JP6657829B2 - Non-aqueous electrolyte storage element - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解液蓄電素子に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte storage element.
近年、エネルギー密度を高くすることが可能な非水電解液蓄電素子は、携帯機器の小型化、高性能化に伴い、特性が向上して普及し、更には、より放電容量が大きく安全性に優れた非水電解液蓄電素子の開発も進められ、電気自動車等への搭載も始まっている。このような非水電解液蓄電素子としては、リチウムイオン二次電池が多く使用されている。 In recent years, non-aqueous electrolyte energy storage devices that can increase the energy density have become more widely used due to their improved characteristics as mobile devices have become smaller and more sophisticated. The development of excellent non-aqueous electrolyte energy storage devices has also been progressed, and their use in electric vehicles and the like has begun. As such a non-aqueous electrolyte energy storage device, a lithium ion secondary battery is often used.
一方、ハイブリット自動車等の蓄電素子としては、化学反応を必要とせず高速で充放電可能な電気二重層キャパシタが使用されている。しかし、前記電気二重層キャパシタは、前記リチウムイオン二次電池と比べると、エネルギー密度が数十分の1であるため、十分な放電容量を確保するには重い蓄電素子が必要となり、自動車に搭載した場合には燃費向上を妨げていた。 On the other hand, an electric double layer capacitor that can be charged and discharged at high speed without requiring a chemical reaction is used as a power storage element of a hybrid vehicle or the like. However, since the electric double layer capacitor has an energy density of several tens of minutes as compared with the lithium ion secondary battery, a heavy power storage element is required to secure a sufficient discharge capacity, and the electric double layer capacitor is mounted on an automobile. If so, it hindered fuel efficiency improvement.
前記リチウムイオン二次電池の高いエネルギー密度と前記電気二重層キャパシタの高い出力特性とを併せ持つ蓄電素子として、活性炭を含む正極と、グラファイトを含む負極とを用い、リチウムイオンをキャリアイオンとしたリチウムイオンキャパシタが注目されている。 As a power storage element having both the high energy density of the lithium ion secondary battery and the high output characteristics of the electric double layer capacitor, a positive electrode containing activated carbon, a negative electrode containing graphite, and lithium ions using lithium ions as carrier ions Capacitors are receiving attention.
前記リチウムイオンキャパシタでは、リチウムイオンを吸蔵及び放出し得る負極材料に対して、化学的方法などでリチウムイオンを予めドーピングし、負極電位を下げることにより、耐電圧を向上させ、エネルギー密度を前記電気二重層キャパシタよりも大幅に高めることができる。更に、正極としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)やリチウムリン酸鉄(LiFePO4)等のリチウム金属酸化物粒子と活性炭粒子との混合活物質を用いることにより、エネルギー密度を高めることが提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。 In the lithium ion capacitor, a negative electrode material capable of occluding and releasing lithium ions is doped in advance with lithium ions by a chemical method or the like, and by lowering the negative electrode potential, the withstand voltage is improved, and the energy density is increased. It can be significantly higher than a double layer capacitor. Further, it has been proposed to increase the energy density by using a mixed active material of lithium metal oxide particles such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) or lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) and activated carbon particles as a positive electrode. (For example, see Patent Documents 1 and 2).
本発明は、高いエネルギー密度を有し、充放電を繰り返した場合でも、放電容量の低下率が小さく、長期サイクル性に優れた非水電解液蓄電素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte storage element having a high energy density, a small reduction rate of discharge capacity even when charge and discharge are repeated, and excellent in long-term cycle characteristics.
前記課題を解決するための手段としての本発明の非水電解液蓄電素子は、アニオンを吸蔵及び放出可能な正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解液と、を有する非水電解液蓄電素子であって、前記正極活物質が、炭素粒子と、リチウム金属酸化物粒子とを含有し、前記炭素粒子が、三次元網目構造を形成する複数の細孔を有する。 The non-aqueous electrolyte energy storage device of the present invention as a means for solving the above problems, a positive electrode including a positive electrode active material capable of occluding and releasing anions, a negative electrode including a negative electrode active material, a non-aqueous electrolyte, Wherein the positive electrode active material contains carbon particles and lithium metal oxide particles, and the carbon particles have a plurality of pores forming a three-dimensional network structure. .
本発明によれば、高いエネルギー密度を有し、充放電を繰り返した場合でも、放電容量の低下率が小さく、長期サイクル性に優れた非水電解液蓄電素子を提供することができる。 Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte energy storage device having a high energy density, a small decrease in discharge capacity even when charge and discharge are repeated, and excellent long-term cycle characteristics.
