JP5962956B2 - Lithium secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、過充電時にガスを発生するガス発生添加剤を電解質に含むリチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium secondary battery including a gas generating additive that generates a gas during overcharge in an electrolyte.
近年、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)は、車両搭載用高出力電源等として重要性が高まっている。
この種の二次電池の一つの典型的な構成では、電荷担体(例えば、リチウムイオン電池の場合は、リチウムイオン。)を可逆的に吸蔵および放出し得る電極活物質を含む電極材料(電極活物質層)が導電性部材(電極集電体)に保持された電極を備えており、この電極(正極および負極)が非水電解質とともに電池ケースに収容されている。
In recent years, lithium secondary batteries (typically lithium ion batteries) that are lightweight and have a high energy density have become increasingly important as high-output power supplies for vehicles.
In one typical configuration of this type of secondary battery, an electrode material (electrode active material) including an electrode active material capable of reversibly occluding and releasing charge carriers (for example, lithium ions in the case of a lithium ion battery). The material layer is provided with an electrode held by a conductive member (electrode current collector), and this electrode (positive electrode and negative electrode) is housed in a battery case together with a nonaqueous electrolyte.
かかるリチウム二次電池は、一般に所定の電圧領域(例えば3.0V以上4.2V以下)に制御された状態で使用されており、この通常使用時でも正極表面上ではわずかながらに電解液が分解され、ガスが発生されることが知られている。一方で、誤作動等により電池に通常以上の電流が供給されると、所定の電圧を超えて過充電状態に陥ってしまう。過充電状態に陥ると、電解質の分解が促進されて電池ケース内でのガス発生量が増加したり、活物質の発熱により電池内部の温度が上昇したりすることが想定される。そこで、過充電の進行を停止する安全機構として、上記分解ガスの発生により電池ケース内の圧力が所定値以上になると電流遮断弁が作動し、充電電流を遮断する電流遮断機構が広く電池に備えられている。 Such lithium secondary batteries are generally used in a state where the voltage is controlled within a predetermined voltage range (for example, 3.0 V or more and 4.2 V or less). Even in this normal use, the electrolyte is slightly decomposed on the surface of the positive electrode. It is known that gas is generated. On the other hand, if a current exceeding the normal level is supplied to the battery due to malfunction or the like, the battery exceeds the predetermined voltage and falls into an overcharged state. When the battery is in an overcharged state, it is assumed that the decomposition of the electrolyte is promoted and the amount of gas generated in the battery case increases, or the temperature inside the battery rises due to heat generation of the active material. Therefore, as a safety mechanism to stop the progress of overcharge, the current cutoff valve operates when the pressure in the battery case exceeds a predetermined value due to the generation of the cracked gas, and the battery has a wide current cutoff mechanism that cuts off the charging current. It has been.
上記電流遮断機構を備える電池では、電解質の非水溶媒よりも酸化電位(即ち、酸化分解反応の始まる電圧)の低い化合物を、あらかじめ電解質中に含有させておくことが提案されている(例えば、特許文献1参照)。該化合物は、電池が過充電状態になると電解質が分解反応を生じる前に正極表面において速やかに酸化分解され、これに起因して大量のガスを発生する。この発生したガスが電池の内圧上昇を生みだすことにより、電流遮断機構を早期に(即ち、電池がより安全な状態で)作動させるようにする。この種の化合物(即ち、以下、ガス発生添加剤という。)の典型的な例としては、シクロヘキシルベンゼン(CHB)、ビフェニル(BP)等の炭化水素化合物等が挙げられる。 In a battery having the above-described current interruption mechanism, it has been proposed that a compound having an oxidation potential (that is, a voltage at which an oxidative decomposition reaction starts) is lower than that of a nonaqueous solvent of an electrolyte in advance (for example, Patent Document 1). When the battery is overcharged, the compound is rapidly oxidized and decomposed on the surface of the positive electrode before the electrolyte undergoes a decomposition reaction, and as a result, a large amount of gas is generated. The generated gas causes an increase in the internal pressure of the battery, so that the current interruption mechanism is activated early (that is, in a safer state of the battery). Typical examples of this type of compound (that is, hereinafter referred to as gas generating additive) include hydrocarbon compounds such as cyclohexylbenzene (CHB) and biphenyl (BP).
ところで、正極活物質として広く使用されている粒状のリチウム遷移金属複合酸化物については、タングステン(W)等の元素を含有させておくことで、容量維持率等の耐久性が向上されることが知られている。特に、高温の環境下においてリチウム二次電池を高い充電状態(高SOC)として保存した際に、優れた耐久性を備えるものとなり得る。これは、通常の使用環境下においても見られる正極表面での電解質の分解が、タングステン(W)の存在により抑制されるためであると考えられている。しかしながら、本願発明者らの検討によると、上記の耐久性の向上という効果に背反して、正極活物質にタングステン(W)が含まれることで、過充電状態における電解質およびガス発生添加剤の分解が抑制され、過充電時に発生するガス量が著しく低下してしまうという、これまでに知られていなかった問題のあることが判明した。かかる現象は、電流遮断機構の作動を遅らせたり、作動させない等といった、正常な動作を阻害し得る。 By the way, about granular lithium transition metal complex oxide widely used as a positive electrode active material, durability, such as a capacity | capacitance maintenance factor, may be improved by containing elements, such as tungsten (W). Are known. In particular, when a lithium secondary battery is stored in a high charge state (high SOC) in a high-temperature environment, the battery can have excellent durability. This is considered to be because the decomposition of the electrolyte on the surface of the positive electrode, which is seen even under normal use environment, is suppressed by the presence of tungsten (W). However, according to the study by the present inventors, contrary to the effect of improving the durability, the cathode active material contains tungsten (W), so that the electrolyte and the gas generating additive are decomposed in an overcharged state. It has been found that there is a problem that has not been known so far, in which the amount of gas generated during overcharging is significantly reduced. Such a phenomenon may hinder normal operation such as delaying or not operating the current interrupting mechanism.
本発明は、かかる従来の状況を鑑みて創出されたものであり、その目的とするところは、電解質にガス発生添加剤を含み、かつ、タングステンを含む正極活物質を用いた場合でも過充電時に十分なガス発生量を確保することのできる、保存特性と過充電安全性とを兼ね備えたリチウム二次電池を提供することである。 The present invention has been created in view of such a conventional situation, and the object of the present invention is to include a gas generating additive in an electrolyte, and even when a positive electrode active material containing tungsten is used during overcharge. An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery that can ensure a sufficient amount of gas generation and has both storage characteristics and overcharge safety.
本発明が提供するリチウム二次電池は、正極活物質および導電材を含む正極と、負極活物質を含む負極と、炭化水素化合物からなるガス発生添加剤を含む非水電解質とを備えている。ここで、上記正極活物質は、タングステン(以下、単に「W」と記す場合もある。)を含み層状構造を有する粒状のリチウム遷移金属複合酸化物であり、また、上記導電材は、一次粒子が集まった凝集体の形態を有している。そして、かかる二次電池においては、上記凝集体の平均粒径が9μm未満の範囲で制御されることで、上記凝集体の存在下で上記ガス発生添加剤の分解に起因して発生されるガスの発生量が制御されていることを特徴としている。 A lithium secondary battery provided by the present invention includes a positive electrode including a positive electrode active material and a conductive material, a negative electrode including a negative electrode active material, and a nonaqueous electrolyte including a gas generating additive composed of a hydrocarbon compound. Here, the positive electrode active material is a granular lithium transition metal composite oxide having a layered structure containing tungsten (hereinafter sometimes simply referred to as “W”), and the conductive material includes primary particles. In the form of aggregates. In such a secondary battery, the average particle size of the aggregate is controlled within a range of less than 9 μm, so that the gas generated due to the decomposition of the gas generating additive in the presence of the aggregate. The amount of generation is controlled.
上述したガス発生添加剤は、過充電時(即ち、電池電圧が上昇した際)に、正極の表面(典型的には、正極活物質や導電材の表面)と接触し、酸化分解、重合されることで水素イオンを発生する。そしてこの水素イオンが負極に拡散し、負極上で電子を受け取ることにより、還元ガスである水素を発生する。このため、過充電防止剤の分解反応に起因するガスの発生量は、正極近傍に存在する過充電防止剤の量および正極と過充電防止剤の接触面積(反応場)に左右され得る。
ここに開示される発明においては、導電材の凝集体の平均粒径を、従来より一般的に用いられていた10μm(典型的には、平均粒径9μm以上)程度のものに対して、9μm未満の範囲(例えば、2μm〜8μmの範囲)で適切に制御することで、正極活物質層中の導電材の分散度を高めるとともに、ガス発生添加剤の反応場を増大させるようにしている。すなわち、かかる構成によると、正極活物質表面だけでなく、より適切に平均粒径が制御されることで拡大された導電材の表面においても、ガス発生添加剤の分解反応を生じさせることができる。よって、上記ガス発生添加剤の添加量や正極活物質層中の導電材量(即ち、正極活物質層中の導電材の組成比率)の変更を必須とすることなく、過充電時に電池ケース内において必要量のガスを発生させることができる。これにより、上記構成の二次電池における過充電時のガス発生量の減少が抑制され、過充電時の安全性および保存特性の両方を確保することができる。
The gas generating additive described above comes into contact with the surface of the positive electrode (typically, the surface of the positive electrode active material or conductive material) during overcharge (that is, when the battery voltage increases), and is oxidatively decomposed and polymerized. To generate hydrogen ions. The hydrogen ions diffuse into the negative electrode and receive electrons on the negative electrode to generate hydrogen as a reducing gas. For this reason, the amount of gas generated due to the decomposition reaction of the overcharge inhibitor can depend on the amount of the overcharge inhibitor present in the vicinity of the positive electrode and the contact area (reaction field) between the positive electrode and the overcharge inhibitor.
In the invention disclosed herein, the average particle diameter of the aggregate of the conductive material is 9 μm, compared with the average particle diameter of about 10 μm (typically, the average particle diameter of 9 μm or more) which has been generally used. By appropriately controlling in a range below (for example, in the range of 2 μm to 8 μm), the dispersibility of the conductive material in the positive electrode active material layer is increased and the reaction field of the gas generating additive is increased. That is, according to such a configuration, the decomposition reaction of the gas generating additive can be caused not only on the surface of the positive electrode active material but also on the surface of the conductive material expanded by appropriately controlling the average particle diameter. . Therefore, it is not necessary to change the amount of the gas generating additive and the amount of the conductive material in the positive electrode active material layer (that is, the composition ratio of the conductive material in the positive electrode active material layer). The required amount of gas can be generated in Thereby, a decrease in the amount of gas generated at the time of overcharging in the secondary battery having the above configuration is suppressed, and both safety and storage characteristics at the time of overcharging can be ensured.
ここに開示されるリチウム二次電池の好ましい一態様では、上記Wは上記リチウム遷移金属複合酸化物の表面に偏析しており、該表面におけるW濃度が0.9原子%〜2.9原子%で、上記導電材における上記凝集体の平均粒径が2.5μm〜7.8μmであることを特徴としている。
リチウム遷移金属複合酸化物に含まれるWは、粒状形態の表面に存在する場合(典型的には、表面に偏在する場合)に、特に保存特性(例えば、出力特性およびサイクル特性等)を大きく向上させ得る。その一方で、リチウム遷移金属複合酸化物に含まれるWがその表面に存在(偏在)すると、過充電時のガス発生量の減少の度合いも高くなる。したがって、ここに開示される発明においては、リチウム遷移金属複合酸化物の表面に偏析しているW濃度および導電材の平均粒径を、上記の範囲に規定することを好ましい態様としている。これにより、例えば、60日保存後の容量維持率が80%以上となる保存特性が得られるとともに、過充電時に電流遮断機構等を作動させる内圧を達成するに十分なガス発生量をバランスよく確保することができる。
In a preferred embodiment of the lithium secondary battery disclosed herein, the W is segregated on the surface of the lithium transition metal composite oxide, and the W concentration on the surface is 0.9 atomic% to 2.9 atomic%. And the average particle diameter of the said aggregate in the said electrically-conductive material is 2.5 micrometers-7.8 micrometers, It is characterized by the above-mentioned.
When W contained in the lithium transition metal composite oxide is present on the surface in a granular form (typically unevenly distributed on the surface), the storage characteristics (eg, output characteristics and cycle characteristics) are greatly improved. Can be. On the other hand, if W contained in the lithium transition metal composite oxide is present (unevenly distributed) on the surface, the degree of reduction in the amount of gas generated during overcharge also increases. Therefore, in the invention disclosed herein, it is preferable to define the W concentration segregated on the surface of the lithium transition metal composite oxide and the average particle diameter of the conductive material within the above ranges. As a result, for example, a storage characteristic with a capacity retention rate of 80% or more after storage for 60 days can be obtained, and a sufficient amount of gas generated to achieve an internal pressure that activates a current interruption mechanism or the like during overcharge can be secured in a balanced manner. can do.
