JP5557619B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池と、それを利用した電源および機器システムに関する。   The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery such as a lithium ion battery, and a power source and an equipment system using the same.

リチウムイオン電池は、環境問題の観点から、電気自動車用や電力貯蔵用の電池として注目されている。鉛電池,ニッケルカドミウム電池よりも軽量であること、高出力と高エネルギー密度といった特性を持ち合わせており、リチウムイオン電池の需要拡大が期待されている。   Lithium ion batteries are attracting attention as batteries for electric vehicles and power storage from the viewpoint of environmental problems. It is lighter than lead batteries and nickel cadmium batteries, and has characteristics such as high output and high energy density, and the demand for lithium ion batteries is expected to increase.

しかしながら、従来のリチウムイオン電池は、出力やエネルギー密度あるいはサイクル寿命などの電池性能をさらに向上することを求められている。例えば、電極材の改良として、性質の異なる2種類以上の炭素体を組み合わせて活物質として用い、有機系のバインダー(結着剤)と混合して二次電池用負極を製造することが提案されている(特許文献1〜6)。   However, conventional lithium ion batteries are required to further improve battery performance such as output, energy density, and cycle life. For example, as an improvement of the electrode material, it is proposed that two or more kinds of carbon bodies having different properties are used as an active material and mixed with an organic binder (binder) to produce a negative electrode for a secondary battery. (Patent Documents 1 to 6).

特許文献1は結晶構造の異なる二種類の炭素を混合した負極、特許文献2は炭素繊維に球状,薄片状などの炭素粉末を混合した負極、特許文献3は負極活物質と炭素系導電助剤を混合した負極、特許文献4は黒鉛と導電性カーボン微粉体を混合した負極に関する発明を開示している。さらに、特許文献5は、Li吸蔵材料を含む第一の炭素粒子と、Li吸蔵材料を含まない第二の炭素粒子を混合した負極に関する発明であって、電池特性を向上させる方法を開示している。特許文献6は、平均粒径の異なる2種類の黒鉛粒子を用いた負極に関する発明を開示しており、サイクル特性を改善させることを目的としている。   Patent Document 1 is a negative electrode in which two types of carbons having different crystal structures are mixed, Patent Document 2 is a negative electrode in which carbon fiber such as a sphere or flake is mixed with carbon fiber, and Patent Document 3 is a negative electrode active material and a carbon-based conductive additive. Patent Document 4 discloses an invention relating to a negative electrode in which graphite and conductive carbon fine powder are mixed. Further, Patent Document 5 discloses an invention relating to a negative electrode in which first carbon particles containing a Li storage material and second carbon particles not containing a Li storage material are mixed, and discloses a method for improving battery characteristics. Yes. Patent Document 6 discloses an invention relating to a negative electrode using two types of graphite particles having different average particle diameters, and aims to improve cycle characteristics.

本発明の対象としている負極は、リチウムイオンを挿入離脱可能な活物質と、導電助剤とポリフッ化ビニリデン(PVDF;Poly(vinylidene fluoride))系やスチレン・ブタジエンゴム(SBR;Styrene Butadiene Rubber),カルボキシメチルセルロース(CMC;carboxylmethyl cellulose)などの結着剤と有機溶媒または水を調製,混合,撹拌した負極スラリを、ドクターブレード法などによって銅などの集電体シートへ付着させた後、加熱して有機溶媒を乾燥させ、ロールプレスによって加圧成形することにより、作製することができる。   The negative electrode which is the object of the present invention includes an active material capable of inserting and releasing lithium ions, a conductive auxiliary agent and a polyvinylidene fluoride (PVDF) system, a styrene-butadiene rubber (SBR; Styrene Butadiene Rubber), A negative electrode slurry prepared, mixed and stirred with a binder such as carboxymethyl cellulose (CMC) and an organic solvent or water is attached to a current collector sheet such as copper by the doctor blade method, and then heated. It can be produced by drying the organic solvent and press-molding it with a roll press.

しかし、活物質と導電助剤では、炭素粒子の粒径,比表面積などの物性がそれぞれ異なる場合があり、さらに、炭素粒子表面の被覆有無などにより、同じ原材料から製造されても異なる性質を有することがある。このため、塗工した合剤層は必ずしも均一な形態になるとは限らない。   However, the physical properties of the active material and the conductive auxiliary agent may be different from each other, such as the particle size and specific surface area of the carbon particles. Sometimes. For this reason, the applied mixture layer does not necessarily have a uniform shape.

得られた負極の合剤層を走査型電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)で観察すると、活物質粒子と導電助剤粒子と結着剤の状態を確認することができる。合剤層表面では、活物質の複数の粒子の上に導電助剤の凝集体が付着した形相、活物質の複数の粒子の間隙に導電助剤の凝集体が主に局在した形相などがある。また、結着剤は一般的に高抵抗な材料であるので、電池の集電体と活物質の粒子との界面に多くの結着剤が介在する場合、合剤層表面の活物質の複数の粒子の上に結着剤が多く介在する場合、あるいは活物質の粒子同士の間に多く介在する場合は、活物質間の間に電導阻害が起き、合剤層の内部抵抗が高くなり、充放電容量が低下してしまう問題が生じる。   When the obtained mixture layer of the negative electrode is observed with a scanning electron microscope (SEM), the states of the active material particles, the conductive auxiliary particles, and the binder can be confirmed. On the surface of the mixture layer, there are phases in which aggregates of conductive assistants adhere on a plurality of particles of the active material, phases in which aggregates of conductive assistants are mainly localized in the gaps between the plurality of particles of the active material, etc. is there. In addition, since the binder is generally a high-resistance material, when many binders are present at the interface between the battery current collector and the active material particles, a plurality of active materials on the surface of the mixture layer are used. When many binders are present on the particles, or when many particles are present between the active material particles, conduction inhibition occurs between the active materials, and the internal resistance of the mixture layer increases. There arises a problem that the charge / discharge capacity decreases.

このように導電助剤の凝集,結着剤のムラ等の問題が発生すると、充放電容量低下だけでなく、集電体からの活物質,導電助剤粒子の脱落,電流の不均一化等になりやすくなり、電池品質の信頼性が低下してしまう。   When problems such as aggregation of the conductive additive and unevenness of the binder occur in this way, not only the charge / discharge capacity decreases, but also the active material and conductive additive particles fall off from the current collector, the current becomes non-uniform, etc. And the reliability of battery quality is reduced.

このような状況において、電池の高容量化,健全かつ強力な導電性ネットワークの形成をした負極が強く求められている。   Under such circumstances, there is a strong demand for a negative electrode having a high capacity battery and a sound and strong conductive network.

特許第3529802号公報Japanese Patent No. 3529802 特許第3556270号公報Japanese Patent No. 3556270 特許第3409956号公報Japanese Patent No. 3409756 特開平2002−134115号公報JP-A-2002-134115 特開平2004−349164号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-349164 特開平2008−140707号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2008-140707

本発明は、上記の課題を解決し、充放電サイクルによる合剤層の剥離の防止ができ、高い容量が得られる非水電解質二次電池を提供することにある。特に、リチウムイオン電池の高容量化を目的としている。   An object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery that solves the above-described problems, prevents the mixture layer from being peeled off by a charge / discharge cycle, and provides a high capacity. In particular, it aims to increase the capacity of lithium ion batteries.

本発明が解決しようとする課題は、以下に示した手段により解決される。ここで、非水電解質二次電池とは、リチウムイオンの挿入離脱可能な正極と負極及びこれらを分離する多孔質フィルムからなる非水電解質二次電池を代表例とし、他のアルカリ金属イオンを利用する二次電池にも適用可能とする。   The problem to be solved by the present invention is solved by the following means. Here, the non-aqueous electrolyte secondary battery is a non-aqueous electrolyte secondary battery composed of a positive and negative electrodes capable of inserting and removing lithium ions and a porous film separating them, and uses other alkali metal ions. It can also be applied to secondary batteries.

第一の手段は、前記負極が、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な第1の炭素と、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能かあるいは実質的にリチウムイオンを吸蔵しない第2の炭素を含み、第2の炭素の粒子からなる凝集体が第1の炭素の複数の粒子の間隙に主に局在しており、第2の炭素の平均粒径が第1の炭素の平均粒径の15%以下とした第一の手段である。   The first means is that the negative electrode is capable of electrochemically occluding and releasing lithium ions, and is capable of electrochemically occluding and releasing lithium ions, or does not substantially occlude lithium ions. An aggregate composed of particles of the second carbon and consisting of particles of the second carbon is mainly localized in the gaps between the plurality of particles of the first carbon, and the average particle size of the second carbon is the first carbon This is the first means of setting the average particle size to 15% or less.

第二の手段は、走査型電子顕微鏡によって得られた請求項2記載の負極の表面写真において、第1の炭素と第2の炭素を区別できるように二値化画像処理を施して第2の炭素からなる凝集体の平均面積を計算し、前記平均面積が第1の炭素の平均粒径の二乗以下とすることである。   The second means is a method of applying a binarized image processing so that the first carbon and the second carbon can be distinguished from each other in the surface photograph of the negative electrode according to claim 2 obtained by a scanning electron microscope. The average area of the aggregate made of carbon is calculated, and the average area is set to be equal to or less than the square of the average particle diameter of the first carbon.

第三の手段は、前記第2の炭素粒子からなる凝集体は、アスペクト比1.25以上の数が前記凝集体の全数に対して50%以上とした第一の手段である。   A third means is a first means in which the aggregate composed of the second carbon particles has an aspect ratio of 1.25 or more and 50% or more of the total number of the aggregates.

第四の手段は、第2の炭素の一次粒子の平均粒径が、第1の炭素の粒径の8%以下であり、前記一次粒子が凝集した状態とした第三の手段である。   A fourth means is a third means in which the average particle diameter of the primary particles of the second carbon is 8% or less of the particle diameter of the first carbon, and the primary particles are in an aggregated state.

第五の手段は、第2の炭素の凝集体がバインダを含有し、導電性を有していることとした第一の手段である。   The fifth means is the first means that the second carbon aggregate contains a binder and has conductivity.

第六の手段は、負極に導電性繊維が添加され、前記繊維の一部が第2の炭素の凝集体と接触することとした第一の手段である。   The sixth means is a first means in which a conductive fiber is added to the negative electrode, and a part of the fiber comes into contact with the second carbon aggregate.

本発明によれば、充放電サイクルによる合剤層の剥離を防止でき、かつ高い容量をもつ非水リチウム二次電池を得ることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, peeling of the mixture layer by a charging / discharging cycle can be prevented, and the nonaqueous lithium secondary battery which has a high capacity | capacitance can be obtained.

合剤層表面の第1の炭素の複数の粒子と第2の炭素凝集体との関係を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the relationship between several particle | grains of the 1st carbon of a mixture layer surface, and a 2nd carbon aggregate. 合剤層表面の第1の炭素の複数の粒子と第2の炭素凝集体との関係を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the relationship between several particle | grains of the 1st carbon of a mixture layer surface, and a 2nd carbon aggregate. 本発明のコイン型リチウムイオン電池の断面図である。It is sectional drawing of the coin-type lithium ion battery of this invention. 本発明の円筒型リチウムイオン電池の構造図である。1 is a structural diagram of a cylindrical lithium ion battery of the present invention. 本発明の円筒型リチウムイオン電池からなる電池モジュールである。It is a battery module comprising the cylindrical lithium ion battery of the present invention. 本発明の電池モジュールを用いた蓄電システムである。It is the electrical storage system using the battery module of this invention. 実施例および比較例のデータ表である。It is a data table of an Example and a comparative example.

