JP6057644B2 - Lithium ion battery - Google Patents

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Description

本発明は、特に長寿命が要求される用途に供するリチウムイオン電池に適用される。   The present invention is applied to a lithium ion battery for use in which a long life is required.

自然エネルギーの発電量の平準化とピークカット等の負荷の平準化には、蓄電池がシステムに組み込まれる。激しいエネルギー需給の変動に対応するためには。急速充放電が要求され、蓄電池の中ではリチウムイオン電池が適していると考えられている。このリチウムイオン電池は、民生用として、20年あまり歴史があるが、このような過酷な条件下で、10数年の寿命が必要であるという要求には対応してきておらず、これらの技術をそのまま転用すると、充分な電池寿命が得られない。   A storage battery is incorporated into the system for leveling the amount of power generated by natural energy and leveling loads such as peak cuts. To cope with the rapid fluctuations in energy supply and demand. Rapid charge / discharge is required, and lithium ion batteries are considered suitable among storage batteries. Although this lithium-ion battery has a history of about 20 years for consumer use, it has not been able to meet the demand for a life of more than 10 years under such severe conditions. If diverted as it is, sufficient battery life cannot be obtained.

そこで、これらの用途には、非特許文献1、特許文献1、特許文献2及び特許文献3に開示されているように、リン酸鉄正極が主に用いられている。リン酸鉄正極は、エネルギー密度が、コバルト酸リチウムや、ニッケル酸リチウムと比べて劣るため、携帯用の民生用途にはあまり使用されていなかった。しかし、定置用、すなわち屋外で据置いて使用する場合は、エネルギー密度よりも寿命が重視される。リン酸鉄正極の寿命が優れているのは、結晶構造が安定しているため、リチウムの挿入脱離に伴う、結晶構造の乱れが生じにくいからであると考えられる。コバルト酸リチウムや、ニッケル酸リチウムのサイクルに伴う特性低下は、特に電解液と接する最表面部分で結晶構造が変化し、リチウムの拡散のバリアとなり、急速充放電が困難になるが、リン酸鉄正極には、この劣化モードはないため、これらの材料に比べて長寿命が得られる。しかし、リン酸鉄正極を使用するだけでは、実用上、まだ不充分である。   Therefore, as disclosed in Non-Patent Document 1, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3, an iron phosphate positive electrode is mainly used for these applications. Since the iron phosphate positive electrode is inferior in energy density to lithium cobaltate and lithium nickelate, it has not been widely used for portable consumer use. However, in the case of stationary use, that is, when used outdoors, the life is more important than the energy density. The long life of the iron phosphate positive electrode is considered to be because the crystal structure is stable, so that the disorder of the crystal structure accompanying lithium insertion / extraction is less likely to occur. The deterioration of properties associated with the cycle of lithium cobaltate and lithium nickelate changes the crystal structure, especially on the outermost surface part in contact with the electrolyte, which becomes a barrier to lithium diffusion and makes rapid charge / discharge difficult. Since the positive electrode does not have this deterioration mode, a longer life can be obtained than these materials. However, just using an iron phosphate positive electrode is still insufficient for practical use.

リン酸鉄−グラファイトの系で電池を構成し、長期の充放電を行うと、電池容量が低下する。発明者らは、この原因を調査した結果、正極、負極ともに、電極材料は劣化しておらず、単極で試験するとほぼ初期の容量が得られることが判明した。さらに、詳細に調べた結果、電池が完全放電された状態では、正極が一部充電された状態となっており、放電には関与せず、これが原因で、電池容量が低下したものであることが知得された。
このような状態の電池の放電容量は、負極の容量によって支配されている。このとき、正極が一部充電された状態になっているのは、充電時に負極活物質上で副反応が進行し、これに相当する電気量が正極に蓄積されたものと考えられる。副反応の量はわずかでも、数千サイクルに渡って蓄積されると、このような結果を招く。
When a battery is composed of an iron phosphate-graphite system and long-term charge / discharge is performed, the battery capacity decreases. As a result of investigating this cause, the inventors have found that the electrode material is not deteriorated in both the positive electrode and the negative electrode, and that a substantially initial capacity can be obtained when tested with a single electrode. Furthermore, as a result of detailed investigations, when the battery is completely discharged, the positive electrode is partially charged and does not participate in the discharge, and this is the reason that the battery capacity is reduced. Was learned.
The discharge capacity of the battery in such a state is governed by the capacity of the negative electrode. At this time, the reason why the positive electrode is partially charged is considered that a side reaction has progressed on the negative electrode active material at the time of charging, and an amount of electricity corresponding to this has accumulated in the positive electrode. Even small amounts of side reactions, when accumulated over thousands of cycles, result in this.

