artificial graphite of 1 m 2 / g. The crystallite size (Lc, La) was determined according to the method (Michio Inagaki, Carbon, 1963 [26], 25) defined by the 117th Committee of the Japan Society for the Promotion of Science. 95 parts by weight of this negative electrode active material, 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder (manufactured by Kureha Chemical Industry Co., Ltd., KF polymer) are mixed, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is added as a dispersion material. An appropriate amount was added and dispersed to obtain a slurry-like composite material. These slurry composites were uniformly applied on both sides of a 10 μm thick copper foil current collector and dried by heating to prepare a coated sheet. Thereafter, the coated sheet was passed through a roll press to be densified and cut into a width of 56 mm and a length of 500 mm to obtain a negative electrode sheet (negative electrode). At this time, the weight of graphite contained in the negative electrode was 2.8 g.
上述のようにして作製した正極シート及び負極シートを25μm厚のポリエチレン製セパレータを挟んで捲回し、ロール状電極体を作製して18650型円筒ケースに挿入した。次に、非水電解液を以下のように調製した。まず、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを3:7の体積比で混合した有機溶媒に、主成分電解質(支持塩)としてのLiPF6を濃度1mol/Lとなるように加えて主成分電解質溶液を作製した。また、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを3:7の体積比で混合した有機溶媒に、一般式(1)におけるb=1、n=2、q=0、R2がF、X1及びX2がO、MがPであるアニオン化合物(PFO、化学式(4)参照)とLi+とからなる化合物であるLPFOを濃度1mol/Lとなるように加えて副成分電解質溶液を作製した。次いで、副成分電解質が24μmolとなるように主成分電解質溶液と副成分電解質溶液とを電池に加えた。そして、調製した非水電解液を上述した18650型円筒ケースに含浸させ、密閉して円筒形の電池を作製した。このようにして実施例1の電池を得た。 The positive electrode sheet and the negative electrode sheet prepared as described above were wound around a 25 μm thick polyethylene separator to prepare a roll-shaped electrode body, which was inserted into a 18650 type cylindrical case. Next, a nonaqueous electrolytic solution was prepared as follows. First, LiPF 6 as a main component electrolyte (supporting salt) is added to an organic solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) are mixed at a volume ratio of 3: 7 so as to have a concentration of 1 mol / L. A main component electrolyte solution was prepared. Further, in an organic solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) are mixed at a volume ratio of 3: 7, b = 1, n = 2, q = 0, and R 2 in Formula (1) are F. , X 1 and X 2 are O, and M is P. An anionic compound (PFO, see chemical formula (4)) and LPFO, which is a compound composed of Li + , are added so as to have a concentration of 1 mol / L, and a secondary component electrolyte solution Was made. Next, the main component electrolyte solution and the subcomponent electrolyte solution were added to the battery so that the subcomponent electrolyte was 24 μmol. The prepared non-aqueous electrolyte was impregnated in the above-mentioned 18650 type cylindrical case and sealed to produce a cylindrical battery. Thus, the battery of Example 1 was obtained.
(実施例2〜5)
負極活物質としてc軸方向の結晶子の大きさLcが200nm、a軸方向の結晶子の大きさLaが50nm、比表面積が8m2/gの人造黒鉛を3.2g用い、副成分電解質を24μmolとしたこと以外は実施例1と同様に実施例2の電池を作製した。また、負極活物質として、c軸方向の結晶子の大きさLcが100nm、a軸方向の結晶子の大きさLaが50nm、比表面積が1m2/gの人造黒鉛を2.8g用い、副成分電解質を120μmolのLiBF2(C2O4)としたこと以外は実施例1と同様に実施例3の電池を作製した。また、負極活物質として、c軸方向の結晶子の大きさLcが50nm、a軸方向の結晶子の大きさLaが50nm、比表面積が1m2/gの人造黒鉛を2.8g用い、副成分電解質を120μmolとしたこと以外は実施例1と同様に実施例4の電池を作製した。また、負極活物質としてc軸方向の結晶子の大きさLcが50nm、a軸方向の結晶子の大きさLaが50nm、比表面積が1m2/gの人造黒鉛を2.8g用い、副成分電解質を400μmolとしたこと以外は実施例1と同様に実施例5の電池を作製した。
(Examples 2 to 5)
As the negative electrode active material, 3.2 g of artificial graphite having a crystallite size Lc in the c-axis direction of 200 nm, a crystallite size La in the a-axis direction of 50 nm, and a specific surface area of 8 m 2 / g was used, and a secondary component electrolyte was used. A battery of Example 2 was made in the same manner as Example 1 except that the amount was 24 μmol. As the negative electrode active material, 2.8 g of artificial graphite having a c-axis direction crystallite size Lc of 100 nm, an a-axis direction crystallite size La of 50 nm, and a specific surface area of 1 m 2 / g was used. A battery of Example 3 was made in the same manner as Example 1 except that the component electrolyte was 120 μmol LiBF 2 (C 2 O 4 ). As the negative electrode active material, 2.8 g of artificial graphite having a crystallite size Lc in the c-axis direction of 50 nm, a crystallite size La in the a-axis direction of 50 nm, and a specific surface area of 1 m 2 / g was used. A battery of Example 4 was made in the same manner as Example 1 except that the component electrolyte was 120 μmol. Further, 2.8 g of artificial graphite having a crystallite size Lc of 50 nm in the c-axis direction, a crystallite size La in the a-axis direction of 50 nm, and a specific surface area of 1 m 2 / g as a negative electrode active material is used as a secondary component. A battery of Example 5 was made in the same manner as Example 1 except that the electrolyte was 400 μmol.
