JP6634648B2 - 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.

近年、大容量かつ高効率な二次電池の実現が期待されており、このような要求に応えうる二次電池の1つとして、正極活物質にリチウム遷移金属酸化物が用いられ、電解液として非水電解液が用いられたリチウムイオン二次電池が知られている。このリチウムイオン二次電池は、鉛蓄電池等の他の二次電池に比べて、高電圧が得られること、エネルギー密度が高いこと、クーロン効率が高いこと等の優れた特長を有している。   In recent years, the realization of large-capacity and high-efficiency secondary batteries is expected. As one of the secondary batteries that can meet such demands, a lithium transition metal oxide is used as a positive electrode active material, and an electrolyte is used as an electrolyte. A lithium ion secondary battery using a non-aqueous electrolyte is known. This lithium ion secondary battery has excellent features such as a higher voltage, a higher energy density, and a higher Coulomb efficiency than other secondary batteries such as a lead storage battery.

リチウムイオン二次電池は、例えば、LiPF等のリチウム塩が溶解された非水電解液が収容された電池容器の内部に、正極がセパレータを介して負極と離間して配置された構造とされている。また、正極及び負極は、それぞれ、集電体に電極活物質(正極活物質又は負極活物質)が塗工されてなる構成とされている。 The lithium ion secondary battery has a structure in which, for example, a positive electrode is disposed separately from a negative electrode via a separator inside a battery container containing a nonaqueous electrolyte in which a lithium salt such as LiPF 6 is dissolved. ing. Each of the positive electrode and the negative electrode is configured such that a current collector is coated with an electrode active material (a positive electrode active material or a negative electrode active material).

リチウムイオン二次電池の正極に用いられる正極活物質としては、これまで、コバルト酸リチウム(LiCoO)やマンガン酸リチウム(LiMn)等の金属酸化物リチウム塩の他、燐酸鉄リチウム(LiFePO)等の燐酸リチウム塩が実用化されている。
また、リチウム遷移金属酸化物の一部が他の金属元素に置換された、元素置換型のリチウム遷移金属複合酸化物からなる正極活物質も実用化されている(例えば、特許文献1を参照)。
As a positive electrode active material used for a positive electrode of a lithium ion secondary battery, lithium iron oxide such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) and lithium iron phosphate ( Lithium phosphate salts such as LiFePO 4 ) have been put to practical use.
Further, a positive electrode active material composed of an element-substituted lithium transition metal composite oxide in which a part of a lithium transition metal oxide is substituted with another metal element has been put to practical use (for example, see Patent Document 1). .

また、正極活物質に用いられるリチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、LiNiCo(x+y=1)、LiNiCoAl(x+y+z=1)の他、LiNi1/3Co1/3Mn1/3等が挙げられ、それぞれ実用化されている。このようなリチウム遷移金属複合酸化物からなる正極活物質の容量密度(放電容量)は、おおよそ150(mAh/g)程度であることが知られている。 As the lithium-transition metal composite oxide used for the positive electrode active material, for example, LiNi x Co y O 2 ( x + y = 1), LiNi x Co y Al z O 2 (x + y + z = 1) other, LiNi 1 / 3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 and the like have been put to practical use. It is known that the capacity density (discharge capacity) of such a positive electrode active material comprising a lithium transition metal composite oxide is about 150 (mAh / g).

特許第5451228号公報Japanese Patent No. 5451228

ここで、ニッケル酸リチウム(LiNiO)は、放電容量が200(mAh/g)以上と、単独で正極活物質として用いた場合には大きな放電容量が得られるものの、結晶構造が不安定であることから、これまで実用化が難しかった。一方、ニッケル酸リチウムにおけるニッケルの一部が、例えば、コバルト、アルミニウム又はマンガンに置換された元素置換型の正極活物質は、結晶構造が一定程度で安定することから、放電容量が数Ah以下の小型の電池では実用化されているものの、放電容量が10Ah以上である大型の電池においては実用化が難しかった。 Here, lithium nickel oxide (LiNiO 2 ) has a discharge capacity of 200 (mAh / g) or more. When used alone as a positive electrode active material, a large discharge capacity is obtained, but the crystal structure is unstable. Therefore, it has been difficult to put it to practical use. On the other hand, a part of nickel in lithium nickelate is, for example, an element-substituted positive electrode active material in which cobalt, aluminum or manganese is substituted, since the crystal structure is stable at a certain degree, the discharge capacity is several Ah or less. Although practically used for small batteries, practical use was difficult for large batteries having a discharge capacity of 10 Ah or more.

また、ニッケル酸リチウム系材料からなる正極活物質は、上記のように、結晶構造を安定させるのが難しいことから、一般的に寿命が短く、また、高温での酸素放出速度及び放出量が多いため、安全性に劣るという問題があった。   In addition, as described above, the positive electrode active material made of a lithium nickelate-based material generally has a short life and has a high oxygen release rate and a large amount of release at high temperatures because it is difficult to stabilize the crystal structure. Therefore, there is a problem that safety is poor.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、大型電池に適用可能な高い放電容量を有するとともに、容量維持率に優れ、高寿命で安全性にも優れたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides a lithium ion secondary battery having a high discharge capacity applicable to a large battery, an excellent capacity retention rate, a long life, and excellent safety. The purpose is to:

本発明者等は上記課題を解決するために、リチウムイオン二次電池の正極に用いられる正極活物質の組成について鋭意検討を行った。その結果、正極活物質に用いるニッケル酸リチウム系化合物において、ニッケルの一部がコバルト、アルミニウム及びニオブ置換されていることを必須とし、特にアルミニウムを置換元素とする構成を採用することで、放電容量が増大するとともに、容量維持率が向上することを知見した。これにより、例えば、放電容量が10Ah以上の大型のリチウムイオン二次電池において、優れた放電特性が得られることを見出し、本発明を完成させた。   The present inventors have conducted intensive studies on the composition of the positive electrode active material used for the positive electrode of the lithium ion secondary battery in order to solve the above problems. As a result, in the lithium nickelate-based compound used for the positive electrode active material, it is essential that part of nickel is substituted with cobalt, aluminum, and niobium, and in particular, by adopting a configuration in which aluminum is a substitution element, the discharge capacity is increased. Was found to increase, and the capacity retention ratio was improved. Thereby, for example, it was found that excellent discharge characteristics were obtained in a large-sized lithium ion secondary battery having a discharge capacity of 10 Ah or more, and the present invention was completed.

即ち、本発明に係るリチウムイオン二次電池によれば、少なくとも、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解質とを具備してなるリチウムイオン二次電池であって、前記正極は、前記正極活物質として、少なくとも、一般式:LiNiCoAlNb(但し、式中において、0<w、0<x、0<y、0<zであり、且つ、w+x+y+z=1を満たす)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含有し、且つ、前記リチウム遷移金属複合酸化物中における、コバルト(Co)、アルミニウム(Al)、ニオブ(Nb)及びニッケル(Ni)の質量比が、Co:10〜20質量%、Nb:0.5〜1.5質量%、Al:3〜10質量%、Ni:残部(但し、Co,Al,Nb及びNiの合計で100%である)であることを特徴とする。 That is, according to the lithium ion secondary battery of the present invention, at least a lithium ion secondary battery including a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte. the positive electrode, examples of the positive electrode active material, at least the general formula: LiNi w Co x Al y Nb z O 2 ( where, in the formula, be 0 <w, 0 <x, 0 <y, 0 <z And w + x + y + z = 1) , and cobalt (Co), aluminum (Al), niobium (Nb), and cobalt (Co) in the lithium transition metal composite oxide. The mass ratio of nickel (Ni) is as follows: Co: 10 to 20% by mass, Nb: 0.5 to 1.5% by mass, Al: 3 to 10% by mass, Ni: balance (however, Co, Al, Nb and Ni 100% in total In a), characterized in der Rukoto.

係る構成のリチウムイオン二次電池によれば、ニッケル酸リチウム系化合物におけるNiの一部がCo,Al及びNbに置換されたリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質に用いることで、放電容量が増大するとともに、容量維持率も向上する。より詳細には、まず、Niの一部がCo,Nbに置換されていることで、初期の放電容量が増大する。さらに、Niの一部がAlに置換されていることで、容量維持率が向上する。このように、リチウムイオン二次電池の放電特性が向上する詳細なメカニズムは不明であるが、Niの一部が上記金属元素(Co,Nb等)に置換されることで、結晶構造の柔軟性が増し、Liイオンの挿入脱離が容易となることで、初期容量が増大するものと考えられる。更に、置換元素としてAl元素が添加されることで、Al元素と酸素の結合力が高いことから、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶構造がより安定化し、結晶構造の崩壊が抑制されることで、正極活物質の寿命が向上するためではないかと考えられる。さらに、正極活物質の結晶構造が安定することで、高温での酸素放出量が抑制される等、電池の安全性も高められる。   According to the lithium ion secondary battery having such a configuration, the discharge capacity can be reduced by using a lithium transition metal composite oxide in which part of Ni in the lithium nickelate-based compound is substituted by Co, Al, and Nb as the positive electrode active material. As the capacity increases, the capacity retention rate also increases. More specifically, first, the initial discharge capacity is increased by partially replacing Ni with Co and Nb. Further, the capacity retention ratio is improved by partially replacing Ni with Al. As described above, the detailed mechanism for improving the discharge characteristics of the lithium ion secondary battery is unknown, but the flexibility of the crystal structure can be improved by partially replacing Ni with the above metal elements (Co, Nb, etc.). It is considered that the initial capacity is increased by increasing the number of ions and facilitating insertion and desorption of Li ions. Further, by adding Al element as a substitution element, since the bonding force between Al element and oxygen is high, the crystal structure of the lithium transition metal composite oxide is more stabilized, and the collapse of the crystal structure is suppressed. It is considered that this is because the life of the positive electrode active material is improved. Further, since the crystal structure of the positive electrode active material is stabilized, the amount of oxygen released at a high temperature is suppressed, and the safety of the battery is improved.

また、係る構成のリチウムイオン二次電池によれば、正極活物質に用いられるリチウム遷移金属複合酸化物中における各金属元素の質量比を上記範囲とすることで、上述したような、結晶構造が安定する作用がより効果的に得られる。従って、放電特性がさらに向上するとともに、寿命特性や安全性もより高められる。 Further, according to the lithium ion secondary battery having such a configuration, by setting the mass ratio of each metal element in the lithium transition metal composite oxide used for the positive electrode active material to the above range, the crystal structure as described above is obtained. A stable action can be obtained more effectively. Accordingly, the discharge characteristics are further improved, and the life characteristics and safety are further improved.