本発明は、非水電解質二次電池の高充放電容量化及び充放電サイクルによる合剤層の剥離防止をするためには、合剤層表面の第2の炭素粒子凝集体の面積の制限及び微細化により成し遂げたものである。本発明による非水電解質二次電池は、リチウムイオンの挿入・離脱が可能な正極と負極と、正極と負極とを分離するセパレータと、電解液とを有する。
以下、これらの要素について説明する。
In order to increase the charge / discharge capacity of the nonaqueous electrolyte secondary battery and prevent the mixture layer from being peeled off by the charge / discharge cycle, the present invention limits the area of the second carbon particle aggregate on the surface of the mixture layer and It was achieved by miniaturization. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes a positive electrode and a negative electrode capable of inserting and removing lithium ions, a separator separating the positive electrode and the negative electrode, and an electrolytic solution.
Hereinafter, these elements will be described.

まず、非水リチウム二次電池の正極について説明する。正極は、正極活物質,導電助剤及びバインダ(結着剤)からなる正極合剤層と、正極集電体とから構成される。   First, the positive electrode of a nonaqueous lithium secondary battery will be described. The positive electrode includes a positive electrode mixture layer made of a positive electrode active material, a conductive additive and a binder (binder), and a positive electrode current collector.

本発明によるリチウムイオン電池で使用可能な正極活物質は、リチウムを含有する酸化物からなる。リチウムを含有する酸化物としては、例えば、LiCoO2,LiNiO2,LiMn1/3Ni1/3Co1/32,LiMn0.4Ni0.4Co0.22のような層状構造を有する酸化物、LiMn24やLi1+xMn2-x4のようなスピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物、または、これらの酸化物においてMnの一部をAlやMg等の他の元素で置換したものを用いることができる。 The positive electrode active material usable in the lithium ion battery according to the present invention comprises an oxide containing lithium. Examples of the oxide containing lithium include an oxide having a layered structure such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 1/3 Ni 1/3 Co 1/3 O 2 , LiMn 0.4 Ni 0.4 Co 0.2 O 2 , Lithium-manganese composite oxides having a spinel structure such as LiMn 2 O 4 and Li 1 + x Mn 2-x O 4 , or in these oxides, part of Mn is replaced with other elements such as Al and Mg Can be used.

正極活物質は一般に高抵抗であるため、導電助剤として炭素粉末を混合することにより、正極活物質の電気伝導性を補っている。正極活物質と導電助剤はともに粉末であるため、バインダを混合して粉末同士を結合させると同時に、この粉末層を合剤層として正極集電体へ接着させている。   Since the positive electrode active material generally has high resistance, the electrical conductivity of the positive electrode active material is supplemented by mixing carbon powder as a conductive additive. Since the positive electrode active material and the conductive additive are both powders, a binder is mixed to bond the powders together, and at the same time, this powder layer is bonded to the positive electrode current collector as a mixture layer.

導電助剤には、天然黒鉛,人造黒鉛,コークス,カーボンブラック、または非晶質炭素などを使用することが可能である。導電助剤の平均粒径を正極活物質粉末の平均粒径よりも小さくすると、導電助剤が正極活物質粒子表面に付着しやすくなり、少量の導電助剤によって正極の電気抵抗が減少する場合が多い。したがって、導電助剤の材料は、正極活物質の平均粒径に応じて選択すれば良い。   As the conductive additive, natural graphite, artificial graphite, coke, carbon black, amorphous carbon, or the like can be used. When the average particle size of the conductive auxiliary agent is smaller than the average particle size of the positive electrode active material powder, the conductive auxiliary agent tends to adhere to the surface of the positive electrode active material particles, and the electric resistance of the positive electrode is reduced by a small amount of conductive auxiliary agent. There are many. Therefore, what is necessary is just to select the material of a conductive support agent according to the average particle diameter of a positive electrode active material.

正極集電体は、電解液に溶解しにくい材質であれば良く、アルミニウム箔が多用されている。   The positive electrode current collector may be any material that is difficult to dissolve in the electrolyte, and aluminum foil is frequently used.

正極は、正極活物質,導電助剤,バインダ、及び有機溶媒を混合した正極スラリを、ブレードを用いて集電体へ塗布する方法、すなわちドクターブレード法により作製することができる。集電体へ塗布した正極スラリを加熱して有機溶媒を乾燥させ、ロールプレスによって加圧成形する。正極合剤層は、正極スラリの有機溶媒を乾燥させることにより、集電体上に作製される。このようにして、正極合剤層と集電体とが密着した正極を作製することができる。   The positive electrode can be produced by a method in which a positive electrode slurry in which a positive electrode active material, a conductive additive, a binder, and an organic solvent are mixed is applied to a current collector using a blade, that is, a doctor blade method. The positive electrode slurry applied to the current collector is heated to dry the organic solvent, and pressure-molded by a roll press. The positive electrode mixture layer is produced on the current collector by drying the organic solvent of the positive electrode slurry. In this way, a positive electrode in which the positive electrode mixture layer and the current collector are in close contact with each other can be produced.

負極は、負極活物質,導電助剤及びバインダ(結着剤)からなる負極合剤層と、負極集電体とから構成される。負極合剤層に、導電助剤を使用しない場合もある。   The negative electrode includes a negative electrode mixture layer composed of a negative electrode active material, a conductive additive and a binder (binder), and a negative electrode current collector. In some cases, a conductive additive is not used in the negative electrode mixture layer.

本発明による非水リチウムイオン電池の負極活物質には、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な黒鉛や非晶質炭素を利用可能であるが、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能であれば種類や材料に制限はない。使用する負極活物質は、一般に粉末状態で使用されることが多いので、バインダを混合して粉末同士を結合させると同時に、この負極活物質からなる層を合剤層として負極集電体へ接着させている。   As the negative electrode active material of the non-aqueous lithium ion battery according to the present invention, graphite or amorphous carbon capable of electrochemically occluding and releasing lithium ions can be used, but lithium ion can be occluded and released. There are no restrictions on the types and materials. Since the negative electrode active material to be used is generally used in a powder state, the binder is mixed to bond the powders together, and at the same time, the layer made of the negative electrode active material is bonded to the negative electrode current collector as a mixture layer I am letting.

第一の炭素は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な炭素材料であり、例えば、天然黒鉛,人造黒鉛,非晶質炭素などを使用することが可能である。   The first carbon is a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions. For example, natural graphite, artificial graphite, amorphous carbon, and the like can be used.

第二の炭素は、リチウムイオンを吸蔵放出可能かあるいは実質的にリチウムイオンを吸蔵しないが、第一の炭素の平均粒径の15%以下であれば、第一の炭素の材料を用いてもよく、コークス,カーボンブラック,アセチレンブラック,カーボンファイバー,ケチェンブラック,カーボンナノチューブ,メソカーボンマイクロビーズ,気相成長炭素繊維等の炭素材料を用いてもよい。   The second carbon can occlude and release lithium ions or does not substantially occlude lithium ions, but the first carbon material may be used as long as it is 15% or less of the average particle diameter of the first carbon. It is also possible to use carbon materials such as coke, carbon black, acetylene black, carbon fiber, ketjen black, carbon nanotube, mesocarbon microbead, and vapor grown carbon fiber.

以下に述べる実施例では、カーボンブラックを使用したが、これに限定されない。例えば、カーボンブラックを、上述の他の第二の炭素に置き換えても良いし、異なる炭素を数種類、混合して用いても良い。   Although carbon black was used in the examples described below, the present invention is not limited to this. For example, carbon black may be replaced with the other second carbon described above, or several different types of carbon may be mixed and used.

結着剤には、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)の他に、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系ポリマー,スチレンブタジエンゴム(SBR),アクリロニトリルゴムなどを用いてもよい。負極の還元電位で分解せず、非水電解質あるいはそれを溶解させる溶媒と反応しなければ、上で列挙されていない他の結着剤を用いてもよい。負極スラリを調製する際に用いる溶媒には、結着剤に適応した公知のものを用いてもよい。例えば、SBRの場合は水等、PVDFの場合はアセトン,トルエン等、公知の溶媒を用いることができる。スラリの粘度を調整するために、増粘剤を用いることもできる。例えば、SBRには、カルボキシメチルセルロール(CMC)を使用することができる。   As the binder, in addition to polyvinylidene fluoride (PVDF), a fluorine-based polymer such as polytetrafluoroethylene, styrene butadiene rubber (SBR), acrylonitrile rubber, or the like may be used. Other binders not listed above may be used as long as they do not decompose at the reduction potential of the negative electrode and do not react with the nonaqueous electrolyte or the solvent in which it is dissolved. As the solvent used for preparing the negative electrode slurry, a known solvent suitable for the binder may be used. For example, a known solvent such as water in the case of SBR and acetone, toluene and the like in the case of PVDF can be used. A thickener can also be used to adjust the viscosity of the slurry. For example, carboxymethylcellulose (CMC) can be used for SBR.

負極集電体は、リチウムと合金化しにくい材質であることが条件であり、銅,ニッケル,チタンなど、あるいはこれらの合金からなる金属箔がある。特に、銅箔が多用されている。   The negative electrode current collector is required to be a material that is difficult to be alloyed with lithium, and there is a metal foil made of copper, nickel, titanium, or an alloy thereof. In particular, copper foil is frequently used.

負極は、負極活物質,導電助剤,バインダ、及び有機溶媒を混合した負極スラリを、ドクターブレード法などによって集電体へ付着させた後、加熱して有機溶媒を乾燥させ、ロールプレスによって加圧成形することにより、作製することができる。負極合剤層は、負極スラリの有機溶媒を乾燥させることにより、集電体上に作製される。   The negative electrode is prepared by adhering a negative electrode slurry mixed with a negative electrode active material, a conductive additive, a binder, and an organic solvent to a current collector by a doctor blade method or the like, then heating to dry the organic solvent, and applying it by a roll press. It can be produced by pressure forming. The negative electrode mixture layer is produced on the current collector by drying the organic solvent of the negative electrode slurry.

セパレータは、ポリエチレン,ポリプロピレン,4フッ化エチレンなどの高分子系材料から構成され、上記で述べたように作製した正極と負極の間に挿入される。セパレータと電極が電解液を十分に保持するようにして、正極と負極の電気的絶縁を確保し、正極と負極間でリチウムイオンの授受を可能とする。   The separator is made of a polymer material such as polyethylene, polypropylene, and ethylene tetrafluoride, and is inserted between the positive electrode and the negative electrode manufactured as described above. The separator and the electrode sufficiently hold the electrolytic solution to ensure electrical insulation between the positive electrode and the negative electrode, and to allow the transfer of lithium ions between the positive electrode and the negative electrode.

コイン型電池の場合は、円形状に切り出した正極,セパレータ,負極の順に積層し、その積層体をコイン状容器に収納し、蓋を上部に設置した後に、電池全体をかしめることにより製作される。   In the case of a coin-type battery, a positive electrode, a separator, and a negative electrode cut out in a circular shape are stacked in this order, the stack is stored in a coin-shaped container, the lid is placed on top, and then the entire battery is crimped. The

円筒型電池の場合は、正極と負極間にセパレータを挿入した状態で捲回して電極群を製造する。セパレータの代わりに、ポリエチレンオキシド(PEO),ポリメタクリレート(PMA),ポリアクリロニトリル(PAN),ポリフッ化ビニリデン(PVDF),ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(PVDF−HFP)などのポリマーに、リチウム塩または非水電解液を保持させたシート状の固体電解質またはゲル電解質を使用することも可能である。また、電極を二軸で捲回すると、長円形型の電極群も得られる。   In the case of a cylindrical battery, the electrode group is manufactured by winding with a separator inserted between the positive electrode and the negative electrode. In place of the separator, polymers such as polyethylene oxide (PEO), polymethacrylate (PMA), polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-HFP), It is also possible to use a sheet-like solid electrolyte or gel electrolyte holding a lithium salt or a non-aqueous electrolyte. Further, when the electrodes are wound around two axes, an oval electrode group is also obtained.

