JP6250998B2 - Nonaqueous electrolyte battery and battery pack - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、非水電解質電池及び電池パックに関する。 Embodiments described herein relate generally to a nonaqueous electrolyte battery and a battery pack.
優れた電池特性を得るために、正極および負極の気孔率とそのバランスを適正化することが知られている。例えばオリビン構造を有する正極を用いた電池において、正極および負極の気孔率をそれぞれ30〜50%および20〜30%とすることが行われている。しかしながら、正極および負極の気孔率の範囲と、正極の気孔率と負極の気孔率のバランスは電池材料および電池構造により適正値が異なるため、電池特性が十分に改善されないという課題を有する。 In order to obtain excellent battery characteristics, it is known to optimize the porosity and balance of the positive electrode and the negative electrode. For example, in a battery using a positive electrode having an olivine structure, the porosity of the positive electrode and the negative electrode is set to 30 to 50% and 20 to 30%, respectively. However, since the appropriate range of the porosity range of the positive electrode and the negative electrode and the balance between the positive electrode porosity and the negative electrode porosity differ depending on the battery material and the battery structure, the battery characteristics are not sufficiently improved.
本発明が解決しようとする課題は、入力特性に優れた非水電解質電池と、この非水電解質電池を有する電池パックとを提供することを目的とする。 The problem to be solved by the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte battery excellent in input characteristics and a battery pack having the nonaqueous electrolyte battery.
実施形態によると、正極と、負極と、外装部材とを含む非水電解質電池が提供される。正極は、Li1-xNi1-a-b-cCoaMnbM1cO2(M1はMg,Al,Si,Ti,Zn,Zr,Ca,W,Nb及びSnよりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属、−0.2≦x≦0.5,0<a≦0.5、0<b≦0.5,0≦c≦0.1)からなる正極活物質を含有する。正極は、水銀圧入法による細孔体積が0.03〜0.15ml/g、水銀圧入法による細孔表面積が2.8〜4.8m2/g、水銀圧入法による気孔率が16〜28%の範囲内である。負極は、リチウムチタン複合酸化物からなる負極活物質を含む。負極は、水銀圧入法による細孔体積が0.08〜0.2ml/g、水銀圧入法による細孔表面積が5.5〜7.5m2/g、水銀圧入法による気孔率が18〜30%の範囲内である。外装部材は、少なくとも正極及び負極が収納される。細孔体積、細孔表面積及び気孔率は、正極が負極よりも小さい。
According to the embodiment, a nonaqueous electrolyte battery including a positive electrode, a negative electrode, and an exterior member is provided. The positive electrode is Li 1-x Ni 1-abc Co a Mn b M 1 c O 2 (
(第1の実施形態)
第1の実施形態によれば、正極と、負極と、非水電解質と、少なくとも正極、負極及び非水電解質が収納される外装部材とを含む非水電解質電池が提供される。正極は、Li1-xNi1-a-b-cCoaMnbM1cO2(M1はMg,Al,Si,Ti,Zn,Zr,Ca,W,Nb及びSnよりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属、−0.2≦x≦0.5,0<a≦0.5、0<b≦0.5,0≦c≦0.1)を含む活物質を含有する。正極は、水銀圧入法による細孔体積が0.03〜0.15ml/g、水銀圧入法による細孔表面積が2.8〜4.8m2/g、水銀圧入法による気孔率が16〜28%の範囲内である。負極は、Tiを含有する化合物を含む。負極は、水銀圧入法による細孔体積が0.08〜0.2ml/g、水銀圧入法による細孔表面積が5.5〜7.5m2/g、水銀圧入法による気孔率が18〜30%の範囲内である。正極の細孔体積、細孔表面積及び気孔率は、負極の細孔体積、細孔表面積及び気孔率よりも小さい。
(First embodiment)
According to the first embodiment, a nonaqueous electrolyte battery is provided that includes a positive electrode, a negative electrode, a nonaqueous electrolyte, and an exterior member that houses at least the positive electrode, the negative electrode, and the nonaqueous electrolyte. The positive electrode is Li 1-x Ni 1-abc Co a Mn b M 1 c O 2 (
Li1-xNi1-a-b-cCoaMnbM1cO2の一例であるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を正極活物質に用い、かつTiを含有する化合物の一例であるリチウムチタン複合酸化物を負極活物質に用いる非水電解質電池は、負極に炭素系材料を用いる電池に比べて負極の電気伝導性が低いために良好な入力特性を発現しにくいという課題を有する。発明者らはこの課題を解決するために正極と負極の気孔率に着目して鋭意検討を行った結果、正極及び負極それぞれの水銀圧入法による細孔体積、細孔表面積、気孔率とを特定すると共に、細孔体積、細孔表面積及び気孔率については、正極を負極よりも小さくすることによって、優れた入出力特性が得られることを見出した。 Li 1 -x Ni 1 -abc Co a Mn b M1 c O 2 Lithium nickel cobalt manganese composite oxide which is an example of the positive electrode active material and lithium titanium composite oxide which is an example of a compound containing Ti The nonaqueous electrolyte battery used for the negative electrode active material has a problem that it is difficult to exhibit good input characteristics because the electric conductivity of the negative electrode is lower than that of a battery using a carbon-based material for the negative electrode. In order to solve this problem, the inventors conducted intensive studies focusing on the porosity of the positive electrode and the negative electrode, and as a result, identified the pore volume, pore surface area, and porosity of each of the positive electrode and the negative electrode by mercury porosimetry. In addition, it has been found that excellent input / output characteristics can be obtained by making the positive electrode smaller than the negative electrode with respect to the pore volume, pore surface area, and porosity.
リチウムチタン複合酸化物のようなTiを含有する化合物を用いる負極は、電気伝導性が低いので、気孔率を低くして活物質含有層中の粒子同士の接触を良くすることが肝要であり、気孔率を18〜30%の範囲にすることが好ましい。30%を超える場合、活物質含有層中の粒子同士の接触が不十分となるため、良好な入力特性が得られにくい。一方、18%未満の場合、活物質含有層中の非水電解質量が不足し、入力時の活物質表面のLi+が不足しやすいため、良好な出力特性が得られにくい。負極気孔率のより好ましい範囲は20〜26%の範囲内である。一方、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物のようなLi1-xNi1-a-b-cCoaMnbM1cO2を用いる正極も負極と同様に電気伝導性が低いので気孔率を低くして活物質含有層中の粒子同士の接触を良くすることが肝要である。正極の気孔率は、16〜28%の範囲とすることが好ましい。28%を超える場合、活物質含有層中の粒子同士の接触が不十分となるため、良好な入力特性が得られにくい。一方、16%未満の場合、活物質含有層中の非水電解質量が不足し、入力時の活物質表面のLi+が不足しやすいため、良好な出力特性が得られにくい。正極気孔率のより好ましい範囲は18〜24%の範囲内である。なお、ここでいう気孔率とは初期圧に対応する直径約60μmの細孔にまで水銀が圧入された時の細孔体積量を試料体積量により除することで得られる値である。 Since the negative electrode using a compound containing Ti such as a lithium titanium composite oxide has low electrical conductivity, it is important to improve the contact between particles in the active material-containing layer by lowering the porosity. The porosity is preferably in the range of 18-30%. When it exceeds 30%, contact between particles in the active material-containing layer becomes insufficient, so that it is difficult to obtain good input characteristics. On the other hand, if it is less than 18%, the non-aqueous electrolytic mass in the active material-containing layer is insufficient, and Li + on the active material surface at the time of input tends to be insufficient, so that it is difficult to obtain good output characteristics. A more preferable range of the negative electrode porosity is in the range of 20 to 26%. On the other hand, by lowering the Li 1-x Ni 1-abc Co a Mn b M1 using c O 2 positive electrode also negative electrode and porosity so likewise is low electrical conductivity, such as lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide active material It is important to improve the contact between the particles in the containing layer. The porosity of the positive electrode is preferably in the range of 16 to 28%. When it exceeds 28%, contact between particles in the active material-containing layer becomes insufficient, so that it is difficult to obtain good input characteristics. On the other hand, if it is less than 16%, the non-aqueous electrolytic mass in the active material-containing layer is insufficient, and Li + on the active material surface at the time of input tends to be insufficient, so that it is difficult to obtain good output characteristics. A more preferable range of the positive electrode porosity is in the range of 18 to 24%. Here, the porosity is a value obtained by dividing the volume of pores when mercury is injected into pores having a diameter of about 60 μm corresponding to the initial pressure by the volume of the sample.