これを解決する方法として、非特許文献2及び特許文献4に負極にリチウムをプリドープする方法が記載されている。この方法によれば、負極の長期サイクルに渡って生じる副反応を見込んで、あらかじめ負極の充電レベルを高くしておくことにより、正極が完全放電されるまで負極が放電されることになり、前記現象においても、電池の容量低下を防止することができる。しかし、活物質にあらかじめリチウムを担持させる当該方法は、活物質を含有する電極にリチウム金属箔を接触させる等のプロセスが、必要となり、比較的厚い電極を用いるコイン型などに有効であるが、薄い電極を複数枚積層する積層型構造電池、あるいは、巻回型構造電池においては、工程が煩雑になり、また、安全性を確保するための方策が必要となる課題点がある。   As a method for solving this, Non-Patent Document 2 and Patent Document 4 describe a method of pre-doping lithium into the negative electrode. According to this method, in anticipation of side reactions occurring over a long cycle of the negative electrode, the negative electrode is discharged until the positive electrode is completely discharged by increasing the charge level of the negative electrode in advance. Even in the phenomenon, it is possible to prevent the battery capacity from being lowered. However, this method of supporting lithium in advance on the active material requires a process such as contacting a lithium metal foil with an electrode containing the active material, and is effective for a coin type using a relatively thick electrode. In a laminated structure battery or a wound structure battery in which a plurality of thin electrodes are laminated, there are problems in that the process becomes complicated and measures for ensuring safety are required.

特開2011−28870号公報JP 2011-28870 A 特開2009−200013号公報JP 2009-200013 A 特開2011−44320号公報JP 2011-44320 A 特開2006−156330号公報JP 2006-156330 A

J.Electrochem.Soc.,Vol.144,No.4,April 1997J. Electrochem. Soc., Vol. 144, No. 4, April 1997 電気化学,78(7),606−610(2010)Electrochemistry, 78 (7), 606-610 (2010)

昨今、自然エネルギーの活用、ピークカット等の需要が高まり、これらに資する蓄電池として、リチウムイオン電池に期待が高まってきている。リチウムイオン電池は、民生用として、20年あまり歴史があるが、このように、急速充放電が可能で、かつ、10数年の寿命が必要な要求には対応してきておらず、これらの技術をそのまま転用すると、電池寿命が不充分となる。そこで、10数年の寿命を得るためには、従来技術を使用した時に生じる劣化モードを鑑み、その対策を講じる必要がある。また、製造工程が複雑となる方法は避けるほうが望ましい。   Recently, the demand for utilization of natural energy, peak cut, and the like has increased, and as a storage battery that contributes to these demands, there is an increasing expectation for a lithium ion battery. Lithium ion batteries have a history of more than 20 years for consumer use, but as described above, these technologies have not been able to meet demands that can be rapidly charged and discharged and require a life of 10 or more years. If diverted as it is, the battery life becomes insufficient. Therefore, in order to obtain a life of 10 years or more, it is necessary to take countermeasures in view of the degradation mode that occurs when the conventional technology is used. Also, it is desirable to avoid methods that complicate the manufacturing process.

本発明のリチウムイオン電池には、正極活物質中に、正極活物質の充電電位よりも低電位で電気化学的に酸化され、且つ電池として2サイクル目以降の充放電で使用する場合の正極電位では還元しない物質を添加してなることを特徴とする。   In the lithium ion battery of the present invention, the positive electrode potential is electrochemically oxidized in the positive electrode active material at a potential lower than the charge potential of the positive electrode active material, and the battery is used for charge and discharge after the second cycle. Is characterized by adding a non-reducing substance.