角型電池の場合は、正極と負極を短冊状に切断し、正極と負極を交互に積層し、各電極間にポリエチレン,ポリプロピレン,4フッ化エチレンなどの高分子系セパレータを挿入し、電極群を作製する。   In the case of a prismatic battery, the positive electrode and the negative electrode are cut into strips, the positive electrode and the negative electrode are alternately laminated, and a polymer separator such as polyethylene, polypropylene, and tetrafluoroethylene is inserted between each electrode, and the electrode group Is made.

また、安全性の向上のために、セパレータとして、高分子系セパレータをアルミナ,シリカ,チタニア,ジルコニア等の電気的絶縁性セラミックス粒子層で挟んだサンドイッチ状のセラミックスセパレータを用いても差し支えない。前記セラミック粒子層は、高分子系セパレータの片面のみに形成しても良い。   In order to improve safety, a sandwich-type ceramic separator in which a polymer separator is sandwiched between electrically insulating ceramic particle layers such as alumina, silica, titania, and zirconia may be used as the separator. The ceramic particle layer may be formed only on one side of the polymer separator.

本発明は上記で述べた電極群の構造に依存せず、本発明によるリチウムイオン電池には、任意の構造が適用可能である。   The present invention does not depend on the structure of the electrode group described above, and any structure can be applied to the lithium ion battery according to the present invention.

また、電解液の溶媒としては、プロピレンカーボネート,ブチレンカーボネート,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,酢酸メチル,酢酸エチル,酢酸プロピル,蟻酸メチル,蟻酸エチル,蟻酸プロピル,γ−ブチロラクトン,α−アセチル−γ−ブチロラクトン,α−メトキシ−γ−ブチロラクトン,ジオキソラン,スルホラン、及びエチレンサルファイトの中から選ばれる少なくとも1種以上を混合して用いることができる。好ましい電解液としては、これらの溶媒に、LiPF6,LiBF4,LiSO2CF3,LiN[SO2CF3]2,LiN[SO2CF2CF3]2,LiB[OCOCF3]4,LiB[OCOCF2CF3]4などのリチウム塩電解質を、体積濃度で0.5Mから2M程度含有したものを用いることができる。 Moreover, as a solvent of electrolyte solution, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl formate, ethyl formate, propyl formate, γ-butyrolactone, α-acetyl A mixture of at least one selected from -γ-butyrolactone, α-methoxy-γ-butyrolactone, dioxolane, sulfolane, and ethylene sulfite can be used. Preferred electrolytes include LiPF 6 , LiBF 4 , LiSO 2 CF 3 , LiN [SO 2 CF 3 ] 2 , LiN [SO 2 CF 2 CF 3 ] 2 , LiB [OCOCF 3 ] 4 , LiB. A lithium salt electrolyte such as [OCOCF 2 CF 3 ] 4 containing about 0.5 to 2 M in volume concentration can be used.

リチウムイオン電池は、作製した電極群を、アルミニウム,ステンレス鋼,ニッケルメッキ鋼製の電池容器へ挿入した後に、電解液を電極群へ浸透させることで作製することができる。電池缶の形状は、円筒型,偏平長円形型,角型などがあり、電極群を収納できれば、いずれの形状の電池缶を選択してもよい。   The lithium ion battery can be produced by inserting the produced electrode group into a battery container made of aluminum, stainless steel, or nickel-plated steel, and then infiltrating the electrolytic solution into the electrode group. The shape of the battery can includes a cylindrical shape, a flat oval shape, a rectangular shape, and the like, and any shape can be selected as long as the electrode group can be accommodated.

本発明の負極は、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な第1の炭素と、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能かあるいは実質的にリチウムイオンを吸蔵しない第2の炭素と、バインダからなる電極である。第2の炭素の粒子からなる凝集体は、第1の炭素の複数の粒子の間隙に主に局在しており、第2の炭素の平均粒径が第1の炭素の平均粒径の15%以下とした点に特徴がある。   The negative electrode of the present invention includes a first carbon capable of electrochemically occluding and releasing lithium ions, and a second carbon capable of electrochemically occluding and releasing lithium ions or substantially not occluding lithium ions. , An electrode made of a binder. Aggregates composed of the second carbon particles are mainly localized in the gaps between the plurality of first carbon particles, and the average particle diameter of the second carbon is 15 which is the average particle diameter of the first carbon. % Or less.

本発明の概念を、モデル(図1,図2)を用いて詳述する。第2の炭素からなる凝集体の最大サイズの根拠は図1にて、最小サイズの根拠は図2にて、それぞれ説明する。   The concept of the present invention will be described in detail using models (FIGS. 1 and 2). The basis for the maximum size of the second carbon aggregate will be described with reference to FIG. 1, and the basis for the minimum size will be described with reference to FIG.

図1は、第2の炭素の凝集体が4個の負極活物質11の間隙に充填された状態を負極表面の上方から眺めたときの図である。このモデルでは、負極活物質を球形とみなし、粒径は同一とした。現実の負極活物質は完全な球形でなく、かつ、その粒径はある範囲に分布しているが、統計的に考えるとそのような現実の負極にも適用可能である。現実の負極へ適用する方法は、後述する。   FIG. 1 is a view of the state in which the aggregates of the second carbon are filled in the gaps between the four negative electrode active materials 11 when viewed from above the negative electrode surface. In this model, the negative electrode active material was assumed to be spherical and the particle size was the same. An actual negative electrode active material is not a perfect sphere, and its particle size is distributed in a certain range. However, it is applicable to such an actual negative electrode when considered statistically. A method applied to an actual negative electrode will be described later.

さて、図1において、第2の炭素からなる凝集体は、バインダを含有し、第2の炭素とバインダが複合した状態になっている。この凝集体は、結着力を発現すると同時に、電子伝導性も有している。本発明では、第2の炭素の凝集体が負極活物質の粒子の間、すなわち間隙に充填され、その凝集体が負極活物質同士を連結させ、電子ネットワークを形成する。   Now, in FIG. 1, the aggregate which consists of 2nd carbon contains a binder, and is in the state which 2nd carbon and the binder compounded. This aggregate exhibits a binding force and at the same time has electronic conductivity. In the present invention, the second carbon aggregates are filled between the negative electrode active material particles, that is, in the gaps, and the aggregates connect the negative electrode active materials to each other to form an electronic network.

その凝集体が存在しうる領域は、負極活物質11の外形を表す実線の曲線で囲まれた空間と、負極活物質の上方まで凝集体が盛り上がって部分的に負極活物質を被覆した場所(図1の破線で囲われた四角の部分12)である。これ以上に凝集体が広がって、負極活物質の上面を被覆すると、リチウムイオンの吸蔵・脱離を阻害し、容量低下をもたらす。よって、凝集体の最大サイズは、図1の四角で囲った領域12である。   The regions where the aggregates may exist are a space surrounded by a solid curve representing the outer shape of the negative electrode active material 11 and a place where the aggregates rise to the upper side of the negative electrode active material and partially cover the negative electrode active material ( This is a square portion 12) surrounded by a broken line in FIG. When the aggregate further spreads and covers the upper surface of the negative electrode active material, the occlusion / desorption of lithium ions is inhibited, resulting in a decrease in capacity. Therefore, the maximum size of the aggregate is the region 12 surrounded by the square in FIG.

以上で説明したモデルでは、負極活物質は球形でその粒径は同一とみなしている。実際は、完全な球形でなく、かつ粒径に幅があるので、本モデルと実際の形状に差がある。しかし、負極活物質を球とみなして、粒径分布を計測して求めた平均粒径を、図1の粒径に置き換えることによって、本モデルが適用可能であることを、後述の実施例で確認している。   In the model described above, the negative electrode active material is assumed to be spherical and have the same particle size. Actually, this model is different from the actual shape because it is not a perfect sphere and has a wide particle size. However, in the examples described later, it is possible to apply this model by regarding the negative electrode active material as a sphere and replacing the average particle size obtained by measuring the particle size distribution with the particle size of FIG. I have confirmed.

なお、負極活物質の平均粒径(平均直径)をRとすると、図1の四角12の辺の長さ(間隙長さ)は(√2)R/2となる。すなわち、その長さはRの約71%になる。   When the average particle diameter (average diameter) of the negative electrode active material is R, the length (gap length) of the side of the square 12 in FIG. 1 is (√2) R / 2. That is, its length is about 71% of R.

さらに望ましい形態として、図1の空隙部分のみに第2の炭素からなる凝集体が充填されて、負極活物質11の表面を実質的に被覆していない状態が良い。間隙長さに相当する凝集体のサイズであれば、この条件を満足させる。すなわち、負極活物質の平均粒径Rに対して、凝集体の長さは2Rである。   Further, as a desirable mode, it is preferable that only the void portion in FIG. 1 is filled with the aggregate made of the second carbon and the surface of the negative electrode active material 11 is not substantially covered. If the size of the aggregate corresponds to the gap length, this condition is satisfied. That is, the length of the aggregate is 2R with respect to the average particle diameter R of the negative electrode active material.

つぎに、最小粒径の決定方法と根拠を説明する。図2は、第2の炭素の凝集体が3個の負極活物質21の間隙に充填された状態を負極表面の上方から眺めたときの図である。3個の粒子モデルを用いた理由は、図1のような4個の粒子から形成される間隙が大きく、図2で示した間隙の方がより小さく、下限のサイズを表していると考えたためである。図2のモデルでは、負極活物質を球形とみなし、粒径は同一とした。現実の負極活物質は完全な球形でなく、かつ、その粒径はある範囲に分布しているが、そのような現実の負極にも適用可能であることは後述する。   Next, the method for determining the minimum particle size and the basis for the determination will be described. FIG. 2 is a view of the state in which the second carbon aggregates are filled in the gaps between the three negative electrode active materials 21 when viewed from above the negative electrode surface. The reason for using the three particle model is that the gap formed from four particles as shown in FIG. 1 is large, the gap shown in FIG. 2 is smaller, and represents the lower limit size. It is. In the model of FIG. 2, the negative electrode active material was regarded as a sphere and the particle size was the same. The actual negative electrode active material is not completely spherical, and the particle size is distributed in a certain range, but it will be described later that it can be applied to such an actual negative electrode.

さて、図2において、第2の炭素からなる凝集体は、バインダを含有し、第2の炭素とバインダが複合した状態になっている。この凝集体は、結着力を発現すると同時に、電子伝導性も有している。   Now, in FIG. 2, the aggregate made of the second carbon contains a binder, and the second carbon and the binder are in a composite state. This aggregate exhibits a binding force and at the same time has electronic conductivity.

凝集体が3個の負極活物質を連結させ、電子の導電パスを形成するには、3個の負極活物質で囲まれた空隙の大きさで決まる。その大きさは、負極活物質21の外形を表す実線の曲線で囲まれた空間における最大直径の円23とした。この直径よりも小さな円であれば、いずれかの負極活物質の表面から剥離してしまい、結着力も弱まり、電子ネットワークも途切れてしまう。逆に、これよりも大きければ、3個の負極活物質を連結させることができる。そのサイズの最大値は、図1にて説明した。   In order for the aggregate to connect the three negative electrode active materials to form an electron conduction path, the size is determined by the size of the void surrounded by the three negative electrode active materials. The size was a circle 23 having the maximum diameter in a space surrounded by a solid curve representing the outer shape of the negative electrode active material 21. If it is a circle smaller than this diameter, it will peel from the surface of any negative electrode active material, a binding force will also weaken, and an electronic network will also be interrupted. Conversely, if it is larger than this, three negative electrode active materials can be connected. The maximum value of the size has been described with reference to FIG.