(比較例1〜3)
副成分電解質を加えなかったこと以外は実施例1と同様に比較例1の電池を作製した。また、負極活物質としてc軸方向の結晶子の大きさLcが250nm、a軸方向の結晶子の大きさLaが20nm、比表面積が8m2/gの人造黒鉛を3.2g用い、副成分電解質を24μmolとしたこと以外は実施例1と同様に比較例2の電池を作製した。また、負極活物質として、c軸方向の結晶子の大きさLcが50nm、a軸方向の結晶子の大きさLaが100nm、比表面積が1m2/gの人造黒鉛を2.8g用い、副成分電解質を400μmolとしたこと以外は実施例1と同様に比較例3の電池を作製した。
(Comparative Examples 1-3)
A battery of Comparative Example 1 was produced in the same manner as Example 1 except that the subcomponent electrolyte was not added. Further, 3.2 g of artificial graphite having a crystallite size Lc in the c-axis direction of 250 nm, a crystallite size La in the a-axis direction of 20 nm, and a specific surface area of 8 m 2 / g is used as the negative electrode active material. A battery of Comparative Example 2 was produced in the same manner as Example 1 except that the electrolyte was 24 μmol. As the negative electrode active material, 2.8 g of artificial graphite having a crystallite size Lc in the c-axis direction of 50 nm, a crystallite size La in the a-axis direction of 100 nm, and a specific surface area of 1 m 2 / g was used. A battery of Comparative Example 3 was produced in the same manner as Example 1 except that the component electrolyte was 400 μmol.
[充放電試験]
作成した電池の容量を20℃の温度条件下で確認した。まず、電流密度0.5mA/cm2の定電流で充電上限電圧4.1Vまで充電し、次いで電流密度0.2mA/cm2の定電流で放電下限電圧3Vまで放電を行い、放電容量を測定した。
[Charge / discharge test]
The capacity of the produced battery was confirmed under a temperature condition of 20 ° C. First, the battery is charged to a charge upper limit voltage of 4.1 V at a constant current of 0.5 mA / cm 2 and then discharged to a discharge lower limit voltage of 3 V at a constant current of 0.2 mA / cm 2 to measure the discharge capacity. did.
[充放電サイクル試験]
電池の実使用温度範囲の上限と目される60℃の温度条件下で、電流密度2.0mA/cm2の定電流で充電上限電圧4.1Vまで充電し、次いで電流密度2.0mA/cm2の定電流で放電下限電圧3Vまで放電を行う充放電を1サイクルとし、このサイクルを合計500サイクル行った。サイクル終了後、上述の充放電試験と同様にして、サイクル後の放電容量を測定した。
[Charge / discharge cycle test]
Under a temperature condition of 60 ° C., which is considered to be the upper limit of the actual use temperature range of the battery, the battery is charged to a charging upper limit voltage of 4.1 V with a constant current of 2.0 mA / cm 2 and then a current density of 2.0 mA / cm. Charging / discharging for discharging to a discharge lower limit voltage of 3 V at a constant current of 2 was defined as one cycle, and this cycle was performed for a total of 500 cycles. After the end of the cycle, the discharge capacity after the cycle was measured in the same manner as the charge / discharge test described above.