すなわち、本発明は以下の技術的手段から構成される。
〔1〕 正極活物質、結着剤及び導電材を含む正極活物質合剤層中に、添加剤として正極活物質よりも低電位で電気化学的に酸化し、且つ電池として充放電で使用する正極電位では還元しない物質を添加してなる正極電極からなることを特徴とするリチウムイオン電池。
〔2〕 前記添加剤が、正極活物質よりも低電位でリチウムを放出させるリチウム含有物質であることを特徴とする前記〔1〕に記載のリチウムイオン電池。
〔3〕 前記リチウム含有物質が、チタンとリチウムの複合酸化物又はケイ素とリチウムの複合酸化であることを特徴とする前記〔2〕に記載のリチウムイオン電池。
〔4〕 前記チタンとリチウムの複合酸化物が、LiTi12(岩塩型)であることを特徴とする前記〔3〕に記載のリチウムイオン電池。
〔5〕 前記正極活物質よりも低電位で電気化学的に酸化し、且つ電池として充放電で使用する正極電位では還元しない物質の添加量は、正極活物質と合わせた重量を1としたとき、0.5〜10%であることを特徴とする前記〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
〔6〕 前記正極活物質は、オリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO)又はスピネル型マンガン酸リチウム(LiMn)であることを特徴とする前記〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載のリチウムイオン電池。
That is, the present invention comprises the following technical means.
[1] A positive electrode active material mixture layer containing a positive electrode active material, a binder and a conductive material is electrochemically oxidized as an additive at a lower potential than the positive electrode active material, and used as a battery for charging and discharging. A lithium ion battery comprising a positive electrode to which a substance not reduced at a positive electrode potential is added.
[2] The lithium ion battery according to [1], wherein the additive is a lithium-containing material that releases lithium at a lower potential than the positive electrode active material.
[3] The lithium ion battery according to [2], wherein the lithium-containing substance is a composite oxide of titanium and lithium or a composite oxide of silicon and lithium.
[4] The lithium ion battery according to [3], wherein the composite oxide of titanium and lithium is Li 7 Ti 5 O 12 (rock salt type).
[5] The amount of the substance that is electrochemically oxidized at a lower potential than the positive electrode active material and is not reduced at the positive electrode potential used for charging and discharging as a battery is 1 when the combined weight of the positive electrode active material is 1 The lithium ion battery according to any one of [1] to [4], which is 0.5 to 10%.
[6] In any one of [1] to [5], the positive electrode active material is olivine type lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) or spinel type lithium manganate (LiMn 2 O 4 ). The lithium ion battery as described.

定置用、すなわち、自然エネルギーの活用、ピークカット等のシステムに組み込まれる蓄電池として活用した場合、従来のリチウムイオン電池に対して、長寿命が得られ、耐用年数が長くなる。   When used as a stationary battery, that is, as a storage battery incorporated in a system such as utilization of natural energy or peak cut, a longer life is obtained and the service life is longer than that of a conventional lithium ion battery.

本発明に係るリチウムイオン二次電池は、正極活物質、結着剤及び導電材を含む正極活物質合剤層中に、添加剤として正極活物質よりも低電位で電気化学的に酸化し、且つ電池として充放電で使用する正極電位では還元しない物質を添加してなる正極電極からなることを特徴とする。   The lithium ion secondary battery according to the present invention is electrochemically oxidized at a lower potential than the positive electrode active material as an additive in the positive electrode active material mixture layer containing the positive electrode active material, the binder and the conductive material, Further, the battery is characterized by comprising a positive electrode to which a substance not reduced at a positive electrode potential used for charging and discharging as a battery is added.

前記添加剤である「正極活物質よりも低電位で電気化学的に酸化し、且つ電池として充放電で使用する正極電位では還元しない物質を添加充放電で使用する正極電位では還元しない物質」は、1サイクル目の充電時、酸化され、その生成物はその後、化学反応しない物質であり、正極活物質よりも低電位でリチウムを放出させるリチウム含有物質とリチウムを含有しない物質があるが、添加し易さ等の点でリチウム含有物質が好ましい。   The above-mentioned additive, “a substance that is electrochemically oxidized at a lower potential than the positive electrode active material and does not reduce at the positive electrode potential used for charging / discharging as a battery and is not reduced at the positive electrode potential used for charging / discharging” is In the first cycle, it is oxidized, and the product is a substance that does not chemically react after that, and there are lithium-containing substances that release lithium at a lower potential than the positive electrode active material and substances that do not contain lithium. Lithium-containing materials are preferred in terms of ease of handling.

前記正極活物質よりも低電位でリチウムを放出させるリチウム含有物質としては、LiTi12、LiTiO等のチタンとリチウムの複合酸化物、SiLiをはじめとするSiLixOyと記載されるケイ素とリチウムの複合酸化物、リチウムアルミニウム合金LixAl等がそれに該当する。 Examples of the lithium-containing material that releases lithium at a lower potential than the positive electrode active material include titanium and lithium composite oxides such as Li 7 Ti 5 O 12 and Li 2 TiO 2 , and SiLixOy including SiLi 2 O 3. The described composite oxides of silicon and lithium, lithium aluminum alloy LixAl, and the like correspond thereto.