図2で説明したモデルでは、負極活物質は球形でその粒径は同一とみなしている。実際は、完全な球形でなく、かつ粒径に幅があるので、本モデルと実際の形状に差がある。しかし、負極活物質を球とみなして、粒径分布を計測して求めた平均粒径を、図2の粒径に置き換えることによって、本モデルが適用可能であることを、後述の実施例で確認している。   In the model described with reference to FIG. 2, the negative electrode active material is assumed to be spherical and have the same particle size. Actually, this model is different from the actual shape because it is not a perfect sphere and has a wide particle size. However, in the examples described later, it is possible to apply this model by regarding the negative electrode active material as a sphere and replacing the average particle size obtained by measuring the particle size distribution with the particle size of FIG. I have confirmed.

なお、負極活物質の平均粒径をRとすると、図2の円の直径(間隙の最小直径)は(2/√3−1)・Rとなる。すなわち、その直径はRの約15%となる。   When the average particle diameter of the negative electrode active material is R, the diameter of the circle in FIG. 2 (minimum diameter of the gap) is (2 / √3-1) · R. That is, the diameter is about 15% of R.

(実施例1)
図3は、本発明のコイン形リチウム二次電池301の断面を示す。コイン形リチウムイオン電池301は、正極缶334と負極缶335とガスケット336によって密閉された構造である。その中に、正極307と負極308とセパレータ309と電解液が収納されている。電解液は、セパレータ309と電池内部の隙間337に保持されている。正極307は正極合剤層330と正極集電体331からなる。負極308は負極合剤層332と負極集電体333からなる。
Example 1
FIG. 3 shows a cross section of a coin-type lithium secondary battery 301 of the present invention. The coin-type lithium ion battery 301 has a structure sealed with a positive electrode can 334, a negative electrode can 335, and a gasket 336. A positive electrode 307, a negative electrode 308, a separator 309, and an electrolytic solution are accommodated therein. The electrolytic solution is held in the gap 337 between the separator 309 and the battery. The positive electrode 307 includes a positive electrode mixture layer 330 and a positive electrode current collector 331. The negative electrode 308 includes a negative electrode mixture layer 332 and a negative electrode current collector 333.

以下では、正極307,負極308およびコイン形電池の組立方法を順に説明する。   Below, the assembly method of the positive electrode 307, the negative electrode 308, and a coin-type battery is demonstrated in order.

本実施例で使用した正極活物質は、平均粒径20μmのLi1.05Mn1.954である。
導電助剤には、平均粒径3μm,比表面積13m2/gの天然黒鉛と平均粒径0.04μm,比表面積40m2/gのカーボンブラックとを、重量比4:1となるように混合したものを用いた。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)8wt%を予めN−メチル−2−ピロリドンに溶解した溶液を用いた。
The positive electrode active material used in this example is Li 1.05 Mn 1.95 O 4 having an average particle diameter of 20 μm.
The conductive additive, the average particle diameter of 3 [mu] m, a specific surface area of 13m 2 / g of natural graphite as an average particle size 0.04 .mu.m, and a carbon black having a specific surface area of 40 m 2 / g, a weight ratio of 4: mixed so that 1 What was done was used. As the binder, a solution in which 8 wt% of polyvinylidene fluoride (PVDF) was previously dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone was used.

これらの正極活物質,導電助剤、及びPVDFが、重量比90:4:6となるように混合し、充分に混練したものを正極スラリとした。この正極スラリを、厚さ20μmのアルミニウム箔からなる正極集電体331の片面に塗布し、乾燥させることで、正極集電体331上に正極合剤層330を形成させることができた。ロールプレス機を用いてその正極307をプレスし、正極合剤層330を圧縮した。これにより、正極合剤層330の内部抵抗が減少し、正極合剤層330と正極集電体331の界面接触抵抗も小さくなった。この電極を直径15mmの円盤状に打ち抜いて、正極307とした。   These positive electrode active material, conductive additive, and PVDF were mixed so as to have a weight ratio of 90: 4: 6 and sufficiently kneaded to obtain a positive electrode slurry. The positive electrode mixture layer 330 could be formed on the positive electrode current collector 331 by applying this positive electrode slurry to one surface of a positive electrode current collector 331 made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm and drying. The positive electrode 307 was pressed using a roll press, and the positive electrode mixture layer 330 was compressed. Thereby, the internal resistance of the positive electrode mixture layer 330 was reduced, and the interface contact resistance between the positive electrode mixture layer 330 and the positive electrode current collector 331 was also reduced. This electrode was punched into a disk shape having a diameter of 15 mm to form a positive electrode 307.

負極308は以下の方法で作製した。負極の第1の炭素には、平均粒径9μmの塊状黒鉛と第2の炭素には、平均粒径0.04μm,比表面積40m2/gのカーボンブラックとを、重量比95:5で機械的に混合したものを用いた。カーボンブラックは、導電助剤としての機能も果たす。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン8wt%を、予めN−メチル−2−ピロリドンに溶解した溶液を用いた。 The negative electrode 308 was produced by the following method. The first carbon of the negative electrode is lump graphite having an average particle diameter of 9 μm, and the second carbon is carbon black having an average particle diameter of 0.04 μm and a specific surface area of 40 m 2 / g at a weight ratio of 95: 5. A mixture was used. Carbon black also serves as a conductive aid. As the binder, a solution in which 8% by weight of polyvinylidene fluoride was previously dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone was used.

先に混合した黒鉛とカーボンブラックからなる炭素材とポリフッ化ビニリデンとが、重量比90:10となるように混合し、充分に混練したものを負極スラリとした。   A negative electrode slurry was prepared by mixing the carbon material composed of graphite and carbon black previously mixed with polyvinylidene fluoride so that the weight ratio was 90:10 and kneading sufficiently.

分散処理の詳細は以下の通りである。まず、上記の活物質,カーボンブラック,バインダからなる固形分の比率が35〜40%の範囲になるように、N−メチル−2−ピロリドンを添加した。この混合物をプラネタリーミキサーで予備混合する。羽の回転速度は10〜20rpmの低速とした。この過程は、タンクに材料を添加した直後は、材料が不均一に固まっているので、それらを分散させるためのものである。なお、ここでの分散は、スプーンなどですくったときの組成が配合組成になっている程度のマクロなレベルでの均一性であれば十分である。   Details of the distributed processing are as follows. First, N-methyl-2-pyrrolidone was added so that the ratio of the solid content composed of the active material, carbon black, and binder was in the range of 35 to 40%. This mixture is premixed with a planetary mixer. The rotation speed of the wings was a low speed of 10 to 20 rpm. This process is intended to disperse the materials because they are unevenly solidified immediately after the materials are added to the tank. In addition, the dispersion | distribution here is enough if the composition at the macro level of the grade which the composition when squeezing with a spoon etc. becomes a compounding composition is sufficient.

次いで、上記スラリをディスパー装置に設置し、撹拌子(羽形回転体)を2000rpmの高速で15〜30分回転させて、スラリを処理した。処理中はスラリの温度を20〜25℃に一定になるように、スラリを充填した容器の外側に循環水のジャケットを設けて、そのジャケットに一定温度の循環水を流通させた。ここでの処理では、活物質,カーボンブラックの固体粒子をミクロのレベルで分散させ、さらにバインダの凝集状態を解いて、固体粒子と適度に絡み合う状態になることを目指している。よって、この分散処理時の攪拌子の形状,回転速度,時間,スラリ温度などのプロセス条件が、材料のミクロレベルでの分散状態を支配している。なお、本実施例ではディスパー装置での処理例を示したが、他の公知の分散処理装置を用いることができる。ホモジェナイザー,ディスパー付きプラネタリーミキサー,薄膜旋回運動させる高速攪拌機(例えば、プライミクス(株)製フィルミックス),インジェクションによりスラリに衝撃力を与えて分散させる装置(吉田機械工業(株)製湿式超微粒化装置ナノマイザー)などが挙げられる。いずれの装置を用いた場合でも、それぞれの装置の最適なプロセス条件を設定すれば良い。   Next, the slurry was placed in a disper device, and the stirrer (feather rotor) was rotated at a high speed of 2000 rpm for 15 to 30 minutes to treat the slurry. During the treatment, a jacket of circulating water was provided outside the container filled with the slurry so that the temperature of the slurry was kept constant at 20 to 25 ° C., and circulating water at a constant temperature was circulated through the jacket. In this treatment, the solid particles of the active material and carbon black are dispersed at a micro level, and further, the aggregated state of the binder is solved to aim at a state where the solid particles are appropriately entangled. Therefore, the process conditions such as the shape of the stirrer, the rotation speed, the time, and the slurry temperature during the dispersion treatment dominate the dispersion state of the material at the micro level. In this embodiment, an example of processing using the disperser is shown, but other known distributed processing devices can be used. Homogenizer, planetary mixer with disperser, high-speed stirrer (for example, film mix manufactured by Primix Co., Ltd.) that moves in a thin film, and a device that applies an impact force to slurry by injection (wet machine manufactured by Yoshida Machinery Co., Ltd.) Atomizer nanomizer). Whatever apparatus is used, the optimum process conditions for each apparatus may be set.

この負極スラリを、厚さ10μmの銅箔からなる負極集電体333の片面に塗布し、仮乾燥させることで、負極集電体333上に負極合剤層332を得た。この負極合剤層332が形成された負極集電体333をロールプレスでプレスした後、本乾燥させ、電極を作製した。この電極を直径が16mmの円盤状に打ち抜いて、負極308とした。   This negative electrode slurry was applied to one surface of a negative electrode current collector 333 made of a copper foil having a thickness of 10 μm and temporarily dried to obtain a negative electrode mixture layer 332 on the negative electrode current collector 333. The negative electrode current collector 333 on which the negative electrode mixture layer 332 was formed was pressed with a roll press and then dried to produce an electrode. This electrode was punched into a disk shape having a diameter of 16 mm to form a negative electrode 308.

ここで、負極合剤層332の全体の面積に対する第2の炭素凝集体の占有面積の違いができるように、以下の実施例では分散条件を変えた負極スラリを調製し、負極を作製した。これらの負極の表面状態を、走査型電子顕微鏡(SEM;Scanning Electron Microscope)を用いて観察した。図4の左の写真が、負極表面の一例を示す。横幅は125μm、縦幅は90μm、全体の面積が約11200μm2である。倍率は1000倍である。 Here, in order to make a difference in the area occupied by the second carbon aggregates with respect to the entire area of the negative electrode mixture layer 332, in the following examples, negative electrode slurries with different dispersion conditions were prepared, and negative electrodes were produced. The surface state of these negative electrodes was observed using a scanning electron microscope (SEM). The left photograph in FIG. 4 shows an example of the negative electrode surface. The horizontal width is 125 μm, the vertical width is 90 μm, and the total area is about 11200 μm 2 . The magnification is 1000 times.

そのSEM像の全体の面積に対する第2の炭素凝集体の占有面積は、公知の画像処理ソフト(例えば、旭化成エンジニアリング製、A像くん(登録商標))を用いて粒子形状を解析し、求めることができた。図4の右の写真の黒色部が、第2の炭素が凝集している領域を示している。   The occupied area of the second carbon aggregate with respect to the entire area of the SEM image is obtained by analyzing the particle shape using a known image processing software (for example, A image-kun (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Engineering). I was able to. The black part of the photograph on the right in FIG. 4 shows a region where the second carbon is agglomerated.