入出力性能は、負極活物質含有層の電気伝導性だけでなく非水電解質量にも支配される性能である。正極にリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物のようなLi1-xNi1-a-b-cCoaMnbM1cO2、負極にリチウムチタン複合酸化物のようなTiを含有する化合物を用いた電池の場合、入出力特性は負極律速となることから、電池全体の非水電解質量をみたときに正極よりも負極に多くの非水電解質が保持されていることが好ましい。そこで、正極において、水銀圧入法による細孔体積を0.03〜0.15ml/g、水銀圧入法による細孔表面積を2.8〜4.8m2/g、かつ負極において、水銀圧入法による細孔体積を0.08〜0.2ml/g、水銀圧入法による細孔表面積を5.5〜7.5m2/gの範囲内にする。また、細孔体積、細孔表面積および気孔率は、正極の方を負極よりも小さくする。これにより、正極よりも負極に多くの非水電解質を保持することが可能となる。 The input / output performance is a performance governed not only by the electric conductivity of the negative electrode active material-containing layer but also by the nonaqueous electrolytic mass. In the case of a battery using Li 1-x Ni 1-abc Co a Mn b M1 c O 2 such as lithium nickel cobalt manganese composite oxide for the positive electrode and Ti containing compound such as lithium titanium composite oxide for the negative electrode Since the input / output characteristics are controlled by the negative electrode, it is preferable that more nonaqueous electrolyte is held in the negative electrode than in the positive electrode when the nonaqueous electrolytic mass of the whole battery is viewed. Therefore, in the positive electrode, the pore volume by the mercury intrusion method is 0.03 to 0.15 ml / g, the pore surface area by the mercury intrusion method is 2.8 to 4.8 m 2 / g, and in the negative electrode by the mercury intrusion method. The pore volume is 0.08 to 0.2 ml / g, and the pore surface area by mercury intrusion method is within the range of 5.5 to 7.5 m 2 / g. In addition, the pore volume, the pore surface area, and the porosity are made smaller for the positive electrode than for the negative electrode. This makes it possible to hold more nonaqueous electrolyte in the negative electrode than in the positive electrode.
ここで、正極活物質にコバルト酸リチウムのみを用いた場合、負極の非水電解質量が正極のそれより大きくなると充放電サイクル時における正極の放電深度が深くなるために抵抗上昇が大きくなることが懸念される。また、正極活物質にスピネル型マンガン酸リチウムのみを用いた場合、正極の細孔表面積が2.8〜4.8m2/gの範囲内のときに充放電サイクル時におけるMnの溶出が顕著となるため、抵抗上昇が大きくなることが懸念される。したがって、Li1-xNi1-a-b-cCoaMnbM1cO2を含む正極と、Tiを含有する化合物を含む負極とを備えると共に、正極と負極の細孔分布を規定することにより、入出力性能に優れた非水電解質電池を実現することができる。 Here, when only lithium cobaltate is used as the positive electrode active material, if the non-aqueous electrolysis mass of the negative electrode is larger than that of the positive electrode, the depth of discharge of the positive electrode during the charge / discharge cycle is deepened, which may increase the resistance. Concerned. Further, when only the spinel type lithium manganate is used as the positive electrode active material, the elution of Mn during the charge / discharge cycle is remarkable when the pore surface area of the positive electrode is in the range of 2.8 to 4.8 m 2 / g. Therefore, there is a concern that the resistance increase will become large. Therefore, by providing a positive electrode containing Li 1-x Ni 1-abc Co a Mn b M1 c O 2 and a negative electrode containing a compound containing Ti, and by defining the pore distribution of the positive electrode and the negative electrode, A nonaqueous electrolyte battery having excellent output performance can be realized.
また、電池の外装部材として金属缶のような電極群の拘束力のあるものを用いる場合よりも、外装部材が5〜1000μmの厚さの金属箔を含み、かつその内面が樹脂層からなるような電極群の拘束力に欠けるものを用いた場合の方が、入出力性能の改善が顕著である。ここで、金属箔の厚さが5〜1000μmの範囲が好ましいのは、5μm未満であると強度の点から外装部材としての機能が不十分である可能性があり、また、1000μmを超えると、樹脂層での接着では接合強度が不足し外装部材としての機能が不十分である可能性があるからである。 Further, as compared with the case where an electrode group having a binding force of an electrode group such as a metal can is used as the battery outer member, the outer member includes a metal foil having a thickness of 5 to 1000 μm and the inner surface is made of a resin layer. The improvement in input / output performance is more remarkable when the electrode group lacking the binding force is used. Here, the thickness of the metal foil is preferably in the range of 5 to 1000 μm. If it is less than 5 μm, the function as an exterior member may be insufficient from the point of strength, and if it exceeds 1000 μm, This is because the bonding with the resin layer has insufficient bonding strength and may have an insufficient function as an exterior member.
正極活物質の一次粒子径は0.1〜1μmの範囲内とすることが好ましい。正極活物質の一次粒子径が小さいと、活物質表面と非水電解質の副反応による抵抗増加が大きいため、入出力性能の改善が見られない虞がある。一方、正極活物質の一次粒子径が大きいと、正極活物質中のリチウムイオンの固体内拡散が反応律速となるため、入出力性能の改善が見られない虞がある。正極活物質の一次粒子径を0.1〜1μmの範囲内にすると、副反応による抵抗増加が抑えられると共に、正極活物質中のリチウムイオンの固体内拡散の入出力性能に対する影響が小さくなることから、優れた入出力性能が得られやすい。より好ましい範囲は0.2〜0.8μmの範囲内である。 The primary particle diameter of the positive electrode active material is preferably in the range of 0.1 to 1 μm. If the primary particle size of the positive electrode active material is small, the resistance increase due to the side reaction between the active material surface and the non-aqueous electrolyte is large, and thus there is a concern that the input / output performance may not be improved. On the other hand, when the primary particle diameter of the positive electrode active material is large, the diffusion of lithium ions in the positive electrode active material in the solid becomes reaction-controlled, and thus there is a possibility that the input / output performance cannot be improved. When the primary particle size of the positive electrode active material is in the range of 0.1 to 1 μm, an increase in resistance due to side reaction is suppressed and the influence on the input / output performance of the diffusion of lithium ions in the positive electrode active material in the solid is reduced. Therefore, it is easy to obtain excellent input / output performance. A more preferable range is in the range of 0.2 to 0.8 μm.
水銀圧入法による細孔体積、水銀圧入法による細孔表面積、水銀圧入法による気孔率の測定方法を以下に記載する。 The methods for measuring the pore volume by the mercury intrusion method, the pore surface area by the mercury intrusion method, and the porosity by the mercury intrusion method are described below.
測定装置には、島津オートポア9520(Autopore 9520 model manufactured by Shimadzu Corporation)を用いる。試料は、電極を約25×25mm2サイズに切断し、これを折りたたんで測定セルに採り、初期圧20kPa(初期圧20kPaは約3psiaに相当し、また、細孔直径が約60μmの試料に加わる圧力に相当する)及び最高圧414Mpa(最高圧414Mpaは約59986psiaに相当し、また、細孔直径が約0.003μmの試料に加わる圧力に相当する)の条件で測定する。3試料の平均値を測定結果として用いる。データ整理に当り、細孔比表面積は、細孔の形状を円筒形として計算する。 As a measuring apparatus, Shimadzu Autopore 9520 (Autopore 9520 model manufactured by Shimadzu Corporation) is used. For the sample, the electrode is cut to a size of about 25 × 25 mm 2 and folded to take a measuring cell. The initial pressure is 20 kPa (the initial pressure of 20 kPa corresponds to about 3 psia, and the pore diameter is about 60 μm). And a maximum pressure of 414 Mpa (the maximum pressure of 414 Mpa corresponds to about 59986 psia and corresponds to the pressure applied to a sample having a pore diameter of about 0.003 μm). The average value of the three samples is used as the measurement result. In organizing the data, the pore specific surface area is calculated assuming that the pore shape is cylindrical.
なお、水銀圧入法の解析原理はWashburnの式(B)に基づく。 The analysis principle of the mercury intrusion method is based on Washburn's formula (B).