なお、本明細書におけるリチウム遷移金属複合酸化物の表面における「W濃度」とは、X線光電子分光法(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)に基づいて測定される、リチウム遷移金属複合酸化物の最表面(測定条件により異なるが、数nm程度、例えば0.1〜10nm程度)を構成する元素に占めるW元素の割合(原子%)として定義することができる。かかるW濃度は、例えば、XPSやESCA等と称されるX線光電子分光法に基づく組成分析の可能な装置を用いて測定した値(原子%)を採用することができる。
また、本明細書における「平均粒径」とは、特記しない限り、レーザ回折散乱法に基づく粒度分布測定装置で測定した粒度分布における、体積基準による累積50%粒径(メジアン径:以下、D50と略記する場合もある。)を意味するものとする。
Note that the “W concentration” on the surface of the lithium transition metal composite oxide in this specification refers to the lithium transition metal composite oxide measured based on X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). It can be defined as the ratio (atomic%) of the W element in the elements constituting the outermost surface (depending on the measurement conditions, but about several nm, for example, about 0.1 to 10 nm). As the W concentration, for example, a value (atomic%) measured using an apparatus capable of composition analysis based on X-ray photoelectron spectroscopy called XPS, ESCA or the like can be adopted.
In addition, the “average particle diameter” in the present specification means a cumulative 50% particle diameter (median diameter: hereinafter referred to as D) in a particle size distribution measured by a particle size distribution measuring apparatus based on a laser diffraction scattering method, unless otherwise specified. 50 may be abbreviated as 50 ).
ここに開示されるリチウム二次電池の好ましい一態様では、上記導電材における上記凝集体の平均粒径が3.0μm〜4.5μmであることを特徴としている。
凝集体の平均粒径を上記範囲に収めることでガス発生添加剤との反応場をより好適に確保することができる。このため、例えば、リチウム遷移金属複合酸化物の表面のW濃度を例えば2原子%〜2.9原子%程度にまで高めた場合でも十分なガス発生量を確保することができ、より優れた保存特性と過充電時安全性とを実現することができる。
In a preferred aspect of the lithium secondary battery disclosed herein, an average particle diameter of the aggregate in the conductive material is 3.0 μm to 4.5 μm.
By keeping the average particle size of the aggregate within the above range, the reaction field with the gas generating additive can be more suitably secured. For this reason, for example, even when the W concentration on the surface of the lithium transition metal composite oxide is increased to, for example, about 2 atomic% to 2.9 atomic%, a sufficient gas generation amount can be ensured, resulting in better storage. Characteristics and overcharge safety can be achieved.
ここに開示されるリチウム二次電池の好ましい一態様では、上記正極活物質100質量部に対して、上記導電材が1質量部〜20質量部の割合で配合されている。
ガス発生添加剤の反応場を増大させるには、例えば、正極活物質層中の導電材量を増やすことが考えられる。しかしながら、多すぎる導電材は正極活物質層の密度の低下や単位体積当たりの容量低下を招くために好ましくない。また、少なすぎる導電材は、ガス発生量を増加させることができない上に、内部抵抗の増大や耐久性の低下等を引き起こすために好ましくない。例えば上記で規定されるような平均粒径を有する導電材は、容量や内部抵抗、耐久性等の電池性能を考慮した場合に、正極活物質に対して上記で規定される割合で含まれることが好ましい。
In the preferable one aspect | mode of the lithium secondary battery disclosed here, the said electrically conductive material is mix | blended in the ratio of 1 mass part-20 mass parts with respect to 100 mass parts of said positive electrode active materials.
In order to increase the reaction field of the gas generating additive, for example, it is conceivable to increase the amount of the conductive material in the positive electrode active material layer. However, too much conductive material is not preferable because it causes a decrease in the density of the positive electrode active material layer and a decrease in capacity per unit volume. In addition, too little conductive material is not preferable because it cannot increase the amount of gas generated and causes an increase in internal resistance and a decrease in durability. For example, the conductive material having the average particle size as defined above should be included in the ratio defined above with respect to the positive electrode active material when considering battery performance such as capacity, internal resistance, and durability. Is preferred.
ここに開示されるリチウム二次電池の好ましい一態様では、上記ガス発生添加剤が、上記電解質中に0.01質量%〜10質量%の割合で配合されている。
また、過充電時のガス発生量を増加させる方法として、例えば、過充電防止剤の添加量を増やすことが考えられる。しかしながら、ガス発生添加剤は電池反応の抵抗成分として作用するため、その量が多すぎると電池性能が低下(例えば内部抵抗の増大や耐久性の低下等)することが懸念され、好ましくない。また、その量が少なすぎると過充電時に十分なガス発生量を確保することができない。このような観点から、ガス発生添加剤は、電解質中に上記で規定される割合で含まれることが好ましい。
In a preferred embodiment of the lithium secondary battery disclosed herein, the gas generating additive is blended in the electrolyte at a ratio of 0.01% by mass to 10% by mass.
Further, as a method for increasing the amount of gas generated during overcharge, for example, increasing the amount of overcharge inhibitor added can be considered. However, since the gas generating additive acts as a resistance component of the battery reaction, an excessive amount of the gas generating additive is not preferable because there is a concern that the battery performance may be deteriorated (for example, an increase in internal resistance or a decrease in durability). On the other hand, if the amount is too small, a sufficient gas generation amount cannot be secured during overcharge. From such a viewpoint, it is preferable that the gas generating additive is contained in the electrolyte at a ratio defined above.
ここに開示されるリチウム二次電池の好ましい一態様では、上記ガス発生量が、上記電池の定格容量あたりのガス発生量として20ml/Ah以上(好ましくは、30ml/Ah以上)であることを特徴としている。
導電材の凝集体の平均粒径を適切に制御してガス発生添加剤の反応場を増大することで、過充電時には上記のとおりのガスを発生させることが可能となる。かかる構成によると、電流遮断機構の迅速な作動に十分な量のガスを発生させることができ、より安全性に優れたリチウム二次電池が提供される。
In a preferred aspect of the lithium secondary battery disclosed herein, the gas generation amount is 20 ml / Ah or more (preferably 30 ml / Ah or more) as the gas generation amount per rated capacity of the battery. It is said.
By appropriately controlling the average particle size of the aggregate of the conductive material and increasing the reaction field of the gas generating additive, it becomes possible to generate the gas as described above during overcharge. According to such a configuration, a sufficient amount of gas can be generated for the rapid operation of the current interrupt mechanism, and a lithium secondary battery with higher safety is provided.
ここに開示されるリチウム二次電池の好ましい一態様では、上記リチウム遷移金属複合酸化物の少なくとも一部として、一般式(1):
LixNiaCobMncMdWeO2 (1)
(ここで、Mは存在しないか、もしくは、Zr,Nb,Alから選択される少なくとも一種であり、xは、1.0≦x≦1.25を満たし、a,b,c,d,eは、a+b+c+d+e=1および0.001≦(d+e)≦0.02を満たし、a,b,cのうち少なくとも一つは0よりも大きく、e>0である。);
で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むことを特徴としている。
かかる一般式(1)で示される組成のリチウム遷移金属複合酸化物は、優れた出力特性およびサイクル特性を同時に実現し得る正極活物質であり得る。一方で、リチウム遷移金属複合酸化物は本質的に(Wを含まない組成においても)電子伝導性が低く、ガス発生添加剤の分解のための反応場を充分に提供することができない。そしてこの傾向は、上記の一般式(1)で示されるWを含む組成のリチウム遷移金属複合酸化物においてより顕著となる。しかしながら、かかる構成のリチウム二次電池によると、導電材の凝集体の平均粒径を適切に制御しているために、上記の一般式(1)で示される組成のリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用いた場合であっても、電流遮断機構の作動に十分な量のガスを発生させることができる。これにより、出力特性およびサイクル特性等の保存特性と過充電安全性とにより優れたリチウム二次電池が提供される。
In a preferred embodiment of the lithium secondary battery disclosed herein, as at least a part of the lithium transition metal composite oxide, the general formula (1):
Li x Ni a Co b Mn c M d W e O 2 (1)
(Here, M does not exist or is at least one selected from Zr, Nb, and Al, x satisfies 1.0 ≦ x ≦ 1.25, and a, b, c, d, e Satisfies a + b + c + d + e = 1 and 0.001 ≦ (d + e) ≦ 0.02, and at least one of a, b and c is greater than 0 and e>0);
The lithium transition metal complex oxide represented by these is included.
The lithium transition metal composite oxide having the composition represented by the general formula (1) can be a positive electrode active material that can simultaneously realize excellent output characteristics and cycle characteristics. On the other hand, the lithium transition metal composite oxide has essentially low electron conductivity (even in a composition not containing W) and cannot sufficiently provide a reaction field for decomposition of the gas generating additive. This tendency becomes more prominent in the lithium transition metal composite oxide having the composition containing W represented by the general formula (1). However, according to the lithium secondary battery having such a configuration, since the average particle size of the aggregate of the conductive material is appropriately controlled, the lithium transition metal composite oxide having the composition represented by the general formula (1) is not used. Even when used as a positive electrode active material, a sufficient amount of gas can be generated for the operation of the current interruption mechanism. As a result, a lithium secondary battery having superior storage characteristics such as output characteristics and cycle characteristics and overcharge safety is provided.
ここに開示されるリチウム二次電池の好ましい一態様では、さらに、上記正極と、上記負極と、上記非水電解質とを収容する電池ケースを備え、上記電池ケースは、通常使用時は上記ケースの内部と外部とのガスの流通を阻止し、上記ケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際に変形して上記正極および上記負極間の電気的接続を断つ電流遮断機構を有することを特徴としている。
ここに開示されるリチウム二次電池は、正極活物質としてWを含むリチウム遷移金属複合酸化物を用いながらも、過充電時には十分な量のガスを発生し得る。したがって、電池の内圧上昇により作動する電流遮断機構を備える構成の二次電池に好適に適用することができる。
なお、電流遮断機構を少ないガスの発生で作動させるために、例えば、電流遮断弁を作動させる電池ケース内圧力値を下げることも考慮できる。しかしながら、このような設計の変更は、わずかな周辺環境の変化などで誤作動を生むおそれがあり、望ましい対応とは言えない。これに対し、ここに開示される発明は、従来には生じていなかった新たな課題を、電池の基本的な設計及び構成を大きく変化させることなく、解決するものである。
In a preferred aspect of the lithium secondary battery disclosed herein, the battery case further includes a battery case containing the positive electrode, the negative electrode, and the non-aqueous electrolyte. It has a current interruption mechanism that prevents the gas flow between the inside and the outside and deforms when the internal pressure in the case rises above a predetermined level and breaks the electrical connection between the positive electrode and the negative electrode. It is said.
The lithium secondary battery disclosed herein can generate a sufficient amount of gas during overcharge while using a lithium transition metal composite oxide containing W as a positive electrode active material. Therefore, the present invention can be suitably applied to a secondary battery having a configuration including a current interruption mechanism that operates when the internal pressure of the battery increases.
In order to operate the current interrupting mechanism with the generation of a small amount of gas, for example, it is possible to consider reducing the pressure value in the battery case that operates the current interrupting valve. However, such a design change may cause a malfunction due to a slight change in the surrounding environment, and is not a desirable measure. On the other hand, the invention disclosed herein solves a new problem that has not occurred in the past without greatly changing the basic design and configuration of the battery.
このように、ここに開示されるリチウム二次電池は、例えば、高い出力特性およびサイクル特性等と同時に優れた容量維持率が実現されるものであり得る。このため、ここに開示されるリチウム二次電池は、特に長期に渡る耐久性と、高い安全性および信頼性が求められる自動車等の車両に搭載される車両駆動電源用の二次電池として好ましく用いることができる。このことから、本発明は、上記のリチウム二次電池を駆動用電源として備える車両をも好適に提供することができる。 As described above, the lithium secondary battery disclosed herein can realize, for example, an excellent capacity maintenance ratio simultaneously with high output characteristics and cycle characteristics. For this reason, the lithium secondary battery disclosed herein is preferably used as a secondary battery for a vehicle driving power source that is mounted on a vehicle such as an automobile that requires durability over a long period of time and high safety and reliability. be able to. Thus, the present invention can also suitably provide a vehicle equipped with the lithium secondary battery as a driving power source.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
本明細書において「リチウム二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを用い、リチウムイオンによる正負極間の電荷の移動により充放電がなされる二次電池をいう。このようなリチウム二次電池は、典型的には、リチウムイオン電池(リチウムイオン二次電池)、リチウムポリマー電池等の二次電池を包含し得る。また、本明細書において「活物質」とは、二次電池において電荷担体となる化学種(即ち、この場合はリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出(典型的には挿入および離脱)可能な物質をいう。 In this specification, a “lithium secondary battery” refers to a secondary battery that uses lithium ions as a charge carrier and is charged and discharged by the movement of charges between positive and negative electrodes by the lithium ions. Such lithium secondary batteries can typically include secondary batteries such as lithium ion batteries (lithium ion secondary batteries) and lithium polymer batteries. In this specification, an “active material” can reversibly occlude and release (typically insertion and removal) chemical species (that is, lithium ions in this case) that serve as charge carriers in a secondary battery. A substance.