本発明に適用する画像処理ソフトは、自動的に画像上の粒子が1個ずつ分離、認識して粒子の面積を計測できるアプリケーションを持つことが好ましい。また、面積比率,面積の最大長と最小幅,粒子数を計測できる機能があれば、より望ましい。   The image processing software applied to the present invention preferably has an application capable of automatically separating and recognizing particles on the image one by one and measuring the area of the particles. It would be more desirable to have a function that can measure the area ratio, the maximum and minimum area length, and the number of particles.

面積を求める手順は次の通りである。画像には、大小の異なる粒径の第1の炭素の複数の粒子と第2の炭素の複数の粒子がみられる。第2の炭素の粒子が凝集体をなしている合剤層があり、第2の炭素の凝集体の大きさが異なる合剤層がある。また、第2の炭素の粒子が独立してなす合剤層がみられる。第1の炭素の複数の粒子と第2の炭素の複数の粒子が区別できるように、SEMで得られた負極合剤層表面の画像に色塗りを行った。任意の画像処理ソフトを用いてスキャンした画像に、できるだけ高倍率で色塗りすることが好ましい。SEMで得られた画像と同じ倍率で色塗りすると、人為的な誤差が大きくなってしまうからである。   The procedure for obtaining the area is as follows. In the image, a plurality of particles of the first carbon and a plurality of particles of the second carbon with different sizes are seen. There is a mixture layer in which the second carbon particles form aggregates, and there is a mixture layer in which the size of the second carbon aggregates is different. Moreover, the mixture layer which the particle | grains of 2nd carbon make independently is seen. The image of the surface of the negative electrode mixture layer obtained by SEM was colored so that the plurality of particles of the first carbon and the plurality of particles of the second carbon could be distinguished. It is preferable to color the image scanned with any image processing software at as high a magnification as possible. This is because when a color is applied at the same magnification as the image obtained by SEM, an artificial error becomes large.

さらに、SEMで得られた画像をそのまま二値化画像処理をすることは二値化しきい値が定められないため困難である。色塗りをすることにより二値化画像処理が容易であり、データの高信頼性が得られる。画像処理が容易になるように、低加速電圧のSEM観察条件にて、SEM像の負極活物質(第1の炭素)と第2の炭素のコントラストの差を付けると良い。   Furthermore, it is difficult to perform binarized image processing on an image obtained by SEM as it is because a binarization threshold value cannot be determined. By coloring, binarized image processing is easy, and high data reliability is obtained. In order to facilitate image processing, a difference in contrast between the negative electrode active material (first carbon) and the second carbon in the SEM image may be given under the SEM observation conditions with a low acceleration voltage.

また、前記の色塗り作業を省くために、市販の画像修正ソフトを活用し、修正した画像を用いて二値化の画像処理を行うことができる。このようなソフトウェアの併用により、SEMで得られた負極合剤層の画像を広く画像処理を行うことができる。   In addition, in order to omit the above-described color painting work, commercially available image correction software can be used, and binarized image processing can be performed using the corrected image. By using such software together, an image of the negative electrode mixture layer obtained by SEM can be widely processed.

ここで、市販の画像修正ソフトを用いる理由は、画像全体のコントラストのグラデーションをなくし、負極表面の位置の違いによる二値化処理の誤りをなくすためである。すなわち、負極合剤層表面において、同一の材質でありながら、濃淡の階調がずれてしまい、あたかも異なる材質のように処理されてしまう不具合を避けるためである。このような階調のずれが生じた場合には、画像修正ソフト(例えば、ADOBE(登録商標)製Premiere(登録商標) Elements(登録商標)4などのソフトウェア)を利用し、階調を修正する。   Here, the reason for using commercially available image correction software is to eliminate gradation of contrast of the entire image and to eliminate an error in binarization processing due to a difference in the position of the negative electrode surface. That is, in order to avoid a problem that the tone of the light and shade is shifted while being the same material on the surface of the negative electrode mixture layer, and it is processed as if it were a different material. When such a gradation shift occurs, the gradation is corrected using image correction software (for example, software such as Premiere (registered trademark) Elements (registered trademark) 4 manufactured by ADOBE (registered trademark)). .

同じ材質の部分は同じように二値化できるようになったら、可能な限り負極表面の広い領域について画像処理を行う。このようにすることによって、第1の炭素や第2の炭素、あるいはバインダなどの分布状態の乱れを平均化し、より正しい分布状態を把握することが可能となる。   When the same material portion can be binarized in the same manner, image processing is performed on a wide area of the negative electrode surface as much as possible. By doing so, it is possible to average the disturbance of the distribution state of the first carbon, the second carbon, or the binder, and to grasp a more correct distribution state.

二値化のしきい値は、異なる材質の部分が区別されるように、設定する。異なる材質は、SEMの画像で観察される粒子の形状,寸法の違いから判断することができる。   The threshold value for binarization is set so that parts of different materials are distinguished. Different materials can be judged from differences in the shape and size of particles observed in SEM images.

図4は、上で説明した手順で二値化画像処理をした結果を例示している。図4左は低加速電圧SEMの実体画像である。図4右は画像処理により、第2の炭素が存在している領域を黒色に色付けした分布図である。この図をA像くん(登録商標)を用いて、第2の炭素からなる凝集体の直径(円形近似とする),面積,個数の他に、アスペクト比(=面積の最大長/面積の最少幅)を求めた。なお、面積を横軸にとり、縦軸に凝集体の個数をプロットすると、小面積側になるほど個数が多く、大面積になるほど個数が減少し、分散条件が不適であると、大面積領域に粗大化した凝集体が頻出するようになる。以下の実施例では、小面積側から大面積側に向かって凝集体個数を累積し、その値が凝集体総数の95%に達したときの面積を許容最大面積と定義し、図1の四角12の面積に相当するものと考えた。   FIG. 4 illustrates the result of the binarized image processing according to the procedure described above. The left side of FIG. 4 is a substantial image of the low acceleration voltage SEM. The right side of FIG. 4 is a distribution map in which the region where the second carbon exists is colored black by image processing. Using this image, A image-kun (registered trademark), the aspect ratio (= maximum area length / minimum area) in addition to the diameter (circular approximation), area, and number of aggregates composed of the second carbon Width). When the area is plotted on the horizontal axis and the number of aggregates is plotted on the vertical axis, the smaller the area, the larger the number, and the larger the area, the smaller the number.If the dispersion condition is inappropriate, the large area is coarse. Aggregated aggregates come out frequently. In the following examples, the number of aggregates is accumulated from the small area side toward the large area side, and the area when the value reaches 95% of the total number of aggregates is defined as the allowable maximum area. It was considered to correspond to an area of 12.

この画像解析において、凝集体の平均面積を計算し、前記平均面積が第1の炭素の平均粒径の二乗以下とした。図4の場合、第1の炭素粒子の平均粒径は9μmであったので、図1の四角の一辺の長さは6.4μm、最大面積は40μm2である。この値は、上述の組成にて、分散処理時間を15〜20分に設定したときに、許容最大面積が40±5μmの範囲にあることから、確認することができた。このように、図1ではモデルによる計算であったが、現実の負極においても前記モデルを適用可能であることが判った。平均粒径において負極活物質の多数が存在し、その結果として図1の配置にある間隙の数の比率が増加し、凝集体の面積も図1の破線部に示したサイズの比率で多くなったことが、理由であると考えられる。これに対し分散処理時間を5〜10分にした場合、40μm2以上の面積を有する凝集体の比率が10〜20%増加し、許容最大面積が80〜160μm2の広い範囲でばらついた。 In this image analysis, the average area of the aggregates was calculated, and the average area was set to the square of the average particle diameter of the first carbon. In the case of FIG. 4, since the average particle diameter of the first carbon particles was 9 μm, the length of one side of the square in FIG. 1 is 6.4 μm, and the maximum area is 40 μm 2 . This value could be confirmed because the maximum allowable area was in the range of 40 ± 5 μm when the dispersion treatment time was set to 15 to 20 minutes with the above composition. Thus, although it was the calculation by a model in FIG. 1, it turned out that the said model is applicable also to an actual negative electrode. A large number of negative electrode active materials exist in the average particle diameter, and as a result, the ratio of the number of gaps in the arrangement of FIG. 1 increases, and the area of the aggregate also increases with the ratio of the size shown in the broken line part of FIG. This is considered to be the reason. On the other hand, when the dispersion treatment time was 5 to 10 minutes, the ratio of aggregates having an area of 40 μm 2 or more increased by 10 to 20%, and the allowable maximum area varied within a wide range of 80 to 160 μm 2 .

他に、平均粒径5μmの場合、15μmの場合についてそれぞれ負極を製作し、図1の計算により求めた凝集体の許容最大面積が、分散処理時間15〜20分のときに、それぞれ15±5μm2,115±10μm2となった。分散処理時間が5〜10分の場合は、粗大化した凝集体が増加し、許容最大面積もそれぞれ30μm2以上90μm2以下の範囲、130μm2以上200μm2の範囲にばらついた。 In addition, in the case of an average particle diameter of 5 μm, a negative electrode was manufactured for each case of 15 μm, and the allowable maximum area of the aggregate obtained by the calculation of FIG. 1 was 15 ± 5 μm when the dispersion treatment time was 15 to 20 minutes. 2 , 115 ± 10 μm 2 . When the dispersion treatment time was 5 to 10 minutes, the coarsened aggregates increased, and the allowable maximum areas varied in the range of 30 μm 2 to 90 μm 2 and in the range of 130 μm 2 to 200 μm 2 , respectively.

また、平均粒径5μmのときの最小サイズは、図2より直径0.7μm,面積0.4μm2である。平均粒径15μmのときは、直径2.3μm,面積4μm2となる。分散時間15〜20分に設定したときに、凝集体のほぼ100%が面積0.4μm2以上であることを確認した。このように、第2の炭素の凝集体の最小直径が第1の炭素の平均粒径の約1/10であることから、第2の炭素の一次粒子は凝集体の最小直径よりも小さいことが必須となる。この条件を満たさないと、第2の炭素の一次粒径1個でもって最小直径を超えてしまうからである。そのようになると、第1の炭素の粒子同士の間隔が開きすぎて、負極合剤密度が低下し、結果として電池の容量密度が減少してしまう。したがって、第2の炭素の一次粒子の平均粒径が、第1の炭素の粒径の1/10以下であり、一次粒子からなる凝集体が図2に示した状態になることが望ましい。 Further, the minimum size when the average particle diameter is 5 μm is 0.7 μm in diameter and 0.4 μm 2 in area from FIG. When the average particle size is 15 μm, the diameter is 2.3 μm and the area is 4 μm 2 . When the dispersion time was set to 15 to 20 minutes, it was confirmed that almost 100% of the aggregates had an area of 0.4 μm 2 or more. Thus, since the minimum diameter of the aggregate of the second carbon is about 1/10 of the average particle diameter of the first carbon, the primary particle of the second carbon is smaller than the minimum diameter of the aggregate. Is essential. If this condition is not satisfied, the primary diameter of the second carbon will exceed the minimum diameter. In such a case, the distance between the first carbon particles becomes too large, and the density of the negative electrode mixture is lowered, and as a result, the capacity density of the battery is reduced. Therefore, it is desirable that the average particle diameter of the primary particles of the second carbon is 1/10 or less of the particle diameter of the first carbon, and the aggregate composed of the primary particles is in the state shown in FIG.