また、上記構成のリチウムイオン二次電池においては、LiPF等のリチウム塩が溶解された非水電解液に、添加剤として、ジフルオロリン酸リチウム(LiPF)及びリチウムビス(オキサレート)ボレート(Li[B(C])を含むことがより好ましい。 Further, in the lithium ion secondary battery having the above configuration, lithium difluorophosphate (LiPF 2 O 2 ) and lithium bis (oxalate) borate are added as additives to a non-aqueous electrolyte in which a lithium salt such as LiPF 6 is dissolved. (Li [B (C 2 O 4 ) 2 ]).

係る構成のリチウムイオン二次電池によれば、まず、非水電解液にジフルオロリン酸リチウムが添加されていることで、この添加剤と負極表面とが効果的に反応し、負極表面に安定な皮膜(SEI膜:Solid Electrolyte Interface膜)が形成される。このSEI膜が形成されることによって負極におけるLiイオンの挿入離脱が容易になり、電解液自体の負極表面での分解を抑制することで、容量維持率が高められ、電池の寿命特性が向上する。さらに、非水電解質にリチウムビス(オキサレート)ボレートが添加されていることで、より安定なSEI膜が形成され、電池の寿命特性が向上する。従って、リチウムイオン二次電池の放電特性及び寿命特性が向上する効果が得られる。   According to the lithium ion secondary battery having such a configuration, first, since lithium difluorophosphate is added to the non-aqueous electrolyte, the additive and the negative electrode surface effectively react, and the negative electrode surface is stable. A film (SEI film: Solid Electrolyte Interface film) is formed. The formation of the SEI film facilitates the insertion / removal of Li ions in the negative electrode, suppresses the decomposition of the electrolytic solution itself on the negative electrode surface, increases the capacity retention ratio, and improves the battery life characteristics. . Further, by adding lithium bis (oxalate) borate to the non-aqueous electrolyte, a more stable SEI film is formed, and the life characteristics of the battery are improved. Therefore, the effect of improving the discharge characteristics and the life characteristics of the lithium ion secondary battery can be obtained.

また、上記構成のリチウムイオン二次電池においては、負極表面で形成されるSEI膜の厚さが薄過ぎると電解液分解抑制効果が小さくなり、SEI膜の厚さが厚過ぎても内部抵抗の増大を招くことから、最適な膜厚を形成させるための最適添加量があると考えられる。このため、前記非水電解液中における、前記ジフルオロリン酸リチウムの含有量が0.7〜1.3質量%であり、且つ、前記リチウムビス(オキサレート)ボレートの含有量が0.3〜0.7質量%であることがより好ましい。   Further, in the lithium ion secondary battery having the above-described structure, if the thickness of the SEI film formed on the surface of the negative electrode is too small, the effect of suppressing the decomposition of the electrolytic solution becomes small. It is thought that there is an optimum addition amount for forming an optimum film thickness because this causes an increase. Therefore, the content of the lithium difluorophosphate in the nonaqueous electrolyte is 0.7 to 1.3% by mass, and the content of the lithium bis (oxalate) borate is 0.3 to 0%. More preferably, it is 0.7% by mass.

係る構成のリチウムイオン二次電池によれば、非水電解液中における各添加剤の含有量を上記範囲に制限することにより、上記のような、放電特性及び寿命特性が向上する効果がより顕著に得られる。   According to the lithium ion secondary battery having such a configuration, by limiting the content of each additive in the nonaqueous electrolyte to the above range, the effect of improving the discharge characteristics and the life characteristics as described above is more remarkable. Is obtained.

本発明のリチウムイオン二次電池によれば、ニッケル酸リチウム系化合物におけるNiの一部がCo,Al及びNbに置換された、一般式:LiNiCoAlNb(但し、式中において、0<w、0<x、0<y、0<zであり、且つ、w+x+y+z=1を満たす)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質に用いることで、結晶構造が安定し、正極活物質のエネルギー密度が向上する。これにより、放電容量が増大するとともに、容量維持率も向上し、さらに、高温での酸素放出量が抑制される等、電池の安全性も高められる。従って、例えば、放電容量が10Ah以上の大型電池に適用可能で、優れた放電特性、寿命特性及び安全性を備えたリチウムイオン二次電池が実現できる。 According to the lithium ion secondary battery of the present invention, part of Ni in the lithium nickel oxide-based compound is substituted Co, the Al and Nb, the general formula: LiNi w Co x Al y Nb z O 2 ( where formula Wherein 0 <w, 0 <x, 0 <y, 0 <z, and w + x + y + z = 1 are satisfied) as the positive electrode active material. And the energy density of the positive electrode active material is improved. As a result, the discharge capacity is increased, the capacity retention rate is also improved, and the safety of the battery is also improved, for example, the amount of oxygen released at high temperatures is suppressed. Therefore, for example, a lithium ion secondary battery applicable to a large battery having a discharge capacity of 10 Ah or more and having excellent discharge characteristics, life characteristics, and safety can be realized.

本発明に係るリチウムイオン二次電池の一例を模式的に示す図であり、電池外観及び部品構成を示す分解斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows typically an example of the lithium ion secondary battery which concerns on this invention, and is an exploded perspective view which shows a battery external appearance and component structure. 本発明に係るリチウムイオン二次電池の実施例について説明する図であり、正極活物質に用いるリチウム遷移金属複合酸化物の組成を変化させた場合の、電池の容量密度(放電容量)を示すグラフである。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a lithium ion secondary battery according to the present invention, and is a graph showing the capacity density (discharge capacity) of the battery when the composition of a lithium transition metal composite oxide used for a positive electrode active material is changed. It is. 本発明に係るリチウムイオン二次電池の実施例について説明する図であり、正極活物質に用いるリチウム遷移金属複合酸化物の組成を変化させた場合の、電池の容量維持率を示すグラフである。It is a figure explaining the Example of the lithium ion secondary battery which concerns on this invention, and is a graph which shows the capacity | capacitance retention of a battery when the composition of the lithium transition metal composite oxide used for a positive electrode active material is changed. 本発明に係るリチウムイオン二次電池の実施例について説明する図であり、非水電解液に添加する添加剤の組成を変化させた場合の、電池の容量維持率を示すグラフである。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a lithium ion secondary battery according to the present invention, and is a graph illustrating a capacity retention ratio of the battery when the composition of an additive added to a non-aqueous electrolyte is changed. 本発明に係るリチウムイオン二次電池の実施例について説明する図であり、非水電解液に添加する添加剤の組成を変化させて加速劣化サイクル試験を行った場合の、サイクル容量劣化率を示すグラフである。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a lithium ion secondary battery according to the present invention, and shows a cycle capacity deterioration rate when an accelerated deterioration cycle test is performed by changing the composition of an additive added to a non-aqueous electrolyte. It is a graph.

以下、本発明の一実施形態であるリチウムイオン二次電池について、図面を適宜参照しながら詳しく説明する。なお、説明に用いる図面においては、特徴的な部分を分かりやすく示すために、図面中の構造の寸法や縮尺が、実際の構造に対して異なっている場合がある。また、本実施形態中における同じ構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明を省略する場合がある。   Hereinafter, a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings used for the description, dimensions and scales of structures in the drawings may be different from actual structures in order to clearly show characteristic portions. In the present embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof may be omitted.

[リチウムイオン二次電池の構成]
図1は、リチウムイオン二次電池の一実施形態を示す斜視分解図である。
図1に例示するリチウムイオン二次電池1は、内部にLiPF等のリチウム支持塩(非水電解質)を含む非水電解液を貯留する電池容器10を備えている。電池容器10は、例えば、アルミニウム製の中空容器であり、本実施形態では、外形が略角柱状(略直方体状)とされている。また、電池容器10は、開口を有する筒状体10aと、筒状体10aの開口を塞ぐ蓋10bとから構成されている。
[Configuration of lithium ion secondary battery]
FIG. 1 is a perspective exploded view showing one embodiment of a lithium ion secondary battery.
The lithium ion secondary battery 1 illustrated in FIG. 1 includes a battery container 10 for storing a non-aqueous electrolyte containing a lithium supporting salt (non-aqueous electrolyte) such as LiPF 6 therein. The battery container 10 is, for example, a hollow container made of aluminum. In the present embodiment, the outer shape is a substantially prismatic shape (a substantially rectangular parallelepiped shape). Further, the battery container 10 includes a cylindrical body 10a having an opening, and a lid 10b for closing the opening of the cylindrical body 10a.

電池容器10に備えられる蓋10bには、電極端子11、12及び電解液の注入口13が設けられており、本実施形態では、電極端子11が正極端子、電極端子12が負極端子である場合について説明する。また、電池容器10の内部には、複数の電極14、15と、これら複数の電極14、15の間にそれぞれ配置されるセパレータ16が収容されている。   The lid 10 b provided in the battery container 10 is provided with electrode terminals 11 and 12 and an electrolyte inlet 13. In the present embodiment, the electrode terminal 11 is a positive terminal and the electrode terminal 12 is a negative terminal. Will be described. Further, inside the battery case 10, a plurality of electrodes 14 and 15 and a separator 16 arranged between the plurality of electrodes 14 and 15 are housed.

電極(正極、負極)14、15は、通常、導体箔や導体薄板等のシート状の集電体(導体)を母材とし、母材の表面に電解液の種類に応じた電極活物質のコーティングがなされて構成される。電極14は、本実施形態においては正極であり、ニッケル酸リチウム系化合物における一部の金属元素が他の金属元素に置換されたリチウム遷移金属複合酸化物からなる正極活物質が、アルミニウム製の正極集電体上に正極活物質層として形成されたものである。電極15は、本実施形態においては負極であり、例えば銅箔等からなる負極集電体上に負極活物質が設けられる。   The electrodes (positive electrode, negative electrode) 14 and 15 are usually made of a sheet-like current collector (conductor) such as a conductive foil or a conductive thin plate as a base material, and the surface of the base material is formed of an electrode active material corresponding to the type of the electrolytic solution. It is configured with a coating. The electrode 14 is a positive electrode in the present embodiment, and a positive electrode active material made of a lithium transition metal composite oxide in which a part of a metal element in a lithium nickelate-based compound is replaced with another metal element is a positive electrode made of aluminum. It is formed as a positive electrode active material layer on a current collector. The electrode 15 is a negative electrode in the present embodiment. For example, a negative electrode active material is provided on a negative electrode current collector made of a copper foil or the like.

正極(電極)14は、負極(電極)15と対向配置され、これら各電極14、15は、互いに対向する方向で繰り返すように配置されている。また、各電極14、15の間には、それぞれセパレータ16が設けられており、各電極14、15が互いに接触しないように構成されている。セパレータ16としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔性高分子材料膜、ガラス繊維、各種高分子繊維からなる不織布等の絶縁材料が用いられる。   The positive electrode (electrode) 14 is disposed so as to face the negative electrode (electrode) 15, and these electrodes 14 and 15 are disposed so as to be repeated in the direction facing each other. Separators 16 are provided between the electrodes 14 and 15, respectively, so that the electrodes 14 and 15 do not contact each other. As the separator 16, for example, an insulating material such as a porous polymer material film such as polyethylene or polypropylene, glass fiber, or a nonwoven fabric made of various polymer fibers is used.

