JP6032180B2 - Lithium ion secondary battery - Google Patents

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Description

本発明はリチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a lithium ion secondary battery.

リチウムイオン二次電池は、充放電サイクルや長期保管に伴って、内部抵抗が増加することが知られている。そして、これにより電池の容量低下や出力低下が引き起こされる。従来、電池の内部抵抗の増加を抑制し耐久性を向上させるため、様々な試みがなされている。たとえば、特開2012−253010号公報(特許文献1)には、非水電解質溶液がリチウムジフルオロビスオキサレートフォスフェートを含む蓄電素子が開示されている。   Lithium ion secondary batteries are known to have increased internal resistance with charge / discharge cycles and long-term storage. This causes a reduction in battery capacity and output. Conventionally, various attempts have been made to suppress an increase in internal resistance of a battery and improve durability. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2012-253010 (Patent Document 1) discloses a power storage element in which a non-aqueous electrolyte solution contains lithium difluorobisoxalate phosphate.

特開2012−253010号公報JP 2012-253010 A

リチウムイオン二次電池において充放電サイクルに伴う内部抵抗増加を抑制するためには、負極表面上にリチウムイオン(Li+)を透過し、かつ電子伝導性を有さない被膜を形成することが有効である。このような被膜はSEI(Solid Electrolyte Interface)とも呼ばれ、主に非水電解質の分解生成物であるアルキル炭酸リチウム(ROCOLi(Rはアルキル基))やフッ化リチウム(LiF)等から構成されている。SEIが形成された負極表面は非水電解質の還元に対して不活性であるため、充放電サイクルに伴う非水電解質の分解が抑制され、その結果サイクル耐久性が向上する。 In order to suppress an increase in internal resistance associated with charge / discharge cycles in a lithium ion secondary battery, it is effective to form a film that transmits lithium ions (Li + ) and does not have electron conductivity on the negative electrode surface. It is. Such a coating is also called SEI (Solid Electrolyte Interface), and is mainly composed of lithium carbonate (ROCOLi (R is an alkyl group)), lithium fluoride (LiF), etc., which are decomposition products of the nonaqueous electrolyte. Yes. Since the negative electrode surface on which SEI is formed is inactive to the reduction of the nonaqueous electrolyte, the decomposition of the nonaqueous electrolyte accompanying the charge / discharge cycle is suppressed, and as a result, the cycle durability is improved.

特許文献1に開示されているリチウムジフルオロビスオキサレートフォスフェート(以下「LiFOP」と略記することもある)はLiPF2(C242の組成式で表わされる化合物であり、金属リチウムに対して2.0V程度の電位で還元分解する。したがって、LiFOPをリチウムイオン二次電池の非水電解質に添加した場合、初回の充電時に還元分解され、その分解生成物が負極表面に付着してSEIの一部となると考えられる。従来、LiFOPによるサイクル耐久性の向上は、このような機序によりなされると考えられており、たとえば特許文献1に開示されるように、還元分解時のガス発生量との兼ね合いからその添加量の最適化等が図られてきた。 Lithium difluorobisoxalate phosphate (hereinafter sometimes abbreviated as “LiFOP”) disclosed in Patent Document 1 is a compound represented by a composition formula of LiPF 2 (C 2 O 4 ) 2 , In contrast, it undergoes reductive decomposition at a potential of about 2.0V. Therefore, when LiFOP is added to the non-aqueous electrolyte of a lithium ion secondary battery, it is considered that it is reduced and decomposed during the first charge, and the decomposition product adheres to the negative electrode surface and becomes a part of SEI. Conventionally, it has been considered that the cycle durability is improved by LiFOP by such a mechanism. For example, as disclosed in Patent Document 1, the amount added is in consideration of the amount of gas generated during reductive decomposition. Has been optimized.

しかしながら、リチウムイオン二次電池にはサイクル耐久性のさらなる向上が望まれている。前述のようにLiFOPを非水電解質に添加することはサイクル耐久性の向上に有効であるものの、現状においてその効果は十分ではない。   However, further improvement in cycle durability is desired for lithium ion secondary batteries. As described above, the addition of LiFOP to the non-aqueous electrolyte is effective in improving cycle durability, but the effect is not sufficient at present.

本発明は上記のような現状に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは優れたサイクル耐久性を有するリチウムイオン二次電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery having excellent cycle durability.

(1)本発明のリチウムイオン二次電池は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解質とを備え、該正極活物質はジルコニウム(Zr)を0.25mol%以上含み、該非水電解質にリチウムジフルオロビスオキサレートフォスフェートが0.25質量%以上1.00質量%以下の範囲で添加されている。   (1) A lithium ion secondary battery of the present invention includes a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, and a nonaqueous electrolyte, and the positive electrode active material contains 0.25 mol% of zirconium (Zr). Including the above, lithium difluorobisoxalate phosphate is added to the nonaqueous electrolyte in the range of 0.25 mass% to 1.00 mass%.

上記のように本発明のリチウムイオン二次電池は、正極活物質が特定範囲でZrを含み、かつ非水電解質に特定範囲でLiPOFが添加されている。このようにZrとLiFOPとを併用することにより、従来のLiPOF添加効果から予想される範囲を超えて、サイクル耐久性が顕著に向上する。その理由は次のように考えることができる。   As described above, in the lithium ion secondary battery of the present invention, the positive electrode active material contains Zr in a specific range, and LiPOF is added to the nonaqueous electrolyte in a specific range. Thus, by using Zr and LiFOP together, the cycle durability is remarkably improved beyond the range expected from the conventional LiPOF addition effect. The reason can be considered as follows.

LiPOFは負極表面にSEIを形成するだけではなく、LiPOF自体あるいはLi+の脱溶媒和によって生じたPOF-イオンが正極表面に付着し正極表面上にも被膜を形成する。 LiPOF not only forms SEI on the negative electrode surface, but also POF ions generated by LiPOF itself or Li + desolvation adhere to the positive electrode surface to form a film on the positive electrode surface.

他方、Zrは従前より正極活物質への添加剤として使用されている。正極活物質がZrを含むことにより、正極における非水電解質の分解反応が抑制され、サイクル耐久性の向上が期待される。しかしながら、Zrは充放電サイクルを繰り返すと正極から溶出することが知られており、その効果は長期に亘って持続するものではなかった。   On the other hand, Zr has been used as an additive to the positive electrode active material. When the positive electrode active material contains Zr, the decomposition reaction of the nonaqueous electrolyte in the positive electrode is suppressed, and improvement in cycle durability is expected. However, it is known that Zr elutes from the positive electrode when the charge / discharge cycle is repeated, and the effect does not last for a long time.

上記のように本発明はLiPOFとZrとを特定範囲で併用するものである。これにより正極からのZrの溶出が抑制され、長期に亘って反応抵抗の増加を抑制し続けることができる。すなわち、LiPOF等が正極に付着して形成された被膜が保護被膜として作用し、正極からのZrの溶出を抑制する。そして、正極活物質におけるZrの含有量が0.25mol%以上であり、非水電解質へのLiPOFの添加量が0.25質量%以上1.00質量%以下であることにより、その効果を顕著に高めることができる。   As described above, the present invention uses LiPOF and Zr together in a specific range. Thereby, elution of Zr from the positive electrode is suppressed, and an increase in reaction resistance can be continuously suppressed over a long period of time. That is, a film formed by attaching LiPOF or the like to the positive electrode acts as a protective film and suppresses elution of Zr from the positive electrode. And the effect is remarkable when content of Zr in a positive electrode active material is 0.25 mol% or more, and the addition amount of LiPOF to a nonaqueous electrolyte is 0.25 mass% or more and 1.00 mass% or less. Can be increased.

(2)上記LiPOFの添加量は0.25質量%以上0.75質量%以下であることが好ましく、0.38質量%以上0.75質量%以下であることがより好ましい。LiFOPの添加量が該範囲を占めることにより、サイクル耐久性をさらに向上させることができる。   (2) The amount of LiPOF added is preferably 0.25 mass% or more and 0.75 mass% or less, and more preferably 0.38 mass% or more and 0.75 mass% or less. When the addition amount of LiFOP occupies this range, cycle durability can be further improved.

(3)本発明の別の局面に従うリチウムイオン二次電池は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解質とを備え、該正極活物質はジルコニウムを0.25mol%以上含み、該正極および該負極はその表面にリチウムジフルオロビスオキサレートフォスフェートに由来する物質を含む被膜を有する。   (3) A lithium ion secondary battery according to another aspect of the present invention includes a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte, and the positive electrode active material contains 0.25 mol of zirconium. The positive electrode and the negative electrode have a coating film containing a substance derived from lithium difluorobisoxalate phosphate on the surface.