第2の炭素の平均粒径は、第1の段との平均粒径に対して望ましくは8%以下(例えば0.1μm以下)、さらに望ましくは1/100以下(例えば10nm以下)が良い。このように考える理由は、2個の第1の炭素が接触する微細な間隙に、第二の炭素が挿入され、第一の炭素間の電子抵抗を下げる作用があるためである。上記の8%の意味は、図1の間隙の第2の炭素の最大直径が、第1の炭素の平均粒径の約16%であるので、少なくとも2個の第2の炭素粒子からなる凝集体が、第1の炭素の間隙に収納されるための最大直径として与えられている。   The average particle size of the second carbon is desirably 8% or less (for example, 0.1 μm or less), more desirably 1/100 or less (for example, 10 nm or less) with respect to the average particle size of the first stage. The reason for thinking in this way is that the second carbon is inserted into a fine gap where the two first carbons are in contact with each other, and has an effect of reducing the electronic resistance between the first carbons. The above 8% means that the maximum diameter of the second carbon in the gap of FIG. 1 is about 16% of the average particle diameter of the first carbon, so that the aggregate composed of at least two second carbon particles. The collection is given as the maximum diameter for being accommodated in the first carbon gap.

ここで、第二の炭素の平均粒径は一次粒子の直径の平均値であって、スラリを調製するときの原料粉の状態のときに、一次粒子が凝集していても良い。スラリを調製するときに、凝集状態がほぐれて、均一に分散させることが可能であるからである。   Here, the average particle diameter of the second carbon is an average value of the diameters of the primary particles, and the primary particles may be aggregated in the state of the raw material powder when the slurry is prepared. This is because when the slurry is prepared, the agglomerated state is loosened and can be uniformly dispersed.

同様に、平均粒径5μmの場合、15μmの場合の異なる黒鉛(第1の炭素)を用いて、それぞれ負極を製作した。その結果、図2の計算により求めた凝集体の100%が最小サイズ以上であることを、それぞれ確認した。   Similarly, in the case of an average particle diameter of 5 μm, negative electrodes were manufactured using different graphites (first carbon) in the case of 15 μm. As a result, it was confirmed that 100% of the aggregates determined by the calculation of FIG.

次に、分散時間15〜20分の負極を、ロールプレス機を用いて合剤層を圧縮した負極を用いて、図3に示したコイン型リチウムイオン電池301を組み立てた。正極307,セパレータ309,負極308を積層し、その積層体を正極缶334と負極缶335の中に収納させた。正極307は、集電体331の片面に正極合剤層330を接着させた構造である。負極308は、集電体333の片面に正極合剤層332を接着させた構造である。セパレータ309は、厚さ40μmのポリエチレン多孔質高分子シートである。電解液には、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの混合液(体積比として1:2)にLiPF6を溶かして1.0mol/dm3とした混合液を用いた。電解液は、セパレータ309と電池内部の空間337に存在する。外側からかしめ機により電池を圧縮して電池301を完成させた。 Next, the coin-type lithium ion battery 301 shown in FIG. 3 was assembled using the negative electrode obtained by compressing the mixture layer using a roll press machine and the negative electrode having a dispersion time of 15 to 20 minutes. A positive electrode 307, a separator 309, and a negative electrode 308 were stacked, and the stacked body was housed in a positive electrode can 334 and a negative electrode can 335. The positive electrode 307 has a structure in which a positive electrode mixture layer 330 is bonded to one surface of a current collector 331. The negative electrode 308 has a structure in which a positive electrode mixture layer 332 is bonded to one surface of a current collector 333. The separator 309 is a polyethylene porous polymer sheet having a thickness of 40 μm. As the electrolytic solution, a mixed solution of 1.0 mol / dm 3 by dissolving LiPF 6 in a mixed solution of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate (volume ratio of 1: 2) was used. The electrolyte exists in the separator 309 and the space 337 inside the battery. The battery 301 was completed by compressing the battery from the outside with a caulking machine.

実施例1で示したコイン型リチウムイオン電池301について、温度45℃環境下にて、以下の条件で充放電試験を行った。まず、電圧4.1Vまで電流密度1mA/cm2の定電流で充電した後に、4.1Vで定電圧充電をする定電流定電圧充電を3時間行った。充電が終了した後に、1時間の休止時間をおき、放電終止電圧3Vまで、1mA/cm2の定電流で放電した。放電が終了した後に、2時間の休止時間を設けた。このような充電,休止,放電,休止を繰り返すサイクル試験を行った。このサイクル試験の100サイクル目における、リチウムイオン電池の放電容量を比較した。 The coin-type lithium ion battery 301 shown in Example 1 was subjected to a charge / discharge test under the following conditions in a temperature of 45 ° C. environment. First, the battery was charged at a constant current of 1 mA / cm 2 with a current density of 1 mA / cm 2 up to a voltage of 4.1 V, and then subjected to constant current and constant voltage charging at a constant voltage of 4.1 V for 3 hours. After charging was completed, a 1 hour rest period was provided, and the battery was discharged at a constant current of 1 mA / cm 2 to a discharge end voltage of 3V. A two hour rest period was provided after the discharge was completed. A cycle test was repeated in which charging, resting, discharging, and resting were repeated. The discharge capacity of the lithium ion battery in the 100th cycle of this cycle test was compared.

第2の炭素凝集体面積は、SEMで倍率が1000倍観察し、撮影して得られた負極合剤層表面の画像(図3左)を画像処理ソフトにて色塗りし、粒子解析した結果より求めた(図3右の画像)。各スラリ試料は、混練条件を10rpmの低速回転にて10分間の処理を施した後、それぞれ異なる分散処理を行って調製した。実施例1は第1の炭素の粒径が異なる場合の結果であり、高分散条件(分散時間20分)で行ったものである。許容最大面積は、図1で計算した値を含む範囲にあることを確認した。比較例1と2はそれぞれ平均粒径5μmと15μmの場合について、分散時間5分とした結果である。粒子解析の結果、累積粒子数が全体の95%に達する許容最大面積は、比較例1は80〜110μm2の範囲にばらつき、比較例2は110〜280μm2の範囲でばらつき、実施例1の平均粒径5μmの場合は15±5μm2、平均粒径10μmの場合は50±5μm2、平均粒径15μmの場合は115±10μm2であった。 The second carbon agglomerate area was observed with a SEM at a magnification of 1000 times, and the image of the surface of the negative electrode mixture layer surface obtained by photographing (colored in FIG. 3) was painted with image processing software, and the result of particle analysis (Image on the right in FIG. 3). Each slurry sample was prepared by subjecting it to a kneading condition at a low speed of 10 rpm for 10 minutes, followed by a different dispersion treatment. Example 1 is a result when the particle sizes of the first carbon are different, and is performed under high dispersion conditions (dispersion time 20 minutes). It was confirmed that the allowable maximum area was in a range including the value calculated in FIG. Comparative Examples 1 and 2 are the results when the dispersion time was 5 minutes for the average particle diameters of 5 μm and 15 μm, respectively. As a result of the particle analysis, the allowable maximum area in which the cumulative number of particles reaches 95% of the total range of Comparative Example 1 varies in the range of 80 to 110 μm 2 , and Comparative Example 2 varies in the range of 110 to 280 μm 2 . The average particle size was 15 ± 5 μm 2 when the average particle size was 5 μm, 50 ± 5 μm 2 when the average particle size was 10 μm, and 115 ± 10 μm 2 when the average particle size was 15 μm.

第2の炭素凝集体のアスペクト比1.25以上となる数の比率は、上述の粒子解析時にそれぞれの第2の炭素凝集体の面積の最大長と最小幅を求め、最大長/最少幅=アスペクト比を求めた。アスペクト比が1.24以下と1.25以上に分けて、それらの比率を調べた。この時の第2の凝集体の数は50〜250個であった。粒子解析の結果、比較例1は45%、比較例2は48%、実施例1は49%、実施例2は53%であった。   The ratio of the number of the second carbon aggregates having an aspect ratio of 1.25 or more is determined by obtaining the maximum length and the minimum width of the area of each second carbon aggregate at the time of the particle analysis described above, and the maximum length / minimum width = The aspect ratio was determined. The aspect ratio was divided into 1.24 or less and 1.25 or more, and the ratio was examined. The number of second aggregates at this time was 50 to 250. As a result of particle analysis, Comparative Example 1 was 45%, Comparative Example 2 was 48%, Example 1 was 49%, and Example 2 was 53%.

合剤層の密度は、1.0g/cm3を目標に負極に加圧した後、合剤層の重量/負極の面積/合剤層の厚さから求めた。充放電サイクル試験の結果、放電容量は、比較例1は330mAh/g、比較例2は348mAh/g、実施例1は362mAh/g、実施例2は375mAh/gであった。 The density of the mixture layer was determined from the weight of the mixture layer / the area of the negative electrode / the thickness of the mixture layer after pressurizing the negative electrode with a target of 1.0 g / cm 3 . As a result of the charge / discharge cycle test, the discharge capacity was 330 mAh / g in Comparative Example 1, 348 mAh / g in Comparative Example 2, 362 mAh / g in Example 1, and 375 mAh / g in Example 2.

第2の炭素凝集体の面積が小さいほど、放電容量が向上する結果になった。また、実施例1と実施例2を比較して、第2の炭素凝集体のアスペクト比が1.25以上となる割合が50%以上になると、明らかに放電容量が向上する。   As the area of the second carbon aggregate was smaller, the discharge capacity was improved. Further, comparing Example 1 and Example 2, when the ratio of the second carbon aggregate having an aspect ratio of 1.25 or more is 50% or more, the discharge capacity is clearly improved.

放電容量が向上した理由は次のように考えられる。比較例1及び2は、合剤層表面では、活物質の複数の粒子の上に導電助剤の凝集体がのせた形相が多く、リチウムイオンを挿入離脱の可能な活物質の粒子面積が小さくなり、充放電容量が低下したと考えられる。実施例1及び2は、ほとんど活物質の複数の粒子の間隙に導電助剤の凝集体が主に局在していた。   The reason why the discharge capacity is improved is considered as follows. In Comparative Examples 1 and 2, on the surface of the mixture layer, there are many forms in which aggregates of conductive assistants are placed on a plurality of particles of the active material, and the particle area of the active material capable of inserting and releasing lithium ions is small. Thus, it is considered that the charge / discharge capacity has decreased. In Examples 1 and 2, aggregates of the conductive assistant were mainly localized in the gaps between the plurality of particles of the active material.

また、第2の炭素凝集体のアスペクト比が1.25以上となる割合を50%以上とすることが好ましい理由は、活物質粒子間の間隙を通って細長い第2の炭素凝集体が有機的に形成するため健全かつ強力な導電性ネットワークが形成したためと考えられる。   The reason why the ratio of the aspect ratio of the second carbon aggregate to 1.25 or more is preferably 50% or more is that the elongated second carbon aggregate is organic through the gap between the active material particles. This is probably because a healthy and strong conductive network was formed.

このように第2の炭素凝集体の大きさの制限により、充放電容量低下を防ぐことができる。本発明は、特に、放電容量が大きいリチウム二次電池において効果がある。   Thus, the charge / discharge capacity reduction can be prevented by limiting the size of the second carbon aggregate. The present invention is particularly effective in a lithium secondary battery having a large discharge capacity.