正極14における正極端子(電極端子)11側の端部には、電極タブ14aが形成されている。繰返し配置された複数の正極14の電極タブ14aが一括して、正極端子11と電気的に接続されている。
また、負極15における負極端子(電極端子)12側の端部には、電極タブ15aが形成されている。繰返し配置された複数の負極15の電極タブ15aが一括して、負極端子12と電気的に接続されている。
An electrode tab 14a is formed at an end of the positive electrode 14 on the positive electrode terminal (electrode terminal) 11 side. Electrode tabs 14a of a plurality of positive electrodes 14 arranged repeatedly are collectively electrically connected to positive electrode terminal 11.
An electrode tab 15a is formed at an end of the negative electrode 15 on the negative electrode terminal (electrode terminal) 12 side. The electrode tabs 15a of the plurality of negative electrodes 15 arranged repeatedly are collectively electrically connected to the negative electrode terminal 12.

正極14は、上述したように、正極集電体と、この正極集電体上に設けられた正極活物質層(正極活物質)とから構成される。本発明に係るリチウムイオン二次電池1においては、正極14を構成する正極活物質層に、少なくとも、一般式:LiNiCoAlNb(但し、式中において、0<w、0<x、0<y、0<zであり、且つ、w+x+y+z=1を満たす)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質を用いる。また、正極14の正極活物質層は、上記の正極活物質に加え、例えば、導電助材粉末と結着剤とが混合され、膜状に成形されたものである。 As described above, the positive electrode 14 includes the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer (positive electrode active material) provided on the positive electrode current collector. In the lithium ion secondary battery 1 according to the present invention, the cathode active material layer constituting the positive electrode 14, at least the general formula: in LiNi w Co x Al y Nb z O 2 ( In the formula, 0 <w, (0 <x, 0 <y, 0 <z, and w + x + y + z = 1)) is used. The positive electrode active material layer of the positive electrode 14 is formed into a film by mixing, for example, a conductive additive powder and a binder in addition to the positive electrode active material described above.

正極14において正極活物質層として備えられる正極活物質は、例えば、ニッケル酸リチウム(LiNiO)における一部の金属元素、具体的には、Niの一部がCo,Al及びNbに置換されることで、一般式:LiNiCoAlNb(但し、式中において、0<w、0<x、0<y、0<zであり、且つ、w+x+y+z=1を満たす)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物として得られるものである。正極活物質として上記のリチウム遷移金属複合酸化物を採用し、Niの一部がCo,Al及びNbに置換されていることを必須とし、特に、Alを置換元素とする構成とすることで、放電容量が増大するとともに、容量維持率も向上する。より詳細には、まず、上記のリチウム遷移金属複合酸化物中におけるNiの一部がCo,Nbに置換されていることで、結晶構造の柔軟性が増し、Liイオンの挿入脱離が容易となり、初期の放電容量が増大する効果が得られる。さらに、リチウム遷移金属複合酸化物中におけるNiの一部がAlに置換されていることで、Al元素と酸素の結合力が高いことから、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶構造がより安定化し、結晶構造の崩壊が抑制されることで容量維持率が向上する効果が得られると考えられる。 The positive electrode active material provided as the positive electrode active material layer in the positive electrode 14 is, for example, part of a metal element in lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), specifically, part of Ni is replaced by Co, Al, and Nb. it is the general formula: LiNi w Co x Al y Nb z O 2 ( where, in the formula, 0 <w, is 0 <x, 0 <y, 0 <z, and satisfies w + x + y + z = 1) in It is obtained as a lithium transition metal composite oxide represented. By adopting the above-mentioned lithium transition metal composite oxide as the positive electrode active material, it is essential that a part of Ni is replaced by Co, Al and Nb, and in particular, by adopting a structure in which Al is a substitution element, As the discharge capacity increases, the capacity retention rate also increases. More specifically, first, since a part of Ni in the above-mentioned lithium transition metal composite oxide is substituted by Co and Nb, the flexibility of the crystal structure is increased, and insertion and desorption of Li ions are facilitated. The effect of increasing the initial discharge capacity is obtained. Furthermore, since a part of Ni in the lithium transition metal composite oxide is substituted by Al, the bonding force between the Al element and oxygen is high, so that the crystal structure of the lithium transition metal composite oxide is more stabilized, It is considered that the effect of improving the capacity retention ratio is obtained by suppressing the collapse of the crystal structure.

上述したように、正極活物質に上記のリチウム遷移金属複合酸化物を採用することで、リチウムイオン二次電池1の放電特性が向上する詳細なメカニズムは不明である。しかしながら、本発明者等が鋭意研究したところによれば、Niの一部がCo,Al及びNbに置換されていることでリチウム遷移金属複合酸化物の結晶構造が安定し、正極活物質のエネルギー密度が向上してリチウムイオン二次電池1の放電特性が向上しているのではないかと考えられる。   As described above, the detailed mechanism by which the discharge characteristics of the lithium ion secondary battery 1 are improved by employing the above lithium transition metal composite oxide as the positive electrode active material is unknown. However, the present inventors have conducted intensive studies and found that the crystal structure of the lithium-transition metal composite oxide is stabilized by partially replacing Ni with Co, Al and Nb, and the energy of the positive electrode active material is reduced. It is considered that the density is improved and the discharge characteristics of the lithium ion secondary battery 1 are improved.

本発明に係るリチウムイオン二次電池1によれば、上記構成により、放電容量が増大することで、例えば、放電容量が10Ah以上である大型の二次電池にも適用可能となる。また、容量維持率が高められることで寿命特性も向上し、さらに、正極活物質の結晶構造が安定することで、高温での酸素放出量が抑制される等、電池の安全性も高められる。従って、放電特性に優れ、また、寿命特性及び安全性にも優れたリチウムイオン二次電池1が実現できる。   According to the lithium ion secondary battery 1 according to the present invention, the discharge capacity is increased by the above configuration, so that it can be applied to, for example, a large secondary battery having a discharge capacity of 10 Ah or more. In addition, the life characteristics are improved by increasing the capacity retention ratio, and the stability of the crystal structure of the positive electrode active material is suppressed, so that the amount of oxygen released at a high temperature is suppressed, thereby improving the safety of the battery. Therefore, it is possible to realize the lithium ion secondary battery 1 having excellent discharge characteristics and also excellent life characteristics and safety.

なお、上記一般式で表されるリチウム遷移金属複合酸化物が用いられた正極活物質は、コバルト(Co)、アルミニウム(Al)、ニオブ(Nb)及びニッケル(Ni)の質量比が、Co:10〜20質量%、Nb:0.5〜5質量%、Al:3〜10質量%、Ni:残部(但し、Co,Al,Nb及びNiの合計で100%である)であることがより好ましい。リチウム遷移金属複合酸化物中におけるCo,Al,Nb及びNiの質量比を上記範囲とすることで、結晶構造がより安定化し、放電容量が増大するとともに容量維持率が向上する効果がより顕著に得られ、寿命特性及び安全性も向上する。   Note that the positive electrode active material using the lithium transition metal composite oxide represented by the above general formula has a mass ratio of cobalt (Co), aluminum (Al), niobium (Nb), and nickel (Ni) of Co: 10 to 20% by mass, Nb: 0.5 to 5% by mass, Al: 3 to 10% by mass, Ni: The balance (however, the total of Co, Al, Nb and Ni is 100%). preferable. By setting the mass ratio of Co, Al, Nb and Ni in the lithium transition metal composite oxide within the above range, the crystal structure is more stabilized, the discharge capacity is increased, and the capacity retention rate is more effectively improved. As a result, the life characteristics and safety are also improved.

Coは、結晶構造が安定で電池寿命に与える影響が大きい元素であり、このような効果を得るためには、上記質量比の下限を10質量%とすることが好ましい。一方、Coは、Niに比べて電気容量を低下させる可能性もあることから、上記質量比の上限を20質量%とすることが、放電容量を確保する観点から有利であると考えられる。
また、Coの質量比は、12〜18質量%がさらに好ましく、14〜16質量%であることが最も好ましい。
Co is an element whose crystal structure is stable and has a large effect on the battery life. To obtain such an effect, the lower limit of the mass ratio is preferably set to 10% by mass. On the other hand, since Co has a possibility of lowering the electric capacity as compared with Ni, it is considered that setting the upper limit of the mass ratio to 20% by mass is advantageous from the viewpoint of securing the discharge capacity.
Further, the mass ratio of Co is more preferably 12 to 18% by mass, and most preferably 14 to 16% by mass.

Alは、後述の実施例におけるサイクル試験の結果(図3のグラフを参照)より、充放電容量に与える影響は小さいものの、結晶構造の劣化に伴う電池寿命特性に与える影響が大きな元素であると考えられる。このため、Alは、結晶構造の劣化を抑制して電池寿命特性を向上させる観点から、上記質量比の下限を4質量%とすることが好ましい。一方、Alの質量比が10質量%を超えると放電容量が低下する可能性があることから、これを上限とすることが好ましい。
また、Alの質量比は、3〜6質量%がさらに好ましく、3〜5質量%が最も好ましい。
From the results of the cycle test (see the graph of FIG. 3) in the examples described later, Al has a small effect on the charge / discharge capacity, but has a large effect on the battery life characteristics due to the deterioration of the crystal structure. Conceivable. For this reason, the lower limit of the mass ratio is preferably set to 4% by mass from the viewpoint of suppressing deterioration of the crystal structure and improving battery life characteristics of Al. On the other hand, if the mass ratio of Al exceeds 10% by mass, the discharge capacity may be reduced. Therefore, it is preferable to set the upper limit.
Further, the mass ratio of Al is more preferably 3 to 6% by mass, and most preferably 3 to 5% by mass.

Nbは、少量の添加により、リチウム遷移金属複合酸化物が発熱した際の発熱量を抑制する作用がある元素であり、二次電池の安全性を向上させるのに有効であると考えられ、この効果を得るためには、上記質量比の下限を0.5質量%とすることが好ましい。一方、Nbは、非常に高価な金属元素であることから、コスト面を考慮した場合、上記質量比の上限を5質量%とすることが好ましい。
また、Nbの質量比は、0.5〜2質量%がさらに好ましく、0.5〜1.5質量%が最も好ましい。
Nb is an element having a function of suppressing the amount of heat generated when the lithium transition metal composite oxide generates heat by adding a small amount thereof, and is considered to be effective in improving the safety of the secondary battery. In order to obtain the effect, the lower limit of the mass ratio is preferably set to 0.5% by mass. On the other hand, since Nb is a very expensive metal element, the upper limit of the mass ratio is preferably set to 5% by mass in consideration of cost.
Further, the mass ratio of Nb is more preferably 0.5 to 2% by mass, and most preferably 0.5 to 1.5% by mass.