ここに開示されるリチウム二次電池は、本質的な構成として、正極活物質および導電材を含む正極と、負極活物質を含む負極と、炭化水素化合物からなるガス発生添加剤を含む非水電解質とを備えている。以下に、かかるリチウム二次電池の構成について、順に説明する。 The lithium secondary battery disclosed herein includes, as essential components, a non-aqueous electrolyte including a positive electrode including a positive electrode active material and a conductive material, a negative electrode including a negative electrode active material, and a gas generating additive composed of a hydrocarbon compound. And. Below, the structure of this lithium secondary battery is demonstrated in order.
上記正極は、典型的には、粒状の正極活物質と、導電材に加え、これらを結合するバインダを含むペースト状の正極活物質層形成用組成物を正極集電体上に供給し、正極活物質層を形成することで用意される。
正極集電体としては、従来のリチウム二次電池用の電極集電体と同様、導電性の良好な金属または樹脂からなる導電性部材を用いることができる。例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、鉄等を主成分とする金属またはその合金等を好ましく用いることができる。より好ましくは、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。正極集電体の形状については特に制限はなく、所望の二次電池の形状等に応じて様々なものを考慮することができる。例えば、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態のものであり、典型的には、アルミニウム箔が好適に用いることができる。
The positive electrode typically supplies a positive electrode active material layer forming composition containing a particulate positive electrode active material, a conductive material, and a binder that binds them to the positive electrode current collector. It is prepared by forming an active material layer.
As the positive electrode current collector, a conductive member made of a highly conductive metal or resin can be used as in the case of a conventional electrode current collector for a lithium secondary battery. For example, a metal mainly composed of aluminum, nickel, titanium, iron or the like or an alloy thereof can be preferably used. More preferably, it is aluminum or an aluminum alloy. There is no restriction | limiting in particular about the shape of a positive electrode electrical power collector, Various things can be considered according to the shape etc. of a desired secondary battery. For example, there are various shapes such as a rod shape, a plate shape, a sheet shape, a foil shape, and a mesh shape, and typically an aluminum foil can be suitably used.
ここに開示されるリチウム二次電池において特徴的な正極活物質としては、タングステン(W)を含み層状構造を有する粒状のリチウム遷移金属複合酸化物(以下、単にW含有リチウム遷移金属複合酸化物という場合もある。)を用いることができる。かかるリチウム遷移金属複合酸化物は、例えば、本質的な構成として、従来からリチウム二次電池に用いられるリチウムイオンを吸蔵および放出可能なリチウム遷移金属複合酸化物と同様の構成を有し、その結晶構造の一部にタングステン(W)を含む各種の材料を特に限定することなく使用することができる。
かかる正極活物質は、Wの存在により、通常の電池使用状態においてその表面で生じる電解質の分解が抑制される。したがって、該正極活物質が本来備える特性(例えば、高容量等)に加えて、容量維持率等の耐久性に優れたものとなり得る。
As a characteristic positive electrode active material in the lithium secondary battery disclosed herein, a granular lithium transition metal composite oxide containing tungsten (W) and having a layered structure (hereinafter simply referred to as a W-containing lithium transition metal composite oxide). In some cases). Such a lithium transition metal composite oxide has, for example, a structure similar to that of a lithium transition metal composite oxide that can occlude and release lithium ions conventionally used in lithium secondary batteries as its essential structure. Various materials containing tungsten (W) as a part of the structure can be used without particular limitation.
In the positive electrode active material, the presence of W suppresses the decomposition of the electrolyte generated on the surface in a normal battery use state. Therefore, in addition to the characteristics (for example, high capacity, etc.) inherent to the positive electrode active material, the positive electrode active material can be excellent in durability such as capacity retention rate.
上記のW含有リチウム遷移金属複合酸化物として、具体的には、例えば、層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物であって、Ni,CoおよびMnのうち少なくとも一種の遷移金属元素を含み、さらにWを含むものをより好ましい態様として例示することができる。ここで、W含有リチウム遷移金属複合酸化物は、Ni,CoおよびMnからなる遷移金属元素を3種共含む、いわゆる三元系のW含有リチウム遷移金属複合酸化物であることが好ましく、および/または、Liが層状型結晶構造における遷移金属サイトのいわゆるリチウム過剰型のW含有リチウム遷移金属複合酸化物であることも好ましい。 Specifically, the W-containing lithium transition metal composite oxide is, for example, a lithium transition metal composite oxide having a layered structure, which includes at least one transition metal element of Ni, Co, and Mn, What contains W can be illustrated as a more preferable aspect. Here, the W-containing lithium transition metal composite oxide is preferably a so-called ternary W-containing lithium transition metal composite oxide containing three kinds of transition metal elements composed of Ni, Co, and Mn, and / or Alternatively, it is also preferable that Li is a so-called lithium-rich W-containing lithium transition metal composite oxide at a transition metal site in a layered crystal structure.
かかるW含有リチウム遷移金属複合酸化物は、例えば、一般式(1):
LixNiaCobMncMdWeO2 (I)
(ここで、Mは存在しないか、もしくは、Zr,Nb,Alから選択される少なくとも一種であり、xは、1.0≦x≦1.25を満たし、a,b,c,d,eは、a+b+c+d+e=1および0.001≦(d+e)≦0.02を満たし、a,b,cのうち少なくとも一つは0よりも大きく、e>0である。);
で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を少なくとも一部として含むものとして示すことができる。
Such a W-containing lithium transition metal composite oxide is, for example, the general formula (1):
Li x Ni a Co b Mn c M d W e O 2 (I)
(Here, M does not exist or is at least one selected from Zr, Nb, and Al, x satisfies 1.0 ≦ x ≦ 1.25, and a, b, c, d, e Satisfies a + b + c + d + e = 1 and 0.001 ≦ (d + e) ≦ 0.02, and at least one of a, b and c is greater than 0 and e>0);
It can be shown as including at least a part of the lithium transition metal composite oxide represented by
なお、このようなW含有リチウム遷移金属複合酸化物は、上記に具体的に例示した元素以外に、さらに他の元素(例えば、Mo,Cr,Fe,V,Ti,Cu,Zn,Ga,In,Sn,La,Ce,Ca,MgおよびNaから選択される一種または二種以上)を含むものであってよい。
かかる構成のW含有リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用いることで、常温だけでなく低温(例えば−10℃以下)や比較的高温(例えば60℃程度)においても優れた出力特性や耐久性(サイクル特性等)を備えるリチウム二次電池を実現し得る。
Note that such a W-containing lithium transition metal composite oxide includes other elements (for example, Mo, Cr, Fe, V, Ti, Cu, Zn, Ga, In, in addition to the elements specifically exemplified above). , Sn, La, Ce, Ca, Mg and Na selected from two or more).
By using the W-containing lithium transition metal composite oxide having such a structure as a positive electrode active material, excellent output characteristics and durability not only at room temperature but also at low temperatures (for example, −10 ° C. or less) and relatively high temperatures (for example, about 60 ° C.) It is possible to realize a lithium secondary battery having characteristics (cycle characteristics, etc.).
また、このようなW含有リチウム遷移金属複合酸化物において、Wは、リチウム遷移金属複合酸化物の全体に均一に含まれていてもよいが、その表面に存在もしくは偏在していることがより好ましい。つまり、リチウム遷移金属酸化物は一般に、一次粒子が集まった二次粒子の形態をなしているが、一次粒子の表面に偏ってWが存在(分布)しているものであるのが好ましい。Wが表面に偏在することで、正極活物質の表面で行われる電解質の分解を、より少ないW量で効果的に抑制することができる。例えば、Wの過剰な使用を抑制しつつ、上記の容量維持率等の耐久性を得ることができる。 Further, in such a W-containing lithium transition metal composite oxide, W may be uniformly contained in the entire lithium transition metal composite oxide, but is more preferably present or unevenly distributed on the surface thereof. . In other words, the lithium transition metal oxide is generally in the form of secondary particles in which primary particles are gathered, but it is preferable that W be present (distributed) in a biased manner on the surface of the primary particles. When W is unevenly distributed on the surface, the decomposition of the electrolyte performed on the surface of the positive electrode active material can be effectively suppressed with a smaller amount of W. For example, durability such as the capacity retention rate can be obtained while suppressing excessive use of W.
このようなリチウム遷移金属複合酸化物の表面に存在(偏在)するWの量は、ごく少量であっても電解質の分解を抑制し、容量維持率を高める効果を得ることができる。しかしながら、その反面、リチウム遷移金属複合酸化物の表面に存在(もしくは偏在)するWは、後述する過充電時のガス発生量を低下させてしまうという新たな課題をも有する。そのため、容量維持率等の耐久性と、過充電時のガス発生量との両立を図るために、リチウム遷移金属複合酸化物の表面に存在する元素のうちWの濃度は0.9原子%〜2.9原子%程度とすることが好ましい。より好ましくは、1.5原子%〜2.1原子%である。 Even if the amount of W present (unevenly distributed) on the surface of such a lithium transition metal composite oxide is very small, the decomposition of the electrolyte can be suppressed and the effect of increasing the capacity retention rate can be obtained. However, on the other hand, W present (or unevenly distributed) on the surface of the lithium transition metal composite oxide also has a new problem of reducing the amount of gas generated at the time of overcharge described later. Therefore, the concentration of W among the elements present on the surface of the lithium transition metal composite oxide is 0.9 atomic% to achieve compatibility between durability such as capacity retention and gas generation during overcharge. It is preferably about 2.9 atomic%. More preferably, it is 1.5 atomic% to 2.1 atomic%.
なお、上記の表面にWが偏在するリチウム遷移金属複合酸化物は、例えば、湿式法によって調製した水酸化物(前駆体)を、適当なリチウム源(例えば、炭酸リチウム、水酸化リチウム等のリチウム塩)と混合し、所定の温度で焼成することにより形成することができる。より具体的には、例えば、先ず、上記のNi,CoおよびMnのうち少なくとも一種の遷移金属元素、および、上記のZr,Nb,Alから選択される少なくとも一種の元素を含む水溶液Aと、Wを含む水溶液Bを準備する。そして、この水溶液Aと水溶液Bとをアルカリ性条件下で(例えば、pH11〜14に維持しつつ)湿式混合して、これらの金属元素を含む水酸化物(前駆体)を析出させる。次いで、この水酸化物と、リチウム化合物(リチウム塩)とを混合し、その混合物を焼成することで、表面にWが偏在するリチウム遷移金属複合酸化物を調製することができる。Wが偏在するリチウム遷移金属複合酸化物が他の組成の場合であっても、同様に形成することができる。 The lithium transition metal composite oxide in which W is unevenly distributed on the surface is obtained by, for example, using a hydroxide (precursor) prepared by a wet method as an appropriate lithium source (for example, lithium such as lithium carbonate or lithium hydroxide). Salt) and firing at a predetermined temperature. More specifically, for example, first, an aqueous solution A containing at least one transition metal element selected from the above-mentioned Ni, Co, and Mn, and at least one element selected from Zr, Nb, and Al, and W An aqueous solution B containing is prepared. And this aqueous solution A and aqueous solution B are wet-mixed on alkaline conditions (for example, maintaining pH 11-14), and the hydroxide (precursor) containing these metal elements is precipitated. Next, this hydroxide and a lithium compound (lithium salt) are mixed, and the mixture is fired, whereby a lithium transition metal composite oxide in which W is unevenly distributed on the surface can be prepared. Even when the lithium transition metal composite oxide in which W is unevenly distributed has a different composition, it can be formed in the same manner.