(実施例2)
実施例1にて製作した負極308において、直径100nm,長さ20〜30μmの炭素繊維を2重量比で添加し、第1の炭素の添加量を93重量比に小さくした負極を製作した。すなわち、負極の組成は、第1の炭素:第2の炭素:炭素繊維=93:5:2である。バインダ組成等の他の条件は、実施例1と同じである。また、負極製造プロセスにも変更がなく、実施例1と同じ手順で負極スラリを調製した。
(Example 2)
In the negative electrode 308 manufactured in Example 1, a carbon fiber having a diameter of 100 nm and a length of 20 to 30 μm was added in a 2 weight ratio, and a negative electrode in which the amount of first carbon added was reduced to 93 weight ratio was manufactured. That is, the composition of the negative electrode is first carbon: second carbon: carbon fiber = 93: 5: 2. Other conditions such as the binder composition are the same as in Example 1. Further, the negative electrode manufacturing process was not changed, and a negative electrode slurry was prepared in the same procedure as in Example 1.

この負極スラリを、厚さ10μmの銅箔からなる負極集電体433の片面に塗布し、仮乾燥させることで、負極集電体433上に負極合剤層432を得た。この負極合剤層332が形成された負極集電体433をロールプレスでプレスした後、本乾燥させ、電極を作製した。この電極を直径が16mmの円盤状に打ち抜いて、負極408とした。   This negative electrode slurry was applied to one surface of a negative electrode current collector 433 made of a copper foil having a thickness of 10 μm and temporarily dried, whereby a negative electrode mixture layer 432 was obtained on the negative electrode current collector 433. The negative electrode current collector 433 on which the negative electrode mixture layer 332 was formed was pressed with a roll press and then dried to produce an electrode. This electrode was punched into a disk shape having a diameter of 16 mm to form a negative electrode 408.

これに、実施例1と同じ正極307,セパレータ309,電解液,正極缶334,負極缶335,ガスケット336を用いて、図3のコイン型リチウムイオン電池301を製作した。電圧4.1Vまで電流密度1mA/cm2の定電流で充電した後に、4.1Vで定電圧充電をする定電流定電圧充電を3時間行った。充電が終了した後に、1時間の休止時間をおき、放電終止電圧3Vまで、1mA/cm2の定電流で放電した。放電が後終了した後に、2時間の休止時間を設けた。次いで、充電条件を変更せずに、放電電流を1.5mA/cm2に増加させて、放電容量を測定した。その結果、実施例1の場合よりも放電容量が10%増加した。これにより、導電性繊維を負極に添加することによって、負極の電子抵抗が低下し、さらに優れた放電特性が得られることがわかった。 The coin type lithium ion battery 301 of FIG. 3 was manufactured using the same positive electrode 307, separator 309, electrolyte, positive electrode can 334, negative electrode can 335, and gasket 336 as in Example 1. After charging at a constant current of 1 mA / cm 2 with a current density of up to 4.1 V, constant current and constant voltage charging, in which constant voltage charging was performed at 4.1 V, was performed for 3 hours. After charging was completed, a 1 hour rest period was provided, and the battery was discharged at a constant current of 1 mA / cm 2 to a discharge end voltage of 3V. A two hour rest period was provided after the discharge was finished. Next, without changing the charging conditions, the discharge current was increased to 1.5 mA / cm 2 and the discharge capacity was measured. As a result, the discharge capacity increased by 10% compared to the case of Example 1. Thus, it was found that by adding the conductive fiber to the negative electrode, the electronic resistance of the negative electrode was lowered and further excellent discharge characteristics were obtained.

以上で説明した実施例では、コイン形リチウムイオン電池を例示した。これらの電池の形状や、電極仕様などは本発明の趣旨の範囲内で任意に変更可能であり、これらの実施例に本発明は限定されない。   In the embodiment described above, a coin-type lithium ion battery is exemplified. The shape of these batteries, electrode specifications, and the like can be arbitrarily changed within the scope of the gist of the present invention, and the present invention is not limited to these examples.

(実施例3)
図5は、非水電解質二次電池501の内部構造を模式的に示している。非水電解質二次電池501とは、非水電解質中における電極へのイオンの吸蔵・放出により、電気エネルギーを貯蔵・利用可能とする電気化学デバイスの総称である。本実施例では、リチウムイオン電池を代表例として説明する。
(Example 3)
FIG. 5 schematically shows the internal structure of the nonaqueous electrolyte secondary battery 501. The non-aqueous electrolyte secondary battery 501 is a generic name for electrochemical devices that can store and use electrical energy by storing and releasing ions to and from electrodes in the non-aqueous electrolyte. In this embodiment, a lithium ion battery will be described as a representative example.

図5のリチウムイオン電池501において、正極507,負極508、および両電極の間に挿入されたセパレータ509からなる電極群を、電池容器502に密閉状態にて収納されている。電池容器502の上部に蓋503があり、その蓋503に正極外部端子504,負極外部端子505,注液口506を有する。正極外部端子504と負極外部端子505は、絶縁性シール材512を介して蓋504に取り付けられている。電池容器502に電極群を収納した後に、蓋503を電池容器502に被せ、蓋503の外周を溶接して電池容器502と一体にした。電池容器502への蓋503の取り付けには、溶接の他に、かしめ,接着などの他の方法を採ることができる。正極507は上部にて正極リード線510で連結され、正極外部端子504に接続されている。同様に、負極508は上部にて負極リード線511で連結され、負極外部端子505に接続されている。   In the lithium ion battery 501 of FIG. 5, an electrode group including a positive electrode 507, a negative electrode 508, and a separator 509 inserted between both electrodes is housed in a battery container 502 in a sealed state. A lid 503 is provided at the top of the battery container 502, and the lid 503 has a positive electrode external terminal 504, a negative electrode external terminal 505, and a liquid injection port 506. The positive external terminal 504 and the negative external terminal 505 are attached to the lid 504 via an insulating sealing material 512. After the electrode group was stored in the battery container 502, the lid 503 was placed on the battery container 502, and the outer periphery of the lid 503 was welded to be integrated with the battery container 502. For attachment of the lid 503 to the battery case 502, other methods such as caulking and adhesion can be employed in addition to welding. The positive electrode 507 is connected at the upper portion by a positive electrode lead wire 510 and connected to the positive electrode external terminal 504. Similarly, the negative electrode 508 is connected to the negative electrode lead wire 511 at the upper portion and connected to the negative electrode external terminal 505.

正極,負極,セパレータは、実施例1で用いたものを利用可能であるが、本発明の要旨を変更しない範囲で他の材料を用いても良い。図5に示した角型電池を複数個、製作した。   As the positive electrode, the negative electrode, and the separator, those used in Example 1 can be used, but other materials may be used without departing from the scope of the present invention. A plurality of prismatic batteries shown in FIG. 5 were manufactured.

(実施例4)
図6は、実施例3で製作した2個のリチウムイオン電池601a,601bを直列に接続した本発明の電池システムを示す。電池の本数はシステムが要求する電圧や容量に応じて、直列と並列の本数を任意に変更可能である。各リチウムイオン電池601a,601bは、正極607,負極608,セパレータ609からなる同一仕様の電極群を有し、上部に正極外部端子604,負極外部端子605を設けている。各外部端子と電池容器の間には絶縁性シール部材612を挿入し、外部端子同士が短絡しないようにしている。
(Example 4)
FIG. 6 shows a battery system of the present invention in which two lithium ion batteries 601a and 601b manufactured in Example 3 are connected in series. The number of batteries can be arbitrarily changed in series and in parallel according to the voltage and capacity required by the system. Each of the lithium ion batteries 601a and 601b has an electrode group having the same specifications including a positive electrode 607, a negative electrode 608, and a separator 609, and a positive electrode external terminal 604 and a negative electrode external terminal 605 are provided on the upper part. An insulating seal member 612 is inserted between each external terminal and the battery container so that the external terminals are not short-circuited.

リチウムイオン電池601aの負極外部端子605は、電力ケーブル613により充放電制御器616の負極入力ターミナルに接続されている。リチウムイオン電池601aの正極外部端子604は、電力ケーブル614を介して、リチウムイオン電池601bの負極外部端子605に連結されている。リチウムイオン電池601bの正極外部端子604は、電力ケーブル615により充放電制御器616の正極入力ターミナルに接続されている。このような配線構成によって、2個のリチウムイオン電池601a,601bを充電または放電させることができる。   A negative external terminal 605 of the lithium ion battery 601 a is connected to a negative input terminal of the charge / discharge controller 616 by a power cable 613. The positive external terminal 604 of the lithium ion battery 601a is connected to the negative external terminal 605 of the lithium ion battery 601b via the power cable 614. The positive external terminal 604 of the lithium ion battery 601 b is connected to the positive input terminal of the charge / discharge controller 616 by the power cable 615. With such a wiring configuration, the two lithium ion batteries 601a and 601b can be charged or discharged.

充放電制御器616は、電力ケーブル617,618を介して、外部に設置した機器(以下では外部機器と称する。)619との間で電力の授受を行う。外部機器619は、充放電制御器616に給電するための外部電源や回生モータ等の各種電気機器、ならびに本システムが電力を供給するインバータ,コンバータおよび負荷が含まれている。外部機器が対応する交流,直流の種類に応じて、インバータ等を設ければ良い。これらの機器類は、公知のものを任意に適用することができる。   The charge / discharge controller 616 exchanges power with an externally installed device (hereinafter referred to as an external device) 619 via power cables 617 and 618. The external device 619 includes various electric devices such as an external power source and a regenerative motor for supplying power to the charge / discharge controller 616, and an inverter, a converter, and a load that supply power from this system. An inverter or the like may be provided depending on the type of AC and DC that the external device supports. As these devices, known devices can be arbitrarily applied.

また、再生可能エネルギーを生み出す機器として風力発電機の動作条件を模擬した発電装置622を設置し、電力ケーブル620,621を介して充放電制御器616に接続した。発電装置622が発電するときには、充放電制御器616が充電モードに移行し、外部機器619に給電するとともに、余剰電力をリチウムイオン電池601aと612bに充電する。また、風力発電機を模擬した発電量が外部機器619の要求電力よりも少ないときには、リチウムイオン電池601aと612bを放電させるように充放電制御器616が動作する。なお、発電装置622は他の発電装置、すなわち太陽電池,地熱発電装置,燃料電池,ガスタービン発電機などの任意の装置に置換することができる。充放電制御器616は上述の動作をするように自動運転可能なプログラムを記憶させておく。   In addition, a power generation device 622 that simulates the operating conditions of a wind power generator was installed as a device that generates renewable energy, and was connected to the charge / discharge controller 616 via power cables 620 and 621. When the power generation device 622 generates power, the charge / discharge controller 616 shifts to the charge mode, supplies power to the external device 619, and charges surplus power to the lithium ion batteries 601a and 612b. Further, when the power generation amount simulating the wind power generator is smaller than the required power of the external device 619, the charge / discharge controller 616 operates so as to discharge the lithium ion batteries 601a and 612b. Note that the power generation device 622 can be replaced with another power generation device, that is, any device such as a solar cell, a geothermal power generation device, a fuel cell, or a gas turbine generator. The charge / discharge controller 616 stores a program capable of automatic operation so as to perform the above-described operation.

リチウムイオン電池601a,601bを定格容量が得られる通常の充電を行う。例えば、1時間率の充電電流にて、4.1Vあるいは4.2Vの定電圧充電を0.5時間、実行することができる。充電条件は、リチウムイオン電池の材料の種類,使用量などの設計で決まるので、電池の仕様ごとに最適な条件とする。   The lithium ion batteries 601a and 601b are normally charged so that a rated capacity can be obtained. For example, constant voltage charging of 4.1V or 4.2V can be performed for 0.5 hour at a charging current of 1 hour rate. The charging conditions are determined by the design of the type and amount of materials used for the lithium ion battery, so the optimum conditions are set for each battery specification.