なお、上記質量比におけるNiの範囲は、Co,Al,Nb及びNiの合計を100%とした場合に、その残部とする。   In addition, the range of Ni in the above mass ratio is the remainder when the total of Co, Al, Nb and Ni is 100%.

その他、正極活物質層(正極活物質)に添加される導電助材粉末としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛、炭素繊維等の炭素質材料を用いることができる。
また、結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピロリドン、テトラフロオロエチレン、ポリエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、等が挙げられ、これらの内の1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
In addition, as the conductive additive powder added to the positive electrode active material layer (positive electrode active material), for example, a carbonaceous material such as carbon black, acetylene black, graphite, and carbon fiber can be used.
As the binder, for example, polyvinylidene fluoride, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene- Perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, and the like. Species or a combination of two or more can be used.

さらに、正極活物質層に、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリイミダゾール等の導電性高分子材料を添加しても良い。これらの導電性高分子材料は、電気化学的に安定であり、しかも電子伝導性に優れているため、正極活物質層の内部抵抗を低減する効果が得られる。   Further, a conductive polymer material such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene, or polyimidazole may be added to the positive electrode active material layer. Since these conductive polymer materials are electrochemically stable and have excellent electron conductivity, the effect of reducing the internal resistance of the positive electrode active material layer can be obtained.

正極14に用いられる正極集電体としては、上記のアルミニウムに限定されることなく、その他の金属材料からなる金属箔、金属網、エキスパンドメタル等を用いることができ、例えば、チタンやステンレス等を用いても良い。   The positive electrode current collector used for the positive electrode 14 is not limited to the above-described aluminum, and may be a metal foil, a metal net, an expanded metal, or the like made of another metal material. May be used.

負極15は、銅箔等からなる集電体と、この集電体上に成膜された負極活物質層とから構成される。負極活物質層は、例えば、リチウムを電気化学的に脱挿入する黒鉛等の負極活物質粉末と、ポリフッ化ビニリデン等の結着剤と、負極活物質層の表面にSEI膜を形成する添加剤とが混合されて形成される。また、上記添加剤の一部又は全部が反応して、負極活物質の表面にSEI膜が形成される。なお、負極電極層にカーボンブラック等の導電助材粉末が添加される場合もある。   The negative electrode 15 includes a current collector made of a copper foil or the like, and a negative electrode active material layer formed on the current collector. The negative electrode active material layer includes, for example, a negative electrode active material powder such as graphite that electrochemically deintercalates lithium, a binder such as polyvinylidene fluoride, and an additive that forms an SEI film on the surface of the negative electrode active material layer. Are mixed and formed. In addition, part or all of the additives react to form an SEI film on the surface of the negative electrode active material. Note that a conductive auxiliary powder such as carbon black may be added to the negative electrode layer.

負極活物質としては、黒鉛の他に、コークス、熱分解炭素、ガラス状炭素、無定形炭素、黒鉛化炭素繊維、各種高分子材料の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、活性炭等の各種炭素材料を用いることができる。また、比較的低い電位での充放電が可能なSi、Sn、In等の合金、あるいは金属酸化物・窒化物等を用いても良い。   As the negative electrode active material, in addition to graphite, various carbon materials such as coke, pyrolytic carbon, glassy carbon, amorphous carbon, graphitized carbon fiber, fired bodies of various polymer materials, mesocarbon microbeads, activated carbon, etc. Can be used. Alternatively, an alloy of Si, Sn, In, or the like, which can be charged and discharged at a relatively low potential, or a metal oxide / nitride may be used.

負極活物質層に用いられる結着剤としては、特に限定されず、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PolyVinylidene DiFluoride;PVDF)、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ジアセチルセルロース、スルホン化EPDM、等のポリマーが挙げられ、これらを1種又は2種以上で組み合わせて用いることができる。
また、添加剤としても、負極活物質層の表面にSEI膜を形成できるものであれば特に限定されず、例えば、ビニレンカーボネート等の他、従来公知の材料を何ら制限無く採用することが可能である。
The binder used in the negative electrode active material layer is not particularly limited, and examples thereof include polymers such as polyvinylidene difluoride (PVDF), carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, diacetyl cellulose, and sulfonated EPDM. And these can be used alone or in combination of two or more.
In addition, the additive is not particularly limited as long as it can form an SEI film on the surface of the negative electrode active material layer. For example, in addition to vinylene carbonate, a conventionally known material can be used without any limitation. is there.

電池容器10の内部には、非水電解液(非水電解質)が各電極14、15と接触するように収容される。非水電解液としては、例えば、炭酸エチレンや炭酸ジエチル、炭酸プロピル等の有機溶媒に、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)や四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)等のリチウム塩を溶解した溶液等が挙げられる。 A non-aqueous electrolyte (non-aqueous electrolyte) is accommodated in the battery container 10 so as to be in contact with each of the electrodes 14 and 15. As the non-aqueous electrolyte, for example, a lithium salt such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) or lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) is dissolved in an organic solvent such as ethylene carbonate, diethyl carbonate, or propyl carbonate. And the like.

また、非水電解液としては、上記のものには限定されず、例えば、環状炭酸エステル又は鎖状炭酸エステルの何れか一方あるいは両方が含まれ、さらに溶質が含まれた構成のものを採用することが可能である。特に、環状炭酸エステル及び鎖状炭酸エステルの両方が混合された有機溶媒に、溶質(電解質)が溶解されてなるものが好ましい。   Further, the non-aqueous electrolyte is not limited to the above, and for example, one having one or both of a cyclic carbonate and a chain carbonate and further containing a solute is employed. It is possible. In particular, those obtained by dissolving a solute (electrolyte) in an organic solvent in which both the cyclic carbonate and the chain carbonate are mixed are preferable.

環状炭酸エステルとしては、例えば、プロピレンカーボネート等の従来公知の材料を例示でき、また、鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート(DMC)やエチルメチルカーボネート(EMC)等の公知の材料を例示できる。また、環状炭酸エステル及び鎖状炭酸エステルは上記に列挙したものに限らず、後述の溶質及び第4級アンモニウム塩を解離できるものであれば、どのようなものでも用いることができる。
また、非水電解液に用いられる有機溶媒としては、2種以上の有機溶媒の混合溶媒を用いることも可能である。
Examples of the cyclic carbonate include conventionally known materials such as propylene carbonate, and examples of the chain carbonate include known materials such as dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC). Further, the cyclic carbonate and the chain carbonate are not limited to those listed above, but may be any as long as the solute and the quaternary ammonium salt described below can be dissociated.
In addition, as the organic solvent used for the non-aqueous electrolyte, a mixed solvent of two or more organic solvents can be used.

また、溶質(電解質)としては、LiPF、LiBF、LiAsF、LiClO、LiCFSO、LiCSO、LiCFCO、Li(SO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiN(RfSO、LiC(RfSO、LiCnF+1SO(n≧2)、LiN(RfOSO[ここでRfはフルオロアルキル基]等のリチウム塩を例示できる。 In addition, as a solute (electrolyte), LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li 2 C 2 F 4 (SO 3 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiN (RfSO 2 ) 2 , LiC (RfSO 2 ) 3 , Examples thereof include lithium salts such as LiCnF 2 n +1 SO 3 (n ≧ 2) and LiN (RfOSO 2 ) 2 [where Rf is a fluoroalkyl group].

さらに、本発明に係るリチウムイオン二次電池1においては、非水電解液に、添加剤として、下記化学式1に示すジフルオロリン酸リチウム(LiPF)、及び、下記化学式2に示すリチウムビス(オキサレート)ボレート(Li[B(C])が含まれることがより好ましい。 Further, in the lithium ion secondary battery 1 according to the present invention, lithium difluorophosphate (LiPF 2 O 2 ) represented by the following chemical formula 1 and lithium bismuth represented by the following chemical formula 2 are added to the nonaqueous electrolyte as additives. More preferably, (oxalate) borate (Li [B (C 2 O 4 ) 2 ]) is contained.

Figure 0006634648
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本発明に係るリチウムイオン二次電池1においては、まず、非水電解液にジフルオロリン酸リチウムが添加されていることで、この添加剤と負極活物質層の表面とが効果的に反応し、負極15における負極活物質層の表面に皮膜(SEI膜:Solid Electrolyte Interface膜)が形成される。このSEI膜が形成されることによって、負極活物質層におけるLiイオンの挿入離脱が容易になり、容量維持率が高められ、電池の寿命特性が向上する。さらに、非水電解質にリチウムビス(オキサレート)ボレートが添加されていることで、より安定なSEI膜が形成され、電池の寿命特性が向上する。従って、リチウムイオン二次電池1の放電特性及び寿命特性が向上する効果が得られる。   In the lithium ion secondary battery 1 according to the present invention, first, since lithium difluorophosphate is added to the nonaqueous electrolyte, the additive effectively reacts with the surface of the negative electrode active material layer, A film (SEI film: Solid Electrolyte Interface film) is formed on the surface of the negative electrode active material layer in the negative electrode 15. The formation of this SEI film facilitates the insertion and removal of Li ions in the negative electrode active material layer, increases the capacity retention ratio, and improves the battery life characteristics. Further, by adding lithium bis (oxalate) borate to the non-aqueous electrolyte, a more stable SEI film is formed, and the life characteristics of the battery are improved. Therefore, the effect of improving the discharge characteristics and the life characteristics of the lithium ion secondary battery 1 can be obtained.

非水電解液に含まれる添加剤の含有量は、特に限定されないが、非水電解液中において、負極表面で形成されるSEI膜の厚さが薄過ぎると電解液分解抑制効果が小さくなり、SEI膜の厚さが厚過ぎても内部抵抗の増大を招くことから、最適な膜厚を形成させるための最適添加量があると考えられる。このことから、非水電解液中において、ジフルオロリン酸リチウムの含有量が0.7〜1.3質量%であり、且つ、リチウムビス(オキサレート)ボレートの含有量が0.3〜0.7質量%であることが好ましい。非水電解液中における各添加剤の含有量を上記範囲とすることにより、上記のような、放電特性及び寿命特性が向上する効果がより顕著に得られる。   The content of the additive contained in the non-aqueous electrolyte is not particularly limited, but in the non-aqueous electrolyte, if the thickness of the SEI film formed on the negative electrode surface is too thin, the effect of suppressing the decomposition of the electrolyte is reduced, Even if the thickness of the SEI film is too large, the internal resistance increases, so it is considered that there is an optimum addition amount for forming an optimum film thickness. From this, in the non-aqueous electrolyte, the content of lithium difluorophosphate is 0.7 to 1.3% by mass, and the content of lithium bis (oxalate) borate is 0.3 to 0.7%. It is preferable that the content is mass%. By setting the content of each additive in the non-aqueous electrolyte within the above range, the effect of improving the discharge characteristics and the life characteristics as described above is more remarkably obtained.