D=−4γcosθ/P (B)式
ここで、Pは加える圧力、Dは細孔直径、γは水銀の表面張力(480dyne・cm-1)、θは水銀と細孔壁面の接触角で140°である。γ、θは定数であるからWashburnの式より、加えた圧力Pと細孔直径Dの関係が求められ、そのときの水銀侵入体積を測定することにより、細孔直径とその体積分布を導くことができる。測定法・原理等の詳細は、神保元ニら:「微粒子ハンドブック」朝倉書店、(1991)、早川宗八郎編:「粉体物性測定法」朝倉書店(1978)などを参照されたい。
D = −4γcos θ / P (B) where P is the pressure to be applied, D is the pore diameter, γ is the surface tension of mercury (480 dyne · cm −1 ), and θ is the contact angle between mercury and the pore wall surface. °. Since γ and θ are constants, the relationship between the applied pressure P and the pore diameter D is obtained from the Washburn equation, and the mercury intrusion volume at that time is measured to derive the pore diameter and its volume distribution. Can do. For details of the measurement method and principle, refer to Jinbo Motoni et al .: “Fine Particle Handbook” Asakura Shoten, (1991), Hayakawa Sohachiro Edition: “Powder Physical Property Measurement Method” Asakura Shoten (1978).
なお、電池から正極及び負極を取り出し、エチルメチルカーボネートに浸漬してLi塩を除去した後に乾燥したものを測定サンプルとする。 In addition, taking out the positive electrode and the negative electrode from the battery, immersing them in ethyl methyl carbonate to remove the Li salt, and then drying them are used as measurement samples.
以下、実施形態の非水電解質電池について部材ごとに詳細に説明する。 Hereinafter, the nonaqueous electrolyte battery of the embodiment will be described in detail for each member.
1)負極
負極は、集電体と、この集電体の片面もしくは両面に担持され、負極活物質、導電剤および結着剤を含む負極材料層(負極活物質含有層)とを有する。この負極は、例えば、粉末状の負極活物質に導電剤および結着剤を添加し、これらを適当な溶媒に懸濁させ、この懸濁物(スラリー)を集電体に塗布、乾燥、プレスして帯状電極にすることにより作製される。負極の細孔分布及び気孔率は、スラリーの攪拌条件(例えば、攪拌方式、回転数、ビーズ径)を調整することにより制御することができる。たとえば、薄膜旋回型高速ミキサー(プライミクス製フィルミックス40-40型)を用いる場合、周速を上げるまたは滞留時間を長くすることで粒子サイズは小さくなり分布もシャープとなるので、細孔分布としては細孔径は小さくなり気孔率は電極プレスにより潰れにくくなるので大きくなる傾向となる。また、たとえば横型ビーズミル(アイメックス社製RMH−03)を用いる場合でビーズ径が小さいときは、ディスク回転数を上げるまたは流速を下げると粒子サイズは小さくなり分布もシャープとなるので、細孔分布としては細孔径は小さくなり気孔率は電極プレスにより潰れにくくなるので大きくなる傾向となる。一方、ビーズ径が大きいときは、ディスク回転数を上げるまたは流速を下げると粒子サイズは小さくなり分布はブロードとなるので、細孔分布としては細孔径は小さくなり気孔率は電極プレスにより潰れやすくなるので小さくなる傾向となる。また、例えば湿式微粒子化装置(スギノマシン製スターバーストラボ)を用いる場合、圧力を大きくするまたは処理量を小さくすると粒子サイズは小さくなり分布もシャープとなるので、細孔分布としては細孔径は小さくなり気孔率は電極プレスにより潰れにくくなるので大きくなる傾向となる。
1) Negative electrode The negative electrode includes a current collector and a negative electrode material layer (negative electrode active material-containing layer) that is supported on one or both surfaces of the current collector and includes a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder. In this negative electrode, for example, a conductive agent and a binder are added to a powdered negative electrode active material, these are suspended in an appropriate solvent, and this suspension (slurry) is applied to a current collector, dried, pressed Then, it is manufactured by forming a strip electrode. The pore distribution and porosity of the negative electrode can be controlled by adjusting the slurry stirring conditions (for example, stirring method, rotation speed, and bead diameter). For example, when using a thin-film swirl type high-speed mixer (Primics Filmmix 40-40), increasing the peripheral speed or lengthening the residence time reduces the particle size and sharpens the distribution. The pore diameter decreases and the porosity tends to increase because it is less likely to be crushed by the electrode press. In addition, for example, when using a horizontal bead mill (IMH RMH-03) and the bead diameter is small, the particle size becomes smaller and the distribution becomes sharper when the disk rotational speed is increased or the flow velocity is lowered. Tends to increase because the pore diameter becomes smaller and the porosity becomes difficult to be crushed by the electrode press. On the other hand, when the bead diameter is large, the particle size becomes smaller and the distribution becomes broader when the disk rotational speed is increased or the flow rate is lowered. Therefore, the pore diameter becomes smaller and the porosity is easily crushed by the electrode press. Therefore, it tends to be smaller. For example, when using a wet micronizer (Starburst Lab manufactured by Sugino Machine), increasing the pressure or decreasing the processing amount reduces the particle size and sharpens the distribution, so the pore size is small. Therefore, the porosity tends to increase because it becomes difficult to be crushed by the electrode press.
集電体には、金属箔または合金箔が用いられる。特にアルミニウム箔またはアルミニウム合金箔が好ましい。アルミニウム箔、アルミニウム合金箔は、50μm以下、より好ましくは30μm以下、更に好ましくは5μm以下の平均結晶粒径を有することが望ましい。アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔の平均結晶粒径を50μm以下にすることによって、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔の強度を飛躍的に増大させることができる。このため、プレス時の圧力を高めて負極材料層を高密度化して負極容量を増大させることが可能になる。また、高温環境下(40℃以上)における過放電サイクルでの集電体の溶解・腐食劣化を防ぐことができる。このため、負極インピーダンスの上昇を抑制することができる。さらに、出力性能、急速充電、充放電サイクル性能も向上させることができる。 A metal foil or an alloy foil is used for the current collector. Aluminum foil or aluminum alloy foil is particularly preferable. The aluminum foil and aluminum alloy foil desirably have an average crystal grain size of 50 μm or less, more preferably 30 μm or less, and still more preferably 5 μm or less. By setting the average crystal grain size of the aluminum foil or aluminum alloy foil to 50 μm or less, the strength of the aluminum foil or aluminum alloy foil can be dramatically increased. For this reason, it is possible to increase the negative electrode capacity by increasing the pressure during pressing to increase the density of the negative electrode material layer. Further, it is possible to prevent the current collector from being dissolved and corroded in an overdischarge cycle under a high temperature environment (40 ° C. or higher). For this reason, an increase in negative electrode impedance can be suppressed. Furthermore, output performance, rapid charge, and charge / discharge cycle performance can also be improved.
平均結晶粒径は次のようにして求められる。集電体表面の組織を光学顕微鏡で組織観察し、1mm×1mm内に存在する結晶粒の数nを求める。このnを用いてS=1x106/n(μm2)から平均結晶粒子面積Sを求める。得られたSの値から下記(A)式により平均結晶粒子径d(μm)を算出する。 The average crystal grain size is determined as follows. The structure of the current collector surface is observed with an optical microscope, and the number n of crystal grains existing within 1 mm × 1 mm is determined. Using this n, the average crystal grain area S is determined from S = 1 × 10 6 / n (μm 2 ). The average crystal particle diameter d (μm) is calculated from the obtained S value by the following formula (A).
d=2(S/π)1/2 (A)
アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔の平均結晶粒径は、材料組織、不純物、加工条件、熱処理履歴、ならびに焼鈍条件など複数の因子から複雑な影響を受けて変化する。結晶粒径は、集電体の製造工程の中で、前述の諸因子を組合せて調整することが可能である。
d = 2 (S / π) 1/2 (A)
The average crystal grain size of the aluminum foil or aluminum alloy foil changes under complex influences from a plurality of factors such as material structure, impurities, processing conditions, heat treatment history, and annealing conditions. The crystal grain size can be adjusted by combining the above-mentioned factors in the production process of the current collector.
集電体の厚さは、20μm以下、より好ましくは15μm以下であることが望ましい。アルミニウム箔は99質量%以上の純度を有することが好ましい。アルミニウム合金は、マグネシウム、亜鉛、ケイ素などの元素を含む合金であることが好ましい。合金成分として含まれる鉄、銅、ニッケル、クロムなどの遷移金属は1質量%以下にすることが好ましい。 The thickness of the current collector is desirably 20 μm or less, more preferably 15 μm or less. The aluminum foil preferably has a purity of 99% by mass or more. The aluminum alloy is preferably an alloy containing elements such as magnesium, zinc, and silicon. Transition metals such as iron, copper, nickel and chromium contained as alloy components are preferably 1% by mass or less.