上記のように、正負両極にLiPOFに由来する被膜が形成されることにより、負極ではSEIによる非水電解質の分解抑制効果が得られ、正極ではZrによる非水電解質の分解抑制効果が長期に亘って持続し、これらが相俟ってサイクル耐久性を顕著に向上させることができる。   As described above, by forming a coating derived from LiPOF on both the positive and negative electrodes, the negative electrode has the effect of suppressing the decomposition of the nonaqueous electrolyte by SEI, and the positive electrode has the effect of suppressing the decomposition of the nonaqueous electrolyte by Zr over a long period of time. Together, these can significantly improve cycle durability.

本発明のリチウムイオン二次電池は優れたサイクル耐久性を有する。   The lithium ion secondary battery of the present invention has excellent cycle durability.

本発明の一実施形態に係わるリチウムイオン二次電池における正極活物質のZr含有量とサイクル耐久試験後の容量維持率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between Zr content of the positive electrode active material in the lithium ion secondary battery concerning one Embodiment of this invention, and the capacity | capacitance maintenance factor after a cycle durability test. 本発明の一実施形態に係わるリチウムイオン二次電池における正極活物質のZr含有量および非水電解質へのリチウムジフルオロビスオキサレートフォスフェートの添加量と、サイクル耐久試験後の容量維持率との関係を示すグラフである。Relationship between the Zr content of the positive electrode active material and the addition amount of lithium difluorobisoxalate phosphate to the nonaqueous electrolyte in the lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention and the capacity retention rate after the cycle durability test It is a graph which shows. 本発明の一実施形態に係わるリチウムイオン二次電池における正極活物質のZr含有量および非水電解質へのリチウムジフルオロビスオキサレートフォスフェートの添加量と、サイクル耐久試験後の抵抗増加率との関係を示すグラフである。Relationship between the Zr content of the positive electrode active material and the addition amount of lithium difluorobisoxalate phosphate to the nonaqueous electrolyte in the lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention and the rate of increase in resistance after the cycle durability test It is a graph which shows. 本発明の一実施形態に係わるリチウムイオン二次電池における正極活物質と非水電解質への添加剤種との組み合わせと、サイクル耐久試験後の容量維持率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the combination of the positive electrode active material and the additive seed | species to a nonaqueous electrolyte in the lithium ion secondary battery concerning one Embodiment of this invention, and the capacity | capacitance maintenance factor after a cycle endurance test. 本発明の一実施形態に係わるリチウムイオン二次電池における負極から検出されるZr量と充放電サイクル数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the amount of Zr detected from the negative electrode in the lithium ion secondary battery concerning one Embodiment of this invention, and the number of charging / discharging cycles.

以下、本発明の実施形態(以下「本実施形態」と記す)についてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as “present embodiments”) will be described in more detail, but the present invention is not limited thereto.

<リチウムイオン二次電池>
本発明者は、上記課題を解決するため鋭意研究を行なったところ、LiPOFは負極表面にSEIを形成するだけではなく、正極表面にも被膜を形成して正極に含まれる添加元素の溶出を抑制しているとの知見を得、該知見に基づきさらに研究を重ねることにより本発明を完成させるに至った。
<Lithium ion secondary battery>
The present inventor conducted intensive research to solve the above problems, and LiPOF not only forms SEI on the negative electrode surface but also forms a film on the positive electrode surface to suppress elution of additive elements contained in the positive electrode. As a result, the present invention has been completed by further research based on the knowledge.

すなわち、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解質とを備え、該正極活物質はジルコニウムを0.25mol%以上含み、該非水電解質にリチウムジフルオロビスオキサレートフォスフェートが0.25質量%以上1.00質量%以下の範囲で添加されている。   That is, the lithium ion secondary battery of this embodiment includes a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte, and the positive electrode active material includes 0.25 mol% or more of zirconium, Lithium difluorobisoxalate phosphate is added to the non-aqueous electrolyte in the range of 0.25 mass% to 1.00 mass%.

<電池構造>
本実施形態において電池構造は特に制限されない。たとえば、いずれもシート状である正極および負極に集電タブを溶接し、シート状であるセパレータを挟んで該正極と該負極とが対向するように巻き取ることにより、巻回式の電極体を構成し、該電極体を所定の形状を有する外装缶に挿入し、一方の集電タブと外装缶とを溶接するとともに、他方の集電タブとキャップとを溶接した後、液体状の非水電解質を注入し、次いで該外装缶と該キャップとをガスケットを介して所定の手段で封止した構造を採用することができる。
<Battery structure>
In the present embodiment, the battery structure is not particularly limited. For example, a current collector tab is welded to a sheet-like positive electrode and a negative electrode, and a winding-type electrode body is obtained by winding the sheet-like separator so that the positive electrode and the negative electrode face each other. The electrode body is inserted into an outer can having a predetermined shape, one current collecting tab and the outer can are welded, and the other current collecting tab and the cap are welded. It is possible to employ a structure in which an electrolyte is injected and then the outer can and the cap are sealed by a predetermined means through a gasket.

電池外装体の形状としては、たとえば円筒形、角形等があり、電池外装体は、通常、外装缶とキャップとからなる。キャップには、正極または負極の端子部が備えられており、該端子部は、たとえば樹脂材料によって対極と絶縁されている。電池外装体の材質は、耐電圧や強度を考慮して、各種金属または合金材料等から適宜選択すればよい。たとえば、アルミニウムおよびその合金、鉄(Fe)、ステンレス材等を用いることができる。   Examples of the shape of the battery outer package include a cylindrical shape and a rectangular shape, and the battery outer package usually includes an outer can and a cap. The cap is provided with a positive or negative terminal portion, and the terminal portion is insulated from the counter electrode by a resin material, for example. The material of the battery outer package may be appropriately selected from various metals or alloy materials in consideration of withstand voltage and strength. For example, aluminum and its alloys, iron (Fe), stainless steel, etc. can be used.

以下、本実施形態のリチウムイオン二次電池を構成する各部について説明する。
<正極>
本実施形態の正極は正極活物質を含むものであり、典型的には正極と導電助材と結着材とを含む正極合材が、集電芯材上に固着されてなるシート状の部材である。かかる正極は、たとえば、正極活物質と導電助材と結着材と有機溶媒(たとえばN−メチル−2−ピロリドン(NMP:N-methylpyrrolidone))とを混練することにより得た正極合材スラリーを集電芯材上に塗工、乾燥して正極合材層を該集電芯材上に形成した後、該正極合材層を所定の厚さに圧縮することにより作製することができる。なお、正極合材層を圧縮する際は、正極合材の脱落を防止するため、正極合材層の厚さを正極合材層の密度(正極合材層の質量÷正極合材層の体積)が、2.0〜4.0g/cm3程度となるように調整することが好ましい。
Hereinafter, each part which comprises the lithium ion secondary battery of this embodiment is demonstrated.
<Positive electrode>
The positive electrode of the present embodiment includes a positive electrode active material, and is typically a sheet-like member in which a positive electrode mixture including a positive electrode, a conductive additive, and a binder is fixed on a current collector core material. It is. Such a positive electrode is made of, for example, a positive electrode mixture slurry obtained by kneading a positive electrode active material, a conductive additive, a binder, and an organic solvent (for example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)). It can be produced by coating and drying on a current collector core material to form a positive electrode mixture layer on the current collector core material, and then compressing the positive electrode mixture layer to a predetermined thickness. When compressing the positive electrode mixture layer, in order to prevent the positive electrode mixture from falling off, the thickness of the positive electrode mixture layer is set to the density of the positive electrode mixture layer (mass of the positive electrode mixture layer / volume of the positive electrode mixture layer). ) Is preferably adjusted to about 2.0 to 4.0 g / cm 3 .

本実施形態の正極活物質としては、Li+を電気化学的に吸蔵および放出可能であるリチウム含有遷移金属酸化物を用いることができる。このようなリチウム含有遷移金属酸化物としては、たとえば、LiCoO2、LiNiO2、LiNiaCob2(a+b=1、0<a<1、0<b<1)、LiMnO2、LiMn24、LiNiaCobMnc2(a+b+c=1、0<a<1、0<b<1、0<c<1)、LiFePO4等を挙げることができる。これらのうち、本実施形態の正極活物質としては、LiNiaCobMnc2が好ましく、出力特性等の観点からLiNi1/3Co1/3Mn1/32がより好ましい。なお、本実施形態の正極は2種以上の正極活物質を含んでいてもよい。 As the positive electrode active material of this embodiment, a lithium-containing transition metal oxide capable of electrochemically inserting and extracting Li + can be used. Examples of such lithium-containing transition metal oxides include LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi a Co b O 2 (a + b = 1, 0 <a <1, 0 <b <1), LiMnO 2 , LiMn 2 O. 4 , LiNi a Co b Mn c O 2 (a + b + c = 1, 0 <a <1, 0 <b <1, 0 <c <1), LiFePO 4 and the like. Among these, as the positive electrode active material of the present embodiment, LiNi a Co b Mn c O 2 is preferable, and LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 is more preferable from the viewpoint of output characteristics and the like. In addition, the positive electrode of this embodiment may contain 2 or more types of positive electrode active materials.