以上の正極活物質の形状等について厳密な制限はないものの、上記の正極活物質は、適切な手段で粉砕、造粒および分級することができる。例えば、平均粒径がおよそ1μm〜25μm(典型的にはおよそ2μm〜15μm)の範囲にある二次粒子によって実質的に構成されたW含有リチウム遷移金属酸化物の粉末を、ここに開示される技術における正極活物質として好ましく採用することができる。 Although there is no strict restriction | limiting about the shape of the above positive electrode active material, said positive electrode active material can be grind | pulverized, granulated, and classified by an appropriate means. For example, disclosed herein is a W-containing lithium transition metal oxide powder substantially composed of secondary particles having an average particle size in the range of approximately 1 μm to 25 μm (typically approximately 2 μm to 15 μm). It can preferably be employed as a positive electrode active material in the technology.
なお、Wについて一次粒子表面に「偏在」するとは、一次粒子の内部に比べて、一次粒子の表面(粒界)に偏って(集中して)Wが分布していることを意味する。したがって、Wが粒界のみに存在する(換言すれば、一次粒子の内部には全く存在しない)態様のみを意味するものではない。Wが一次粒子の表面に偏って存在していることは、上記のXPSの他、例えば、エネルギー分散型X線分光法(EDX: Energy Dispersive X−ray Spectroscopy)を用いて活物質粒子表面のWの分布をマッピングし、そのマッピング結果においてWが粒界に集中して存在する(一次粒子の内部に比べて粒界では面積当たりのW存在量が多い)様子が認められることにより把握することができる。上記粒界(一次粒子の表面)の位置は、例えば、正極活物質粒子の断面の透過型電子顕微鏡(TEM)観察により把握することができる。この観察には、EDXを備えたTEMを好ましく使用し得る。上記正極活物質は、同時に、EDX画像観察により、粒界(一次粒子表面)においてはWの元素分布に顕著な偏差(凝集塊等)が認められないものであることが好ましい。あるいは、電池を分解して取り出した正極シート表面をEDX分析しても、同様にW分布に顕著な偏差が認められないものであることが好ましい。 “Unevenly distributed” on the primary particle surface with respect to W means that W is distributed (concentrated) more unevenly (concentrated) on the surface (grain boundary) of the primary particles than inside the primary particles. Therefore, it does not mean only an aspect in which W exists only at the grain boundary (in other words, does not exist at all inside the primary particle). The presence of W on the surface of the primary particles is not limited to the above XPS, but can be applied to the surface of the active material particles using, for example, energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX: Energy Dispersive X-ray Spectroscopy). And the mapping result shows that W is concentrated and present at the grain boundary (the amount of W present per area at the grain boundary is larger than that inside the primary particle). it can. The position of the grain boundary (primary particle surface) can be grasped by, for example, observation of a cross section of the positive electrode active material particles by a transmission electron microscope (TEM). For this observation, a TEM equipped with EDX can be preferably used. At the same time, the positive electrode active material is preferably one in which no significant deviation (agglomerate or the like) is observed in the element distribution of W at the grain boundary (primary particle surface) by EDX image observation. Alternatively, it is preferable that, even when the surface of the positive electrode sheet taken out by disassembling the battery is subjected to EDX analysis, a remarkable deviation is not recognized in the W distribution.
そしてここに開示される導電材としては、一次粒子が集まった凝集体の形態を有しており、該凝集体の平均粒径が9μm未満の範囲(例えば、2μm〜8μmの範囲)で適切に制御されたものを用いるようにしている。凝集体の平均粒径を上記範囲で制御することで、正極活物質層中の導電材の分散度を高めるとともに、正極及び導電材と電解質中のガス発生添加剤との反応場を所望の広さに制御し得る。 And as a conductive material disclosed here, it has the form of the aggregate which primary particles gathered, and the average particle diameter of this aggregate is suitably in the range of less than 9 micrometers (for example, the range of 2 micrometers-8 micrometers). The controlled one is used. By controlling the average particle size of the aggregate within the above range, the dispersion degree of the conductive material in the positive electrode active material layer is increased, and the reaction field between the positive electrode, the conductive material, and the gas generating additive in the electrolyte is increased as desired. It can be controlled.
すなわち、凝集体の平均粒径が大きすぎる(例えば、平均粒径8μm以下)場合には、導電材と活物質との接点が少なく、良好な接触状態を得ることができないために、正極活物質の電子供給性が劣ってしまう。また、導電材自体の表面積も少なくなる。これらは、延いては、ガス発生添加剤の酸化分解の反応性を低下させることに繋がり得る。すなわち、ガス発生添加剤が正極活物質の表面で酸化分解される量が減るとともに、ガス発生添加剤と導電材との反応場が少なくなってしまう。したがって、過充電時においてもガスは発生され難くなる。 That is, when the average particle size of the aggregate is too large (for example, the average particle size is 8 μm or less), there are few contacts between the conductive material and the active material, and a good contact state cannot be obtained. The electron supply performance is inferior. Also, the surface area of the conductive material itself is reduced. These can in turn lead to a decrease in the oxidative decomposition reactivity of the gas generating additive. That is, the amount by which the gas generating additive is oxidatively decomposed on the surface of the positive electrode active material is reduced, and the reaction field between the gas generating additive and the conductive material is reduced. Therefore, gas is hardly generated even during overcharge.
一方で、凝集体の平均粒径が小さすぎる(例えば、平均粒径2μm以下)場合には、正極活物質粒子および導電材粒子によって形成される正極活物質層中の空隙(間隙)の繋がりが悪くなるため、この空隙への電解質の浸透および電解質イオンの移動が阻害され易い状態となる。これは、正極活物質および導電材の表面への過充電添加材の供給や、過充電添加材が酸化分解してできる反応生成物の正極活物質層からの抜けを滞らせ、正極におけるガス発生添加剤の酸化分解反応の進行を妨げるものとなり得る。したがって、過充電時においてもガスは発生され難くなる。 On the other hand, when the average particle size of the aggregate is too small (for example, an average particle size of 2 μm or less), there is a connection between voids (gaps) in the positive electrode active material layer formed by the positive electrode active material particles and the conductive material particles. Since it worsens, it will be in the state which is easy to inhibit the penetration | invasion of the electrolyte to this space | gap, and the movement of electrolyte ion. This is because the supply of overcharge additive to the surface of the positive electrode active material and the conductive material, and the reaction product formed by oxidative decomposition of the overcharge additive from the positive electrode active material layer is delayed, and gas generation at the positive electrode This may hinder the progress of the oxidative decomposition reaction of the additive. Therefore, gas is hardly generated even during overcharge.
凝集体の平均粒径を上記範囲で適切に制御することで、過充電時に電流遮断機構を作動させ得るガス発生量を確保することができる。このような凝集体の平均粒径としては、正極活物質の表面のW濃度にもよるため一概には言えないが、例えば、具体的には、2.5μm〜7.8μmの範囲とすることが好ましく、より限定的には、3.0μm〜4.5μmの範囲とすることが好ましい。 By appropriately controlling the average particle size of the aggregate within the above range, it is possible to ensure the amount of gas generated that can activate the current interruption mechanism during overcharge. The average particle size of such an aggregate cannot be generally specified because it depends on the W concentration on the surface of the positive electrode active material. For example, specifically, the average particle size is in the range of 2.5 μm to 7.8 μm. Is more preferable, and more preferably in the range of 3.0 μm to 4.5 μm.
かかる導電材としては、良導電性を示すものであれば、その材質等は特に制限されずに各種の材料を用いることができる。例えば、種々のカーボンブラック(例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック)、グラファイト粉末等のカーボン粉末を好適に用いることができる。これらは、一種を用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。そして、このような導電材は、特に限定するものではないが、正極活物質100質量%に対して、例えば1〜20質量%、好ましくは5〜15質量%の割合で配合することが例示される。 As the conductive material, any material can be used without particular limitation as long as it exhibits good conductivity. For example, carbon powders such as various carbon blacks (for example, acetylene black, furnace black, ketjen black) and graphite powder can be suitably used. These may use 1 type and may use 2 or more types together. And although such a conductive material is not particularly limited, it is exemplified that it is blended at a rate of, for example, 1 to 20% by mass, preferably 5 to 15% by mass with respect to 100% by mass of the positive electrode active material. The
バインダは、正極活物質層に含まれる上記正極活物質と導電材の各粒子を結着したり、これらの粒子と正極集電体とを結着したりする働きを有する。かかるバインダとしては、従来からリチウム二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。典型的には、正極活物質層を形成する際に使用する溶媒に応じた各種のポリマー材料を好適に用いることができる。 The binder has a function of binding each particle of the positive electrode active material and the conductive material contained in the positive electrode active material layer, or binding these particles and the positive electrode current collector. As such a binder, one kind or two or more kinds of substances conventionally used in lithium secondary batteries can be used without any particular limitation. Typically, various polymer materials corresponding to the solvent used when forming the positive electrode active material layer can be suitably used.
例えば、水系の溶媒を用いて正極活物質層を形成する場合には、水に溶解または分散するポリマー材料を好ましく採用し得る。かかるポリマー材料としては、セルロース系ポリマー、フッ素系樹脂、酢酸ビニル共重合体、ゴム類等が例示される。より具体的には、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)等が挙げられる。また、溶剤系の溶媒(典型的には、分散媒の主成分が有機溶媒である溶剤系組成物)を用いて正極活物質層を形成する場合には、有機溶剤に分散または溶解するポリマー材料を好ましく採用し得る。かかるポリマー材料としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリ塩化ビニリデン(PVdC)、ポリエチレンオキサイド(PEO)等が挙げられる。 For example, when the positive electrode active material layer is formed using an aqueous solvent, a polymer material that is dissolved or dispersed in water can be preferably used. Examples of such polymer materials include cellulose polymers, fluorine resins, vinyl acetate copolymers, rubbers, and the like. More specifically, carboxymethylcellulose (CMC), hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), polyvinyl alcohol (PVA), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), styrene butadiene rubber (SBR), acrylic acid-modified SBR resin (SBR latex), and the like. In addition, when the positive electrode active material layer is formed using a solvent-based solvent (typically a solvent-based composition in which the main component of the dispersion medium is an organic solvent), a polymer material that is dispersed or dissolved in the organic solvent Can be preferably employed. Examples of the polymer material include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinylidene chloride (PVdC), polyethylene oxide (PEO), and the like.
このようなバインダは、特に限定するものではないが、正極活物質100質量%に対して、例えば0.5〜30質量%、好ましくは0.5〜20質量%、より好ましくは1〜10質量%の割合で配合することが例示される。
なお、バインダとして例示したポリマー材料は、バインダとしての機能の他に、正極活物質層を形成するために調製する正極活物質層形成用ペースト(以下、単にペーストという場合もある)の増粘剤その他の添加剤としての機能を発揮する目的で使用されることもあり得る。また、このバインダに、後述の過充電時にガスを発生させるガス発生添加剤(例えば、リン酸塩や炭酸塩(典型的には、炭化水素化合物であり得る。)等を予め含有させておいてもよい。
Although such a binder is not specifically limited, For example, 0.5-30 mass% with respect to 100 mass% of positive electrode active materials, Preferably it is 0.5-20 mass%, More preferably, it is 1-10 mass. It is exemplified to be blended at a ratio of%.
In addition to the function as a binder, the polymer material exemplified as the binder is a thickener for a positive electrode active material layer forming paste (hereinafter sometimes simply referred to as a paste) prepared to form a positive electrode active material layer. It may be used for the purpose of exhibiting the function as another additive. In addition, a gas generating additive (for example, a phosphate or a carbonate (typically a hydrocarbon compound)) or the like that generates gas at the time of overcharge described later may be included in the binder in advance. Also good.
また、上記の正極の調製に用いる溶媒としては、水性溶媒(水系溶媒)および非水溶媒(溶剤系溶媒)の何れも使用することができる。水性溶媒としては、水または水を主体とする混合溶媒を用いた組成物が例示される。混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶媒(低級アルコール、低級ケトン等)の一種又は二種以上を適宜選択して用いることができる。非水溶媒の好適な例としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。 Moreover, as a solvent used for preparation of said positive electrode, both an aqueous solvent (aqueous solvent) and a nonaqueous solvent (solvent solvent) can be used. Examples of the aqueous solvent include water and a composition using a mixed solvent mainly composed of water. As a solvent other than water constituting the mixed solvent, one or two or more organic solvents (lower alcohol, lower ketone, etc.) that can be uniformly mixed with water can be appropriately selected and used. Preferable examples of the non-aqueous solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP).
負極は、典型的には、負極活物質とバインダと、必要に応じて導電材とを含むペースト状の負極活物質層形成用組成物を負極集電体上に供給して負極活物質層を形成することで用意される。
負極集電体としては、従来よりリチウム二次電池用の負極集電体と同様、導電性の良好な金属または樹脂等からなる導電性部材を用いることができる。例えば、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等を主体とする棒状体、板状体、箔状体、網状体等を用いることができる。他にも、例えば、負極集電体としては、ポリプロピレンフィルムに銅を蒸着させたフィルム材等を用いることができる。
The negative electrode typically has a negative electrode active material layer formed by supplying a negative electrode active material layer forming composition containing a negative electrode active material, a binder, and, if necessary, a conductive material onto a negative electrode current collector. Prepared by forming.