[IV抵抗測定]
サイクル後の各電池を電池容量の50%(SOC=5%)に調整し、0.5A、1A、2A、3A、5Aの電流を流して10秒後の電池電圧を測定した。流した電流と電圧とを直線近似し、その傾きからIV抵抗(mΩ)を求めた。
[IV resistance measurement]
Each battery after the cycle was adjusted to 50% of the battery capacity (SOC = 5%), and 0.5 A, 1 A, 2 A, 3 A, and 5 A currents were passed to measure the battery voltage after 10 seconds. The applied current and voltage were linearly approximated, and IV resistance (mΩ) was obtained from the slope.
[実験結果]
表1に実施例1〜5および比較例1〜3のIV抵抗測定の結果を示す。表1にはこの他に、結晶子のサイズLc(nm)およびLa(nm)、黒鉛の表面積(m2)、黒鉛の重量(g)、副成分電解質の種類および量(μmol)、一般式(1)中のA/{B×(4×Lc×La)/(√3×La2+Lc×La)}の値(=Z(μmol/m2))、NL/nLの値も示した。また、表2には、実施例1〜5および比較例1〜3のサイクル前後の放電容量と、容量維持率を示した。表1,2より、関係式(1)を満たす実施例1〜5では、IV抵抗値を小さくすることが可能であり、出力特性が良好となることが分かった。なかでも、0.010×102<Z<0.060×102、または、0.060×102<Z<2.5×102のときに、IV抵抗がより小さくなることが分かった。また、関係式(4)を満たす実施例1〜5では、IV抵抗値を小さくすることが可能であり、出力特性が良好となることが分かった。なかでも、0.59≦NL/nL≦9.91、特に、2.52≦NL/nL≦2.97のときに、IV抵抗がより小さくなることが分かった。また一般式(1)で表されるアニオン化合物として、PFO、BFOのいずれを用いた場合であっても出力特性が良好となったことから、アニオン化合物をPTFOやPOとしても出力特性を良好にすることができるものと推察された。また、アニオン化合物と対となるカチオンについても、リチウムに限定されることなく同族元素であるNa+,K+としても出力特性を良好にすることができるものと推察された。
[Experimental result]
Table 1 shows the results of IV resistance measurement of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3. In addition to this, in Table 1, the crystallite size Lc (nm) and La (nm), the surface area of graphite (m 2 ), the weight of graphite (g), the type and amount of subcomponent electrolyte (μmol), general formula The value of A / {B × (4 × Lc × La) / (√3 × La 2 + Lc × La)} in (1) (= Z (μmol / m 2 )), and the value of N L / n L Indicated. Table 2 shows the discharge capacities before and after the cycles of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3, and the capacity retention rate. From Tables 1 and 2, it was found that in Examples 1 to 5 satisfying the relational expression (1), the IV resistance value can be reduced and the output characteristics are improved. In particular, it was found that the IV resistance was smaller when 0.010 × 10 2 <Z <0.060 × 10 2 or 0.060 × 10 2 <Z <2.5 × 10 2 . . Further, in Examples 1 to 5 satisfying the relational expression (4), it was found that the IV resistance value can be reduced and the output characteristics are improved. In particular, it was found that the IV resistance becomes smaller when 0.59 ≦ N L / n L ≦ 9.91, particularly 2.52 ≦ N L / n L ≦ 2.97. In addition, since the output characteristics are good regardless of whether PFO or BFO is used as the anion compound represented by the general formula (1), the output characteristics are also good even if the anion compound is PTFO or PO. I guess it can be done. Further, it was presumed that the output characteristics of the anion compound and the cation paired with Na + and K + , which are not limited to lithium, can be improved.
10 リチウム二次電池、11 集電体、12 正極活物質、13 正極シート、14 集電体、17 負極活物質、18 負極シート、19 セパレータ、20 非水系イオン伝導媒体、22 円筒ケース、24 正極端子、26 負極端子。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記アニオン化合物の含有量をA(μmol)とし、前記炭素材料の表面積をB(m2)とし、該炭素材料のc軸方向の結晶子の大きさをLc(nm)とし、該炭素材料のa軸方向の結晶子の大きさをLa(nm)とすると、関係式(1)を満たすように前記負極及び前記非水系イオン伝導媒体を選定する、選定方法。
The content of the anionic compound is A (μmol), the surface area of the carbon material is B (m 2 ), the crystallite size in the c-axis direction of the carbon material is Lc (nm), A selection method in which the negative electrode and the non-aqueous ion conductive medium are selected so as to satisfy the relational expression (1), where La (nm) is the size of the crystallite in the a-axis direction.
請求項1又は2に記載の選定方法。
The selection method according to claim 1 or 2.
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