上記のような正極活物質は、粒子径の小さな一次粒子が凝集した二次粒子とすることもできる。このような場合、正極活物質の一次粒子の平均粒子径は、たとえば1μm〜10μm程度とすることができ、二次粒子の平均粒子径は、たとえば5〜20μm程度とすることができる。なお、ここで平均粒子径とはレーザー回折・散乱法による50%体積平均粒子径(すなわちd50)を意味する。正極活物質の比表面積(BET法によるもの)は0.5m2/g〜3.0m2/g程度とすることができ、非水電解質と正極との反応性の観点から、2.0m2/g以下であることが好ましい。正極合材中における正極活物質の含有率は、たとえば80〜99質量%程度であり、電池のエネルギー密度の観点から好ましくは90〜99質量%程度である。 The positive electrode active material as described above may be secondary particles in which primary particles having a small particle diameter are aggregated. In such a case, the average particle diameter of the primary particles of the positive electrode active material can be, for example, about 1 μm to 10 μm, and the average particle diameter of the secondary particles can be, for example, about 5 to 20 μm. Here, the average particle diameter means a 50% volume average particle diameter (that is, d50) by a laser diffraction / scattering method. Cathode active specific surface area of the material (by BET method) may be a 0.5m 2 /g~3.0m 2 / g approximately, in view of reactivity with the non-aqueous electrolyte and the positive electrode, 2.0 m 2 / G or less is preferable. The content rate of the positive electrode active material in the positive electrode mixture is, for example, about 80 to 99% by mass, and preferably about 90 to 99% by mass from the viewpoint of the energy density of the battery.

LiNi1/3Co1/3Mn1/32をはじめとする正極活物質の製造方法は特に制限されない。たとえば、LiNi1/3Co1/3Mn1/32は、Ni1/3Co1/3Mn1/3(OH)2の組成式で表わされる共沈水酸化物(前駆体)と、Li源(LiOH、Li2CO3等)とを混合した後、500℃〜1000℃程度の温度で焼成することにより製造することができる。 A method for producing a positive electrode active material such as LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 is not particularly limited. For example, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 is a coprecipitated hydroxide (precursor) represented by the composition formula of Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 (OH) 2 ; after mixing the Li source (LiOH, Li 2 CO 3, etc.), it can be prepared by calcining at a temperature of about 500 ° C. to 1000 ° C..

本実施形態の正極活物質はZrを0.25mol%以上含む。正極活物質におけるZrの含有量が0.25mol%未満であると、非水電解質の分解抑制効果が十分に得られない場合があるからである。なお、Zrの含有量はより好ましくは0.4mol%以上である。Zrの含有量が該範囲を占めることによりサイクル耐久性がさらに向上する傾向にあるからである。また、Zrの含有量の上限値は特に制限されないが、Zrの含有量が1.0mol%を超えても特に大幅な性能向上が望めないことから経済的に有利ではない。したがって、Zrの含有量は好ましくは1.0mol%以下である。   The positive electrode active material of this embodiment contains 0.25 mol% or more of Zr. This is because if the content of Zr in the positive electrode active material is less than 0.25 mol%, the effect of suppressing the decomposition of the nonaqueous electrolyte may not be sufficiently obtained. The Zr content is more preferably 0.4 mol% or more. This is because when the Zr content occupies this range, the cycle durability tends to be further improved. Further, the upper limit of the Zr content is not particularly limited, but even if the Zr content exceeds 1.0 mol%, it is not economically advantageous since a significant performance improvement cannot be expected. Therefore, the Zr content is preferably 1.0 mol% or less.

正極活物質におけるZrの存在形態は特に限定されない。たとえば、二次粒子の表面や一次粒子の粒界に酸化物として存在していてもよいし、一部あるいは全部が正極活物質に固溶していてもよい。   The presence form of Zr in the positive electrode active material is not particularly limited. For example, it may exist as an oxide on the surface of the secondary particle or the grain boundary of the primary particle, or a part or all of it may be dissolved in the positive electrode active material.

なお、本実施形態の正極活物質は上記範囲でZrを含む限り、その他の元素を含んでいてもよく、その他の元素を含んでいても本発明の範囲を逸脱するものではない。ここで、その他の元素としては、たとえば、ナトリウム(Na)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、珪素(Si)、カリウム(K)、カルシウム(Ca)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ルビジウム(Rb)、ストロンチウム(Sr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等を挙げることができる。   The positive electrode active material of the present embodiment may contain other elements as long as it contains Zr within the above range, and even if it contains other elements, it does not depart from the scope of the present invention. Here, as other elements, for example, sodium (Na), magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), potassium (K), calcium (Ca), titanium (Ti), vanadium (V) , Chromium (Cr), iron (Fe), gallium (Ga), germanium (Ge), rubidium (Rb), strontium (Sr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W) and the like. it can.

正極活物質におけるZrの含有量は、たとえば、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX:Energy Dispersive X-ray spectroscopy)、誘導結合プラズマ発光分析装置(ICP−AES:Inductively coupled plasma - Atomic Emission Spectrometry)、誘導結合プラズマ質量分析装置(ICP−MS:ICP - Mass Spectrometry)等を用いて測定することができる。   The content of Zr in the positive electrode active material is, for example, an energy dispersive X-ray spectrometer (EDX) or an inductively coupled plasma-atomic emission spectrometer (ICP-AES). It can be measured using an inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP-MS).

正極活物質にZrを含有させる方法は特に限定されない。たとえば、共沈法によって正極活物質の前駆体を得る際に、Zr化合物を溶液に添加し、Zrを前駆体とともに晶析させて、Zrを含む前駆体を得、該前駆体をLi源(たとえば、LiOH、Li2CO3等)とともに焼成することによって、Zrを含有する正極活物質を得ることができる。また、Zrを酸化物(ZrO2)やLi複合酸化物(たとえば、Li2ZrO3)の形態として、乾式や湿式の粉体混合機によって、正極活物質と混合した後、焼成してもよい。 The method for incorporating Zr into the positive electrode active material is not particularly limited. For example, when a positive electrode active material precursor is obtained by a coprecipitation method, a Zr compound is added to a solution, and Zr is crystallized together with the precursor to obtain a precursor containing Zr. For example, a positive electrode active material containing Zr can be obtained by firing together with LiOH, Li 2 CO 3 or the like. Further, Zr may be fired as a form of oxide (ZrO 2 ) or Li composite oxide (for example, Li 2 ZrO 3 ) after being mixed with a positive electrode active material by a dry or wet powder mixer. .

正極に含まれる導電助材は、正極活物質同士および正極活物質と集電芯材との電気伝導を補助するためのものであり、導電性の高い炭素材料が好ましい。炭素材料としては、たとえば、アセチレンブラック(AB:Acetylene Black)、ケッチェンブラック(KB:Ketjen Black)、グラファイト、気相成長炭素繊維(VGCF:Vapor Growth Carbon Fiber)等を用いることができる。正極合材中における導電助材の含有率は、たとえば1〜10質量%程度であり、電池のエネルギー密度の観点から好ましくは1〜5質量%程度である。   The conductive additive contained in the positive electrode is for assisting electrical conduction between the positive electrode active materials and between the positive electrode active material and the current collector core material, and a carbon material having high conductivity is preferable. As the carbon material, for example, acetylene black (AB), ketjen black (KB), graphite, vapor growth carbon fiber (VGCF), or the like can be used. The content of the conductive additive in the positive electrode mixture is, for example, about 1 to 10% by mass, and preferably about 1 to 5% by mass from the viewpoint of the energy density of the battery.

正極に含まれる結着材は、正極活物質同士を固着するとともに、正極活物質と集電芯材とを固着するためのものであり、たとえば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF:Polyvinylidene Fluoride)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC:Polyvinylidene Chloride)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE:Polytetrafluoroethylene)、ポリエチレンオキサイド(PEO:Polyethylene Oxide)等を挙げることができる。これらのうち、塗工性の観点から、PVdFが好ましい。正極合材中における結着材の含有率は、たとえば1〜10質量%程度であり、電池のエネルギー密度の観点から好ましくは1〜5質量%程度である。   The binder contained in the positive electrode is for fixing the positive electrode active materials to each other and fixing the positive electrode active material and the current collector core. For example, polyvinylidene fluoride (PVdF), polychlorinated chloride A vinylidene (PVDC: Polyvinylidene Chloride), a polytetrafluoroethylene (PTFE: Polytetrafluoroethylene), a polyethylene oxide (PEO: Polyethylene Oxide) etc. can be mentioned. Of these, PVdF is preferred from the viewpoint of coatability. The content of the binder in the positive electrode composite is, for example, about 1 to 10% by mass, and preferably about 1 to 5% by mass from the viewpoint of the energy density of the battery.