As the negative electrode current collector, a conductive member made of a highly conductive metal or resin or the like can be used as in the conventional negative electrode current collector for lithium secondary batteries. For example, a rod-like body, a plate-like body, a foil-like body, a net-like body or the like mainly composed of copper, nickel, titanium, stainless steel, or the like can be used. In addition, for example, as the negative electrode current collector, a film material obtained by depositing copper on a polypropylene film can be used.
負極活物質としては、従来からリチウムイオン電池に用いられる材料の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。例えば、少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む粒子状の炭素材料(カーボン粒子)が挙げられる。より具体的には、負極活物質は、例えば、天然黒鉛、黒鉛質(グラファイト)、難黒鉛化炭素質(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質(ソフトカーボン)、または、これらを組み合わせた炭素材料や、これらの炭素材料の表面の少なくとも一部を非晶質炭素材料で被覆したもの等であってよい。また、例えば、Si、Ge、Sn、Pb、Al、Ga、In、As、Sb、Bi等を構成金属元素とする金属化合物(好ましくは、シリサイドまたは金属酸化物)などとしても良い。また、負極活物質粒子として、LTO(チタン酸リチウム)を用いることもできる。金属化合物からなる負極活物質については、例えば、炭素被膜によって、金属化合物の表面を充分に被覆し、導電性に優れた粒状体として用いてもよい。この場合、負極活物質層に導電材を含有させなくてもよいし、従来よりも下記の導電材の含有率を低減させてもよい。これらの負極活物質の付加的な態様や、粒径等の形態は、所望の特性に応じて適宜に選択することができる。 As the negative electrode active material, one type or two or more types of materials conventionally used in lithium ion batteries can be used without any particular limitation. For example, a particulate carbon material (carbon particles) including a graphite structure (layered structure) at least in part. More specifically, the negative electrode active material is, for example, natural graphite, graphite (graphite), non-graphitizable carbon (hard carbon), graphitizable carbon (soft carbon), or a carbon material combining these Alternatively, at least a part of the surface of these carbon materials may be coated with an amorphous carbon material. Further, for example, a metal compound (preferably silicide or metal oxide) having Si, Ge, Sn, Pb, Al, Ga, In, As, Sb, Bi, or the like as a constituent metal element may be used. Moreover, LTO (lithium titanate) can also be used as the negative electrode active material particles. About the negative electrode active material which consists of a metal compound, the surface of a metal compound may be fully coat | covered with a carbon film, for example, and you may use as a granular material excellent in electroconductivity. In this case, the negative electrode active material layer may not contain a conductive material, and the content rate of the following conductive material may be reduced as compared with the conventional case. The additional aspect of these negative electrode active materials and forms, such as a particle size, can be suitably selected according to a desired characteristic.
負極活物質層およびその調製に用いるバインダ、溶媒、増粘剤としては、上記正極活物質層におけるバインダ、溶媒、増粘剤として例示した各種の材料を同様に用いることができる。また、負極活物質100質量部に対するバインダの使用量は、例えば0.5〜10質量部、好ましくは1〜5質量部とすることができる。
なお、導電材を用いる場合は、上記正極活物質層の形成において用いた導電材と同様のものを用いることができるが、その形状やサイズ等については特に制限されず、適宜に設定することができる。この場合の導電材の使用量は、負極活物質100質量部に対しておよそ1〜30質量部、好ましくは、およそ2〜20質量部、例えば5〜10質量部とすることができる。
As the negative electrode active material layer and the binder, solvent, and thickener used for the preparation thereof, various materials exemplified as the binder, solvent, and thickener in the positive electrode active material layer can be similarly used. Moreover, the usage-amount of a binder with respect to 100 mass parts of negative electrode active materials can be 0.5-10 mass parts, for example, Preferably it can be 1-5 mass parts.
Note that when a conductive material is used, the same conductive material as that used in the formation of the positive electrode active material layer can be used, but the shape, size, and the like are not particularly limited and may be set as appropriate. it can. In this case, the amount of the conductive material used is approximately 1 to 30 parts by mass, preferably approximately 2 to 20 parts by mass, for example 5 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material.
上記のとおり活物質層形成用組成物を集電体の片面または両面に所定の量で供給して電極活物質層を形成した後は、例えば、乾燥し、適宜プレス処理(例えば、ロールプレス法、平板プレス法等の従来公知の各種プレス方法を採用することができる。)を施すことによって、電極活物質層の厚みや密度を調整することができる。 After forming the electrode active material layer by supplying a predetermined amount of the composition for forming an active material layer to one or both sides of the current collector as described above, for example, it is dried and appropriately pressed (for example, a roll press method). In addition, various conventionally known pressing methods such as a flat plate pressing method can be employed.), And the thickness and density of the electrode active material layer can be adjusted.
ここに開示されるリチウム二次電池は、上記正極および負極を積層することで電極体を作製し、ガス発生添加剤を含む電解質ととともに適切な電池ケースに収容して構築される。なお、ここに開示されるリチウム二次電池の代表的な構成では、正極と負極との間にセパレータが介在される。 The lithium secondary battery disclosed herein is constructed by laminating the positive electrode and the negative electrode to produce an electrode body and housing it in an appropriate battery case together with an electrolyte containing a gas generating additive. In the typical configuration of the lithium secondary battery disclosed herein, a separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode.
セパレータは、正極と負極とを絶縁するとともに、両電極間の電解質の移動を許容する部材である。この要件を満たすものであれば、セパレータの基体を構成する材料については本質的に限定されない。そして、このようなセパレータとしては、従来と同様のセパレータを用いることができる。代表的には、リチウムイオンが移動できる程度の微細な細孔を有する多孔質体、不織布状体、布状体等とすることができる。例えば、樹脂からなる多孔性シート(微多孔質樹脂シート)を好ましく用いることができる。かかる多孔性シートの構成材料としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリスチレン等のポリオレフィン系樹脂が好ましい。特に、PEシート、PPシート、PE層とPP層とが積層された二層構造シート、二層のPP層の間に一層のPE層が挟まれた態様の三層構造シート、等の多孔質ポリオレフィンシートを好適に使用し得る。特に限定されるものではないが、セパレータ基材として用いられる好ましい多孔質シート(典型的には多孔質樹脂シート)の性状として、平均孔径が0.001μm〜30μm程度であり、厚みが5μm〜100μm(より好ましくは10μm〜30μm)程度である多孔質樹脂シートが例示される。該多孔質シートの気効率(空隙率)は、例えば凡そ20〜90体積%(好ましくは30〜80体積%)程度であり得る。なお、固体状の電解質を用いたリチウム二次電池(リチウムポリマー電池)では、上記電解質がセパレータを兼ねる構成としてもよい。 The separator is a member that insulates the positive electrode and the negative electrode and allows the electrolyte to move between the two electrodes. As long as this requirement is satisfied, the material constituting the separator substrate is not essentially limited. And as such a separator, the separator similar to the past can be used. Typically, a porous body, a nonwoven fabric, a cloth, or the like having fine pores that can move lithium ions can be used. For example, a porous sheet made of resin (a microporous resin sheet) can be preferably used. As a constituent material of such a porous sheet, polyolefin resins such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), and polystyrene are preferable. In particular, a porous sheet such as a PE sheet, a PP sheet, a two-layer structure sheet in which a PE layer and a PP layer are laminated, and a three-layer structure sheet in which one PE layer is sandwiched between two PP layers. A polyolefin sheet can be suitably used. Although it is not particularly limited, preferred porous sheets (typically porous resin sheets) used as the separator base material have an average pore diameter of about 0.001 μm to 30 μm and a thickness of 5 μm to 100 μm. Examples of the porous resin sheet are (more preferably 10 μm to 30 μm). The air efficiency (porosity) of the porous sheet can be, for example, about 20 to 90% by volume (preferably 30 to 80% by volume). Note that in a lithium secondary battery (lithium polymer battery) using a solid electrolyte, the electrolyte may also serve as a separator.
ここで用いられる電解質には、従来のリチウム二次電池に用いられる非水電解質と同様の一種または二種以上のものを特に限定なく使用することができる。かかる非水電解質は、典型的には、支持塩としてのリチウム塩を非水系の溶媒(典型的には、有機溶媒)中に含んだものである。リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N、LiCFSO等が例示される。これらリチウム塩は、一種のみを単独で、または二種以上を組み合わせて用いることができる。電解質濃度は特に制限されないが、リチウム塩をおよそ0.1mol/L〜5mol/L(好ましくは、およそ0.8mol/L〜1.5mol/L)程度の濃度で含有する非水電解質を好ましく用いることができる。また、かかる液状電解質にポリマーが添加された固体状(ゲル状)の電解質であってもよい。 As the electrolyte used here, one kind or two or more kinds similar to the non-aqueous electrolyte used in the conventional lithium secondary battery can be used without any particular limitation. Such a non-aqueous electrolyte typically includes a lithium salt as a supporting salt in a non-aqueous solvent (typically an organic solvent). Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, LiCFSO, and the like. These lithium salts can be used alone or in combination of two or more. The electrolyte concentration is not particularly limited, but a nonaqueous electrolyte containing a lithium salt at a concentration of about 0.1 mol / L to 5 mol / L (preferably about 0.8 mol / L to 1.5 mol / L) is preferably used. be able to. Further, it may be a solid (gel) electrolyte in which a polymer is added to the liquid electrolyte.
該非水溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の非プロトン性溶媒を用いることができる。例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、1,3−ジオキソラン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等が例示される。また、該電解質としては、例えばLiPF6、LiBF4、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiC(SO2CF3)3、LiClO4等が例示される。 As the non-aqueous solvent, aprotic solvents such as carbonates, esters, ethers, nitriles, sulfones, and lactones can be used. For example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, Examples include 2-methyltetrahydrofuran, dioxane, 1,3-dioxolane, diethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, acetonitrile, propionitrile, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, and γ-butyrolactone. Examples of the electrolyte include LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiClO 4 and the like are exemplified.
そしてここに開示されるチリウム二次電池においては、上記電解質に、炭化水素化合物からなるガス発生添加剤を含んでいる。かかるガス発生添加剤としては、酸化電位がリチウム二次電池の稼動電圧以上(例えば、4.2Vで満充電となるリチウム二次電池の場合は、4.2V以上)であって、酸化されると大量のガスを発生するような化合物であれば特に限定なく用いることができるが、酸化電位が電池の稼動電圧と近接していると通常の稼動電圧においても局所的な電圧上昇等で徐々に分解するおそれがある。一方、分解電圧が4.9V以上になると、添加剤の酸化分解によるガス発生の前に、非水電解質の主成分及び電極材料の反応により熱暴走を生じるおそれがある。従って、4.2Vで満充電状態となるリチウム二次電池においては、酸化反応電位が4.6V以上4.9V以下の範囲のものが好ましく用いられる。より好ましくは、芳香族炭化水素化合物からなるガス発生添加剤である。このようなものとして、例えば、ビフェニル化合物、シクロアルキルベンゼン化合物、アルキルベンゼン化合物、有機リン化合物、フッ素原子置換芳香族化合物、カーボネート化合物、環状カルバメート化合物、脂環式炭化水素等が挙げられる。より具体的には、ビフェニル(BP)、アルキルビフェニル、ターフェニル、2−フルオロビフェニル、3−フルオロビフェニル、4−フルオロビフェニル、4,4’−ジフルオロビフェニル、シクロヘキシルベンゼン(CHB)、trans−ブチルシクロヘキシルベンゼン、シクロペンチルベンゼン、t−ブチルベンゼン、t−アミノベンゼン、o−シクロヘキシルフルオロベンゼン、p−シクロヘキシルフルオロベンゼン、トリス−(t−ブチルフェニル)ホスフェート、フェニルフルオライド、4−フルオロフェニルアセテート、ジフェニルカーボネート、メチルフェニルカーボネート、ビスターシャリーブチルフェニルカーボネート、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等が挙げられる。特に、シクロヘキシルベンゼン(CHB)、シクロヘキシルベンゼン誘導体およびビフェニル(BP)が例示される。使用する電解質100質量%に対する過充電防止剤の使用量は、例えばおよそ0.01〜10質量%、好ましくは0.1〜5質量%程度とすることができる。 In the thirium secondary battery disclosed herein, the electrolyte contains a gas generating additive made of a hydrocarbon compound. As such a gas generating additive, the oxidation potential is higher than the operating voltage of the lithium secondary battery (for example, 4.2 V or higher in the case of a lithium secondary battery that is fully charged at 4.2 V) and is oxidized. Any compound that generates a large amount of gas can be used without any particular limitation. However, if the oxidation potential is close to the operating voltage of the battery, the local operating voltage gradually increases due to a local voltage increase. There is a risk of disassembly. On the other hand, when the decomposition voltage is 4.9 V or more, there is a possibility that thermal runaway may occur due to the reaction of the main component of the nonaqueous electrolyte and the electrode material before gas generation due to oxidative decomposition of the additive. Accordingly, a lithium secondary battery that is fully charged at 4.2 V preferably has an oxidation reaction potential in the range of 4.6 V or more and 4.9 V or less. More preferably, the gas generating additive is an aromatic hydrocarbon compound. Examples of such compounds include biphenyl compounds, cycloalkylbenzene compounds, alkylbenzene compounds, organic phosphorus compounds, fluorine atom-substituted aromatic compounds, carbonate compounds, cyclic carbamate compounds, and alicyclic hydrocarbons. More specifically, biphenyl (BP), alkylbiphenyl, terphenyl, 2-fluorobiphenyl, 3-fluorobiphenyl, 4-fluorobiphenyl, 4,4′-difluorobiphenyl, cyclohexylbenzene (CHB), trans-butylcyclohexyl Benzene, cyclopentylbenzene, t-butylbenzene, t-aminobenzene, o-cyclohexylfluorobenzene, p-cyclohexylfluorobenzene, tris- (t-butylphenyl) phosphate, phenyl fluoride, 4-fluorophenyl acetate, diphenyl carbonate, Examples thereof include methyl phenyl carbonate, bicterary butyl phenyl carbonate, diphenyl ether, dibenzofuran and the like. In particular, cyclohexylbenzene (CHB), cyclohexylbenzene derivatives and biphenyl (BP) are exemplified. The usage-amount of the overcharge inhibitor with respect to 100 mass% of electrolytes to be used can be about 0.01-10 mass%, for example, Preferably it is about 0.1-5 mass%.