また、前記リチウムを含有しない物質としては、ベンゾキノン、ナフトキノン、アントラキノンなどのキノン系化合物およびその誘導体や、ポリピロール、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリパラフェニレンなどの導電性高分子や、有機ジスルフィド化合物、カーボンスルフィド、単体硫黄などの有機硫黄系化合物などが挙げられる。   Examples of the substance not containing lithium include quinone compounds such as benzoquinone, naphthoquinone, and anthraquinone and derivatives thereof, conductive polymers such as polypyrrole, polyaniline, polyacetylene, polythiophene, and polyparaphenylene, organic disulfide compounds, and carbon. Examples thereof include organic sulfur compounds such as sulfide and elemental sulfur.

そして、前記添加剤は、前記正極活物質よりも低電位でリチウムを放出させるリチウム含有物質を用いるのが好ましく、リチウム含有物質の中では、チタンとリチウムの複合酸化物を用いることが好ましく、その中でもLiTi12(岩塩型)を用いることがより好ましい。 The additive is preferably a lithium-containing material that releases lithium at a lower potential than the positive electrode active material, and among the lithium-containing materials, a composite oxide of titanium and lithium is preferably used. Among them, it is more preferable to use Li 7 Ti 5 O 12 (rock salt type).

また、前記添加剤(前記正極活物質よりも低電位で電気化学的に酸化し、且つ電池として充放電で使用する正極電位では還元しない物質)の添加量は、正極活物質と合わせた重量を1としたとき、0.5〜10%であることが好ましい。添加量を0.05%以下にすると、負極に蓄えられるリチウムのリザーブ量が少ないため、充分な効果が得られず、また、10%以上とすると、設計可能な電池容量が低下する。   In addition, the amount of the additive (a substance that is electrochemically oxidized at a lower potential than the positive electrode active material and is not reduced at the positive electrode potential used for charging and discharging as a battery) is the weight combined with the positive electrode active material. When it is 1, it is preferably 0.5 to 10%. If the addition amount is 0.05% or less, the reserve amount of lithium stored in the negative electrode is small, so that a sufficient effect cannot be obtained. If the addition amount is 10% or more, the battery capacity that can be designed decreases.

更に、本発明において、前記添加剤が添加される正極活物質合剤層中の正極活物質は、充電および放電反応にともない、酸化数が変化する物質であればよいが、その例を挙げれば、オリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO)、スピネル型マンガン酸リチウム(LiMn)、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、コバルト-ニッケル-マンガン3成分層状酸化物(Li(Co−Ni−Mn)O)などを用いることができる。その中でも、オリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO)又はスピネル型マンガン酸リチウム(LiMn)であることが好ましい。 Furthermore, in the present invention, the positive electrode active material in the positive electrode active material mixture layer to which the additive is added may be any material that changes its oxidation number with charge and discharge reactions. , Olivine type lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), spinel type lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ) lithium cobaltate, lithium nickelate, cobalt-nickel - such as manganese ternary layered oxide (Li (Co-Ni-Mn ) O 2) can be used. Among them, olivine type lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) or spinel type lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) is preferable.

次に、本発明に用いる正極の作成方法について説明する。
正極は、通常のリチウムイオン電池の正極のように、正極活物質合剤層と集電体から構成される。
正極活物質合剤(正極活物質、添加剤、結着剤、導電材の混合物層)は、以下の方法で作製する。
表面にカーボンをコーティングした前記正極活物質に、前記添加剤である正極活物質よりも低電位で電気化学的に酸化し、且つ電池として充放電で使用する正極電位では還元しない物質を添加し、これに導電材と結着剤を加えて混合し、正極活物質合剤を作製した。
Next, a method for producing a positive electrode used in the present invention will be described.
A positive electrode is comprised from a positive electrode active material mixture layer and a collector like the positive electrode of a normal lithium ion battery.
The positive electrode active material mixture (positive electrode active material, additive, binder, conductive material mixture layer) is prepared by the following method.
To the positive electrode active material whose surface is coated with carbon, a substance that is electrochemically oxidized at a lower potential than the positive electrode active material that is the additive and that does not reduce at the positive electrode potential used for charging and discharging as a battery, A conductive material and a binder were added to and mixed with this to prepare a positive electrode active material mixture.

前記導電材としては、カーボンブラック、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ、導電性高分子等を用いることができる。   As the conductive material, carbon black, vapor grown carbon fiber, carbon nanotube, conductive polymer, or the like can be used.