負極活物質には、Tiを含有する化合物が含まれる。Ti含有化合物の例には、スピネル型リチウムチタン複合酸化物(例えば、Li4+yTi5-dM2dO12(M2はMg,Al,Si,Ti,Zn,Zr,Ca,W,Nb及びSnよりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属、−1≦y≦3,0≦d≦0.1)、ラムスデライト型リチウムチタン複合酸化物(例えば、Li2+xTi3O7(xは充放電反応により−1≦x≦3の範囲で変化する)、TiとP、V、Sn、Cu、NiおよびFeよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含有する金属複合酸化物などが挙げられる。TiとP、V、Sn、Cu、NiおよびFeよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含有する金属複合酸化物の例には、TiO2−P2O5、TiO2−V2O5、TiO2−P2O5−SnO2、TiO2−P2O5−MeO(MeはCu、NiおよびFeよりなる群から選択される少なくとも1つの元素)を挙げることができる。この金属複合酸化物は、結晶性が低く、結晶相とアモルファス相が共存もしくはアモルファス相単独で存在したミクロ構造であることが好ましい。このようなミクロ構造の金属複合酸化物は、サイクル性能を大幅に向上させることができる。これらの金属複合酸化物は、充電によりリチウムが挿入されることでリチウムチタン複合酸化物に変化する。
The negative electrode active material includes a compound containing Ti. Examples of Ti-containing compounds include spinel type lithium titanium composite oxides (for example, Li 4 + y Ti 5-d M2 d O 12 (M2 is Mg, Al, Si, Ti, Zn, Zr, Ca, W, Nb). And at least one metal selected from the group consisting of Sn, −1 ≦ y ≦ 3, 0 ≦ d ≦ 0.1, ramsdellite-type lithium titanium composite oxide (for example, Li 2 + x Ti 3 O 7 ( x varies in the range of −1 ≦ x ≦ 3 due to charge / discharge reaction), metal composite oxidation containing at least one element selected from the group consisting of Ti and P, V, Sn, Cu, Ni and Fe Examples of the metal composite oxide containing at least one element selected from the group consisting of Ti and P, V, Sn, Cu, Ni and Fe include TiO 2 —P 2 O 5. , TiO 2 -V 2 O 5, TiO 2 -P 2 O 5 -
また、このほかの活物質として金属化合物は、金属硫化物、金属窒化物を用いることができる。金属硫化物は、例えばTiS2のような硫化チタン、例えばMoS2のような硫化モリブデン、例えばFeS、FeS2、LixFeS2のような硫化鉄を用いることができる。金属窒化物は、例えばリチウムコバルト窒化物(例えばLisCotN、0<s<4,0<t<0.5)を用いることができる。 As other active materials, metal sulfides and metal nitrides can be used as the metal compound. As the metal sulfide, titanium sulfide such as TiS 2 , molybdenum sulfide such as MoS 2 , iron sulfide such as FeS, FeS 2 , and Li x FeS 2 can be used. Metal nitrides can be used, for example, lithium cobalt nitride (e.g. Li s Co t N, 0 < s <4,0 <t <0.5).
負極活物質の種類は、1種類または2種類以上にすることができる。 The type of the negative electrode active material can be one type or two or more types.
結着剤は、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリル酸、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴムなどが挙げられる。 Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylic acid, fluorine rubber, and styrene butadiene rubber.
導電剤には、例えばカーボンブラック、黒鉛(グラファイト)、グラフェン、フラーレン類、コークス等を挙げることができる。中でもカーボンブラック、黒鉛が好ましく、カーボンブラックとしてはアセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等が挙げられる。 Examples of the conductive agent include carbon black, graphite (graphite), graphene, fullerenes, coke and the like. Among these, carbon black and graphite are preferable, and examples of the carbon black include acetylene black, ketjen black, and furnace black.
負極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、負極活物質73〜96重量%、導電剤2〜20重量%、結着剤2〜7重量%の範囲にすることが好ましい。 The blending ratio of the negative electrode active material, the conductive agent and the binder is preferably in the range of 73 to 96% by weight of the negative electrode active material, 2 to 20% by weight of the conductive agent, and 2 to 7% by weight of the binder.
2)正極
正極は、正極集電体と、集電体の片面もしくは両面に担持され、活物質、導電剤および結着剤を含む正極材料層(正極活物質含有層)とを有する。
2) Positive electrode The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode material layer (positive electrode active material-containing layer) that is supported on one or both surfaces of the current collector and includes an active material, a conductive agent, and a binder.
この正極は、例えば、正極活物質に導電剤および結着剤を添加し、これらを適当な溶媒に懸濁させ、この懸濁物をアルミニウム箔などの集電体に塗布、乾燥、プレスして帯状電極にすることにより作製される。正極の細孔分布及び気孔率は、スラリーの攪拌条件(例えば、攪拌方式、回転数、ビーズ径)を調整することにより制御することができる。制御方法は、負極で説明したのと同様なものを挙げることができる。 For this positive electrode, for example, a conductive agent and a binder are added to the positive electrode active material, these are suspended in an appropriate solvent, and this suspension is applied to a current collector such as an aluminum foil, dried and pressed. It is produced by forming a strip electrode. The pore distribution and porosity of the positive electrode can be controlled by adjusting the stirring conditions (for example, the stirring method, the number of rotations, and the bead diameter) of the slurry. Examples of the control method are the same as those described for the negative electrode.
正極活物質には、Li1-xNi1-a-b-cCoaMnbM1cO2が含まれる。正極活物質は、この酸化物のみであっても、他の種類の活物質を含んでいても良い。 The positive electrode active material includes Li 1-x Ni 1-abc Co a Mn b M1 c O 2 . The positive electrode active material may include only this oxide or may contain other types of active materials.
この他の正極活物質として、種々の酸化物、硫化物などが挙げられる。例えば、二酸化マンガン(MnO2)、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、リチウムマンガン複合酸化物(例えば、LixMn2O4またはLixMnO2)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLixNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(LixCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物{例えば、LixNi1-y-zCoyMzO2(MはAl,CrおよびFeよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素)、0≦y≦0.5、0≦z≦0.1}、リチウムマンガンコバルト複合酸化物{例えば、LixMn1-y-zCoyMzO2(MはAl,CrおよびFeよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素)、0≦y≦0.5、0≦z≦0.1}、リチウムマンガンニッケル複合化合物(例えば、LixMn1/2Ni1/2O2)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えば、LixMn2-yNiyO4)、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(例えば、LixFePO4、LixFe1-yMnyPO4、LixCoPO4など)、硫酸鉄(例えば、Fe2(SO4)3)、バナジウム酸化物(例えば、V2O5)などが挙げられる。また、ポリアニリンやポリピロールなどの導電性ポリマー材料、ジスルフィド系ポリマー材料、イオウ(S)、フッ化カーボンなどの有機材料および無機材料も挙げられる。なお、上記に好ましい範囲の記載がないx、y、zについては0以上1以下の範囲であることが好ましい。 Other positive electrode active materials include various oxides and sulfides. For example, manganese dioxide (MnO 2 ), iron oxide, copper oxide, nickel oxide, lithium manganese composite oxide (eg, Li x Mn 2 O 4 or Li x MnO 2 ), lithium nickel composite oxide (eg, Li x NiO 2) ), Lithium cobalt composite oxide (Li x CoO 2 ), lithium nickel cobalt composite oxide {for example, Li x Ni 1-yz Co y M z O 2 (M is selected from the group consisting of Al, Cr and Fe) At least one element), 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.1}, lithium manganese cobalt composite oxide {for example, Li x Mn 1-yz Co y M z O 2 (M is At least one element selected from the group consisting of Al, Cr and Fe), 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.1}, a lithium manganese nickel composite compound (for example, Li x Mn 1/2 Ni 1/2 O 2 ), Spinel type lithium-manganese-nickel composite oxide (e.g., Li x Mn 2-y Ni y O 4), lithium phosphates having an olivine structure (e.g., Li x FePO 4, Li x Fe 1-y Mn y PO 4 , Li x CoPO 4 ), iron sulfate (eg, Fe 2 (SO 4 ) 3 ), vanadium oxide (eg, V 2 O 5 ), and the like. In addition, conductive polymer materials such as polyaniline and polypyrrole, disulfide-based polymer materials, organic materials such as sulfur (S) and carbon fluoride, and inorganic materials are also included. In addition, about x, y, and z which do not have the description of the preferable range above, it is preferable that it is the range of 0 or more and 1 or less.
正極活物質の種類は、1種類または2種類以上にすることができる。 The type of the positive electrode active material can be one type or two or more types.
導電剤としては、例えばカーボンブラック、黒鉛(グラファイト)、グラフェン、フラーレン類、コークス等を挙げることができる。中でもカーボンブラック、黒鉛が好ましく、カーボンブラックとしてはアセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等が挙げられる。 Examples of the conductive agent include carbon black, graphite (graphite), graphene, fullerenes, coke and the like. Among these, carbon black and graphite are preferable, and examples of the carbon black include acetylene black, ketjen black, and furnace black.