ここで用いられる電池ケースとしては、従来のリチウム二次電池に用いられる材料や形状を用いることができる。材質としては、例えばアルミニウム、スチール等の比較的軽量な金属材や、PPS、ポリイミド樹脂等の樹脂材料が挙げられる。また、形状(容器の外形)としては特に限定されず、例えば、円筒型、角型、直方体型、コイン型、袋体型(典型的には、ラミネートセル)等の形状であり得る。そしてこの電池ケースは、該ケース内の内圧が所定レベルを超えた場合に正極および負極間の電気的接続を断つ電流遮断機構を有している。かかる電流遮断機構としては、特にその構成に制限はないが、例えば、通常使用時は該ケースの内部と外部とのガスの流通を阻止し、過充電時等にケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際に変形し、正極および負極間の電気的接続を遮断し得る構成のものを好ましく採用することができる。 As a battery case used here, the material and shape which are used for the conventional lithium secondary battery can be used. Examples of the material include relatively light metal materials such as aluminum and steel, and resin materials such as PPS and polyimide resin. The shape (outer shape of the container) is not particularly limited, and may be, for example, a cylindrical shape, a rectangular shape, a rectangular parallelepiped shape, a coin shape, a bag shape (typically a laminate cell), or the like. The battery case has a current interrupt mechanism that disconnects the electrical connection between the positive electrode and the negative electrode when the internal pressure in the case exceeds a predetermined level. Such a current interrupting mechanism is not particularly limited in its configuration. For example, during normal use, the gas flow between the inside and the outside of the case is prevented, and the internal pressure in the case becomes a predetermined level during overcharging. A structure that can be deformed when it exceeds the upper limit and that can cut off the electrical connection between the positive electrode and the negative electrode can be preferably employed.
以下、ここに開示されるリチウム二次電池の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。この実施形態では、角型形状のリチウム二次電池について説明しているが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、正極および負極を備えた電極体の構成および製造方法、セパレータや電解質の構成および製造方法、リチウム二次電池その他の電池の構築に係る一般的技術等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。 Hereinafter, an embodiment of a lithium secondary battery disclosed herein will be described with reference to the drawings. In this embodiment, a square-shaped lithium secondary battery is described, but the present invention is not intended to be limited to this embodiment. Further, matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and matters necessary for carrying out the present invention (for example, the configuration and manufacturing method of an electrode body including a positive electrode and a negative electrode, the configuration and manufacturing of a separator and an electrolyte) General techniques related to the construction of a method, a lithium secondary battery, and other batteries) can be understood as design matters of a person skilled in the art based on the prior art in this field. In addition, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected to the member and site | part which show | plays the same effect | action, and the overlapping description may be abbreviate | omitted or simplified. In addition, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect actual dimensional relationships.
図1は、リチウム二次電池100を示している。このリチウム二次電池100は、正極10および負極20からなる捲回電極体80と、図示しない炭化水素化合物からなるガス発生添加剤を含む非水電解質と、電池ケース50とを備えている。また、図2は捲回電極体80を示す図である。図3は、図2中のIII−III断面を示している。
電池ケース50は、上端が開放された扁平な直方体状のケース本体52と、その開口部を塞ぐ蓋体54とを備える。電池ケース50を構成する材質としては、アルミニウム、スチール等の金属材料が好ましく用いられる(本実施形態ではアルミニウム)。あるいは、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリイミド樹脂等の樹脂材料を成形してなる電池ケース50であってもよい。電池ケース50の上面(すなわち蓋体54)には、捲回電極体80の正極10と電気的に接続する正極端子70と、該電極体80の負極20と電気的に接続する負極端子72とが設けられている。
FIG. 1 shows a lithium
The
電池ケース50の内部には、電池ケースの内圧上昇により作動する電流遮断機構30が設けられている。電流遮断機構30は、電池ケース50の内圧がガス発生添加剤に起因するガス発生により上昇した場合に、少なくとも一方の電極端子から電極体80に至る導電経路を切断することで充電電流を遮断し得るように構成されている。この実施形態では、電流遮断機構30は、蓋体54に固定した正極端子70と電極体80との間に設けられ、電池ケース50の内圧が上昇した場合に正極端子70から電極体80に至る導電経路を切断するように構成されている。
Inside the
上記電流遮断機構30は、第一部材32と第二部材34とからなる導通部材を含んでいる。そして、電池ケース50の内圧が上昇した場合に第一部材32および第二部材34の少なくとも一方(ここでは第一部材32)が変形して他方から離隔することにより、上記導電経路を切断するように構成されている。この実施形態では、第一部材32は変形金属板32であり、第二部材34は接合点36において上記変形金属板32に接合された接続金属板34である。変形金属板(第一部材)32は、中央部分が下方へ湾曲したアーチ形状を有し、その周縁部分が集電リード端子35を介して正極端子70の下面と接続されている。また、変形金属板32の湾曲部分33の先端が接続金属板34の上面と接合されている。接続金属板34の下面(裏面)には正極リード端子74が接合され、かかる正極リード端子74が電極体80の正極シート10に接続されている。このようにして、正極端子70から電極体80に至る導電経路が形成されている。
The current interrupt
また、電流遮断機構30は、プラスチック等により形成された絶縁ケース38を備えている。絶縁ケース38は、変形金属板32を囲むように設けられ、変形金属板32の上面を気密に密閉している。この気密に密閉された湾曲部分33の上面には、電池ケース50の内圧が作用しない。また、絶縁ケース38は、変形金属板32の湾曲部分33を嵌入する開口部を有しており、該開口部から湾曲部分33の下面を電池ケース50の内部に露出させている。この電池ケース50の内部に露出した湾曲部分33の下面には、電池ケース50の内圧が作用する。
The current interrupt
かかる構成の電流遮断機構30において、電池ケース50の内圧が高まると、該内圧が変形金属板32の湾曲部分33の下面に作用し、下方へ湾曲した湾曲部分33が上方へ押し上げられる。この湾曲部分33の上方への押し上げ力は、電池ケース50の内圧が上昇するに従い増大する。そして、電池ケース50の内圧が設定圧力を超えると、湾曲部分33が上下反転し、上方へ湾曲するように変形する。かかる湾曲部分33の変形によって、変形金属板32と接続金属板34との接合点36が切断される。このことにより、正極端子70から電極体80に至る導電経路が切断され、充電電流が遮断されるようになっている。なお、この実施形態では、内圧上昇時に変形する導通部材32、34が、第一部材32と第二部材34とに分けて構成されている場合を例示したが、これに限定されない。例えば、導通部材が1つの部材であってもよい。また、電流遮断機構30は正極端子70側に限らず、負極端子72側に設けてもよい。また、電流遮断機構30は、上述した変形金属板32の変形を伴う機械的な切断に限定されない。例えば、電池ケース50の内圧をセンサで検知し、該センサで検知した内圧が設定圧力を超えると充電電流を遮断するような外部回路を電流遮断機構として設けることもできる。
In the current interrupt
電池ケース50の内部には、扁平形状の捲回電極体80が図示しない非水電解質とともに収容される。本実施形態に係る捲回電極体80は、上記のとおりのW含有リチウム遷移金属複合酸化物からなる正極活物質およびこれと共に用いられる平均粒径が制御された導電材を用いて正極10が形成されている点を除いては、通常のリチウム二次電池の捲回電極体と同様であり、図2に示すように、捲回電極体80を組み立てる前段階において長尺状(帯状)のシート構造(シート状電極体)82を有している。
A flat
正極シート10は、本実施形態では、長尺状の金属箔からなる正極集電体12の両面に、正極活物質を含む正極活物質層14が保持された構造を有している。ただし、正極活物質層14は正極シート10の幅方向の端辺に沿う一方の側縁(図では左側の側縁部分)には付着されず、正極集電体12を一定の幅にて露出させた正極活物質層非形成部16が形成されている。
In the present embodiment, the
負極シート20も正極シート10と同様に、長尺シート状の箔状の負極集電体(以下「負極集電箔」と称する)22の両面に負極活物質を含む負極活物質層24が保持された構造を有している。ただし、負極活物質層24は負極シート20の幅方向の端辺に沿う一方の側縁(図では右側の側縁部分)には付着されず、負極集電体22を一定の幅にて露出させた負極活物質層非形成部26が形成されている。
Similarly to the
捲回電極体80を作製するに際しては、正極シート10と負極シート20とがセパレータシート40A、40Bを介して積層される。このとき、正極シート10の正極活物質層非形成部分16と負極シート20の負極活物質層非形成部分26とがセパレータシート40A、40Bの幅方向の両側からそれぞれはみ出すように、正極シート10と負極シート20とを幅方向にややずらして重ね合わせる。このとうに重ね合わせた積層体を捲回し、次いで得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平状の捲回電極体80が作製され得る。このようにシートの積層物(シート状電極体)を捲回した後に扁平に押しつぶす態様に代えて、例えば上記積層物を当初から扁平な形状(略長円状、楕円形等)に捲回してもよい。
When producing the
捲回電極体80の捲回軸方向における中央部分には、正極シート10の正極活物質層14と負極シート20の負極活物質層24とセパレータシート40A、40Bとが密に積層された部分(捲回コア部分)が形成される。また、捲回電極体80の捲回軸方向の両端部では、正極シート10および負極シート20の電極活物質層非形成部分16、26の一部がそれぞれ捲回コア部分から外方にはみ出ている。このはみ出した電極活物質層非形成部分16、26に、正極リード端子74および負極リード端子76がそれぞれ付設されて、上述の正極端子70および負極端子72とそれぞれ電気的に接続される。
In the central portion of the
かかる構成のリチウム二次電池によると、正極活物質としてWを含む(例えば、表面にWが偏在する形態であり得る。)リチウム遷移金属複合酸化物を用いているため、出力特性およびサイクル特性等の保存特性が大きく向上されている。その一方で、正極活物質層に含まれる導電材の凝集体の平均粒径を、9μm未満の範囲で適切に制御しているため、ガス発生添加剤の添加量や正極活物質層中の導電材量(即ち、正極活物質層中の導電材の組成比率)の変更を要することなく、過充電時に電池ケース内において必要量のガスを発生させることができる。したがって、例えば、比較的高温で60日保存後の容量維持率が80%以上となるような優れた保存特性が得られるとともに、過充電時の安全性および保存特性の両方を確保することができる。 According to the lithium secondary battery having such a configuration, since the lithium transition metal composite oxide containing W as the positive electrode active material (for example, W may be unevenly distributed on the surface) is used, output characteristics, cycle characteristics, etc. The storage characteristics of have been greatly improved. On the other hand, since the average particle diameter of the aggregate of the conductive material contained in the positive electrode active material layer is appropriately controlled within a range of less than 9 μm, the amount of the gas generating additive added and the conductivity in the positive electrode active material layer A required amount of gas can be generated in the battery case during overcharge without changing the amount of material (that is, the composition ratio of the conductive material in the positive electrode active material layer). Therefore, for example, excellent storage characteristics such that the capacity retention rate after storage for 60 days at a relatively high temperature is 80% or more can be obtained, and both safety and storage characteristics during overcharge can be ensured. .