また、前記結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン粉末、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、フッ化ビニリデンとクロロトリフルオロエチレンとの共重合体、フッ化ビニリデンとテトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体あるいはフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとクロロトリフルオロエチレンなどのフッ素系高分子、スチレンブタジエンゴム、ポリアクリル酸、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリビニルアルコール、ポリエチレンテルフタレート、ポリエチレンナフタレート、等を用いることができる。   Examples of the binder include polyvinylidene fluoride powder, polyvinylidene fluoride, a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, a copolymer of vinylidene fluoride and chlorotrifluoroethylene, and vinylidene fluoride and tetra Copolymers of fluoroethylene and hexafluoropropylene or fluoropolymers such as vinylidene fluoride, hexafluoropropylene and chlorotrifluoroethylene, styrene butadiene rubber, polyacrylic acid, polyimide, polyamideimide, polyvinyl alcohol, polyethylene terephthalate , Polyethylene naphthalate, and the like can be used.

さらに、正極活物質合剤とN−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルカーボネート、アセトン、シクロヘキサノン、N−メチル−2−ピロリドン、メチルエチルケトン、水などの、結着剤を溶解または分散可能な溶液と混合してスラリーを調製し、アルミニウム箔等の集電体の両面にドクターブレード法により塗布して正極活物質合剤層を形成する。その後、圧縮ローラーを用いて圧縮し電極を得る。
上記塗布方法として、他にスプレーコート法、バーコート法またはスリットコート法などが挙げられるが、これに限定されない。
Further, a positive electrode active material mixture and a binder such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethyl carbonate, acetone, cyclohexanone, N-methyl-2-pyrrolidone, methyl ethyl ketone, and water are dissolved or dispersed. A slurry is prepared by mixing with a possible solution and applied to both surfaces of a current collector such as an aluminum foil by a doctor blade method to form a positive electrode active material mixture layer. Then, it compresses using a compression roller and obtains an electrode.
Other examples of the coating method include, but are not limited to, spray coating, bar coating, and slit coating.

前記集電体は、一般に用いられるアルミニウム箔、アルミニウムメッシュ等を用いることができる。   As the current collector, a commonly used aluminum foil, aluminum mesh, or the like can be used.

次に、本発明に用いる負極の作成方法について説明する。
負極活物質としては、カーボン等を用いる。前記負極活物質としては、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭、グラファイトなどの炭素材料や、ポリアセチレン、ポリピロール等の高分子やSnO、LiTi12、Si、Al、Sn、あるいはこれらを混合したものなどが挙げられるが、これに限定されない。活物質と結着剤を溶剤に混合してスラリーを調製した後、負極集電体としての銅箔の両面に塗布した。塗布の方法は、前記の正極の作成で記載した一般的な方法を用いることができる。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、前記正極と組み合わせる負極電極を作製した。
Next, a method for producing a negative electrode used in the present invention will be described.
Carbon or the like is used as the negative electrode active material. Examples of the negative electrode active material include graphite, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, organic polymer compound fired bodies, mesocarbon microbeads, carbon fibers, activated carbon, graphite and other carbon materials, polyacetylene, and polypyrrole. Examples thereof include, but are not limited to, polymers such as SnO 2 , Li 4 Ti 5 O 12 , Si, Al, Sn, or a mixture thereof. An active material and a binder were mixed in a solvent to prepare a slurry, and then applied to both surfaces of a copper foil as a negative electrode current collector. As a coating method, the general method described in the preparation of the positive electrode can be used. Then, after drying the solvent and compressing to a predetermined thickness with a roller, the negative electrode combined with the said positive electrode was produced.

負極作成の前記結着材及び前記溶剤は、正極の作成に用いたものと同様のものを用いることができる。   As the binder and the solvent for producing the negative electrode, the same materials as those used for producing the positive electrode can be used.

また、前記負極集電体として、銅箔、ニッケル箔、銅メッシュ、ニッケルメッシュ等が用いられる。
Moreover, as the negative electrode current collector, a copper foil, a nickel foil, a copper mesh, a nickel mesh, or the like is used.

次に、本発明に用いる電解液について説明する。
電解液は、等体積比のエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の混合溶媒に六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を1.5モル/リットル濃度で溶解させて調製し用いる。
Next, the electrolytic solution used in the present invention will be described.
The electrolyte is prepared by dissolving lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) at a concentration of 1.5 mol / liter in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in an equal volume ratio.