より詳細には、非水電解液に含まれるジフルオロリン酸リチウムの含有量が上記範囲であることで、負極活物質層の表面にSEI膜が効果的に形成され、また、寿命特性が向上する効果が得られる。非水電解液中におけるジフルオロリン酸リチウムの含有量が0.7質量%未満だと、寿命向上効果が小さくなり、一方、1.3質量%を超えて添加した場合でも、その効果は変わらない。
また、非水電解液に含まれるジフルオロリン酸リチウムの含有量は、0.9〜1.2質量%がさらに好ましく、1.0〜1.2質量%が最も好ましい。なお、本発明者等の検討によれば、ジフルオロリン酸リチウムが負極活物質表面と間で効果的に反応して、SEI膜が形成される最適な含有量は1質量%前後であるものと考えられる(後述の実施例及び表5のグラフも参照)。
More specifically, when the content of lithium difluorophosphate contained in the nonaqueous electrolyte is in the above range, an SEI film is effectively formed on the surface of the negative electrode active material layer, and the life characteristics are improved. The effect is obtained. When the content of lithium difluorophosphate in the non-aqueous electrolyte is less than 0.7% by mass, the effect of improving the life is reduced. On the other hand, even when the content exceeds 1.3% by mass, the effect is not changed. .
Further, the content of lithium difluorophosphate contained in the nonaqueous electrolyte is more preferably 0.9 to 1.2% by mass, and most preferably 1.0 to 1.2% by mass. According to the study of the present inventors, the optimum content at which lithium difluorophosphate effectively reacts with the surface of the negative electrode active material to form an SEI film is about 1% by mass. It is possible (see also Examples below and the graph in Table 5).

また、非水電解液に含まれるリチウムビス(オキサレート)ボレートの含有量が上記範囲であることで、電極材料における結晶構造の劣化を効果的に抑制できる。非水電解液中におけるリチウムビス(オキサレート)ボレートの含有量が0.3質量%未満だと、上述した電極材料における結晶構造の劣化抑制効果が小さくなり、また、0.7質量%を超えて添加した場合も同様である。
また、非水電解液に含まれるリチウムビス(オキサレート)ボレートの含有量は、0.4〜0.7質量%がさらに好ましく、0.5〜0.6質量%がさらに好ましい。このことから、非水電解液に含まれるリチウムビス(オキサレート)ボレートの最適な含有量は0.5質量%前後であるものと考えられる(後述の実施例及び図5のグラフも参照)。
Further, when the content of lithium bis (oxalate) borate contained in the nonaqueous electrolyte is in the above range, the deterioration of the crystal structure in the electrode material can be effectively suppressed. When the content of lithium bis (oxalate) borate in the non-aqueous electrolyte is less than 0.3% by mass, the effect of suppressing the deterioration of the crystal structure in the above-described electrode material becomes small, and the content exceeds 0.7% by mass. The same applies to the case where it is added.
Further, the content of lithium bis (oxalate) borate contained in the nonaqueous electrolyte is more preferably 0.4 to 0.7% by mass, and further preferably 0.5 to 0.6% by mass. From this, it is considered that the optimum content of lithium bis (oxalate) borate contained in the non-aqueous electrolyte is about 0.5% by mass (see also Examples described later and the graph of FIG. 5).

なお、本発明においては、さらに、上記の非水電解液に代えて、固体電解質(非水電解質)を用いることもできる。このような固体電解質としては、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル等の高分子マトリックスに、上記非水電解液を含浸させてなるゲル電解質等を例示できる。また、固体電解質を用いる場合には、セパレータ16を省略することも可能である。   In the present invention, a solid electrolyte (non-aqueous electrolyte) can be used instead of the above-mentioned non-aqueous electrolyte. Examples of such a solid electrolyte include a gel electrolyte obtained by impregnating a polymer matrix such as polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyvinylidene fluoride, and polyacrylonitrile with the above nonaqueous electrolyte. When a solid electrolyte is used, the separator 16 can be omitted.

[リチウムイオン二次電池の製造方法]
以下に、本発明に係るリチウムイオン二次電池を製造する方法の一例について、図1を参照しながら説明する。
本発明に係るリチウムイオン二次電池1を製造するにあたっては、まず、以下に説明するような手順で正極活物質を製造した後、この正極活物質を正極集電体上に塗工することで正極14を製造する。さらに、後述するように、負極、非水電解質等をそれぞれ作製・調製することにより、リチウムイオン二次電池1を製造する。
[Method of manufacturing lithium ion secondary battery]
Hereinafter, an example of a method for manufacturing a lithium ion secondary battery according to the present invention will be described with reference to FIG.
In manufacturing the lithium ion secondary battery 1 according to the present invention, first, a positive electrode active material is manufactured by the procedure described below, and then the positive electrode active material is applied on a positive electrode current collector. The positive electrode 14 is manufactured. Further, as described later, the lithium ion secondary battery 1 is manufactured by preparing and preparing a negative electrode, a non-aqueous electrolyte, and the like, respectively.

まず、正極活物質の原料として、M(OH)(M=Ni,Co,Nb,Al)及びLiOHを準備し、これらを混合する。具体的には、正極活物質の原料である水酸化ニッケル、水酸化コバルト、水酸化ニオブ、水酸化アルミを、Ni,Co,Al及びNbが所定の金属重量比となるように混合するとともに、水酸化リチウム(LiOH)と混合する。 First, M (OH) 2 (M = Ni, Co, Nb, Al) and LiOH are prepared and mixed as raw materials of the positive electrode active material. Specifically, nickel hydroxide, cobalt hydroxide, niobium hydroxide, and aluminum hydroxide, which are raw materials of the positive electrode active material, are mixed so that Ni, Co, Al, and Nb have a predetermined metal weight ratio. Mix with lithium hydroxide (LiOH).

そして、上記の混合物を、700〜800℃の酸素雰囲気中で焼成することにより、水酸化ニッケルに由来するNiの一部を、Co,Al及びNbに置換する。これにより、一般式:LiNiCoAlNb(但し、式中において、0<w、0<x、0<y、0<zであり、且つ、w+x+y+z=1を満たす)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物からなる、粉末状の正極活物質を得る。 Then, by baking the above mixture in an oxygen atmosphere at 700 to 800 ° C., a part of Ni derived from nickel hydroxide is replaced with Co, Al and Nb. Thus, the general formula: LiNi w Co x Al y Nb z O 2 ( where, in the formula, 0 <w, is 0 <x, 0 <y, 0 <z, and satisfies w + x + y + z = 1) in A powdered positive electrode active material composed of the represented lithium transition metal composite oxide is obtained.

さらに、上記手順で得られた正極活物質に、導電助材粉末と結着剤とを混合して、混合物スラリーを調整する。
導電助剤としては、特に限定されることなく、上記したようなカーボンブラック等、導電性を有する材料を適宜選択して採用することができる。
また、結着剤としても、上記したようなポリフッ化ビニリデン等のフッ素ポリマーを適宜採用することができる。
Further, the conductive active material powder and the binder are mixed with the positive electrode active material obtained by the above procedure to prepare a mixture slurry.
The conductive assistant is not particularly limited, and a material having conductivity such as the above-described carbon black can be appropriately selected and employed.
Further, as the binder, a fluoropolymer such as polyvinylidene fluoride as described above can be appropriately employed.

次いで、正極活物質、導電助材及び結着剤の混合物を、さらに、ポリアニリンが溶解されたNMP等の分散媒に添加してスラリーとする。その後、このスラリーを正極集電体上にドクターブレード法等により塗布した後、分散媒を所定時間の加熱によって除去し、乾燥させる。そして、乾燥した混合物をプレス等によって圧縮することで正極14を製造する。この際の加熱温度は、スラリーに含まれる分散媒の沸点以上の温度範囲、又は減圧乾燥とする。
このような手順により、正極14を製造する。
Next, the mixture of the positive electrode active material, the conductive additive, and the binder is further added to a dispersion medium such as NMP in which polyaniline is dissolved to form a slurry. Thereafter, the slurry is applied to the positive electrode current collector by a doctor blade method or the like, and then the dispersion medium is removed by heating for a predetermined time and dried. Then, the positive electrode 14 is manufactured by compressing the dried mixture by a press or the like. The heating temperature at this time is a temperature range equal to or higher than the boiling point of the dispersion medium contained in the slurry, or drying under reduced pressure.
According to such a procedure, the positive electrode 14 is manufactured.

次に、本実施形態では、負極15については、適宜選択される従来公知の形成材料や形成方法によって形成することができる。即ち、例えば、負極の材料として黒鉛系の材料を用い、この黒鉛系材料と結着材とを混合した水系スラリーを調製した後、このスラリーを銅箔等からなる負極集電体の表面に塗布する。そして、正極14の場合と同様、所定温度で所定時間乾燥させることで負極15を製造する。
そして、そして、正極14、セパレータ16、及び、負極15を順次積層して、これらの積層体を形成する。
Next, in the present embodiment, the negative electrode 15 can be formed by a conventionally known forming material or forming method appropriately selected. That is, for example, a graphite-based material is used as a negative electrode material, and an aqueous slurry in which the graphite-based material and the binder are mixed is prepared, and then this slurry is applied to the surface of a negative electrode current collector made of copper foil or the like. I do. Then, similarly to the case of the positive electrode 14, the negative electrode 15 is manufactured by drying at a predetermined temperature for a predetermined time.
And the positive electrode 14, the separator 16, and the negative electrode 15 are laminated | stacked sequentially, and these laminated bodies are formed.

次に、電池容器10を構成する筒状体10aおよび蓋10bを用意し、筒状体10aに上記各電極14、15及びセパレータ16からなる積層体を収容する。また、蓋10bには、予め、電極端子11、12及び注入口13を設ける。そして、上記積層体における複数の電極タブ14aを一括して電極端子11と電気的に接続し、積層体における複数の電極タブ15aを一括して電極端子12と電気的に接続する。そして、筒状体10aに蓋10bを取付けて溶接する。
そして、電池容器10の内部に、注入口13から、所定の組成で調製された非水電解液を注入した後、注入口13を封じる。
Next, a cylindrical body 10a and a lid 10b that constitute the battery container 10 are prepared, and the stacked body including the electrodes 14, 15 and the separator 16 is accommodated in the cylindrical body 10a. The lid 10b is provided with electrode terminals 11, 12 and an inlet 13 in advance. Then, the plurality of electrode tabs 14a in the laminate are collectively electrically connected to the electrode terminals 11, and the plurality of electrode tabs 15a in the laminate are collectively electrically connected to the electrode terminals 12. Then, the lid 10b is attached to the tubular body 10a and welded.
Then, a nonaqueous electrolyte prepared with a predetermined composition is injected into the inside of the battery container 10 from the injection port 13, and then the injection port 13 is sealed.