リチウムイオン電池601a,601bを充電した後には、充放電制御器616を放電モードに切り替えて、各電池を放電させる。通常は、一定の下限電圧に到達したときに放電を停止させる。   After charging the lithium ion batteries 601a and 601b, the charge / discharge controller 616 is switched to the discharge mode to discharge each battery. Normally, the discharge is stopped when a certain lower limit voltage is reached.

以上で説明したシステムをS1とし、外部機器619は充電時に電力を供給し、放電時に電力を消費させた。本実施例では、5時間率放電まで実施し、1時間率放電時の容量に対して90%の高い容量を得た。100サイクルの充放電サイクルを行ったときの容量低下は実質的に認められず、前記条件での容量は90%を維持していた。また、風力発電機を模擬した発電装置622が発電中には、3時間率の充電を行うことができた。   The system described above is S1, and the external device 619 supplies power during charging and consumes power during discharging. In this example, up to 5 hour rate discharge was carried out, and a high capacity of 90% was obtained with respect to the capacity during 1 hour rate discharge. The capacity drop when 100 charge / discharge cycles were performed was not substantially observed, and the capacity under the above conditions was maintained at 90%. In addition, the power generation device 622 simulating a wind power generator could be charged at a rate of 3 hours during power generation.

以上で説明した内容を踏まえ、それぞれ具体的な実施例を示し、本発明の効果を明らかにしていく。なお、本発明の要旨を変更しない範囲で、具体的な構成材料,部品などを変更しても良い。また、本発明の構成要素を含んでいれば、公知の技術を追加し、あるいは公知の技術で置き換えることも可能であり、発電装置は、太陽光,地熱,波動エネルギーなどの任意の再生可能なエネルギー発電システムに置き換えることができる。   Based on the content described above, specific examples will be shown to clarify the effects of the present invention. Note that specific constituent materials, parts, and the like may be changed without departing from the scope of the present invention. In addition, if the constituent elements of the present invention are included, a known technique can be added or replaced by a known technique, and the power generator can be arbitrarily regenerated such as sunlight, geothermal heat, wave energy, etc. It can be replaced with an energy generation system.

(比較例1)
実施例1の負極の組成にて、分散処理時間を5〜10分にした負極を製作し、図5に示したリチウムイオン電池を複数個、製作した。この比較例によると、第2の分散状態が本発明の範囲外となる。負極の分散処理条件のみを変更し、他の条件は実施例4と同じとして、図6のシステムを製作した。本システムをS2とする。
(Comparative Example 1)
A negative electrode with a dispersion treatment time of 5 to 10 minutes with the composition of the negative electrode of Example 1 was manufactured, and a plurality of lithium ion batteries shown in FIG. 5 were manufactured. According to this comparative example, the second dispersion state is outside the scope of the present invention. Only the negative electrode dispersion treatment conditions were changed, and the other conditions were the same as in Example 4, and the system of FIG. 6 was manufactured. Let this system be S2.

このシステムを用いて、外部機器619は充電時に電力を供給し、放電時に電力を消費させた。本実施例では、5時間率放電まで実施し、1時間率放電時の容量に対して初期10サイクル時点では90%の高い容量を得た。しかし、サイクル数を増やすにつれて、容量の低下が大きく、100サイクル時点で81%まで低下した。   Using this system, the external device 619 supplies power during charging and consumes power during discharging. In this example, the discharge was carried out up to a 5-hour rate discharge, and a high capacity of 90% was obtained at the initial 10 cycles with respect to the capacity during the 1-hour rate discharge. However, as the number of cycles was increased, the capacity decreased greatly and decreased to 81% at 100 cycles.

本発明による非水電解質二次電池の用途は、特に限定されない。例えば、パーソナルコンピュータ,ワープロ,コードレス電話子機,電子ブックプレーヤ,携帯電話,自動車電話,ハンディターミナル,トランシーバ,携帯無線機等の携帯情報通信機器の電源として使用することができる。また、携帯コピー機,電子手帳,電卓,液晶テレビ,ラジオ,テープレコーダ,ヘッドホンステレオ,ポータブルCDプレーヤ,ビデオムービー,電気シェーバー,電子翻訳機,音声入力機器,メモリーカード等の各種携帯機器の電源として使用できる。その他、冷蔵庫,エアコン,テレビ,ステレオ,温水器,オーブン電子レンジ,食器洗い機,乾燥器,洗濯機,照明器具,玩具等の家庭用電気機器として使用できる。
また、家庭用,業務用を問わずに、電動工具や介護用機器(電動式車いす,電動式ベッド,電動式入浴設備など)用の電池としても利用可能である。さらに、産業用途として、医療機器,建設機械,電力貯蔵システム,エレベータ,無人移動車両などの電源として、さらには電気自動車,ハイブリッド電気自動車,プラグインハイブリッド電気自動車,ゴルフカート,ターレット車などの移動体用電源として、本発明を適用することができる。さらには、太陽電池や燃料電池から発生させた電力を本発明の電池モジュールに充電し、宇宙ステーション,宇宙船,宇宙基地などの地上以外で利用可能な蓄電システムとして用いることも可能である。
The application of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is not particularly limited. For example, it can be used as a power source for portable information communication devices such as personal computers, word processors, cordless telephone cordless handsets, electronic book players, mobile phones, car phones, handy terminals, transceivers, and portable radios. Also, as a power source for various portable devices such as portable copiers, electronic notebooks, calculators, LCD TVs, radios, tape recorders, headphone stereos, portable CD players, video movies, electric shavers, electronic translators, voice input devices, memory cards, etc. Can be used. In addition, it can be used as household electric appliances such as refrigerators, air conditioners, televisions, stereos, water heaters, microwave ovens, dishwashers, dryers, washing machines, lighting fixtures, toys.
It can also be used as a battery for electric tools and nursing equipment (electric wheelchairs, electric beds, electric bathing facilities, etc.) regardless of whether they are for home use or business use. In addition, for industrial applications, as power sources for medical equipment, construction machinery, power storage systems, elevators, unmanned mobile vehicles, and mobiles such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, golf carts, turret vehicles, etc. The present invention can be applied as a power source. Furthermore, it is also possible to charge the battery module of the present invention with electric power generated from a solar cell or a fuel cell and use it as a power storage system that can be used outside the ground, such as a space station, spacecraft, or space base.

11 第1の炭素(負極活物質)
12 第1の炭素の直径(平均粒径)
21 第1の炭素(負極活物質)
23 第1の炭素に囲まれた間隙の最小直径
301 コイン型リチウムイオン電池
307,507,607 正極
308,508,608 負極
309,509,609 セパレータ
330 正極合剤層
331 正極集電体
332 負極合剤層
333 負極集電体
334 正極缶
335 負極缶
336 ガスケット
337 空間(電解液が添加されている領域)
501,601a,601b 非水電解質二次電池
502,602 電池容器
503 蓋
504,604 正極外部端子
505,605 負極外部端子
506,606 注液口
510 正極リード線
511 負極リード線
512,612 絶縁性シール材料
613,614,615,617,618,620,621 電力ケーブル
616 充放電制御器
619 外部機器
622 再生可能なエネルギーの発電装置
11 First carbon (negative electrode active material)
12 Diameter of the first carbon (average particle size)
21 1st carbon (negative electrode active material)
23 Minimum diameter of gap surrounded by first carbon 301 Coin type lithium ion batteries 307, 507, 607 Positive electrode 308, 508, 608 Negative electrode 309, 509, 609 Separator 330 Positive electrode mixture layer 331 Positive electrode current collector 332 Negative electrode combination Agent layer 333 Negative electrode current collector 334 Positive electrode can 335 Negative electrode can 336 Gasket 337 Space (region where electrolyte is added)
501, 601a, 601b Nonaqueous electrolyte secondary battery 502, 602 Battery container 503 Lid 504, 604 Positive electrode external terminal 505, 605 Negative electrode external terminal 506, 606 Injection port 510 Positive electrode lead wire 511 Negative electrode lead wire 512, 612 Insulating seal Material 613, 614, 615, 617, 618, 620, 621 Power cable 616 Charge / discharge controller 619 External device 622 Renewable energy generator

Claims (4)

リチウムイオンの挿入離脱可能な正極と負極及びこれらを分離する多孔質フィルムからなる非水電解質二次電池において、
前記負極が、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な第1の炭素と、
リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能かあるいは実質的にリチウムイオンを吸蔵しない第2の炭素を含み、
前記第2の炭素の粒子凝集体からなる凝集体が前記第1の炭素の複数の粒子の間隙に主に局在しており、
前記第2の炭素の一次粒子の平均粒径が前記第1の炭素の一次粒子の平均粒径の8%以下であり、
前記第2の炭素の一次粒子が凝集した状態にあり、
第2の炭素の一次粒子の平均粒径および前記第1の炭素の一次粒子の平均粒径は粒径分布を計測して求められ、
前記第2の炭素の一次粒子の平均粒径および前記第1の炭素の一次粒子の平均粒径は、前記第2の炭素の一次粒子および前記第1の炭素を球に近似し、走査型電子顕微鏡によって得られた前記負極の表面写真において、前記第1の炭素と前記第2の炭素を区別できるように二値化画像処理を施して決定された値であり、
前記第2の炭素粒子からなる凝集体は、アスペクト比1.25以上の数が前記凝集体の全数に対して50%以上となることを特徴とする非水電解質二次電池。
In a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive and negative electrodes capable of inserting and removing lithium ions and a porous film separating them,
A first carbon capable of electrochemically occluding and releasing lithium ions;
Including a second carbon capable of electrochemically occluding and releasing lithium ions or substantially not occluding lithium ions;
Aggregates composed of the second carbon particle aggregates are mainly localized in the gaps between the plurality of first carbon particles;
An average particle size of primary particles of the second carbon is 8% or less of an average particle size of primary particles of the first carbon;
The primary particles of the second carbon are in an aggregated state,
The average particle size of average particle size and the primary particle of the first carbon of the primary particles of the second carbon is determined by measuring the particle size distribution,
The average particle size of the primary particles of the second carbon and the average particle size of the primary particles of the first carbon approximate the primary particles of the second carbon and the first carbon to spheres. In the surface photograph of the negative electrode obtained by a microscope, it is a value determined by performing binarized image processing so that the first carbon and the second carbon can be distinguished,
The non-aqueous electrolyte secondary battery characterized in that the aggregate composed of the second carbon particles has an aspect ratio of 1.25 or more with respect to the total number of the aggregates of 50% or more.
走査型電子顕微鏡によって得られた前記負極の表面写真において、前記第1の炭素と前記第2の炭素を区別できるように二値化画像処理を施して前記第2の炭素からなる凝集体の平均面積を計算し、前記平均面積が前記第1の炭素の平均粒径の二乗以下とすることを特徴とする請求項1記載の非水電解質二次電池。   In the surface photograph of the negative electrode obtained by a scanning electron microscope, an average of aggregates composed of the second carbon after performing binarized image processing so as to distinguish the first carbon and the second carbon The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein an area is calculated and the average area is less than or equal to a square of an average particle diameter of the first carbon. 前記第2の炭素の凝集体がバインダを含有し、導電性を有していることを特徴とする請求項1記載の非水電解質二次電池。   The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the second carbon aggregate contains a binder and has conductivity. 負極に導電性繊維が添加され、
前記繊維の一部が前記第2の炭素の凝集体と接触していることを特徴とする請求項1記載の非水電解質二次電池。
Conductive fibers are added to the negative electrode,
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein a part of the fiber is in contact with the second carbon aggregate.
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