正極用の集電芯材としては、導電性が高く、耐食性の高い金属箔を用いることができる。そのような金属箔としては、たとえばアルミニウム箔やアルミニウム合金箔が好ましい。アルミニウム箔を用いる場合、強度と導電性の観点から、箔の厚さは10μm〜30μm程度であることが好ましい。   As the current collector core material for the positive electrode, a metal foil having high conductivity and high corrosion resistance can be used. As such a metal foil, for example, an aluminum foil or an aluminum alloy foil is preferable. When using aluminum foil, it is preferable that the thickness of foil is about 10 micrometers-30 micrometers from a viewpoint of intensity | strength and electroconductivity.

<負極>
本実施形態の負極は、負極活物質を含むものであり、典型的には負極活物質と結着材とを含む負極合材が負極集電芯材に固着されてなるシート状の部材である。このような負極は、たとえば、負極活物質と結着材と溶媒(たとえば水)とを混練することにより得た負極合材スラリーを集電芯材上に塗工、乾燥して負極合材層を該集電芯材上に形成した後、該負極合材層を所定の厚さに圧縮することによって作製することができる。なお、負極合材層を圧縮する際は、負極合材の脱落を防止するため、負極合材層の厚さを、負極合材層の密度(負極合材層の質量÷負極合材層の体積)が、0.5〜2.5g/cm3程度となるように調整することが好ましい。
<Negative electrode>
The negative electrode of the present embodiment includes a negative electrode active material, and is typically a sheet-like member in which a negative electrode mixture containing a negative electrode active material and a binder is fixed to a negative electrode current collector core material. . Such a negative electrode is obtained by, for example, applying a negative electrode mixture slurry obtained by kneading a negative electrode active material, a binder, and a solvent (for example, water) onto a current collector core and drying the negative electrode mixture layer Can be prepared by compressing the negative electrode mixture layer to a predetermined thickness. When compressing the negative electrode mixture layer, in order to prevent the negative electrode mixture from falling off, the thickness of the negative electrode mixture layer is set to the density of the negative electrode mixture layer (the mass of the negative electrode mixture layer / the negative electrode mixture layer). The volume is preferably adjusted to be about 0.5 to 2.5 g / cm 3 .

本実施形態の負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な材料(たとえば、黒鉛、コークス等の炭素材料)、金属リチウム、リチウムと合金化し得る材料(たとえば、珪素、酸化錫等)を用いることができる。これらのうち放電特性および耐久性の観点から黒鉛材料が好ましい。さらに製造コストの観点から天然黒鉛(NG:Natural Graphite)がより好ましい。負極合材中における負極活物質の含有率は、たとえば90〜99質量%程度であり、電池のエネルギー密度の観点から好ましくは95〜99質量%程度である。   Examples of the negative electrode active material of the present embodiment include materials that can occlude and release lithium ions (for example, carbon materials such as graphite and coke), metallic lithium, and materials that can be alloyed with lithium (for example, silicon and tin oxide). Can be used. Of these, graphite materials are preferred from the viewpoint of discharge characteristics and durability. Furthermore, natural graphite (NG: Natural Graphite) is more preferable from the viewpoint of production cost. The content rate of the negative electrode active material in the negative electrode mixture is, for example, about 90 to 99% by mass, and preferably about 95 to 99% by mass from the viewpoint of the energy density of the battery.

負極に含まれる結着材は、負極活物質同士を固着するとともに、負極活物質と集電芯材とを固着するためのものであり、たとえば、カルボキシメチルセルロース(CMC:Carboxymethylcellulose)、PVdF、PTFE、スチレンブタジエンゴム(SBR:Styrene-Butadiene Rubber)等を用いることができる。これらのうち塗工性の観点から、CMCとSBRとを併用することが特に好ましい。負極合材中における結着材の含有率は、たとえば1〜10質量%程度であり、電池のエネルギー密度の観点から好ましくは1〜5質量%程度である。   The binder contained in the negative electrode is for fixing the negative electrode active materials to each other and fixing the negative electrode active material and the current collector core. For example, carboxymethylcellulose (CMC), PVdF, PTFE, Styrene-butadiene rubber (SBR) can be used. Among these, it is particularly preferable to use CMC and SBR in combination from the viewpoint of coatability. The content of the binder in the negative electrode mixture is, for example, about 1 to 10% by mass, and preferably about 1 to 5% by mass from the viewpoint of the energy density of the battery.

負極用の集電芯材としては、導電性が高く、化学的および電気化学的な安定性が高い金属箔を用いることができる。そのような金属箔としては、たとえば銅(Cu)箔や銅合金箔が好ましい。銅箔を用いる場合、強度と導電性の観点から、箔の厚さは5〜20μm程度であることが好ましい。   As the current collector core material for the negative electrode, a metal foil having high conductivity and high chemical and electrochemical stability can be used. As such a metal foil, for example, a copper (Cu) foil or a copper alloy foil is preferable. When using copper foil, it is preferable that the thickness of foil is about 5-20 micrometers from a viewpoint of intensity | strength and electroconductivity.

<非水電解質>
本実施形態の非水電解質は、典型的には非プロトン性溶媒に溶質(リチウム塩)が溶解されてなる液体状の電解質である。ここで、非プロトン性溶媒としては、たとえば、エチレンカーボネート(EC:Ethylene Carbonate)、プロピレンカーボネート(PC:Propylene Carbonate)、ブチレンカーボネート(BC:Buthylene Carbonate)、γ−ブチロラクトン(GBL:Gamma-Butyrolactone)およびビニレンカーボネート(VC:Vinylene Carbonate)等の環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート(DMC:Dimethyl Carbonate)、エチルメチルカーボネート(EMC:Ethyl Methyl Carbonate)およびジエチルカーボネート(DEC:Diethyl Carbonate)等の鎖状カーボネート類等を用いることができる。これらの非プロトン性溶媒は電気伝導率や電気化学的な安定性の観点から、2種以上を適宜併用して用いることができる。特に、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを混合して用いることが好ましく、環状カーボネートと鎖状カーボネートの体積比は、1:9〜5:5程度が好ましい。具体例を挙げれば、たとえば、EC、DMCおよびEMCの3種を混合して用いることができる。なお、本実施形態の非水電解質は、ゲル状、固体状であってもよい。
<Nonaqueous electrolyte>
The nonaqueous electrolyte of this embodiment is typically a liquid electrolyte in which a solute (lithium salt) is dissolved in an aprotic solvent. Here, examples of the aprotic solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), γ-butyrolactone (GBL), and gamma-butyrolactone (GBL). Cyclic carbonates such as vinylene carbonate (VC), chain carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC) and diethyl carbonate (DEC) Can be used. These aprotic solvents can be used in an appropriate combination of two or more from the viewpoint of electrical conductivity and electrochemical stability. In particular, it is preferable to use a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate, and the volume ratio of the cyclic carbonate to the chain carbonate is preferably about 1: 9 to 5: 5. If a specific example is given, 3 types, EC, DMC, and EMC, can be mixed and used, for example. Note that the nonaqueous electrolyte of the present embodiment may be in the form of a gel or a solid.

また、溶質であるリチウム塩としては、たとえば、ヘキサフルオロ燐酸リチウム(LiPF6)、テトラフルオロ硼酸リチウム(LiBF4)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、ヘキサフロオロ砒酸リチウム(LiAsF6)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(Li(CF3SO22N)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(Li(CF3SO3))等を用いることができる。また、これらの溶質についても2種以上を併用してもよい。非水電解質中における溶質の濃度は、特に限定されないが、放電特性および保存特性の観点から0.5〜2.0mol/L程度であることが好ましい。 Examples of the solute lithium salt include lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), and bis (trifluoro). Lomomethanesulfonyl) imidolithium (Li (CF 3 SO 2 ) 2 N), lithium trifluoromethanesulfonate (Li (CF 3 SO 3 )), or the like can be used. Moreover, you may use 2 or more types together about these solutes. The concentration of the solute in the nonaqueous electrolyte is not particularly limited, but is preferably about 0.5 to 2.0 mol / L from the viewpoint of discharge characteristics and storage characteristics.

本実施形態の非水電解質にはLiFOPが0.25質量%以上1.00質量%以下の範囲で添加されている。これにより負極表面に良質なSEIが形成されるとともに、正極表面にも保護被膜が形成され正極からのZrの溶出を抑制することができる。LiFOPの添加量が0.25質量%未満であるとZrの溶出を十分抑制できない場合があり、LiFOPの添加量が1.00質量%を超えると負極のSEIおよび正極の保護被膜が過度に厚く形成され、充放電サイクルに伴い内部抵抗が増加する場合もある。   LiFOP is added to the nonaqueous electrolyte of the present embodiment in the range of 0.25 mass% to 1.00 mass%. As a result, high-quality SEI is formed on the negative electrode surface, and a protective film is also formed on the positive electrode surface, so that elution of Zr from the positive electrode can be suppressed. If the amount of LiFOP added is less than 0.25% by mass, the elution of Zr may not be sufficiently suppressed. If the amount of LiFOP added exceeds 1.00% by mass, the SEI of the negative electrode and the protective film of the positive electrode are excessively thick. In some cases, the internal resistance increases with charge / discharge cycles.