次に、本実施形態では、初期充放電を行う。具体的には、電極端子11、12を充電器等と電気的に接続し、正極14と負極15との間に電圧を印加することで充電制御する。
充電方法としては、例えば、定電流・定電圧方式を採用することが好ましい。即ち、電池電圧が充電上限電圧に達するまで定電流で充電を行い(定電流充電)、充電上限電圧に達した後は、この上限電圧を維持したまま、所定の充電時間で電流を流す(定電圧充電)。定電流・定電圧充電時の充電上限電圧は、電池の正負極の構成にもよるが、4.1〜4.2Vの範囲が好ましい。また、定電流充電時の充電電流は、電池サイズにもよるが、0.1〜2C(1Cは電池全容量を1時間で放電または充電可能な電流値と定義されているため、0.1Cでは充電に10時間必要となる)の範囲が好ましい。さらに、定電圧充電時の充電時間は、電池サイズにもよるが、10時間以内が好ましい。
Next, in the present embodiment, initial charge and discharge are performed. Specifically, charging control is performed by electrically connecting the electrode terminals 11 and 12 to a charger or the like and applying a voltage between the positive electrode 14 and the negative electrode 15.
As a charging method, for example, it is preferable to adopt a constant current / constant voltage method. That is, charging is performed at a constant current until the battery voltage reaches the charging upper limit voltage (constant current charging). After reaching the charging upper limit voltage, a current is supplied for a predetermined charging time while maintaining the upper limit voltage (constant charging). Voltage charging). The upper limit charging voltage at the time of constant current / constant voltage charging is preferably in the range of 4.1 to 4.2 V, though it depends on the positive and negative electrode configurations of the battery. Further, the charging current at the time of constant current charging depends on the battery size, but is 0.1 to 2 C (1 C is defined as a current value at which the whole battery capacity can be discharged or charged in one hour. In this case, 10 hours are required for charging). Further, the charging time during the constant voltage charging depends on the battery size, but is preferably within 10 hours.

また、放電方法としては、定電流放電を採用することが好ましい。即ち、電池電圧が放電下限電圧に達するまで、定電流で放電を行う(定電流放電)。放電下限電圧は、電池の正負極の構成にもよるが、2.7〜3.5Vの範囲が好ましい。また、放電電流は、電池サイズにもよるが、0.1C〜2Cの範囲が好ましい。   In addition, as a discharging method, it is preferable to employ constant current discharging. That is, the battery is discharged at a constant current until the battery voltage reaches the discharge lower limit voltage (constant current discharge). The discharge lower limit voltage is preferably in the range of 2.7 to 3.5 V, depending on the configuration of the positive and negative electrodes of the battery. Also, the discharge current is preferably in the range of 0.1 C to 2 C, depending on the battery size.

上述したように初期充放電を行うことにより、正極14の正極活物質において化学反応が起きる。この反応が生じた時点で、正極14がその機能を果たすものとなる。
また、初期充放電の際、負極15においても負極活物質の化学反応が起き、正極14と同様に、負極15がその機能を果たすものとなる。
By performing the initial charge and discharge as described above, a chemical reaction occurs in the positive electrode active material of the positive electrode 14. When this reaction occurs, the positive electrode 14 fulfills its function.
Further, at the time of initial charge and discharge, a chemical reaction of the negative electrode active material occurs also in the negative electrode 15, and the negative electrode 15 performs its function as in the positive electrode 14.

[作用効果]
以上説明したような、本発明に係るリチウムイオン二次電池1によれば、ニッケル酸リチウム系化合物におけるNiの一部がCo,Al及びNbに置換された、一般式:LiNiCoAlNb(但し、式中において、0<w、0<x、0<y、0<zであり、且つ、w+x+y+z=1を満たす)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質に用いることで、結晶構造が安定し、正極活物質のエネルギー密度が向上する。これにより、放電容量が増大するとともに、容量維持率も向上し、さらに、高温での酸素放出量が抑制される等、電池の安全性も高められる。従って、例えば、放電容量が10Ah以上の大型電池に適用可能で、優れた放電特性、寿命特性及び安全性を備えたリチウムイオン二次電池が実現できる。
[Effects]
As described above, according to the lithium ion secondary battery 1 according to the present invention, part of Ni in the lithium nickelate compound is substituted Co, the Al and Nb, the general formula: LiNi w Co x Al y A lithium transition metal composite oxide represented by Nb z O 2 (where 0 <w, 0 <x, 0 <y, 0 <z, and w + x + y + z = 1 is satisfied) is used as a positive electrode active material. By using the material, the crystal structure is stabilized, and the energy density of the positive electrode active material is improved. As a result, the discharge capacity is increased, the capacity retention rate is also improved, and the safety of the battery is also improved, for example, the amount of oxygen released at high temperatures is suppressed. Therefore, for example, a lithium ion secondary battery applicable to a large battery having a discharge capacity of 10 Ah or more and having excellent discharge characteristics, life characteristics, and safety can be realized.

また、本実施形態で説明したリチウムイオン二次電池1においては、正極活物質に上記のリチウム遷移金属複合酸化物を採用することに加え、さらに、非水電解液(非水電解質)に、添加剤として、ジフルオロリン酸リチウム(LiPF)及びリチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)が含まれる構成を採用することで、容量維持率がさらに高められ、電池の寿命特性が向上する効果が得られる。 In addition, in the lithium ion secondary battery 1 described in the present embodiment, in addition to employing the above-described lithium transition metal composite oxide as the positive electrode active material, the lithium ion secondary battery 1 is further added to a non-aqueous electrolyte (non-aqueous electrolyte). By adopting a composition containing lithium difluorophosphate (LiPF 2 O 2 ) and lithium bis (oxalate) borate (LiBOB) as the agent, the capacity retention rate is further increased, and the effect of improving the battery life characteristics is obtained. can get.

なお、本発明の技術範囲は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。例えば、上述した実施形態においては、外形が略直方体状のリチウムイオン二次電池を例に挙げて説明しているが、ラミネート型、コイン型、円筒型、シート型のリチウムイオン二次電池においても本発明を適用することが可能である。   Note that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the external shape is described by taking a lithium ion secondary battery having a substantially rectangular parallelepiped shape as an example, but a laminate type, a coin type, a cylindrical type, and a sheet type lithium ion secondary battery are also described. The present invention can be applied.

以下、実施例を示して、本発明に係るリチウムイオン二次電池について、さらに詳しく説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものでは無い。   Hereinafter, the lithium ion secondary battery according to the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
実施例1では、まず、以下の手順及び条件で正極活物質を作製し、さらに、この正極活物質を備えた正極、負極、非水電解液(非水電解質)を作製した。そして、これら各電極及び非水電解液をラミネートセル容器内に収容することで、リチウムイオン二次電池のラミネートセルを完成させ、以下に説明する評価試験を行った。
[Example 1]
In Example 1, first, a positive electrode active material was prepared according to the following procedure and conditions, and further, a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte (nonaqueous electrolyte) provided with the positive electrode active material were prepared. Then, by laminating each of these electrodes and the non-aqueous electrolyte in a laminate cell container, a laminate cell of a lithium ion secondary battery was completed, and an evaluation test described below was performed.

(正極活物質・正極の作製)
まず、「遊星型ボールミル(フリッチュ社製P6)」を用い、正極活物質の原料である水酸化ニッケル、水酸化コバルト、水酸化ニオブ、水酸化アルミニウム、及び水酸化リチウムを、下記表1に示す金属重量比となるように各々の量を調整しながらボールミルに投入し、乾式撹拌によって混合させ、予備混合物を作製した。この際、ボールミルの回転数を150rpm程度とし、3時間の撹拌を行った。
(Preparation of positive electrode active material and positive electrode)
First, nickel hydroxide, cobalt hydroxide, niobium hydroxide, aluminum hydroxide, and lithium hydroxide as raw materials of a positive electrode active material are shown in Table 1 below using a “planetary ball mill (P6 manufactured by Fritsch)”. The mixture was charged into a ball mill while adjusting the respective amounts so as to have a metal weight ratio, and mixed by dry stirring to prepare a preliminary mixture. At this time, the rotation speed of the ball mill was set to about 150 rpm, and stirring was performed for 3 hours.

Figure 0006634648
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次いで、上記手順で得られた予備混合物を、700〜800℃の酸素雰囲気中で焼成することにより、水酸化ニッケルに由来するNiの一部をCo,Al及びNbに置換させることで、リチウム遷移金属複合酸化物からなる粉末状の正極活物質を得た。この正極活物質は、Co,Nb,Al及びNiの金属重量比が上記範囲とされた、LiNi0.764Co0.143Al0.083Nb0.01からなるものである。 Next, the preliminary mixture obtained by the above procedure is calcined in an oxygen atmosphere at 700 to 800 ° C., whereby a part of Ni derived from nickel hydroxide is replaced with Co, Al, and Nb, whereby lithium transition is performed. A powdery positive electrode active material comprising a metal composite oxide was obtained. This positive electrode active material is composed of LiNi 0.764 Co 0.143 Al 0.083 Nb 0.01 O 2 in which the metal weight ratio of Co, Nb, Al and Ni is in the above range.

次いで、上記の正極活物質に、さらに、導電助材粉末としてアセチレンブラックを添加するとともに、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを添加して正極混合物を作製した。そして、この正極混合物を、分散媒であるNMPに添加してスラリーを調整した後、このスラリーを、ドクターブレード法を用いて、アルミニウム箔からなる正極集電体上に塗布した。その後、120℃の温度で一定時間加熱することでスラリー中に含まれる分散媒を除去し、上記の正極混合物を乾燥させた。
そして、正極集電体上に積層された乾燥正極混合物をプレス圧縮することで、正極を作製した。
Next, acetylene black was added to the positive electrode active material as a conductive additive powder, and polyvinylidene fluoride was added as a binder to prepare a positive electrode mixture. Then, this positive electrode mixture was added to NMP as a dispersion medium to prepare a slurry, and then this slurry was applied on a positive electrode current collector made of an aluminum foil by using a doctor blade method. Thereafter, the dispersion medium contained in the slurry was removed by heating at a temperature of 120 ° C. for a certain period of time, and the positive electrode mixture was dried.
And the positive electrode was produced by press-compressing the dry positive electrode mixture laminated on the positive electrode current collector.

(二次電池構造(ラミネートセル)の作製)
次に、本実施例では、上記手順で得られた正極を用いて、従来公知の方法で、ラミネートセル容器内に、正極、セパレータ及び負極が順次積層された積層体を収容して封止し、二次電池構造のラミネートセルを作製した。
(Preparation of secondary battery structure (laminate cell))
Next, in this example, using the positive electrode obtained by the above procedure, in a conventionally known method, a laminate in which a positive electrode, a separator, and a negative electrode were sequentially laminated was housed and sealed in a laminate cell container. Then, a laminate cell having a secondary battery structure was produced.