本発明に用いられる上記溶媒としては、例えば、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、δ−バレロラクトンあるいはε−カプロラクトンなどのラクトン系溶媒、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ビニレンカーボネートあるいはビニルエチレンカーボネートなどのカーボネート系溶媒、1,2−ジメトキシエタン、1−
エトキシ−2−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あるいは2−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒、アセトニトリルなどのニトリル系溶媒、スルフォラン系溶媒、リン酸類、リン酸エステル溶媒、またはピロリドン類などの非水溶媒が挙げられる。溶媒は、いずれか1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
Examples of the solvent used in the present invention include lactone solvents such as γ-butyrolactone, γ-valerolactone, δ-valerolactone, and ε-caprolactone, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. Carbonate solvents such as diethyl carbonate, vinylene carbonate or vinyl ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1-
Ether solvents such as ethoxy-2-methoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran or 2-methyltetrahydrofuran, nitrile solvents such as acetonitrile, sulfolane solvents, phosphoric acids, phosphate solvents, pyrrolidones, etc. The nonaqueous solvent of these is mentioned. Any one type of solvent may be used alone, or two or more types may be mixed and used.

また、電解質としては、通常の電池電解液に用いられるリチウム塩を使用することができる。具体的には、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)、六フッ化ヒ酸リチウム(LiAsF)、過塩素酸リチウム(LiClO)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCFSO)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(SOCF)、トリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチルリチウム(LiC(SOCF)、四フッ化アルミン酸リチウム(LiAlCl)あるいは六フッ化ケイ酸リチウム(LiSiF)などが挙げられる。 Moreover, as an electrolyte, a lithium salt used in a normal battery electrolyte can be used. Specifically, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenate (LiAsF 6 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), trifluoromethanesulfone Lithium acid (LiCF 3 SO 3 ), bis (trifluoromethanesulfonyl) imido lithium (LiN (SO 2 CF 3 ) 2 ), tris (trifluoromethanesulfonyl) methyl lithium (LiC (SO 2 CF 3 ) 3 ), tetrafluoride Examples thereof include lithium aluminate (LiAlCl 4 ) and lithium hexafluorosilicate (LiSiF 6 ).

次に、本発明のリチウムイオン電池の作成方法は、正極、負極、電解液及びセパレータを用いて通常行われる方法によって作成することが可能である。以下に、その1例を説明する。   Next, the production method of the lithium ion battery of the present invention can be produced by a method usually performed using a positive electrode, a negative electrode, an electrolytic solution, and a separator. One example will be described below.

複数の正極板と負極板を用いて微多孔性フィルムからなるセパレータを、セパレータ/負極/セパレータ/正極/セパレータ/負極の順に積層し、この電極群を、アルミラミネートフィルムに挿入し、正極・負極端子を具備させて、電解液を注入し、ヒートシールして、ラミネートタイプの試験セルを作成し、充放電サイクルを繰り返して、寿命の測定を行う。   A separator made of a microporous film using a plurality of positive and negative plates is laminated in the order of separator / negative electrode / separator / positive electrode / separator / negative electrode, and this electrode group is inserted into an aluminum laminate film. A terminal is provided, an electrolytic solution is injected, heat sealing is performed, a laminate type test cell is created, and a charge / discharge cycle is repeated to measure the life.

その他、1枚の正極と負極からなる電極群を捲回して、円筒形の電池缶に挿入してもよい。   In addition, an electrode group including one positive electrode and a negative electrode may be wound and inserted into a cylindrical battery can.

前記セパレータとは、正極と負極とを隔離、絶縁するものを意味し、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエチレンテレフタレート、酢酸セルロース、ポリフッ化ビニリデン等、電池のセパレータとして用いられている公知の多孔質膜や不織布をセパレータとして用いることができる。また、これらの材料が複数種積層されたものでも良い。さらに、電極板とセパレータの接着を容易にする目的で、セパレータの表面に熱により接着可能な接着層を儲けても良い。   The separator means a material that separates and insulates the positive electrode from the negative electrode, and is known as a battery separator such as polyethylene, polypropylene, polyamide, polyimide, polyamideimide, polyethylene terephthalate, cellulose acetate, and polyvinylidene fluoride. A porous film or a non-woven fabric can be used as a separator. In addition, a stack of a plurality of these materials may be used. Furthermore, for the purpose of facilitating the adhesion between the electrode plate and the separator, an adhesive layer that can be bonded by heat may be provided on the surface of the separator.

以下に、本発明のリチウムイオン電池を構成する工程、この発明を用いた電池のサイクル寿命向上に及ぼす効果について述べていく。     Hereinafter, the steps for constituting the lithium ion battery of the present invention and the effects on the cycle life improvement of the battery using the present invention will be described.