結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリル酸、フッ素系ゴムなどが挙げられる。 Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylic acid, and fluorine rubber.
正極活物質、導電剤及び結着剤の配合比は、正極活物質80〜95重量%、導電剤3〜20重量%、結着剤2〜7重量%の範囲にすることが好ましい。 The compounding ratio of the positive electrode active material, the conductive agent and the binder is preferably in the range of 80 to 95% by weight of the positive electrode active material, 3 to 20% by weight of the conductive agent, and 2 to 7% by weight of the binder.
正極集電体は、アルミニウム箔若しくはアルミニウム合金箔から形成されることが望ましい。アルミニウム箔及びアルミニウム合金箔の平均結晶粒径は50μm以下であることが好ましい。より好ましくは、30μm以下である。更に好ましくは5μm以下である。平均結晶粒径が50μm以下であることにより、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔の強度を飛躍的に増大させることができ、正極を高いプレス圧で高密度化することが可能になり、電池容量を増大させることができる。 The positive electrode current collector is preferably formed from an aluminum foil or an aluminum alloy foil. The average crystal grain size of the aluminum foil and the aluminum alloy foil is preferably 50 μm or less. More preferably, it is 30 μm or less. More preferably, it is 5 μm or less. When the average crystal grain size is 50 μm or less, the strength of the aluminum foil or aluminum alloy foil can be dramatically increased, the positive electrode can be densified with a high press pressure, and the battery capacity is increased. Can be made.
集電体の厚さは、20μm以下、より好ましくは15μm以下である。アルミニウム箔の純度は99質量%以上が好ましい。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素などの元素を含む合金が好ましい。一方、鉄、銅、ニッケル、クロムなどの遷移金属の含有量は1質量%以下にすることが好ましい。 The thickness of the current collector is 20 μm or less, more preferably 15 μm or less. The purity of the aluminum foil is preferably 99% by mass or more. As the aluminum alloy, an alloy containing elements such as magnesium, zinc, and silicon is preferable. On the other hand, the content of transition metals such as iron, copper, nickel and chromium is preferably 1% by mass or less.
3)非水電解質
この非水電解質は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解される電解質塩を含む。また、非水溶媒中にはポリマーを含んでもよい。ただし、Bを有するLi塩が電解質塩として含まれることが好ましい。
3) Nonaqueous electrolyte This nonaqueous electrolyte contains a nonaqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the nonaqueous solvent. Further, the non-aqueous solvent may contain a polymer. However, it is preferable that a Li salt having B is contained as an electrolyte salt.
電解質塩の例には、LiPF6、LiBF4、Li(CF3SO2)2N(ビストリフルオロメタンスルホニルアミドリチウム;通称LiTFSI)、LiCF3SO3(通称LiTFS)、Li(C2F5SO2)2N(ビスペンタフルオロエタンスルホニルアミドリチウム;通称LiBETI)、LiClO4、LiAsF6、LiSbF6、ビスオキサラトホウ酸リチウム(LiB(C2O4)2(通称LiBOB))、ジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiF2BC2O4)、ジフルオロ(トリフルオロ−2−オキシド−2−トリフルオロ−メチルプロピオナト(2−)−0,0)ホウ酸リチウム(LiBF2(OCOOC(CF3)2)(通称LiBF2(HHIB)))等のリチウム塩が挙げられる。これらの電解質塩は一種類で使用してもよいし二種類以上を混合して用いてもよい。特にLiPF6、LiBF4、ビスオキサラトホウ酸リチウム(LiB(C2O4)2(通称LiBOB))、ジフルオロ(オキサラト)ホウ酸リチウム(LiF2BC2O4)、ジフルオロ(トリフルオロ−2−オキシド−2−トリフルオロ−メチルプロピオナト(2−)−0,0)ホウ酸リチウム(LiBF2(OCOOC(CF3)2)(通称LiBF2(HHIB)))が好ましい。 Examples of the electrolyte salt include LiPF 6 , LiBF 4 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N (bistrifluoromethanesulfonylamide lithium; commonly known as LiTFSI), LiCF 3 SO 3 (commonly known as LiTFS), Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N (bis pentafluoroethanesulfonyl amide lithium; called LiBETI), LiClO 4, LiAsF 6 , LiSbF 6, bisoxalato Lato lithium borate (LiB (C 2 O 4) 2 ( known as LiBOB)), difluoro (oxalato) Lithium borate (LiF 2 BC 2 O 4 ), difluoro (trifluoro-2-oxide-2-trifluoro-methylpropionate (2-)-0,0) lithium borate (LiBF 2 (OCOOC (CF 3 ) 2 ) (commonly known as LiBF 2 (HHIB))). These electrolyte salts may be used alone or in combination of two or more. In particular, LiPF 6 , LiBF 4 , lithium bisoxalatoborate (LiB (C 2 O 4 ) 2 (common name LiBOB)), difluoro (oxalato) lithium borate (LiF 2 BC 2 O 4 ), difluoro (trifluoro-2-trifluoro Oxide-2-trifluoro-methylpropionate (2-)-0,0) lithium borate (LiBF 2 (OCOOC (CF 3 ) 2 ) (commonly known as LiBF 2 (HHIB))) is preferred.
電解質塩濃度は、1M以上、3M以下の範囲内とすることが好ましい。これにより、高負荷電流を流した場合の性能を向上することができる。 The electrolyte salt concentration is preferably in the range of 1M or more and 3M or less. Thereby, the performance when a high load current is passed can be improved.
非水溶媒としては、特に限定されるものではないが、その例には、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、γ−ブチロラクトン(GBL)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2−MeHF)、1,3−ジオキソラン、スルホラン、アセトニトリル(AN)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネイト(DMC)、メチルエチルカーボネイト(MEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等が挙げられる。これらの溶媒は一種類で使用してもよいし二種類以上を混合して用いてもよい。また、溶媒を二種類以上組み合わせる場合、すべての溶媒に誘電率が20以上のものの中から選ぶことが好ましい。 The non-aqueous solvent is not particularly limited, but examples thereof include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), 1,2-dimethoxyethane (DME), γ-butyrolactone (GBL), tetrahydrofuran. (THF), 2-methyltetrahydrofuran (2-MeHF), 1,3-dioxolane, sulfolane, acetonitrile (AN), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), dipropyl carbonate ( DPC) and the like. These solvents may be used alone or in combination of two or more. When two or more kinds of solvents are combined, it is preferable to select from all solvents having a dielectric constant of 20 or more.
非水電解質は添加剤を含有していてもよい。添加剤としては、特に限定されるものではないが、その例には、ビニレンカーボネイト(VC)、フルオロビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、フルオロメチルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、プロピルビニレンカーボネート、ブチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ジプロピルビニレンカーボネート、ビニレンアセテート(VA)、ビニレンブチレート、ビニレンヘキサネート、ビニレンクロトネート、カテコールカーボネート、プロパンスルトン、ブタンスルトン等が挙げられる。添加剤の種類は、1種類または2種類以上にすることができる。 The non-aqueous electrolyte may contain an additive. The additive is not particularly limited, but examples thereof include vinylene carbonate (VC), fluorovinylene carbonate, methyl vinylene carbonate, fluoromethyl vinylene carbonate, ethyl vinylene carbonate, propyl vinylene carbonate, butyl vinylene carbonate, Examples thereof include dimethyl vinylene carbonate, diethyl vinylene carbonate, dipropyl vinylene carbonate, vinylene acetate (VA), vinylene butyrate, vinylene hexanate, vinylene crotonate, catechol carbonate, propane sultone, and butane sultone. The type of additive can be one type or two or more types.
4)セパレータ
セパレータは、絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、ポリオレフィン、セルロース、ポリエチレンテレフタレート、及びビニロンのようなポリマーで作られた多孔質フィルム又は不織布を用いることができる。この多孔質フィルム又は不織布中に無機粒子が含まれてもよい。セパレータの材料は1種類であってもよく、或いは、2種類以上を組合せて用いてもよい。
4) Separator The separator is not particularly limited as long as it has insulating properties, but a porous film or a nonwoven fabric made of a polymer such as polyolefin, cellulose, polyethylene terephthalate, and vinylon can be used. Inorganic particles may be contained in the porous film or nonwoven fabric. One type of separator material may be used, or two or more types may be used in combination.