この際に用いた正極の平面視寸法は97×130mmであり、上記手順及び条件で作製した正極活物質を備えてなる。
また、負極の平面視寸法は100×134mmである。本実施例では、従来公知の黒鉛系負極材料を用い、黒鉛系材料と結着材とを混合した水系スラリーを調製した後、このスラリーを銅箔からなる負極集電体の表面に塗布し、従来から負極の作製に適用されている乾燥温度及び時間で乾燥させることで負極を製造した。
The dimension of the positive electrode used in this case in plan view was 97 × 130 mm, and was provided with the positive electrode active material produced according to the above procedure and conditions.
The dimension of the negative electrode in plan view is 100 × 134 mm. In the present embodiment, using a conventionally known graphite-based negative electrode material, after preparing an aqueous slurry in which a graphite-based material and a binder are mixed, the slurry is applied to the surface of a negative electrode current collector made of copper foil, A negative electrode was manufactured by drying at a drying temperature and time conventionally applied to the preparation of the negative electrode.

また、電解液としては、溶質として1M LiPFを含み、有機溶媒として、エチレンカーボネート(EC)/ジメチルカーボネート(DMC)/エチルメチルカーボネート(EMC)の混合溶媒に、添加剤としてジフルオロリン酸リチウム(LiPF)が1質量%で添加されたものを調製して用いた。この際の有機溶媒の混合比率は、[(33.3vol%(EC)/33.3vol%(DMC)/33.4vol%(EMC))とした。
また、セパレータとしては、ポリプロピレン微多孔体(セルガード社製)を用いた。
Further, the electrolyte solution contains 1 M LiPF 6 as a solute, a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) / dimethyl carbonate (DMC) / ethyl methyl carbonate (EMC) as an organic solvent, and lithium difluorophosphate as an additive. LiPF 2 O 2 ) was prepared and used at 1% by mass. The mixing ratio of the organic solvent at this time was [(33.3 vol% (EC) /33.3 vol% (DMC) /33.4 vol% (EMC)].
A microporous polypropylene (Celgard) was used as a separator.

上記の二次電池構造を作製した後、0.2Cの電流量で4.3Vまでで初期充放電を行ない、本実施例のリチウムイオン二次電池を完成させた。   After fabricating the above secondary battery structure, initial charge / discharge was performed at a current of 0.2 C up to 4.3 V to complete the lithium ion secondary battery of this example.

(充放電特性の測定)
上記手順及び条件で得られた本実施例のリチウムイオン二次電池に関し、充放電特性を測定して評価した。
この際、測定装置として「アスカ電子製充放電システム装置ACD−01」を用い、また、測定温度を25℃、電圧範囲を3.0〜4.3Vとし、電流密度は0.2mA/cmとした。
(Measurement of charge / discharge characteristics)
The charge / discharge characteristics of the lithium ion secondary battery of this example obtained according to the above procedure and conditions were measured and evaluated.
At this time, “ASCA charge / discharge system device ACD-01” was used as a measuring device, the measuring temperature was 25 ° C., the voltage range was 3.0 to 4.3 V, and the current density was 0.2 mA / cm 2. And

より具体的には、まず、55℃雰囲気に設定された恒温槽内に本実施例のリチウムイオン二次電池を設置し、充放電装置を用いて、1Cの電流量で充放電を繰り返した(サイクル試験)。この際、上限電圧を4.3V、下限電圧を3.0Vとし、充電時はCC-CV充電(1Cの電流量で充電し、4.3Vに到達した後は電流を絞り、所定電流値に減少した時点で充電終了)、放電時はCC放電(1Cの電流量で放電し、電圧が3.0Vになった時点で放電終了)とした。
そして、初期放電容量(Ah/kg)の測定結果を図2グラフに示すとともに、初期放電容量に対する容量維持率(%)の測定結果を図3のグラフに示した。
More specifically, first, the lithium ion secondary battery of this example was installed in a constant temperature bath set to a 55 ° C. atmosphere, and charging and discharging were repeated at a current of 1 C using a charging and discharging device ( Cycle test). At this time, the upper limit voltage is set to 4.3 V, the lower limit voltage is set to 3.0 V, and at the time of charging, CC-CV charging (charging with a current amount of 1 C, and after reaching 4.3 V, the current is reduced to a predetermined current value. At the time of the decrease, the charge was completed), and at the time of the discharge, the discharge was defined as CC discharge (discharge was performed at a current of 1 C, and the discharge was completed when the voltage became 3.0 V).
The measurement results of the initial discharge capacity (Ah / kg) are shown in the graph of FIG. 2, and the measurement results of the capacity retention ratio (%) with respect to the initial discharge capacity are shown in the graph of FIG.

[比較例1]
比較例1においては、正極活物質の原料に水酸化アルミニウムを使用せず、水酸化ニッケル、水酸化コバルト、水酸化ニオブ及び水酸化リチウムのみを用いて、上記表1に示す金属重量比のリチウム遷移金属複合酸化物となるように正極活物質を作製した点以外は、上記の実施例1と同様の手順及び条件でリチウムイオン二次電池のラミネートセルを作製し、同様の評価試験を行った。
[Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, lithium hydroxide having a metal weight ratio shown in Table 1 above was used without using aluminum hydroxide as a raw material of the positive electrode active material and using only nickel hydroxide, cobalt hydroxide, niobium hydroxide, and lithium hydroxide. A laminate cell of a lithium-ion secondary battery was prepared in the same procedure and under the same conditions as in Example 1 except that a positive electrode active material was prepared so as to be a transition metal composite oxide, and a similar evaluation test was performed. .

即ち、比較例1では、正極活物質として、LiNi0.8Co0.150Nb0.050で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を作製し、これを用いた正極を備えてなるリチウムイオン二次電池のラミネートセルを作製して評価した。
そして、上記同様、初期放電容量(Ah/kg)の測定結果を図2グラフに示すとともに、初期放電容量に対する容量維持率(%)の測定結果を図3のグラフに示した。
That is, in Comparative Example 1, a lithium transition metal composite oxide represented by LiNi 0.8 Co 0.150 Nb 0.050 O 2 was prepared as a positive electrode active material, and lithium having a positive electrode using the same was used. A laminate cell of an ion secondary battery was prepared and evaluated.
As in the above, the measurement results of the initial discharge capacity (Ah / kg) are shown in the graph of FIG. 2, and the measurement results of the capacity retention ratio (%) with respect to the initial discharge capacity are shown in the graph of FIG.

[比較例2]
比較例2においても、正極活物質の原料に水酸化アルミニウムを使用せず、水酸化ニッケル、水酸化コバルト、水酸化ニオブ、及び水酸化リチウムのみを用いて、上記表1に示す金属重量比のリチウム遷移金属複合酸化物となるように正極活物質を作製した点以外は、上記の実施例1と同様の手順及び条件でリチウムイオン二次電池のラミネートセルを作製し、同様の評価試験を行った。
[Comparative Example 2]
Also in Comparative Example 2, aluminum hydroxide was not used as a raw material of the positive electrode active material, and only nickel hydroxide, cobalt hydroxide, niobium hydroxide, and lithium hydroxide were used. A laminate cell of a lithium-ion secondary battery was prepared in the same procedure and under the same conditions as in Example 1 except that a positive electrode active material was prepared so as to be a lithium transition metal composite oxide, and a similar evaluation test was performed. Was.

即ち、比較例2では、正極活物質として、LiNi0.821Co0.149Nb0.030で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を作製し、これを用いた正極を備えてなるリチウムイオン二次電池のラミネートセルを作製して評価した。
そして、上記同様、初期放電容量(Ah/kg)の測定結果を図2グラフに示すとともに、初期放電容量に対する容量維持率(%)の測定結果を図3のグラフに示した。
That is, in Comparative Example 2, a lithium transition metal composite oxide represented by LiNi 0.821 Co 0.149 Nb 0.030 O 2 was prepared as a positive electrode active material, and a lithium including a positive electrode using the same was prepared. A laminate cell of an ion secondary battery was prepared and evaluated.
As in the above, the measurement results of the initial discharge capacity (Ah / kg) are shown in the graph of FIG. 2, and the measurement results of the capacity retention ratio (%) with respect to the initial discharge capacity are shown in the graph of FIG.

[実施例2]
実施例2においては、非水電解液中における添加剤として、ジフルオロリン酸リチウムを1質量%に加えて、さらに、リチウムビス(オキサレート)ボレート(Li[B(C])を0.5質量%で添加した点を除き、実施例1と同様の手順及び条件でリチウムイオン二次電池のラミネートセルを作製して評価した。
そして、実施例2における初期放電容量に対する容量維持率(%)の測定結果を、実施例1の結果とともに図4のグラフに示した。
[Example 2]
In Example 2, as an additive in the non-aqueous electrolyte, lithium difluorophosphate was added to 1% by mass, and lithium bis (oxalate) borate (Li [B (C 2 O 4 ) 2 ]) was further added. A laminate cell of a lithium ion secondary battery was prepared and evaluated in the same procedure and under the same conditions as in Example 1 except that the addition was performed at 0.5% by mass.
The measurement results of the capacity retention ratio (%) with respect to the initial discharge capacity in Example 2 are shown in the graph of FIG.

[実験例1〜4]
実験例1〜4においては、非水電解液中における添加剤(ジフルオロリン酸リチウム、リチウムビス(オキサレート)ボレート)の含有量を以下に示す含有量で変化させた点を除き、実施例1と同様の手順及び条件でリチウムイオン二次電池のラミネートセルを作製した。
(1)実験例1;ジフルオロリン酸リチウム:0.7質量%+リチウムビス(オキサレート)ボレート:0.5質量%
(2)実験例2;ジフルオロリン酸リチウム:1.2質量%+リチウムビス(オキサレート)ボレート:0.5質量%
(3)実験例3;ジフルオロリン酸リチウム:1質量%+リチウムビス(オキサレート)ボレート:0.3質量%
(4)実験例4;ジフルオロリン酸リチウム:1質量%+リチウムビス(オキサレート)ボレート:0.7質量%
[Experimental Examples 1-4]
Examples 1 to 4 were the same as Examples 1 to 4 except that the content of additives (lithium difluorophosphate, lithium bis (oxalate) borate) in the non-aqueous electrolyte was changed at the following content. A laminate cell of a lithium ion secondary battery was manufactured in the same procedure and under the same conditions.
(1) Experimental example 1: lithium difluorophosphate: 0.7% by mass + lithium bis (oxalate) borate: 0.5% by mass
(2) Experimental Example 2: lithium difluorophosphate: 1.2% by mass + lithium bis (oxalate) borate: 0.5% by mass
(3) Experimental Example 3: Lithium difluorophosphate: 1% by mass + lithium bis (oxalate) borate: 0.3% by mass
(4) Experimental example 4; lithium difluorophosphate: 1% by mass + lithium bis (oxalate) borate: 0.7% by mass

そして、実施例1と同様の方法で充放電を繰り返すサイクル試験(充放電特性)を行うことで加速劣化試験を実施することにより、1サイクルあたりの容量劣化率(%/サイクル)を測定し、結果を図5のグラフに示した。
なお、本実験例においては、上記の実施例1,2で作製したリチウムイオン二次電池のラミネートセルについても加速劣化試験を実施し、1サイクルあたりの容量劣化率(%/サイクル)を測定して、上記同様、図5のグラフに結果を示した。
Then, a capacity deterioration rate per cycle (% / cycle) was measured by performing an accelerated deterioration test by performing a cycle test (charge and discharge characteristics) in which charge and discharge were repeated in the same manner as in Example 1. The results are shown in the graph of FIG.
In this experimental example, the accelerated deterioration test was also performed on the laminated cells of the lithium ion secondary batteries manufactured in Examples 1 and 2 above, and the capacity deterioration rate per cycle (% / cycle) was measured. The results are shown in the graph of FIG.