〔正極の作製〕
一般式LiFePOで表されるオリビン型構造を有するリン酸鉄は、以下の方法により作成した。先ず、2価の鉄塩とリン酸および水酸化リチウムを含有するリチウム水溶液を混合してリン酸鉄リチウムを晶析させた後、ケッチンブラックとショ糖を加えて、加熱処理焼成し、カーボンを被覆したLiFePOを得た。得られたLiFePOとカーボンの複合粒子は、LiFePOが99質量パーセント、表面にコーティングされたカーボン1質量%であり、平均粒径は、90μmと測定された。
この複合粒子と、添加剤としての岩塩型のLiTi12(平均粒径2μm)を合わせて85質量部、導電剤としてのケッチンブラック粉末が10質量部、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン粉末が5質量部となるよう混合し、これをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液と混合してスラリーを調製した。このスラリーをアルミニウム製の集電体(厚み:18μm)の両面にドクターブレード法により塗布して正極活物質合剤層を形成した。その後、圧縮ローラーを用いて圧縮し、短辺の長さが100mm、長辺の長さが150mmの実施例1〜4及び比較例で使用する正極を作製した。LiFePOとLiTi12の重量比率は、90:10、95:5、98:2、99.5:0.5の4種類を作成した。
[Production of positive electrode]
The iron phosphate having an olivine structure represented by the general formula LiFePO 4 was prepared by the following method. First, after mixing a divalent iron salt and a lithium aqueous solution containing phosphoric acid and lithium hydroxide to crystallize lithium iron phosphate, kettin black and sucrose are added, heat-treated and baked, and carbon is added. Coated LiFePO 4 was obtained. The obtained LiFePO 4 and carbon composite particles were 99% by mass of LiFePO 4 and 1% by mass of carbon coated on the surface, and the average particle diameter was measured to be 90 μm.
85 parts by mass of the composite particles and rock salt type Li 7 Ti 5 O 12 (average particle size 2 μm) as an additive, 10 parts by mass of ketchin black powder as a conductive agent, polyfluoride as a binder A vinylidene powder was mixed so as to be 5 parts by mass, and this was mixed with an N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solution to prepare a slurry. This slurry was applied to both surfaces of an aluminum current collector (thickness: 18 μm) by a doctor blade method to form a positive electrode active material mixture layer. Then, it compressed using the compression roller and produced the positive electrode used by Examples 1-4 and the comparative example whose length of a short side is 100 mm and whose length of a long side is 150 mm. Four types of weight ratios of LiFePO 4 and Li 7 Ti 5 O 12 of 90:10, 95: 5, 98: 2, and 99.5: 0.5 were prepared.

〔負極の作製〕
負極活物質としては、天然黒鉛の表面を非晶質炭素で被覆した平均粒径が20μmの粉末を用意した。結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを5重量%と、溶剤としてのNMP溶液とを混合してスラリーを調製した後、負極集電タブの溶接部位を除き、上記スラリーを負極集電体としての銅箔(厚み:16μm)の両面に塗布した。その後、溶剤を乾燥し、ローラーで所定の厚みにまで圧縮した後、短辺の長さが105mm、長辺の長さが155mmとなるように負極を作製した。
(Production of negative electrode)
As the negative electrode active material, a powder having an average particle size of 20 μm obtained by coating the surface of natural graphite with amorphous carbon was prepared. After preparing a slurry by mixing 5% by weight of polyvinylidene fluoride as a binder and an NMP solution as a solvent, the welded portion of the negative electrode current collector tab was removed, and the slurry was copper as a negative electrode current collector. It applied to both surfaces of foil (thickness: 16 micrometers). Then, after drying the solvent and compressing to a predetermined thickness with a roller, a negative electrode was prepared so that the length of the short side was 105 mm and the length of the long side was 155 mm.

〔試験セルの作製〕
上記の工程で製造した10枚の正極板及び11枚の負極板を用いて、これら正・負極板と、ポリエチレン系の微多孔性フィルムからなるセパレータを、セパレータ/負極/セパレータ/正極/セパレータ/負極の順に積層し、外形が115mm×160mm×4mmの電極群を作製した。この電極群を、アルミラミネートフィルムに挿入し、正極・負極端子を具備させて、ヒートシールした。電解液は、当体積比のエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の混合溶媒に六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を1.5モル/リットル濃度で溶解させて調製し、この電解液を注入した。
[Production of test cell]
Using the 10 positive electrode plates and 11 negative electrode plates produced in the above process, a separator made of these positive and negative electrode plates and a polyethylene microporous film was separated into a separator / negative electrode / separator / positive electrode / separator / An electrode group having an outer shape of 115 mm × 160 mm × 4 mm was prepared by laminating in order of the negative electrode. This electrode group was inserted into an aluminum laminate film and provided with a positive electrode / negative electrode terminal and heat sealed. The electrolytic solution was prepared by dissolving lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) at a concentration of 1.5 mol / liter in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in this volume ratio. The liquid was injected.