なお、前述のように非水電解質に添加されたLiPOFは負極側で還元分解して負極表面にSEIを形成するとともに、正極表面にも保護被膜を形成するものである。したがって、非水電解質への添加量が0.25質量%以上1.00質量%以下の範囲であったとしても、電池を解体して非水電解質を抽出した場合、抽出された非水電解質に含まれるLiPOFの量は0.25質量%未満であることもあり得る。そのような場合であっても本発明の範囲を逸脱するものではない。   As described above, LiPOF added to the non-aqueous electrolyte is reduced and decomposed on the negative electrode side to form SEI on the surface of the negative electrode and to form a protective film on the surface of the positive electrode. Therefore, even if the amount added to the non-aqueous electrolyte is in the range of 0.25 mass% or more and 1.00 mass% or less, when the battery is disassembled and the non-aqueous electrolyte is extracted, the extracted non-aqueous electrolyte The amount of LiPOF included can be less than 0.25% by weight. Even in such a case, it does not depart from the scope of the present invention.

また、本実施形態の非水電解質は上記の範囲でLiFOPが添加されている限り、この他に負極にSEIを、あるいは正極に保護被膜を形成し得る物質が添加されていてもよい。たとえば、1,3−プロパンスルトン(PS:1,3-Propanesultone)、1,3−プロペンスルトン、1,3−ブタンスルトン(BS:1,3-Butane sultone)、1,4−ブタンスルトン、2,4−ブタンスルトン等のスルトン系の化合物や、リチウムテトラフルオロオキサレートフォスフェート(LiPF4(C24))、リチウムビスオキサレートボレート(LiB(C242、以下「LiBOB」と略記することがある)、リチウムジフルオロオキサレートボレート(LiBF2(C24))等のオキサレート錯体をアニオンとするリチウム塩等を含んでいてもよい。 In addition, as long as LiFOP is added in the above range, the nonaqueous electrolyte of the present embodiment may contain SEI on the negative electrode or a substance capable of forming a protective film on the positive electrode. For example, 1,3-propane sultone (PS: 1,3-Propanesultone), 1,3-propene sultone, 1,3-butane sultone (BS), 1,4-butane sultone, 2,4 -Sultone compounds such as butane sultone, lithium tetrafluorooxalate phosphate (LiPF 4 (C 2 O 4 )), lithium bisoxalate borate (LiB (C 2 O 4 ) 2 , hereinafter abbreviated as “LiBOB” And a lithium salt having an oxalate complex such as lithium difluorooxalate borate (LiBF 2 (C 2 O 4 )) as an anion.

<セパレータ>
本実施形態におけるセパレータは、Li+を透過させるとともに、正極と負極との電気的な接触を防止するためものである。このようなセパレータとしては、機械的な強度と化学的な安定性の観点から、ポリオレフィン系材料からなる微多孔膜が好ましい。ここで、ポリオレフィン系材料としては、ポリエチレン(PE:Polyethylene)、ポリプロピレン(PP:Polypropylene)等を用いることができ、これらを組み合わせて用いることもできる。さらに、複数の微多孔膜を積層して用いてもよい。セパレータの厚さは、たとえば5〜40μm程度とすることができる。セパレータの孔径および空孔率は、セパレータの透気度が所望の値となるように適宜調整すればよい。
<Separator>
The separator in this embodiment is for preventing Li + permeation and preventing electrical contact between the positive electrode and the negative electrode. As such a separator, a microporous film made of a polyolefin-based material is preferable from the viewpoint of mechanical strength and chemical stability. Here, polyethylene (PE: Polyethylene), polypropylene (PP: Polypropylene), etc. can be used as a polyolefin-type material, and these can also be used in combination. Further, a plurality of microporous membranes may be laminated and used. The thickness of the separator can be, for example, about 5 to 40 μm. What is necessary is just to adjust suitably the hole diameter and porosity of a separator so that the air permeability of a separator may become a desired value.

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example, this invention is not limited to these.

<リチウムイオン二次電池の作製>
(正極の作製)
反応容器に、硫酸ニッケル水溶液と、硫酸コバルト水溶液と、硫酸マンガン水溶液とを、Ni:Co:Mn=1:1:1となるように調整しながら投入して混合溶液を得た。次いで、この混合溶液に水酸化ナトリウム水溶液を滴下することにより、Ni1/3Co1/3Mn1/3(OH)2の組成式で表わされる共沈水酸化物を得た。この共沈水酸化物と、ZrO2と、LiOHとを混合し、空気中において1000℃で24時間焼成することにより、LiNi1/3Co1/3Mn1/32の組成式で表わされる正極活物質を得た。さらに、この正極活物質を粉砕することにより正極活物質の粉末を得た。この正極活物質におけるZrの含有量をICP−AES(製品名「iCAP6300」、Thermo Fisher Scientific社製)を用いて測定したところ、0.25mol%であった。
<Production of lithium ion secondary battery>
(Preparation of positive electrode)
A nickel sulfate aqueous solution, a cobalt sulfate aqueous solution, and a manganese sulfate aqueous solution were added to the reaction vessel while adjusting so that Ni: Co: Mn = 1: 1: 1, thereby obtaining a mixed solution. Next, a sodium hydroxide aqueous solution was dropped into the mixed solution to obtain a coprecipitated hydroxide represented by the composition formula of Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 (OH) 2 . This coprecipitated hydroxide, ZrO 2 , and LiOH are mixed and fired in air at 1000 ° C. for 24 hours, thereby being represented by the composition formula of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2. A positive electrode active material was obtained. Furthermore, the positive electrode active material powder was obtained by pulverizing the positive electrode active material. It was 0.25 mol% when content of Zr in this positive electrode active material was measured using ICP-AES (product name "iCAP6300", the product made by Thermo Fisher Scientific).

正極活物質と、導電助材としてのABと、NMPに結着材としてPVdFを溶解させた溶液とを、質量比で正極活物質:AB:PVdF=90:5:5となるように混合し、さらに混練することにより正極合材スラリーを得た。   A positive electrode active material, AB as a conductive additive, and a solution obtained by dissolving PVdF as a binder in NMP are mixed so that the positive electrode active material: AB: PVdF = 90: 5: 5 by mass ratio. Further, by kneading, a positive electrode mixture slurry was obtained.

次いで、正極合材スラリーを集電芯材としてのAl箔(厚さ15μm)の両面に塗工し、乾燥して該Al箔上に正極合材層を形成した。続いてロール圧延機を用いて正極合材層およびAl箔を圧延した。以上のようにして正極活物質を7.84g含むシート状の正極を得た。   Next, the positive electrode mixture slurry was applied to both surfaces of an Al foil (thickness: 15 μm) as a current collector core material and dried to form a positive electrode mixture layer on the Al foil. Subsequently, the positive electrode mixture layer and the Al foil were rolled using a roll mill. Thus, a sheet-like positive electrode containing 7.84 g of the positive electrode active material was obtained.

(負極の作製)
まず負極活物質として天然黒鉛を準備した。次いで負極活物質と、結着材(増粘材)としてのCMCと、結着材としてのSBRとを質量比で負極活物質:CMC:SBR=98:1:1となるように混合し、水中で混練することにより負極合材スラリーを得た。
(Preparation of negative electrode)
First, natural graphite was prepared as a negative electrode active material. Next, the negative electrode active material, CMC as the binder (thickening material), and SBR as the binder are mixed so that the negative electrode active material: CMC: SBR = 98: 1: 1 by mass ratio. A negative electrode mixture slurry was obtained by kneading in water.

次いで、負極合材スラリーを、集電芯材としてのCu箔(厚さ10μm)の両面に塗工し、乾燥して該Cu箔上に負極合材層を形成した。続いてロール圧延機を用いて負極活物質層およびCu箔を圧延した。以上のようにして負極活物質を5.32g含む負極を得た。   Next, the negative electrode mixture slurry was applied to both surfaces of a Cu foil (thickness 10 μm) as a current collector core material and dried to form a negative electrode mixture layer on the Cu foil. Subsequently, the negative electrode active material layer and the Cu foil were rolled using a roll mill. As described above, a negative electrode containing 5.32 g of a negative electrode active material was obtained.

(非水電解質の調整)
ECとDMCとEMCとを、体積比でEC:DMC:EMC=3:4:3となるように混合して非プロトン性溶媒を得た。次いで該非プロトン性溶媒に溶質としてLiPF6(1.1mol/L)を溶解させることより液体状の非水電解質を得た。
(Nonaqueous electrolyte adjustment)
EC, DMC, and EMC were mixed at a volume ratio of EC: DMC: EMC = 3: 4: 3 to obtain an aprotic solvent. Next, LiPF 6 (1.1 mol / L) was dissolved as a solute in the aprotic solvent to obtain a liquid nonaqueous electrolyte.