5)外装部材
外装部材は、厚さ0.5mm以下のラミネートフィルム又は厚さ3mm以下の金属製容器が用いられる。金属製容器は、厚さ0.5mm以下であることがより好ましい。またポリオレフィン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリスチレン系樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレン系樹脂、フッ素系樹脂等からなる樹脂製容器を用いてもよい。
5) Exterior member As the exterior member, a laminate film having a thickness of 0.5 mm or less or a metal container having a thickness of 3 mm or less is used. The metal container is more preferably 0.5 mm or less in thickness. A resin container made of a polyolefin resin, a polyvinyl chloride resin, a polystyrene resin, an acrylic resin, a phenol resin, a polyphenylene resin, a fluorine resin, or the like may be used.
外装部材の形状すなわち電池形状は、扁平型(薄型)、角型、円筒型、コイン型、ボタン型等が挙げられる。また、電池は、例えば、携帯用電子機器等に積載される小型用途、二輪乃至四輪の自動車等に積載される大型用途のいずれにも適用することができる。 Examples of the shape of the exterior member, that is, the battery shape, include a flat type (thin type), a square type, a cylindrical type, a coin type, and a button type. In addition, the battery can be applied to, for example, a small application loaded on a portable electronic device or the like, or a large application loaded on a two-wheel to four-wheel automobile or the like.
ラミネートフィルムの例には、樹脂層と、樹脂層間に介在された金属層とを含む多層フィルムが挙げられる。金属層は、軽量化のためにアルミニウム箔若しくはアルミニウム合金箔が好ましい。樹脂層は、例えばポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の高分子材料を用いることができる。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行って外装部材の形状に成形することができる。 Examples of the laminate film include a multilayer film including a resin layer and a metal layer interposed between the resin layers. The metal layer is preferably an aluminum foil or an aluminum alloy foil for weight reduction. For the resin layer, for example, a polymer material such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), nylon, polyethylene terephthalate (PET) can be used. The laminate film can be formed into the shape of an exterior member by sealing by heat sealing.
金属製容器は、アルミニウム又はアルミニウム合金等から作られる。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金が好ましい。合金中に鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属が含む場合、その量は100ppm以下にすることが好ましい。 The metal container is made of aluminum or an aluminum alloy. As the aluminum alloy, an alloy containing elements such as magnesium, zinc and silicon is preferable. When transition metals such as iron, copper, nickel and chromium are contained in the alloy, the amount is preferably 100 ppm or less.
実施形態の非水電解質電池の一例を図1に示す。図1に示す電池は、密閉型の角型非水電解質電池である。非水電解質電池は、外装缶1と、蓋2と、正極外部端子3と、負極外部端子4と、電極群5とを備える。外装缶1と蓋2とから外装部材が構成されている。
An example of the nonaqueous electrolyte battery of the embodiment is shown in FIG. The battery shown in FIG. 1 is a sealed square nonaqueous electrolyte battery. The nonaqueous electrolyte battery includes an
外装缶1は、有底角筒形状をなし、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄あるいはステンレスなどの金属から形成される。
The
図2に示すように、偏平型の電極群5は、正極6と負極7がその間にセパレータ8を介して偏平形状に捲回されたものである。正極6は、例えば金属箔からなる帯状の正極集電体と、正極集電体の長辺に平行な一端部からなる正極集電タブ6aと、少なくとも正極集電タブ6aの部分を除いて正極集電体に形成された正極材料層(正極活物質含有層)6bとを含む。一方、負極7は、例えば金属箔からなる帯状の負極集電体と、負極集電体の長辺に平行な一端部からなる負極集電タブ7aと、少なくとも負極集電タブ7aの部分を除いて負極集電体に形成された負極材料層(負極活物質含有層)7bとを含む。
As shown in FIG. 2, the
このような正極6、セパレータ8及び負極7は、正極集電タブ6aが電極群の捲回軸方向にセパレータ8から突出し、かつ負極集電タブ7aがこれとは反対方向にセパレータ8から突出するよう、正極6及び負極7の位置をずらして捲回されている。このような捲回により、電極群5は、図2に示すように、一方の端面から渦巻状に捲回された正極集電タブ6aが突出し、かつ他方の端面から渦巻状に捲回された負極集電タブ7aが突出している。電解液(図示しない)は、電極群5に含浸されている。
In the positive electrode 6, the
図1に示すように、正極集電タブ6a及び負極集電タブ7aは、それぞれ、電極群の捲回中心付近を境にして二つの束に分けられている。導電性の挟持部材9は、略コの字状をした第1,第2の挟持部9a,9bと、第1の挟持部9aと第2の挟持部9bとを電気的に接続する連結部9cとを有する。正負極集電タブ6a,7aは、それぞれ、一方の束が第1の挟持部9aによって挟持され、かつ他方の束が第2の挟持部9bによって挟持される。
As shown in FIG. 1, the positive electrode
正極リード10は、略長方形状の支持板10aと、支持板10aに開口された貫通孔10bと、支持板10aから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の集電部10c、10dとを有する。一方、負極リード11は、略長方形状の支持板11aと、支持板11aに開口された貫通孔11bと、支持板11aから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の集電部11c、11dとを有する。
The
正極リード10は、集電部10c、10dの間に挟持部材9を挟む。集電部10cは、挟持部材9の第1の挟持部9aに配置されている。集電部10dは、第2の挟持部9bに配置されている。集電部10c、10dと、第1,第2の挟持部9a,9bと、正極集電タブ6aとは、例えば超音波溶接によって接合される。これにより、電極群5の正極6と正極リード10が正極集電タブ6aを介して電気的に接続される。
The
負極リード11は、集電部11c、11dの間に挟持部材9を挟んでいる。集電部11cは、挟持部材9の第1の挟持部9aに配置されている。一方、集電部11dは、第2の挟持部9bに配置される。集電部11c、11dと、第1,第2の挟持部9a,9bと、負極集電タブ7aとは、例えば超音波溶接によって接合される。これにより、電極群5の負極7と負極リード11が負極集電タブ7aを介して電気的に接続される。
The
正負極リード10,11および挟持部材9の材質は、特に指定しないが、正負極外部端子3,4と同じ材質にすることが望ましい。正極外部端子3には、例えば、アルミニウムあるいはアルミニウム合金が使用され、負極外部端子4には、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、ニッケル、ニッケルメッキされた鉄などが使用される。例えば、外部端子の材質がアルミニウム又はアルミニウム合金の場合は、リードの材質をアルミニウム、アルミニウム合金にすることが好ましい。また、外部端子が銅の場合は、リードの材質を銅などにすることが望ましい。
The materials of the positive and negative electrode leads 10 and 11 and the clamping
矩形板状の蓋2は、外装缶1の開口部に例えばレーザでシーム溶接される。蓋2は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄あるいはステンレスなどの金属から形成される。蓋2と外装缶1は、同じ種類の金属から形成されることが望ましい。正極外部端子3は、正極リード10の支持板10aと電気的に接続され、負極外部端子4は、負極リード11の支持板11aと電気的に接続されている。絶縁ガスケット12は、正負極外部端子3,4と蓋2との間に配置され、正負極外部端子3,4と蓋2とを電気的に絶縁している。絶縁ガスケット12は、樹脂成形品であることが望ましい。
The rectangular plate-
以上説明した第1の実施形態の非水電解質電池によれば、Li1-xNi1-a-b-cCoaMnbM1cO2を含む正極と、Tiを含有する化合物を含む負極とを備え、正極及び負極の水銀圧入法による細孔体積、細孔表面積及び気孔率を特定すると共に、細孔体積、細孔表面積及び気孔率を、正極を負極よりも小さくするものである。このような非水電解質電池によれば、入出力性能を向上することができる。 According to the nonaqueous electrolyte battery of the first embodiment described above, the battery includes a positive electrode containing Li 1-x Ni 1-abc Co a Mn b M1 c O 2 and a negative electrode containing a compound containing Ti, The pore volume, pore surface area, and porosity of the positive electrode and negative electrode by mercury porosimetry are specified, and the pore volume, pore surface area, and porosity are made smaller than those of the negative electrode. According to such a nonaqueous electrolyte battery, input / output performance can be improved.
(第2の実施形態)
第2の実施形態によれば、非水電解質電池を含む電池パックが提供される。非水電解質電池には、第1の実施形態に係る非水電解質電池が使用される。電池パックに含まれる非水電解質電池(単電池)の数は、1個または複数にすることができる。複数の単電池を備える場合、各単電池は電気的に直列もしくは並列に接続されている。
(Second Embodiment)
According to the second embodiment, a battery pack including a nonaqueous electrolyte battery is provided. The nonaqueous electrolyte battery according to the first embodiment is used for the nonaqueous electrolyte battery. The number of nonaqueous electrolyte batteries (unit cells) included in the battery pack can be one or more. When a plurality of unit cells are provided, each unit cell is electrically connected in series or in parallel.