〔効果確試験〕
上記のセルについて、充放電サイクル試験を行った。充電は1C相当の1Cで終止電圧が3.9Vに達するまで、3.9Vの定電圧を90分維持した。放電は1Cで終止電圧が2.7Vになるまで行った。充放電が安定する10サイクル目の放電容量と1000サイクル目の放電容量を表1に示した。なお、表中に記載した数値は、同条件で作製し、試験した5セルのうち、劣化率が最も大きかったものと、小さかったものを除いた3セルの平均値である。
[Effectiveness test]
The above cell was subjected to a charge / discharge cycle test. The charge was maintained at a constant voltage of 3.9 V for 90 minutes until the end voltage reached 3.9 V at 1 C corresponding to 1 C. Discharging was performed at 1C until the end voltage reached 2.7V. Table 1 shows the discharge capacity at the 10th cycle and the discharge capacity at the 1000th cycle in which charging and discharging are stabilized. In addition, the numerical value described in a table | surface is an average value of 3 cells except the thing with the largest deterioration rate and the thing with the smallest deterioration rate among 5 cells produced on the same conditions and tested.

Figure 0006057644
Figure 0006057644

本発明によれば、1000サイクル経過時の容量維持率は、従来技術の比較例より高く、活物質に占めるLiTi12添加量が0.05〜10%の範囲において、1000サイクル時の容量が高くなっている。添加量を0.05%以下にすると、負極に蓄えられるリチウムのリザーブ量が少ないため、このような効果が得られない。また、10%以上とすると、表1の結果からも類推されるように、設計可能な電池容量が低下するため、1000サイクル目で得られる放電容量の絶対値も無添加の条件(比較例1)より、低下する。 According to the present invention, the capacity retention rate after 1000 cycles is higher than that of the comparative example of the prior art, and the Li 7 Ti 5 O 12 addition amount in the active material is in the range of 0.05 to 10%. The capacity of is high. When the addition amount is 0.05% or less, such an effect cannot be obtained because the reserve amount of lithium stored in the negative electrode is small. Further, if it is 10% or more, as can be inferred from the results in Table 1, the battery capacity that can be designed decreases, and therefore the absolute value of the discharge capacity obtained at the 1000th cycle is not added (Comparative Example 1). ).

本発明は、定置用、すなわち、自然エネルギーの活用、ピークカット等に活用した場合、従来のリチウムイオン電池に対して、長寿命がで、耐用年数が長い電池を提供するものであり、産業的、経済的価値は高い。   The present invention provides a battery having a long life and a long service life compared to a conventional lithium ion battery when used for stationary use, that is, utilization of natural energy, peak cut, etc. Economic value is high.

Claims (3)

正極活物質、結着剤及び導電材を含む正極活物質合剤層中に、添加剤として正極活物質よりも低電位で電気化学的に酸化し、且つ電池として充放電で使用する正極電位では還元しない物質であるLi Ti 12 (岩塩型)を添加してなる正極電極からなることを特徴とするリチウムイオン電池。 In the positive electrode active material mixture layer containing the positive electrode active material, the binder, and the conductive material, the positive electrode potential that is electrochemically oxidized at a lower potential than the positive electrode active material as an additive and is used for charging and discharging as a battery A lithium ion battery comprising a positive electrode to which Li 7 Ti 5 O 12 (rock salt type) which is a substance that is not reduced is added. 前記正極活物質よりも低電位で電気化学的に酸化し、且つ電池として充放電で使用する正極電位では還元しない物質の添加量は、正極活物質と合わせた重量を1としたとき、0.5〜10%であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン電池。 The amount of the substance that is electrochemically oxidized at a lower potential than the positive electrode active material and is not reduced at the positive electrode potential used for charging and discharging as a battery is 0. The lithium ion battery according to claim 1, wherein the content is 5 to 10%. 前記正極活物質は、オリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO)又はスピネル型マンガン酸リチウム(LiMn)であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のリチウムイオン電池。
The positive electrode active material, a lithium ion battery according to claim 1 or claim 2, characterized in that it is olivine type lithium iron phosphate (LiFePO 4) or spinel lithium manganate (LiMn 2 O 4).
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