このようなリチウム二次電池100は、上述したように、過充電時の安全性および保存特性を両立していることから、例えば、駆動用モータを備える自動車における上記モータの駆動用電源等として用いることでその特徴を十分に発揮し得る。例えば、図4に示したように、ここに開示されるリチウム二次電池100は、ハイレートでの入出力特性が求められる駆動用モータの駆動用電源(典型的には、ハイブリッド車両の駆動用電源)として好適であり、本発明は、ここで開示されるリチウム二次電池100(組電池の形態であり得る。)を備える車両(例えば自動車)1が、好適に提供される。
As described above, such a lithium
以下、本発明に関するいくつかの実施例を示し、本発明についてさらに説明する。ただし、本発明がこれらの例に限定されることがないことは言うまでもない。 Hereinafter, some examples of the present invention will be shown to further explain the present invention. However, it goes without saying that the present invention is not limited to these examples.
[正極]
<サンプル1>
正極活物質として、一般式:Li1.15Mn0.33Co0.33Ni0.33O2で表わされる組成のリチウムマンガン系複合酸化物を用意した。即ち、ビーカーに純水を入れ、リチウム源としての酢酸リチウム・二水和物〔Li(CH3COO)・2H2O〕と、マンガン源としての酢酸マンガン(II)・四水和物〔Mn(CH3COO)2・4H2O〕と、ニッケル源としての酢酸ニッケル(II)・四水和物〔Ni(CH3COO)2・4H2O〕と、コバルト源としての酢酸コバルト(II)・四水和物〔Co(CH3COO)2・4H2O〕と、マンガン源としての酢酸マンガン(II)・四水和物〔Mn(CH3COO)2・4H2O〕、ジルコニウム源としての酢酸ジルコニウム〔Zr(CH3CO2)n〕およびグリコール酸を、上記組成物を形成するに適した所定の割合で添加して溶解混合した。次いでこれを酢酸によりpH1.8に調製し、80℃のオイルバスに一晩かけて水を蒸発させた。その後、600℃で5時間の焼成を行い、乳鉢にて粉砕したのち、さらに900℃で5時間焼成した。
[Positive electrode]
<Sample 1>
A lithium manganese composite oxide having a composition represented by the general formula: Li 1.15 Mn 0.33 Co 0.33 Ni 0.33 O 2 was prepared as a positive electrode active material. Namely, pure water is put into a beaker, lithium acetate dihydrate [Li (CH 3 COO) · 2H 2 O] as a lithium source, and manganese (II) acetate tetrahydrate as a manganese source [Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O], nickel acetate (II) tetrahydrate as a nickel source [Ni (CH 3 COO) 2 .4H 2 O], and cobalt acetate (II ) Tetrahydrate [Co (CH 3 COO) 2 .4H 2 O] and manganese acetate (II) tetrahydrate as a manganese source [Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O], zirconium Zirconium acetate [Zr (CH3CO2) n] as a source and glycolic acid were added at a predetermined ratio suitable for forming the above composition and mixed by dissolution. This was then adjusted to pH 1.8 with acetic acid and the water was evaporated overnight in an 80 ° C. oil bath. Then, after baking at 600 degreeC for 5 hours and grind | pulverizing in a mortar, it further baked at 900 degreeC for 5 hours.
<サンプル2〜6>
正極活物質として、粒子表面にWが偏析したリチウム含有複合酸化物を用意した。
すなわち、まず、窒素気流下、40℃で、3.25%水酸化ナトリウム水溶液と25%アンモニア水とを適量ずつ加え、液温25℃におけるpHが12.0、液相のアンモニア濃度が20g/Lとなるように調整して、塩基性水溶液を得た。なお、反応容器内の酸素濃度は2.0%程度であった。
<Samples 2-6>
As a positive electrode active material, a lithium-containing composite oxide having W segregated on the particle surface was prepared.
That is, first, an appropriate amount of 3.25% aqueous sodium hydroxide and 25% aqueous ammonia was added at 40 ° C. under a nitrogen stream, the pH at the liquid temperature of 25 ° C. was 12.0, and the ammonia concentration in the liquid phase was 20 g / The basic aqueous solution was obtained by adjusting to L. The oxygen concentration in the reaction vessel was about 2.0%.
次に、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガン、硫酸ジルコニウムを、これらの元素モル比Ni:Co:Mnが0.33:0.33:0.33となり、これら遷移金属の合計濃度が1.8mol/Lとなるように塩基性水溶液に溶解させて、NiCoMn水溶液を調製した。
また、窒素気流下、40℃で、パラタングステン酸アンモニウムを水に溶解させ、タングステン(W)濃度が0.05mol/LのW水溶液を調製した。
Next, nickel sulfate, cobalt sulfate, manganese sulfate, and zirconium sulfate have an element molar ratio Ni: Co: Mn of 0.33: 0.33: 0.33, and the total concentration of these transition metals is 1.8 mol. / L was dissolved in a basic aqueous solution to prepare a NiCoMn aqueous solution.
Further, ammonium paratungstate was dissolved in water at 40 ° C. under a nitrogen stream to prepare a W aqueous solution having a tungsten (W) concentration of 0.05 mol / L.
このように調製したNiCoMnZr水溶液およびW水溶液を、上記塩基性水溶液にpHを12.0に維持しながら添加・混合して、構成元素としてNi、Co、Mn、Wを含む水酸化物(前駆体)を得た。なお、NiCoMnZr水溶液とW水溶液の割合は5段階で変化させた。この水酸化物粒子を、温度150℃の大気雰囲気中で12時間加熱した。 The thus prepared NiCoMnZr aqueous solution and W aqueous solution were added to and mixed with the above basic aqueous solution while maintaining the pH at 12.0, and a hydroxide (precursor) containing Ni, Co, Mn, and W as constituent elements. ) The ratio of the NiCoMnZr aqueous solution and the W aqueous solution was changed in five stages. The hydroxide particles were heated in an air atmosphere at a temperature of 150 ° C. for 12 hours.
上記水酸化物中の全遷移金属(すなわち、Ni,Co,Mn,W)のモル数の合計をMとして、該Mに対するリチウムのモル比(Li/M)が1.15となるように、炭酸リチウムを秤量し、上記加熱処理後の水酸化物粒子と混合した。得られた混合物を、酸素21体積%の空気中にて、760℃で4時間焼成した後、950℃で10時間焼成して、一般式:Li1.15Mn0.33XCo0.33XNi0.33XW(1−0.99X)O2で表わされる組成の粒状のリチウム含有複合酸化物を得た。 When the total number of moles of all transition metals (ie, Ni, Co, Mn, W) in the hydroxide is M, the molar ratio of lithium to M (Li / M) is 1.15. Lithium carbonate was weighed and mixed with the hydroxide particles after the heat treatment. The obtained mixture was baked at 760 ° C. for 4 hours in air of 21% by volume of oxygen, and then baked at 950 ° C. for 10 hours to obtain a general formula: Li 1.15 Mn 0.33X Co 0.33X Ni A granular lithium-containing composite oxide having a composition represented by 0.33X W (1-0.99X) O 2 was obtained.
この5通りに調製したリチウム含有複合酸化物について、X線光電子分光分析装置(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)を用いて表面の元素分析を行ったところ、表面のW濃度は、0.4原子%、0.9原子%、1.5原子%、2.1原子%、2.9原子%であった。 The lithium-containing composite oxide prepared in five ways was subjected to surface elemental analysis using an X-ray photoelectron spectrometer (XPS), and the surface W concentration was 0.4 atom. %, 0.9 atomic%, 1.5 atomic%, 2.1 atomic%, and 2.9 atomic%.
導電材としてはアセチレンブラック(AB)を用い、このABの凝集体(2次粒子)の体積基準での累積50%粒径(D50)が2.5μm、4.0μm、7.8μm、8.9μm、10.3μmの5通りのものを用意した。
バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いた。
As the conductive material, acetylene black (AB) is used. The AB aggregate (secondary particles) has a cumulative 50% particle diameter (D50) of 2.5 μm, 4.0 μm, 7.8 μm, and 8. Five types of 9 μm and 10.3 μm were prepared.
As the binder, polyvinylidene fluoride (PVDF) was used.
上記のとおり用意した正極活物質(サンプル1〜6)、導電材(5通り)およびバインダを、これらの材料の質量比が正極活物質:導電材:バインダで表わしたときに93:4:3となるように配合し、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)と混合して、スラリー状の組成物を調製した。この組成物を、集電体としての厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に、両面の合計の目付量が約30mg/cm2(固形分基準)となるように塗布した。これを乾燥後、圧延プレス機によりプレスして、正極活物質層の密度が2.8g/cm3の正極シートを作製した。 When the positive electrode active material (samples 1 to 6), the conductive material (five types), and the binder prepared as described above are expressed in terms of positive electrode active material: conductive material: binder, the mass ratio of these materials is 93: 4: 3. The mixture was mixed with N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare a slurry composition. This composition was applied to both surfaces of a 15 μm-thick aluminum foil as a current collector so that the total basis weight of both surfaces was about 30 mg / cm 2 (based on solid content). This was dried and then pressed by a rolling press to produce a positive electrode sheet having a positive electrode active material layer density of 2.8 g / cm 3 .
[負極]
負極活物質として天然黒鉛を用い、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、これらの材料の質量比が98:1:1となるように配合し、イオン交換水と混合して、スラリー状の組成物を調製した。この組成物を、集電体としての厚さ10μmの銅箔の両面に、両面の合計の目付量が約18.0mg/cm2(固形分基準)となるように塗布した。これを乾燥後、圧延プレス機によりプレスして、負極活物質層の密度が1.4g/cm3の負極シートを作製した。
[Negative electrode]
Natural graphite is used as the negative electrode active material, and styrene butadiene rubber (SBR) as the binder and carboxymethyl cellulose (CMC) as the thickener are blended so that the mass ratio of these materials is 98: 1: 1. And mixed with ion-exchanged water to prepare a slurry-like composition. This composition was applied to both sides of a 10 μm-thick copper foil as a current collector so that the total basis weight of both sides was about 18.0 mg / cm 2 (based on solid content). This was dried and then pressed by a rolling press to produce a negative electrode sheet having a negative electrode active material layer density of 1.4 g / cm 3 .
[評価用セルの作製]
次いで、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを体積比3:4:3の割合で混合した非水溶媒中に、支持塩としてのLiPF6を1mol/Lの濃度となるように加え、さらに、ガス発生添加剤としてのシクロヘキシルベンゼン(CHB)およびビフェニル(BP)を各々の濃度が2質量%となるよう添加して、非水電解質を調製した。
[Production of evaluation cell]
Next, 1 mol / L of LiPF 6 as a supporting salt was added to a non-aqueous solvent in which ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 3: 4: 3. In addition, cyclohexylbenzene (CHB) and biphenyl (BP) as gas generating additives were added so that each concentration was 2% by mass to prepare a nonaqueous electrolyte.
上記正極シートと上記負極シートとを、二枚のセパレータ(PP/PE/PPからなる厚さ20μmの三層構造の微多孔質シート)を介して積層し、長手方向に捲回して電極体を作製した。この電極体を、上記非水電解質とともにラミネート型容器に収容して、評価用セルとしてのリチウムイオン二次電池を構築した。この評価用セルの定格容量は50mAhである。 The positive electrode sheet and the negative electrode sheet are laminated via two separators (a microporous sheet having a three-layer structure of PP / PE / PP and having a thickness of 20 μm), and wound in the longitudinal direction to form an electrode body. Produced. This electrode body was housed in a laminate-type container together with the non-aqueous electrolyte to construct a lithium ion secondary battery as an evaluation cell. The rated capacity of this evaluation cell is 50 mAh.
[コンディショニング]
上記のように構築された評価用セルについて、電解質の注入後、10時間程度放置し、電池電圧が2.0V以上になってからコンディショニング(初期充電)を行なった。ここでは、下記の手順1および手順2の操作を3回繰り返すことでコンディショニングを行った。
[手順1]1Cの定電流(1Cは、満充電状態の電池を1時間で放電終止電圧まで放電させる電流値を意味する。放電時間率と称されることもある。)にて端子間電圧が4.1Vに到達するまで充電(CC充電)した後、5分間休止する。
[手順2]手順1の後、定電圧で1.5時間充電(CV充電)し、5分間休止する。
[conditioning]
The evaluation cell constructed as described above was allowed to stand for about 10 hours after the injection of the electrolyte, and was subjected to conditioning (initial charging) after the battery voltage became 2.0 V or higher. Here, conditioning was performed by repeating the operations of the following procedure 1 and procedure 2 three times.