(組み立て)
上記のようにして得た正極に正極集電タブを、負極に負極集電タブをそれぞれ溶接した。次いで、ポリプロピレン製のセパレータを挟んで正極と負極とが対向するように巻き取ることにより電極体を得た。
(assembly)
The positive electrode current collecting tab was welded to the positive electrode obtained as described above, and the negative electrode current collecting tab was welded to the negative electrode. Subsequently, the electrode body was obtained by winding up so that a positive electrode and a negative electrode might face each other on both sides of the polypropylene separator.

次いで、この電極体を有底外装缶に挿入し、負極集電タブを外装缶の底部の所定位置に溶接し、正極集電タブをキャップの端子部に溶接した。続いて、非水電解質8gを外装缶の開口部から注入した。さらに、キャップと外装缶との間にガスケットを配置し、外装缶の開口部を、ガスケットを圧縮するようにしてキャップに向かって曲げ加工(すなわち、かしめ加工)して開口部を封止した。   Next, this electrode body was inserted into a bottomed outer can, the negative electrode current collecting tab was welded to a predetermined position on the bottom of the outer can, and the positive electrode current collecting tab was welded to the terminal portion of the cap. Subsequently, 8 g of nonaqueous electrolyte was injected from the opening of the outer can. Furthermore, a gasket was disposed between the cap and the outer can, and the opening of the outer can was bent (that is, caulked) toward the cap so as to compress the gasket, thereby sealing the opening.

以上のようにして円筒形リチウムイオン二次電池(規格サイズ:18650(直径18mm、高さ65mm)、定格容量:1000mAh)を得た。   As described above, a cylindrical lithium ion secondary battery (standard size: 18650 (diameter: 18 mm, height: 65 mm), rated capacity: 1000 mAh) was obtained.

<実験1:正極活物質におけるZrの含有量に関する評価>
実験1では正極活物質におけるZrの含有量のサイクル耐久性への影響を調査した。まず上記した「正極の作製」において、Zrの含有量が異なる正極活物質を7種作製した。そして、それらの正極活物質を用いる以外は上記と同様にして7種の試験電池を得た。
<Experiment 1: Evaluation Regarding Zr Content in Positive Electrode Active Material>
In Experiment 1, the influence of the Zr content in the positive electrode active material on the cycle durability was investigated. First, in the “preparation of positive electrode” described above, seven types of positive electrode active materials having different Zr contents were prepared. And 7 types of test batteries were obtained like the above except using those positive electrode active materials.

(サイクル耐久試験)
次に各試験電池のサイクル耐久試験を行なった。すなわち、60℃に設定した恒温槽内で、以下の条件の充電および放電を1サイクル(cyc)とする充放電サイクルを1000cyc実行した。
(1)充電条件
CC充電(電流値:2It)、カットオフ電圧:4.1V。
(2)放電条件
CC放電(電流値:2It)、カットオフ電圧:3.0V。
(Cycle durability test)
Next, a cycle durability test of each test battery was performed. That is, in the thermostat set to 60 degreeC, the charge / discharge cycle which makes charge and discharge of the following conditions 1 cycle (cyc) was performed 1000 cyc.
(1) Charging conditions CC charging (current value: 2 It), cut-off voltage: 4.1 V.
(2) Discharge conditions CC discharge (current value: 2 It), cut-off voltage: 3.0V.

なおここで、「CC(Constant Current)」とは「定電流」を示し、「CV(Constant Voltage)」とは「定電圧」を示す。また電流値の単位「It」とは電池の定格容量を1時間で放電する電流値を示す。   Here, “CC (Constant Current)” indicates “constant current”, and “CV (Constant Voltage)” indicates “constant voltage”. The unit of current value “It” indicates a current value for discharging the rated capacity of the battery in one hour.

(電池容量測定条件)
サイクル耐久試験の前後における電池容量は以下の条件で測定した。そして、サイクル耐久試験後(1000cyc後)の電池容量をサイクル耐久試験前の電池容量(初期容量)で除すことにより容量維持率(%)を算出した。なお容量測定時の周囲環境温度は25℃(室温)とした。
(1)充電条件
CC−CV充電により電池を充電した。すなわち、1Itの一定電流で電池電圧が4.1Vに到達するまで充電し(CC充電)、4.1Vに到達後は電流を減衰させながら4.1Vの電圧を維持して充電を行なった(CV充電)。そして、総充電時間(CC充電時間+CV充電時間)が3時間に達した時点で充電を終了した。
(2)放電条件
充電終了後に電池を10分間静置した後、放電を行なった。放電は次のように2段階放電を行なった。まず、第1段の放電として0.33Itの電流値で電池電圧が3.0Vに到達するまで放電を行なった(CC放電)。その後、電池を10分間静置した後、さらに第2段の放電として、0.33Itの電流値で電池電圧が3.0Vに到達するまで放電を行なった(CC放電)。そして、第1段の放電容量と第2段の放電容量の総和を電池容量とした。
(Battery capacity measurement conditions)
The battery capacity before and after the cycle durability test was measured under the following conditions. Then, the capacity retention rate (%) was calculated by dividing the battery capacity after the cycle endurance test (after 1000 cyc) by the battery capacity before the cycle endurance test (initial capacity). The ambient environment temperature at the time of measuring the capacity was 25 ° C. (room temperature).
(1) Charging conditions The battery was charged by CC-CV charging. That is, the battery was charged at a constant current of 1 It until the battery voltage reached 4.1 V (CC charging), and after reaching 4.1 V, charging was performed while maintaining the voltage of 4.1 V while the current was attenuated ( CV charging). The charging was terminated when the total charging time (CC charging time + CV charging time) reached 3 hours.
(2) Discharge condition After the charge was completed, the battery was left for 10 minutes and then discharged. The discharge was performed in two steps as follows. First, discharge was performed at a current value of 0.33 It as a first stage discharge until the battery voltage reached 3.0 V (CC discharge). Thereafter, the battery was allowed to stand for 10 minutes, and then discharged as a second stage discharge at a current value of 0.33 It until the battery voltage reached 3.0 V (CC discharge). The sum of the first stage discharge capacity and the second stage discharge capacity was defined as the battery capacity.

(結果の考察)
以上のようにして得られた正極活物質のZrの含有量と電池の容量維持率との関係を図1に示す。図1は正極活物質におけるZrの含有量と容量維持率との関係を示すグラフである。図1の横軸は各電池に用いられた正極活物質におけるZrの含有量を示し、縦軸はサイクル耐久試験後の電池の容量維持率を示している。図1に示すように、Zrの含有量が0〜0.25mol%の間では、Zrの含有量が増加するに従って電池の容量維持率が向上する傾向が確認された。そして、Zrの含有量が0.25mol%以上となると、その効果は飽和し容量維持率はほぼ一定のまま推移する傾向が確認された。したがって、この結果から、正極活物質のZrの含有量は0.25mol%以上必要であると考えられる。
(Consideration of results)
The relationship between the Zr content of the positive electrode active material obtained as described above and the capacity retention rate of the battery is shown in FIG. FIG. 1 is a graph showing the relationship between the content of Zr in the positive electrode active material and the capacity retention rate. The horizontal axis of FIG. 1 shows the Zr content in the positive electrode active material used for each battery, and the vertical axis shows the capacity retention rate of the battery after the cycle durability test. As shown in FIG. 1, when the Zr content was between 0 and 0.25 mol%, it was confirmed that the capacity retention rate of the battery improved as the Zr content increased. And when content of Zr became 0.25 mol% or more, the effect was saturated and the tendency for a capacity | capacitance maintenance factor to remain substantially constant was confirmed. Therefore, from this result, it is considered that the Zr content of the positive electrode active material is required to be 0.25 mol% or more.

<実験2:非水電解質におけるLiPOFの添加量に関する評価>
実験2では、非水電解質におけるLiPOFの添加量のサイクル耐久性への影響を評価した。まず上記した「正極の作製」において、表1に示すZrの含有量を有する正極活物質を各種作製した。次に上記した「非水電解質の調整」において、表1に示す量でLiPOFが添加された非水電解質を各種調整した。そして、これらを表1に示すように組み合わせて、試験電池No.1〜12を作製した。なおこれらのうちNo.5〜10が実施例のリチウムイオン二次電池に相当し、それ以外が比較例のリチウムイオン二次電池に相当する。
<Experiment 2: Evaluation of LiPOF Addition in Nonaqueous Electrolyte>
In Experiment 2, the influence of the added amount of LiPOF in the nonaqueous electrolyte on the cycle durability was evaluated. First, in “Preparation of positive electrode” described above, various positive electrode active materials having a Zr content shown in Table 1 were prepared. Next, in the “adjustment of non-aqueous electrolyte” described above, various non-aqueous electrolytes to which LiPOF was added in the amounts shown in Table 1 were prepared. These are combined as shown in Table 1 to obtain a test battery No. 1-12 were produced. Of these, No. 5-10 correspond to the lithium ion secondary battery of an Example, and other than that corresponds to the lithium ion secondary battery of a comparative example.