このような電池パックを図3を参照して詳細に説明する。複数の単電池21は、互いに電気的に直列に接続され、組電池22を構成している。正極側リード23は、組電池22の正極端子に接続され、その先端は正極側コネクタ24に挿入されて電気的に接続されている。負極側リード25は、組電池22の負極端子に接続され、その先端は負極側コネクタ26に挿入されて電気的に接続されている。これらのコネクタ24,26は、配線27,28を通して保護回路29に接続されている。
Such a battery pack will be described in detail with reference to FIG. The plurality of
サーミスタ30は、単電池21の温度を検出し、その検出信号は保護回路29に送信される。保護回路29は、所定の条件で保護回路29と外部機器への通電用端子31との間のプラス側配線32aおよびマイナス側配線32bを遮断できる。所定の条件とは、例えばサーミスタ30の検出温度が所定温度以上になったときである。また、所定の条件とは単電池21の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。この過充電等の検出は、個々の単電池21もしくは単電池21全体について行われる。個々の単電池21を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単電池21中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図3の場合、単電池21それぞれに電圧検出のための配線33を接続し、これら配線33を通して検出信号が保護回路29に送信される。
The
図3では単電池21を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには並列に接続してもよい。組み上がった電池パックを直列、並列に接続することもできる。
Although FIG. 3 shows a mode in which the
また、電池パックの態様は用途により適宜変更される。電池パックの用途としては、大電流特性でのサイクル特性が望まれるものが好ましい。具体的には、デジタルカメラの電源用や、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車等の車載用が挙げられる。特に、車載用が好適である。 Moreover, the aspect of a battery pack is changed suitably by a use. As the use of the battery pack, those in which cycle characteristics with large current characteristics are desired are preferable. Specific examples include a power source for a digital camera, a vehicle for a two- to four-wheel hybrid electric vehicle, a two- to four-wheel electric vehicle, an assist bicycle, and the like. In particular, the vehicle-mounted one is suitable.
以上詳述した第2の実施形態の電池パックによれば、第1の実施形態の非水電解質電池を含むため、入出力性能に優れた電池パックを提供することができる。 According to the battery pack of the second embodiment described in detail above, since the non-aqueous electrolyte battery of the first embodiment is included, a battery pack excellent in input / output performance can be provided.
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施例A−1)
<正極の作製>
正極活物質にLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(一次粒子径:0.6μm、中心粒径:6μm)を用い、これに導電剤として正極全体に対して2.5重量%の割合になるようにグラファイトと正極全体に対して2.5重量%の割合になるようにアセチレンブラック、結着剤として正極全体に対して5重量%となるようにPVdFをそれぞれ配合した。これらをn−メチルピロリドン(NMP)溶媒に分散してスラリーを調製した。分散には横型ビーズミル(アイメックス社製RMH−03)を使用し、ビーズにはジルコニアビーズ0.5mmφを用い、ディスク回転数は1200rpmとした。得られたスラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔に塗布、乾燥、プレス工程を経て細孔体積0.07mL/g、細孔表面積3.4m2/g、気孔率22%の正極を作製した。
(Example A-1)
<Preparation of positive electrode>
LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 (primary particle size: 0.6 μm, center particle size: 6 μm) is used as the positive electrode active material, and the ratio is 2.5% by weight with respect to the whole positive electrode as a conductive agent. Acetylene black was added to graphite and 2.5% by weight with respect to the whole positive electrode, and PVdF was added as a binder to 5% by weight with respect to the whole positive electrode. These were dispersed in n-methylpyrrolidone (NMP) solvent to prepare a slurry. For dispersion, a horizontal bead mill (RMH-03, manufactured by IMEX Co., Ltd.) was used, zirconia beads 0.5 mmφ were used as beads, and the disk rotation speed was 1200 rpm. The obtained slurry was applied to an aluminum foil having a thickness of 15 μm, dried, and pressed to prepare a positive electrode having a pore volume of 0.07 mL / g, a pore surface area of 3.4 m 2 / g, and a porosity of 22%.
<負極の作製>
負極活物質にLi4Ti5O12(中心粒径1μm)を用い、導電剤としてグラファイトを負極全体に対して5重量%になるように、結着剤としてPVdFを負極全体に対して5重量%となるように、N−メチルピロリドン(NMP)溶液中で混合することによりスラリーを調製した。分散には横型ビーズミル(アイメックス社製RMH−03)を使用し、ビーズにはジルコニアビーズ0.2mmφを用いディスク回転数は1800rpmとした。得られたスラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔からなる集電体に塗布し、乾燥し、プレスすることにより細孔体積0.13mL/g、細孔表面積6.8m2/g、気孔率が24%の負極を作製した。
<Production of negative electrode>
Li 4 Ti 5 O 12 (
<非水電解質の調製>
33体積%のPC及び67体積%のDECからなる非水溶媒に、1.5MのLiPF6を混合し、非水電解質とした。
<Preparation of non-aqueous electrolyte>
A non-aqueous electrolyte composed of 33% by volume of PC and 67% by volume of DEC was mixed with 1.5M LiPF 6 to obtain a non-aqueous electrolyte.
<電池の組み立て>
非水電解質をセルロース製不織布からなる厚さ20μmのセパレータに含浸した後、このセパレータで正極を覆い、負極をセパレータを介して正極と対向するように重ねて渦巻状に捲回し、渦巻状の電極群を作製した。この電極群にプレスを施すことにより、扁平状に成形した。20μm厚さのアルミニウム板からなる金属缶を外装部材として用意した。外装部材に、扁平状に成形した電極群を挿入し、扁平型非水電解質電池を作製した。
<Battery assembly>
After impregnating a 20 μm-thick separator made of cellulose non-woven electrolyte with a non-aqueous electrolyte, the positive electrode is covered with this separator, and the negative electrode is overlapped with the separator so as to face the positive electrode and wound into a spiral shape. Groups were made. The electrode group was pressed into a flat shape. A metal can made of an aluminum plate having a thickness of 20 μm was prepared as an exterior member. A flat non-aqueous electrolyte battery was produced by inserting a flat electrode group into the exterior member.
(実施例A−2〜A−3、比較例A−1)
分散条件を変更し正極および負極の物性が表1となるように調整した以外は実施例A−1と同様の電池を作製した。
(Examples A-2 to A-3, Comparative Example A-1)
A battery was prepared in the same manner as in Example A-1, except that the dispersion conditions were changed and the physical properties of the positive electrode and the negative electrode were adjusted as shown in Table 1.
(実施例B−1、比較例B−1)
0.2mm(200μm)厚さのアルミニウム箔と、アルミニウム箔の両面を被覆する樹脂層とを含むラミネートフィルムからなり、内面がポリプロピレン層で形成された外装部材を用意した。この外装部材を用いる以外は、実施例A−1または比較例A−1と同様の電池を作製した。
(Example B-1, Comparative Example B-1)
An exterior member made of a laminate film including an aluminum foil having a thickness of 0.2 mm (200 μm) and a resin layer covering both surfaces of the aluminum foil and having an inner surface formed of a polypropylene layer was prepared. A battery similar to Example A-1 or Comparative Example A-1 was produced except that this exterior member was used.
(比較例C−1,2、D−1,2)
正極活物質と分散条件を変更し正極および負極の物性が表1となるように調整した以外は実施例A−1と同様の電池を作製した。
(Comparative Examples C-1, 2, D-1, 2)
A battery was prepared in the same manner as in Example A-1, except that the positive electrode active material and the dispersion conditions were changed and the physical properties of the positive electrode and the negative electrode were adjusted as shown in Table 1.
得られた電池の正極及び負極の、活物質の種類、細孔体積、細孔表面積及び気孔率と、外装部材の種類とを下記表1に示す。 Table 1 below shows the type of active material, pore volume, pore surface area and porosity, and type of exterior member of the positive and negative electrodes of the obtained battery.
得られた電池の入力値測定は以下の方法で実施した。電池の充電状態をSOC50%として25℃環境において10C電流値で60秒充電をおこなった。充電前電圧をV0sec、充電後電圧をV60secとして(V60sec−V0sec)の値を10C電流値で除することで抵抗を算出し、その抵抗値から電池電圧が2.8Vとなるときの電流値を算出した。算出された電流値と電池電圧2.8Vを乗ずることでサイクル前入力値とした。 The input value of the obtained battery was measured by the following method. The battery was charged at SOC of 50% and charged at a current of 10 C for 60 seconds in a 25 ° C. environment. When the pre-charge voltage is V 0sec and the post-charge voltage is V 60sec , the resistance is calculated by dividing the value of (V 60sec -V 0sec ) by the 10C current value, and when the battery voltage becomes 2.8V from the resistance value The current value of was calculated. The pre-cycle input value was obtained by multiplying the calculated current value by the battery voltage of 2.8V.