[評価結果]
図2のグラフに示すように、本発明で規定する組成の正極活物質、即ち、LiNi0.764Co0.143Al0.083Nb0.01で表されるリチウム遷移金属複合酸化物が用いられた正極を備える実施例1のリチウムイオン二次電池は、放電容量が約190(Ah/kg)で、従来の組成の正極活物質を用いた比較例1,2とほぼ同等であった。しかしながら、実施例1のリチウムイオン二次電池は、図3のグラフに示した充放電の繰り返しによるサイクル試験の結果より、充放電回数が増えるほど、従来の構成のリチウムイオン二次電池に比べて優れた容量維持率を示すことが明らかとなった。図3に示すように、実施例のリチウムイオン二次電池は、充放電サイクルを100回にわたって繰り返した場合でも容量維持率が約92%と、比較例1(約54%)及び比較例2(約66%)に比べて、非常に高い評価結果となっている。これは、実施例1の正極活物質が、比較例1,2の正極活物質とは異なり、Niの一部がAlに置換された構造を有していることから、その結晶構造が安定し、放電特性が向上しているものと考えられる。
[Evaluation results]
As shown in the graph of FIG. 2, a positive electrode active material having a composition defined by the present invention, that is, a lithium transition metal composite oxide represented by LiNi 0.764 Co 0.143 Al 0.083 Nb 0.01 O 2 The lithium ion secondary battery of Example 1 provided with the positive electrode using has a discharge capacity of about 190 (Ah / kg), which is almost equivalent to Comparative Examples 1 and 2 using the positive electrode active material of the conventional composition. Was. However, according to the result of the cycle test by repeating the charge and discharge shown in the graph of FIG. 3, the lithium ion secondary battery of Example 1 has a larger number of charge and discharge times than the lithium ion secondary battery of the conventional configuration. It was revealed that the composition exhibited an excellent capacity retention rate. As shown in FIG. 3, the lithium ion secondary batteries of Examples have a capacity retention ratio of about 92% even when charge / discharge cycles are repeated 100 times, indicating that Comparative Example 1 (about 54%) and Comparative Example 2 ( (Approximately 66%). This is because, unlike the positive electrode active materials of Comparative Examples 1 and 2, the positive electrode active material of Example 1 has a structure in which a part of Ni is replaced by Al, so that the crystal structure is stable. It is considered that the discharge characteristics are improved.

また、図4のグラフに示すように、非水電解液にジフルオロリン酸リチウム及びリチウムビス(オキサレート)ボレートの両方を添加した実施例2は、ジフルオロリン酸リチウムのみを添加した実施例1に比べ、容量維持率が非常に高められていることがわかる。実施例2のように、非水電解液にジフルオロリン酸リチウム及びリチウムビス(オキサレート)ボレートの両方を添加することで、ジフルオロリン酸リチウム単独で添加した場合に形成されるSEI膜に比べ、負極表面での電解液分解を抑制するSEI膜が形成されることで、容量維持率が顕著に高められ、寿命特性も向上すると考えられる。   Further, as shown in the graph of FIG. 4, Example 2 in which both lithium difluorophosphate and lithium bis (oxalate) borate were added to the nonaqueous electrolytic solution was compared with Example 1 in which only lithium difluorophosphate was added. It can be seen that the capacity retention rate was greatly increased. As in Example 2, by adding both lithium difluorophosphate and lithium bis (oxalate) borate to the non-aqueous electrolyte, the negative electrode is compared with the SEI film formed when lithium difluorophosphate alone is added. It is considered that the formation of the SEI film that suppresses the decomposition of the electrolytic solution on the surface significantly increases the capacity retention ratio and improves the life characteristics.

また、図5のグラフに示すように、非水電解液に、添加剤としてジフルオロリン酸リチウム:1質量%及びリチウムビス(オキサレート)ボレート:0.3質量%を添加した実験例3、並びに、ジフルオロリン酸リチウム:1質量%及びリチウムビス(オキサレート)ボレート:0.7質量%を添加した実験例4は、実験例1,2及び実施例1,2に比べて、1サイクルあたりの容量劣化率が低いことが確認できた。この結果より、正極活物質として本発明に係る組成のリチウム遷移金属複合酸化物を採用したうえで、さらに、非水電解液中の添加剤として、ジフルオロリン酸リチウム及びリチウムビス(オキサレート)ボレートの両方を適量で添加することで、容量劣化を顕著に抑制できることが明らかとなった。これは、まず、非水電解液にジフルオロリン酸リチウムを適量で添加することで、負極活物質層の表面にSEI膜が効果的に形成され、放電特性及び寿命特性が向上するとともに、リチウムビス(オキサレート)ボレートを適量で添加することで、さらに効果的に電解液の分解を抑制し、内部抵抗を増大させない最適膜厚のSEI膜を形成できるためではないかと考えられる。   Further, as shown in the graph of FIG. 5, Experimental Example 3 in which lithium difluorophosphate: 1% by mass and lithium bis (oxalate) borate: 0.3% by mass were added as additives to the non-aqueous electrolyte, and Experimental Example 4 in which lithium difluorophosphate: 1% by mass and lithium bis (oxalate) borate: 0.7% by mass was added, compared to Experimental Examples 1 and 2 and Examples 1 and 2, capacity degradation per cycle. It was confirmed that the rate was low. From this result, after employing the lithium transition metal composite oxide having the composition according to the present invention as the positive electrode active material, further, as additives in the non-aqueous electrolyte, lithium difluorophosphate and lithium bis (oxalate) borate were used. It has been clarified that by adding both in appropriate amounts, capacity deterioration can be significantly suppressed. First, by adding an appropriate amount of lithium difluorophosphate to a non-aqueous electrolyte, an SEI film is effectively formed on the surface of the negative electrode active material layer, thereby improving discharge characteristics and life characteristics, and improving lithium bisulfate characteristics. It is considered that by adding (oxalate) borate in an appropriate amount, it is possible to more effectively suppress the decomposition of the electrolytic solution and form an SEI film having an optimum thickness without increasing the internal resistance.

上述したような本発明に係るリチウムイオン二次電池によれば、上記構成により、放電容量が増大するとともに、容量維持率も向上し、さらに、電池の安全性も高められたものである。従って、例えば、移動体電源システムや定置用電力貯蔵システム等の、放電容量が10Ah以上の大型のリチウムイオン二次電池に本発明を適用することが期待される。   According to the lithium ion secondary battery according to the present invention as described above, the above configuration increases the discharge capacity, improves the capacity retention rate, and further enhances the safety of the battery. Therefore, for example, it is expected that the present invention is applied to a large-sized lithium ion secondary battery having a discharge capacity of 10 Ah or more, such as a mobile power supply system and a stationary power storage system.

1…リチウムイオン二次電池、
10・・・電池容器、
10a・・・筒状体、
10b・・・蓋、
11、12・・・電極端子、
13・・・注入口、
14…正極(電極)、
14a・・・電極タブ、
15…負極(電極)、
15a・・・電極タブ、
16…セパレータ
1: Lithium ion secondary battery,
10 ... battery container,
10a ... cylindrical body,
10b ... lid,
11, 12, ... electrode terminals,
13 ... inlet,
14 ... Positive electrode (electrode),
14a: electrode tab,
15 ... negative electrode (electrode),
15a: electrode tab,
16 ... Separator

Claims (3)

少なくとも、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解質とを具備してなるリチウムイオン二次電池であって、
前記正極は、前記正極活物質として、少なくとも、一般式:LiNiCoAlNb(但し、式中において、0<w、0<x、0<y、0<zであり、且つ、w+x+y+z=1を満たす)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含有し、且つ、前記リチウム遷移金属複合酸化物中における、コバルト(Co)、アルミニウム(Al)、ニオブ(Nb)及びニッケル(Ni)の質量比が、Co:10〜20質量%、Nb:0.5〜1.5質量%、Al:3〜10質量%、Ni:残部(但し、Co,Al,Nb及びNiの合計で100%である)であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
At least a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode including a negative electrode active material, a lithium ion secondary battery including a non-aqueous electrolyte,
The positive electrode, examples of the positive electrode active material, at least the general formula: LiNi w Co x Al y Nb z O 2 ( where, in the formula, a 0 <w, 0 <x, 0 <y, 0 <z, And w + x + y + z = 1) , and cobalt (Co), aluminum (Al), niobium (Nb) and nickel in the lithium transition metal composite oxide. The mass ratio of (Ni) is as follows: Co: 10 to 20% by mass, Nb: 0.5 to 1.5% by mass, Al: 3 to 10% by mass, Ni: balance (however, Co, Al, Nb and Ni A total of 100%) .
前記非水電解質が、添加剤として、ジフルオロリン酸リチウム(LiPF)及びリチウムビス(オキサレート)ボレート(Li[B(C])を含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。 The nonaqueous electrolyte, as an additive, according to claim characterized in that it comprises a lithium difluorophosphate (LiPF 2 O 2) and lithium bis (oxalato) borate (Li [B (C 2 O 4) 2]) 1 lithium ion secondary battery according to. 前記非水電解質中における、前記ジフルオロリン酸リチウムの含有量が0.7〜1.3質量%であり、且つ、前記リチウムビス(オキサレート)ボレートの含有量が0.3〜0.7質量%であることを特徴とする請求項に記載のリチウムイオン二次電池。 The content of the lithium difluorophosphate in the nonaqueous electrolyte is 0.7 to 1.3% by mass, and the content of the lithium bis (oxalate) borate is 0.3 to 0.7% by mass. The lithium ion secondary battery according to claim 2 , wherein:
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