Figure 0006032180
Figure 0006032180

(サイクル耐久性試験)
上記と同様にして各試験電池のサイクル耐久試験を行なった。そして1000cyc後の容量維持率を算出した。結果を表1および図2Aに示す。
(Cycle durability test)
The cycle durability test of each test battery was performed in the same manner as described above. And the capacity | capacitance maintenance factor after 1000 cyc was computed. The results are shown in Table 1 and FIG. 2A.

(抵抗増加率の測定)
実験2では容量維持率と合わせて反応抵抗の増加率も評価した。すなわち、サイクル耐久試験の前後で反応抵抗を測定し、サイクル耐久試験後の反応抵抗をサイクル耐久試験前の反応抵抗で除すことにより抵抗増加率を算出した。
(Measurement of resistance increase rate)
In Experiment 2, the rate of increase in reaction resistance was also evaluated along with the capacity maintenance rate. That is, the reaction resistance was measured before and after the cycle durability test, and the resistance increase rate was calculated by dividing the reaction resistance after the cycle durability test by the reaction resistance before the cycle durability test.

(反応抵抗の測定条件)
電池の反応抵抗は次のようにして測定した。すなわち、各試験電池の充電量を40%に調整した後、−30℃に設定した恒温槽に投入し、交流インピーダンス測定を行なった。この測定には、東陽テクニカ(株)により販売されているSolatron社製の周波数応答アナライザ(FRA:Frequency Response Analyzer)(型式「1255B」)と、ポテンショ/ガルバノスタット(型式「1287A」)とを組み合わせて用いた。また、測定は高周波数側から始め、測定周波数の範囲は100000〜0.001Hzとした。
(Reaction resistance measurement conditions)
The reaction resistance of the battery was measured as follows. That is, after the charge amount of each test battery was adjusted to 40%, it was put into a thermostat set to −30 ° C. and AC impedance measurement was performed. For this measurement, a frequency response analyzer (FRA: Frequency Response Analyzer) (model “1255B”) sold by Toyo Technica Co., Ltd. and a potentio / galvanostat (model “1287A”) are combined. Used. Moreover, the measurement was started from the high frequency side, and the range of the measurement frequency was 100,000 to 0.001 Hz.

このようにして得られた交流インピーダンスの測定結果を、周波数応答の実数部を横軸に、虚数部を縦軸とする座標にプロットし、ナイキスト線図を作成した。そして、該座標に描かれた半円の直径をなすインピーダンスの実数部を試験電池の反応抵抗とみなした。なお、このような反応抵抗の算出は、FRA(型式「1255B」)に付帯する測定・解析ソフトウエア(たとえば「ZPlot」)によって行なうこともできる。   The measurement result of the AC impedance obtained in this way was plotted on the coordinates with the real part of the frequency response on the horizontal axis and the imaginary part on the vertical axis, and a Nyquist diagram was created. And the real part of the impedance which makes the diameter of the semicircle drawn in this coordinate was considered as the reaction resistance of the test battery. Such calculation of reaction resistance can also be performed by measurement / analysis software (for example, “ZPlot”) attached to FRA (model “1255B”).

以上のようにして得られた抵抗増加率を表1および図2Bに示す。表1および図2Bにおいて、たとえば抵抗増加率が1.11であるとはサイクル耐久試験後の反応抵抗が初期の反応抵抗に比べて1.11倍になったことを示している。   The resistance increase rate obtained as described above is shown in Table 1 and FIG. 2B. In Table 1 and FIG. 2B, for example, a resistance increase rate of 1.11 indicates that the reaction resistance after the cycle endurance test is 1.11 times that of the initial reaction resistance.

(結果の考察)
図2AはLiPOFの添加量と電池の容量維持率との関係を示すグラフである。図2Aの横軸は各電池に用いられた非水電解質へのLiPOFの添加量を示し、縦軸は電池の容量維持率を示している。図2Aには比較としてZrを単独で用いた場合およびLiPOFを単独で用いた場合の結果も併せて表示している。
(Consideration of results)
FIG. 2A is a graph showing the relationship between the amount of LiPOF added and the capacity retention rate of the battery. The horizontal axis of FIG. 2A shows the amount of LiPOF added to the nonaqueous electrolyte used in each battery, and the vertical axis shows the capacity retention rate of the battery. FIG. 2A also shows the results of using Zr alone and LiPOF alone for comparison.

図2Aに示すように、ZrとLiPOFを併用した場合は、Zrを単独で用いた場合およびLiPOFを単独で用いた場合から予想される範囲を超えて容量維持率が向上していた。とりわけ、正極活物質のZrの含有量が0.25mol%以上であり、かつ非水電解質へのLiPOF添加量が0.25質量%以上1.00質量%以下の範囲においてその効果は顕著であった。また非水電解質へのLiPOF添加量が0.38質量%以上0.75質量%以下の範囲においてはさらに高い効果が得られ、容量維持率は8.3%程度向上することが明らかとなった。このような結果が得られた理由は、ZrとLiPOFと併用した場合はそれらが電池の容量維持率に対して相乗的に作用するためであると考えられる。すなわち、LiPOFは負極表面にSEIを形成して容量維持率を向上させるだけではなく、正極表面に保護被膜を形成して正極からのZrの溶出を抑制する。そして、負極におけるSEIによる非水電解質の分解抑制効果と、正極におけるZrによる非水電解質の分解抑制効果とが相俟ってサイクル耐久性を顕著に向上させるものであると考えられる。   As shown in FIG. 2A, when Zr and LiPOF were used in combination, the capacity retention ratio was improved beyond the range expected from the case of using Zr alone and the case of using LiPOF alone. In particular, the effect is remarkable when the Zr content of the positive electrode active material is 0.25 mol% or more and the LiPOF addition amount to the nonaqueous electrolyte is 0.25 mass% or more and 1.00 mass% or less. It was. Further, it has been clarified that when the amount of LiPOF added to the non-aqueous electrolyte is in the range of 0.38% by mass or more and 0.75% by mass or less, a higher effect is obtained and the capacity retention rate is improved by about 8.3%. . The reason why such a result was obtained is considered to be that when Zr and LiPOF are used in combination, they act synergistically on the capacity retention rate of the battery. That is, LiPOF not only improves the capacity retention rate by forming SEI on the negative electrode surface, but also forms a protective film on the positive electrode surface to suppress elution of Zr from the positive electrode. Then, it is considered that the cycle durability is remarkably improved by the combination of the non-aqueous electrolyte decomposition suppression effect by SEI in the negative electrode and the non-aqueous electrolyte decomposition suppression effect by Zr in the positive electrode.

他方、図2Bはサイクル耐久試験後の抵抗増加率とLiPOFの添加量との関係を示すグラフである。図2Bの横軸は各電池に用いられた非水電解質へのLiPOFの添加量を示し、縦軸はサイクル耐久試験後の抵抗増加率を示している。表1、図2Aおよび図2Bから分かるように、図2Bに示す抵抗増加率と図2Aに示す容量維持率との間には高い相関性が確認できる。すなわち、正極活物質のZrの含有量が0.25mol%以上であり、かつ非水電解質へのLiPOF添加量が0.25質量%以上1.00質量%以下の範囲において顕著に抵抗増加率が低減され、また非水電解質へのLiPOF添加量が0.38質量%以上0.75質量%以下の範囲においてはさらに抵抗増加率が低減されている。このような結果が得られた理由は、LiPOFの添加量に対応して正極からのZrの溶出量が低減され、Zrによる反応抵抗の増加抑制効果が長期に亘って持続したためであると考えられる。   On the other hand, FIG. 2B is a graph showing the relationship between the resistance increase rate after the cycle endurance test and the amount of LiPOF added. The horizontal axis of FIG. 2B shows the amount of LiPOF added to the nonaqueous electrolyte used in each battery, and the vertical axis shows the rate of increase in resistance after the cycle durability test. As can be seen from Table 1, FIG. 2A, and FIG. 2B, a high correlation can be confirmed between the resistance increase rate shown in FIG. 2B and the capacity retention rate shown in FIG. 2A. That is, the resistance increase rate is remarkably high when the Zr content of the positive electrode active material is 0.25 mol% or more and the LiPOF addition amount to the non-aqueous electrolyte is 0.25 mass% or more and 1.00 mass% or less. Further, the rate of increase in resistance is further reduced when the amount of LiPOF added to the nonaqueous electrolyte is in the range of 0.38 mass% to 0.75 mass%. The reason why such a result was obtained is thought to be that the amount of Zr elution from the positive electrode was reduced corresponding to the amount of LiPOF added, and the effect of suppressing the increase in reaction resistance by Zr was sustained over a long period of time. .