サイクル前入力値を測定した電池を電池電圧45℃環境において1.2V〜2.8Vの範囲内で充放電電流値を1Cのサイクルを1000回繰り返した。サイクル後電池について前記同様の入力値測定を実施し、サイクル後入力値を測定した。サイクル前入力値及びサイクル後入力値を下記表2に示す。
表1及び表2における、実施例A−1〜A−3と、比較例A−1,C−1,C−2,D−1及びD−2との比較から明らかなように、実施例A−1〜A−3の電池によると、入力値のサイクル後の低下が、比較例A−1,C−1,C−2,D−1及びD−2の電池に比して小さい。また、実施例B−1と、比較例B−1との比較から明らかなように、実施例B−1の電池によると、入力値のサイクル後の低下が、比較例B−1の電池に比して小さい。また、比較例C−1とC−2の比較、比較例D−1とD−2の比較から明らかなように、正極活物質にLi1-xNi1-a-b-cCoaMnbM1cO2が含まれていない場合には、細孔体積、細孔表面積及び気孔率を特定しても、入力特性が改善されないことがわかる。以上のことから、正極及び負極の活物質の種類並びに細孔分布を特定することにより、外装部材の種類に拘らず、入力特性が改善されることがわかる。 As is apparent from the comparison between Examples A-1 to A-3 and Comparative Examples A-1, C-1, C-2, D-1 and D-2 in Tables 1 and 2, the Examples According to the batteries of A-1 to A-3, the decrease of the input value after the cycle is small as compared with the batteries of Comparative Examples A-1, C-1, C-2, D-1, and D-2. Further, as is clear from the comparison between Example B-1 and Comparative Example B-1, according to the battery of Example B-1, a decrease in the input value after the cycle was observed in the battery of Comparative Example B-1. Smaller than that. Further, as is clear from the comparison between the comparative examples C-1 and C-2 and the comparison between the comparative examples D-1 and D-2, the positive electrode active material contains Li 1-x Ni 1-abc Co a Mn b M1 c O. When 2 is not included, it can be seen that the input characteristics are not improved even if the pore volume, pore surface area and porosity are specified. From the above, it can be seen that the input characteristics are improved regardless of the type of the exterior member by specifying the types of the positive and negative electrode active materials and the pore distribution.
以上説明した少なくとも一つの実施形態及び実施例の非水電解質電池によれば、Li1-xNi1-a-b-cCoaMnbM1cO2を含む正極と、Tiを含有する化合物を含む負極とを備え、正極の細孔体積、細孔表面積及び気孔率が、負極の細孔体積、細孔表面積及び気孔率よりも小さいため、入出力性能を向上することができる。 According to the nonaqueous electrolyte battery of at least one embodiment and example described above, a positive electrode containing Li 1-x Ni 1-abc Co a Mn b M1 c O 2 , and a negative electrode containing a compound containing Ti Since the pore volume, pore surface area and porosity of the positive electrode are smaller than the pore volume, pore surface area and porosity of the negative electrode, the input / output performance can be improved.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]
Li 1-x Ni 1-a-b-c Co a Mn b M1 c O 2 (M1はMg,Al,Si,Ti,Zn,Zr,Ca,W,Nb及びSnよりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属、−0.2≦x≦0.5,0<a≦0.5、0<b≦0.5,0≦c≦0.1)を含む活物質を含有し、水銀圧入法による細孔体積が0.03〜0.15ml/g、水銀圧入法による細孔表面積が2.8〜4.8m 2 /g、水銀圧入法による気孔率が16〜28%の範囲内の正極と、
Tiを含有する化合物を含み、水銀圧入法による細孔体積が0.08〜0.2ml/g、水銀圧入法による細孔表面積が5.5〜7.5m 2 /g、水銀圧入法による気孔率が18〜30%の範囲内の負極と、
少なくとも前記正極及び前記負極が収納される外装部材とを含み、
前記細孔体積、前記細孔表面積及び前記気孔率は、前記正極が前記負極よりも小さいことを特徴とする非水電解質電池。
[2]
前記外装部材は、内面の少なくとも一部を形成する樹脂層と、5〜1000μm厚さの金属箔とを含むことを特徴とする[1]に記載の非水電解質電池。
[3]
前記正極の前記活物質は、一次粒子径が0.1〜1μmの範囲のものを含むことを特徴とする[2]に記載の非水電解質電池。
[4]
前記負極活物質はチタン酸リチウムであることを特徴とする[2]に記載の非水電解質電池。
[5]
[1]〜[4]のいずれかに記載の非水電解質電池を含むことを特徴とする電池パック。
Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
Hereinafter, the invention described in the scope of claims of the present application will be appended.
[1]
At least one metal Li 1-x Ni 1-abc Co a Mn b M1 c O 2 (M1 are the Mg, Al, Si, Ti, Zn, Zr, Ca, W, selected from the group consisting of Nb and Sn, -0.2 ≦ x ≦ 0.5, 0 <a ≦ 0.5, 0 <b ≦ 0.5, 0 ≦ c ≦ 0.1), and pore volume by mercury porosimetry A positive electrode within a range of 0.03 to 0.15 ml / g, a pore surface area by a mercury intrusion method of 2.8 to 4.8 m 2 / g, and a porosity of 16 to 28% by a mercury intrusion method;
Contains a compound containing Ti, pore volume by mercury intrusion method is 0.08 to 0.2 ml / g, pore surface area by mercury intrusion method is 5.5 to 7.5 m 2 / g, pores by mercury intrusion method A negative electrode with a rate in the range of 18-30%;
Including at least an exterior member in which the positive electrode and the negative electrode are accommodated,
The non-aqueous electrolyte battery, wherein the positive electrode volume is smaller than the negative electrode in terms of the pore volume, the pore surface area, and the porosity.
[2]
The non-aqueous electrolyte battery according to [1], wherein the exterior member includes a resin layer that forms at least part of the inner surface and a metal foil having a thickness of 5 to 1000 μm.
[3]
The non-aqueous electrolyte battery according to [2], wherein the active material of the positive electrode includes a material having a primary particle diameter in the range of 0.1 to 1 μm.
[4]
The nonaqueous electrolyte battery according to [2], wherein the negative electrode active material is lithium titanate.
[5]
A battery pack comprising the nonaqueous electrolyte battery according to any one of [1] to [4].
1…外装缶、2…蓋、3…正極外部端子、4…負極外部端子、5…電極群、6…正極、6a…正極集電タブ、6b…正極材料層、7…負極、7a…負極集電タブ、7b…負極材料層、8…セパレータ、9…挟持部材、10…正極リード、11…負極リード、12…絶縁ガスケット、21…単電池、22…組電池、29…保護回路、30…サーミスタ。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
リチウムチタン複合酸化物からなる負極活物質を含有し、水銀圧入法による細孔体積が0.08〜0.2ml/g、水銀圧入法による細孔表面積が5.5〜7.5m2/g、水銀圧入法による気孔率が18〜30%の範囲内の負極と、
少なくとも前記正極及び前記負極が収納される外装部材とを含み、
前記細孔体積、前記細孔表面積及び前記気孔率は、前記正極が前記負極よりも小さい非水電解質電池。 At least one metal Li 1-x Ni 1-abc Co a Mn b M1 c O 2 (M1 are the Mg, Al, Si, Ti, Zn, Zr, Ca, W, selected from the group consisting of Nb and Sn, -0.2 ≦ x ≦ 0.5,0 <contain a positive electrode active material consisting of a ≦ 0.5,0 <b ≦ 0.5,0 ≦ c ≦ 0.1), the pores by mercury porosimetry A positive electrode having a volume of 0.03 to 0.15 ml / g, a pore surface area of 2.8 to 4.8 m 2 / g by mercury intrusion method, and a porosity of 16 to 28% by mercury intrusion method;
Contains a negative electrode active material made of lithium titanium composite oxide, has a pore volume of 0.08 to 0.2 ml / g by mercury porosimetry, and a pore surface area of 5.5 to 7.5 m 2 / g by mercury porosimetry. A negative electrode having a porosity of 18 to 30% by mercury intrusion method,
Including at least an exterior member in which the positive electrode and the negative electrode are accommodated,
The pore volume, the pore surface area and the porosity, the positive electrode torquecontrol water electrolyte cell smaller than the negative electrode.
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