[Procedure 1] Voltage between terminals at a constant current of 1 C (1 C means a current value that discharges a fully charged battery to a discharge end voltage in 1 hour, sometimes referred to as a discharge time rate). Is charged (CC charge) until it reaches 4.1V, and then rests for 5 minutes.
[Procedure 2] After Procedure 1, charge at a constant voltage for 1.5 hours (CV charge) and rest for 5 minutes.
[60日保存後の容量維持率]
容量維持率(保存後容量維持率)は、コンディショニング後の所定の充電状態に調整した評価用セルを基に評価を行った。すなわち、所定の充電状態に調整した評価用セルの初期容量と、この所定の充電状態に調整された評価用セルを所定環境で所定時間保存した後の容量(以下、適宜に「保存後容量」という。)との比(保存後容量)/(初期容量)から、下記式により、保存後容量維持率を算出するものとした。
「保存後容量維持率(%)」=(保存後容量)/(初期容量)×100
[Capacity maintenance rate after 60 days storage]
The capacity maintenance ratio (capacity maintenance ratio after storage) was evaluated based on an evaluation cell adjusted to a predetermined charge state after conditioning. That is, the initial capacity of the evaluation cell adjusted to a predetermined charge state and the capacity after the evaluation cell adjusted to the predetermined charge state is stored for a predetermined time in a predetermined environment (hereinafter referred to as “post-storage capacity” as appropriate) From the ratio (capacity after storage) / (initial capacity), the capacity retention rate after storage is calculated by the following formula.
“Capacity maintenance ratio after storage (%)” = (capacity after storage) / (initial capacity) × 100
ここでは、「初期容量」は、25℃において4.1V(SOC100%)に調整された評価用セルを基に測定した放電容量である。また、「保存後容量」は、25℃において4.1V(SOC100%)に調整された後、60℃の温度環境で60日間保存した評価用セルを基に測定した放電容量である。そして、「放電容量」は、それぞれ25℃において、4.1Vから3.0Vまで1Cの定電流で放電させ、続いて合計放電時間が2時間となるまで定電圧で放電させた際に測定される積算容量(放電容量)である。
Here, the “initial capacity” is a discharge capacity measured based on an evaluation cell adjusted to 4.1 V (
[過充電ガス発生量]
コンディショニング後の評価用セル(50mAh)に対し、1CでSOC145%までCC充電した後に発生したガス量を測定し、セル容量あたりのガス発生量(ml/Ah)を算出することで過充電時のガス発生量を評価した。具体的には、コンディショニング後に、アルキメデス法にてセルの体積を測定し、過充電後に再び同法にてセルの体積を測定し、過充電後のセルの体積からコンディショニング後のセルの体積を差し引くことでガス発生量を算出した。なお、アルキメデス法とは、測定対象物(本例では、ラミネート型のリチウム二次電池)を、媒液(例えば、蒸留水やアルコール等)に浸漬し、測定対象物が受ける浮力を測定することにより、該測定対象物の体積を求める方法である。
[Overcharge gas generation amount]
For the evaluation cell after conditioning (50 mAh), measure the amount of gas generated after CC charging to SOC145% at 1C, and calculate the amount of gas generated per cell capacity (ml / Ah). The amount of gas generated was evaluated. Specifically, after conditioning, the volume of the cell is measured by the Archimedes method, the volume of the cell is measured again by the same method after overcharging, and the volume of the cell after conditioning is subtracted from the volume of the cell after overcharging. The gas generation amount was calculated. The Archimedes method is a method in which a measurement object (in this example, a laminate-type lithium secondary battery) is immersed in a liquid medium (for example, distilled water or alcohol) to measure the buoyancy that the measurement object receives. Thus, the volume of the measurement object is obtained.
[評価]
従来より一般的に用いられているレベルであるD50が10.3μmの導電材を用いて、表面W濃度が0原子%の正極活物質を用いた評価用セルと、表面W濃度2.9原子%の正極活物質を用いた評価用セルとについて、「60日保存後の容量維持率」および「過充電ガス発生量」を測定した結果を抽出して図5に示した。
図5より、正極活物質の表面にWが存在することで、セルの60日保存後の容量維持率が大きく向上することがわかる。しかしその一方で、過充電時のガス発生量は大幅に低減し、これでは過充電時に電流遮断機構が正常に作動しないことが懸念される。
各評価用セルに対する「60日保存後の容量維持率」の測定結果を表1に、「過充電ガス発生量」の測定結果を表2と図6および図7に示した。
[Evaluation]
An evaluation cell using a positive electrode active material having a surface W concentration of 0 atomic% using a conductive material having a D50 of 10.3 μm, which is a level generally used conventionally, and a surface W concentration of 2.9 atoms The results of measuring the “capacity maintenance ratio after 60 days storage” and “overcharged gas generation amount” of the cell for evaluation using the positive electrode active material of% were extracted and shown in FIG.
From FIG. 5, it can be seen that the presence of W on the surface of the positive electrode active material greatly improves the capacity retention rate after 60 days storage of the cell. However, on the other hand, the amount of gas generated at the time of overcharging is greatly reduced, and there is a concern that the current interruption mechanism does not operate normally at the time of overcharging.
The measurement results of “capacity maintenance ratio after 60 days storage” for each evaluation cell are shown in Table 1, and the measurement results of “overcharge gas generation amount” are shown in Table 2, FIG. 6 and FIG.
60日保存後の容量維持率は、表1に示した通り、正極活物質の表面のW濃度が高くなるにつれて上昇し、例えば、W濃度が0.9原子%以上の場合に、保存後容量維持率80%以上を達成できることが確認できた。また、この保存後容量維持率は、導電材の平均粒径(D50)とは相関性がないことも確認できた。 As shown in Table 1, the capacity retention rate after 60 days storage increases as the W concentration on the surface of the positive electrode active material increases. For example, when the W concentration is 0.9 atomic% or more, the capacity after storage It was confirmed that a maintenance rate of 80% or more can be achieved. It was also confirmed that the capacity retention rate after storage had no correlation with the average particle diameter (D50) of the conductive material.
一方の過充電時のガス発生量は、表2および図6に示した通り、正極活物質の表面にWが存在することで急激に減少すること、そしてW濃度が高くになるにつれガス発生量が少なくなることが確認できた。また、過充電時のガス発生量は、導電材の平均粒径(D50)に関連性があることも確認できた。
より詳細に、保存後容量維持率80%以上を達成し得る、表面のW濃度が0.9原子%以上の正極活物質を用いたセルの過充電ガス発生量を図7に示した。
過充電時に電流遮断機構を作動させるには、少なくとも20ml/Ah程度、好ましくは30ml/Ah程度のガスを発生させ得ることが好ましい。このような観点から、正極活物質の表面におけるW濃度は、0.9原子%〜2.9原子%程度とすることができ、0.9原子%〜2.1原子%程度とするのがより好ましいことが確認できた。また、導電材のD50は、2.5μm〜7.8μm程度とすることができ、4.0μm〜7.8μm程度とするのがより好ましいことが確認できた。
On the other hand, as shown in Table 2 and FIG. 6, the amount of gas generated at the time of overcharge decreases rapidly due to the presence of W on the surface of the positive electrode active material, and the amount of gas generated as the W concentration increases. It was confirmed that there was less. Moreover, it has also confirmed that the gas generation amount at the time of overcharge was related to the average particle diameter (D50) of a electrically conductive material.
In more detail, FIG. 7 shows the amount of overcharge gas generated in a cell using a positive electrode active material having a surface W concentration of 0.9 atomic% or more that can achieve a capacity retention ratio of 80% or more after storage.
In order to operate the current interruption mechanism at the time of overcharge, it is preferable that a gas of at least about 20 ml / Ah, preferably about 30 ml / Ah can be generated. From such a viewpoint, the W concentration on the surface of the positive electrode active material can be about 0.9 atomic% to 2.9 atomic%, and should be about 0.9 atomic% to 2.1 atomic%. It was confirmed that it was more preferable. In addition, it was confirmed that D50 of the conductive material can be about 2.5 μm to 7.8 μm, and more preferably about 4.0 μm to 7.8 μm.
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible.
ここで開示される技術によると、電解質にガス発生添加剤を含み、かつ、タングステンを含む正極活物質を用いた場合でも、過充電時に十分なガス発生量を確保することのできる、保存特性と過充電安全性とを兼ね備えたリチウム二次電池を得ることができる。 According to the technology disclosed herein, even when a positive electrode active material containing tungsten and a gas generating additive is used in the electrolyte, a sufficient gas generation amount can be ensured during overcharge, and storage characteristics. A lithium secondary battery having overcharge safety can be obtained.
1 車両
10 正極シート(正極)
12 正極集電体
14 正極活物質層
16 正極活物質層非形成部分
20 負極シート(負極)
22 負極集電体
24 負極活物質層
26 負極活物質層非形成部分
30 電流遮断機構
32 変形金属板(第一部材)
33 湾曲部分
34 接続金属板(第二部材)
35 集電リード端子
36 接合点
38 絶縁ケース
40A、40B セパレータ
50 電池ケース
52 ケース本体
54 蓋体
70 正極端子
72 負極端子
74 正極リード端子
76 負極リード端子
80 捲回電極体
100 リチウム二次電池
1
12 Positive
22 Negative electrode
33
35 Current
Claims (8)
前記正極活物質は、タングステン(W)を含み層状構造を有する粒状のリチウム遷移金属複合酸化物であって、
前記導電材は、一次粒子が集まった凝集体の形態を有しており、
前記凝集体の平均粒径が9μm未満の範囲であり、前記凝集体の存在下で前記ガス発生添加剤の分解に起因して発生されるガスの発生量が、前記電池の定格容量あたりのガス発生量として20ml/Ah以上に制御されており、
ここで前記Wは前記リチウム遷移金属複合酸化物の表面に偏析しており、該表面におけるW濃度が0.9原子%〜2.9原子%である、リチウム二次電池。 A lithium secondary battery comprising a positive electrode including a positive electrode active material and a conductive material, a negative electrode including a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte including a gas generating additive composed of a hydrocarbon compound,
The positive electrode active material is a granular lithium transition metal composite oxide containing tungsten (W) and having a layered structure,
The conductive material has a form of an aggregate in which primary particles are gathered,
The average particle size of the aggregate is in the range of less than 9 μm, and the amount of gas generated due to the decomposition of the gas generating additive in the presence of the aggregate is a gas per rated capacity of the battery. The generation amount is controlled to 20 ml / Ah or more ,
Here, the W is segregated on the surface of the lithium transition metal composite oxide, and the W concentration on the surface is 0.9 atomic% to 2.9 atomic%.
LixNiaCobMncMdWeO2 (1)
(ここで、Mは存在しないか、もしくは、Zr,Nb,Alから選択される少なくとも一種であり、xは、1.0≦x≦1.25を満たし、a,b,c,d,eは、a+b+c+d+e=1および0.001≦(d+e)≦0.02を満たし、a,b,cのうち少なくとも一つは0よりも大きく、e>0である。);
で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。 As at least a part of the lithium transition metal composite oxide, the general formula (1):
Li x Ni a Co b Mn c M d W e O 2 (1)
(Here, M does not exist or is at least one selected from Zr, Nb, and Al, x satisfies 1.0 ≦ x ≦ 1.25, and a, b, c, d, e Satisfies a + b + c + d + e = 1 and 0.001 ≦ (d + e) ≦ 0.02, and at least one of a, b and c is greater than 0 and e>0);
The lithium secondary battery of any one of Claims 1-5 containing the lithium transition metal complex oxide represented by these.
前記電池ケースは、通常使用時は前記ケースの内部と外部とのガスの流通を阻止し、前記ケース内の内圧が所定レベルを超えて上昇した際に変形して前記正極および前記負極間の電気的接続を断つ電流遮断機構を有する、請求項1〜6のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。 And a battery case that houses the positive electrode, the negative electrode, and the non-aqueous electrolyte,
The battery case prevents gas flow between the inside and outside of the case during normal use, and is deformed when the internal pressure in the case rises above a predetermined level, and the battery case is electrically connected between the positive electrode and the negative electrode. The lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 6 , further comprising a current interrupting mechanism that disconnects the electrical connection.
The lithium secondary battery according to any one of claims 1-7 comprising as a power source for driving the vehicle.
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