<実験3:非水電解質への添加剤種の評価>
実験3では、LiPOF以外の添加剤と正極活物質へのZr添加を併用した場合のサイクル耐久性を評価した。実験3ではLiPOFと同様に正極に作用すると考えられる添加剤として、LiBOB、LiBF4およびPSを採用した。そして上記「非水電解質の調整」において、各種添加剤を非水電解質にそれぞれ0.5質量%添加する以外はこれと同様にして各種非水電解質を調整した。次いで図3に示すように、Zrを添加しない正極活物質およびZrを0.25mol%含有する正極活物質を作製し、これらを用いて各種正極を得た。
<Experiment 3: Evaluation of Additive Type to Nonaqueous Electrolyte>
In Experiment 3, cycle durability was evaluated when an additive other than LiPOF and Zr addition to the positive electrode active material were used in combination. In Experiment 3, LiBOB, LiBF 4 and PS were employed as additives considered to act on the positive electrode in the same manner as LiPOF. In the “adjustment of non-aqueous electrolyte”, various non-aqueous electrolytes were prepared in the same manner as above except that 0.5% by mass of each additive was added to the non-aqueous electrolyte. Next, as shown in FIG. 3, a positive electrode active material not containing Zr and a positive electrode active material containing 0.25 mol% of Zr were prepared, and various positive electrodes were obtained using these.

そして図3に示すように、各種非水電解質と各種正極とを組み合わせて各種試験電池を作製した。このようにして得た各種試験電池のサイクル耐久試験を上記と同様にして行ない容量維持率を算出した。結果を図3に示す。   As shown in FIG. 3, various test batteries were prepared by combining various nonaqueous electrolytes and various positive electrodes. The cycle durability test of the various test batteries thus obtained was performed in the same manner as described above, and the capacity retention rate was calculated. The results are shown in FIG.

(結果の考察)
図3はZrを0.25mol%含有する正極活物質と、各種添加剤を含む非水電解質との組み合わせた場合におけるサイクル耐久試験後の容量維持率を示すグラフである。図3に示す組み合わせのうち「Zr:0.25mol%+LiPF2(C242:0.5質量%」が実施例のリチウムイオン二次電池に相当する。また図3には比較としてZrを単独で用いた場合、およびLiPOFを単独で用いた場合の結果も表示している。
(Consideration of results)
FIG. 3 is a graph showing the capacity retention ratio after a cycle durability test in the case of combining a positive electrode active material containing 0.25 mol% of Zr and a non-aqueous electrolyte containing various additives. Among the combinations shown in FIG. 3, “Zr: 0.25 mol% + LiPF 2 (C 2 O 4 ) 2 : 0.5 mass%” corresponds to the lithium ion secondary battery of the example. FIG. 3 also shows the results when Zr is used alone and LiPOF is used alone as a comparison.

図3から明らかなように、正極活物質へのZr添加と非水電解質へのLiPOF添加とを併用した場合に顕著に高い容量維持率が確認された。他方、LiBOB、LiBF4およびPSを添加した試験電池はいずれも、LiPOFを添加した試験電池の容量維持率に及ばず、この3種の容量維持率はほぼ同等であった。このような結果から、LiPOFによって正極に形成される保護被膜は特にZrに対して溶出抑制効果が高い被膜であると推察される。 As is clear from FIG. 3, a significantly high capacity retention rate was confirmed when Zr addition to the positive electrode active material and LiPOF addition to the non-aqueous electrolyte were used in combination. On the other hand, all of the test batteries to which LiBOB, LiBF 4 and PS were added did not reach the capacity maintenance rate of the test battery to which LiPOF was added, and these three types of capacity maintenance rates were almost the same. From these results, it is presumed that the protective film formed on the positive electrode by LiPOF is a film having a particularly high elution suppressing effect on Zr.

<実験4:Zrの溶出量の評価>
実験4では、LiPOFによるZr溶出抑制効果を検証した。まず上記と同様にしてZrを0.25mol%含有する正極活物質とLiPOFを0.50質量%含有する非水電解質とを用いた実施例に係る試験電池を複数作製した。また、Zrを0.25mol%含有する正極活物質とLiPOFを含有しない非水電解質を用いた比較例に係る試験電池を複数作製した。
<Experiment 4: Evaluation of Zr Elution Amount>
In Experiment 4, the Zr elution suppression effect by LiPOF was verified. First, a plurality of test batteries according to Examples using a positive electrode active material containing 0.25 mol% of Zr and a nonaqueous electrolyte containing 0.50 mass% of LiPOF were produced in the same manner as described above. In addition, a plurality of test batteries according to comparative examples using a positive electrode active material containing 0.25 mol% of Zr and a non-aqueous electrolyte not containing LiPOF were produced.

これらの電池について上記と同様にしてサイクル耐久試験を行ない、0cyc、300cyc、500cycおよび1000cyc経過後にそれぞれ電池を解体して負極を回収した。そして回収した負極から負極合材を掻き取って、負極合材に含まれるZrの量を上記のICP−AESによって測定した。その結果を図4に示す。   These batteries were subjected to a cycle durability test in the same manner as described above, and the batteries were disassembled after the elapse of 0 cyc, 300 cyc, 500 cyc, and 1000 cyc, and the negative electrode was collected. Then, the negative electrode mixture was scraped from the collected negative electrode, and the amount of Zr contained in the negative electrode mixture was measured by the ICP-AES. The result is shown in FIG.

(結果の考察)
図4は、試験電池に対して行なわれた充放電サイクルの数と負極合材中のZrの量との関係を示すグラフである。正極活物質からZrが溶出すると、溶出したZrは電気泳動によって負極側へ移動し負極表面上に析出すると考えられる。したがって、実験4における負極合材中のZrの量は、正極活物質から非水電解質へ溶出したZrの量とみなすことができる。
(Consideration of results)
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the number of charge / discharge cycles performed on the test battery and the amount of Zr in the negative electrode mixture. When Zr is eluted from the positive electrode active material, it is considered that the eluted Zr moves to the negative electrode side by electrophoresis and precipitates on the negative electrode surface. Therefore, the amount of Zr in the negative electrode mixture in Experiment 4 can be regarded as the amount of Zr eluted from the positive electrode active material to the nonaqueous electrolyte.

図4から明らかなように、LiPOFを含有しない比較例の試験電池ではサイクル数に従って負極から検出されるZrの量が増加している。これに対してLiPOFを0.50質量%含有する実施例の試験電池では、初期(0cyc)に比べて300cyc経過後に若干Zrの量が増加したが、その後はほぼ横ばいにZrの量が推移した。1000cyc経過後の実施例と比較例とを比較すると、実施例ではZrの量が1/4以下に抑制されていることが分かる。この結果から、LiPOFが正極活物質からのZrの溶出を抑制していることは明らかである。   As is clear from FIG. 4, in the test battery of the comparative example that does not contain LiPOF, the amount of Zr detected from the negative electrode increases with the number of cycles. On the other hand, in the test battery of the example containing 0.50% by mass of LiPOF, the amount of Zr slightly increased after 300 cyc compared to the initial (0 cyc), but thereafter the amount of Zr remained almost flat. . Comparing the example after the elapse of 1000 cyc and the comparative example, it can be seen that the amount of Zr is suppressed to ¼ or less in the example. From this result, it is clear that LiPOF suppresses the elution of Zr from the positive electrode active material.

以上の実験1〜実験4の結果から、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解質とを備え、該正極活物質はジルコニウム(Zr)を0.25mol%以上含み、該非水電解質にリチウムジフルオロビスオキサレートフォスフェート(LiPF2(C242)が0.25質量%以上1.00質量%以下の範囲で添加されているリチウムイオン二次電池は、従来に比し優れたサイクル耐久性を示すものであることが確かめられた。 From the results of the above Experiments 1 to 4, a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte are included, and the positive electrode active material includes 0.25 mol% or more of zirconium (Zr). The lithium ion secondary battery in which lithium difluorobisoxalate phosphate (LiPF 2 (C 2 O 4 ) 2 ) is added to the non-aqueous electrolyte in the range of 0.25 mass% to 1.00 mass%, It was confirmed that the cycle durability was superior to that of the prior art.

そしてこのリチウムイオン二次電池は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解質とを備え、該正極活物質はジルコニウムを0.25mol%以上含み、該正極および該負極はその表面にリチウムジフルオロビスオキサレートフォスフェートに由来する物質を含む被膜を有するものである。   The lithium ion secondary battery includes a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, and a nonaqueous electrolyte. The positive electrode active material includes 0.25 mol% or more of zirconium, and the positive electrode and the positive electrode The negative electrode has a coating film containing a substance derived from lithium difluorobisoxalate phosphate on its surface.

以上のように本発明の実施形態および実施例について説明を行なったが、上記した実施形態および各実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。   Although the embodiments and examples of the present invention have been described as described above, it is also planned from the beginning to appropriately combine the configurations of the above-described embodiments and examples.

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

Claims (1)

正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解質とを備え、
前記正極活物質はジルコニウムを0.25mol%以上含み、
前記非水電解質にリチウムジフルオロビスオキサレートフォスフェートが0.25質量%以上1.00質量%以下の範囲で添加されている、リチウムイオン二次電池。
A positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte,
The positive electrode active material contains 0.25 mol% or more of zirconium,
A lithium ion secondary battery in which lithium difluorobisoxalate phosphate is added to the nonaqueous electrolyte in a range of 0.25 mass% to 1.00 mass%.
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