(非水電解液蓄電素子)
本発明の非水電解液蓄電素子は、正極と、負極と、非水電解液とを有し、前記正極が炭素粒子と、リチウム金属酸化物粒子とを含有する正極活物質を有し、前記炭素粒子が三次元網目構造を形成する複数の細孔を有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。
(Non-aqueous electrolyte storage element)
The nonaqueous electrolyte energy storage device of the present invention has a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, wherein the positive electrode has a positive electrode active material containing carbon particles and lithium metal oxide particles, The carbon particles have a plurality of pores forming a three-dimensional network structure, and further have other members as necessary.
従来の技術では、正極活物質が、図2Bで示すような表面のみに細孔を有する活性炭粒子と、リチウム金属酸化物粒子とを含有し、高いエネルギー密度を得る目的で4V(対Li電位)付近まで電圧を高くしたときに充放電を繰り返すと、アニオンには、前記活性炭粒子の細孔に対して吸蔵及び放出される向きの力が強く働く。このため、最小径が平均1nm程度の前記細孔に直径が0.5nm以上2nm以下のアニオンが衝突して前記細孔が広がってしまい、前記活性炭粒子が崩壊し、ひいては前記正極の崩壊を引き起こしてしまう。
本発明の非水電解液蓄電素子は、前述した従来の技術において、前記正極活物質に前記活性炭粒子を用いると、電圧を高くして充放電を繰り返したとき、前記正極の崩壊を引き起こしてしまうため、高いエネルギー密度と、放電容量の低下率が少ない優れた長期サイクル性とを兼ね備えることができないという知見に基づくものである。
また、本発明の非水電解液蓄電素子は、従来の技術において、前記活性炭粒子の比表面積が比較的大きいため、電圧が高いと電解液の分解反応が一層促進されて前記電解液が劣化しやすくなることにも起因して、高いエネルギー密度と、放電容量の低下率が少ない優れた長期サイクル性とを兼ね備えることができないという知見に基づくものである。
According to the conventional technique, the positive electrode active material contains activated carbon particles having pores only on the surface as shown in FIG. 2B and lithium metal oxide particles, and 4 V (with respect to Li potential) for the purpose of obtaining a high energy density. When charge and discharge are repeated when the voltage is increased to a value close to the vicinity, a strong force acts on the anion in the direction of occlusion and release with respect to the pores of the activated carbon particles. For this reason, the anion having a diameter of 0.5 nm or more and 2 nm or less collides with the pores having a minimum diameter of about 1 nm on average, so that the pores are expanded, and the activated carbon particles are collapsed, thereby causing the collapse of the positive electrode. Would.
In the non-aqueous electrolyte energy storage device of the present invention, when the activated carbon particles are used as the positive electrode active material in the above-described conventional technology, when charge and discharge are repeated at a high voltage, the positive electrode collapses. For this reason, it is based on the finding that it is not possible to combine high energy density and excellent long-term cyclability with a small decrease rate of discharge capacity.
Further, in the non-aqueous electrolyte storage element of the present invention, in the prior art, since the specific surface area of the activated carbon particles is relatively large, when the voltage is high, the decomposition reaction of the electrolyte is further promoted and the electrolyte is deteriorated. It is based on the finding that it is not possible to combine high energy density and excellent long-term cyclability with a small rate of decrease in discharge capacity due to the fact that it is easy to make it easy.
本発明の非水電解液蓄電素子は、高いエネルギー密度を得る目的で高い電圧で充放電を繰り返し、前記炭素粒子の細孔に吸蔵及び放出される向きの力がアニオンに強く働いた場合であっても、前記炭素粒子の細孔の最小径が2nm以上50nm以下のものが多いため、アニオンが前記炭素粒子の細孔に衝突しにくい。また、アニオンが前記炭素粒子の細孔に衝突しても、前記炭素粒子の細孔に加えられた力を他の細孔が緩和して前記炭素粒子が崩壊しにくい。
更に、前記炭素粒子は、表面から内部に向けて三次元的に連結された細孔が張り巡らされているが、比表面積としては前記活性炭粒子よりも小さいため、電解液の分解反応が比較的起こりにくい。
したがって、電圧を高くすることにより高いエネルギー密度を有し、高い電圧で充放電を繰り返した場合でも、前記正極の崩壊及び前記電解液の劣化を抑制できるため、放電容量の低下率が小さく、長期サイクル性に優れた非水電解液蓄電素子を提供することができる。
なお、発熱の観点から、従来の技術においては、前記活性炭粒子に対するアニオンの吸蔵及び放出により、エンタルピーの減少から発熱を伴い、また、急速な充放電を繰り返した際にはリチウム金属酸化物粒子は高抵抗体であるため、温度上昇とともに非水電解液蓄電素子の劣化が深刻化する。一方、本発明においては、前記炭素粒子の三次元網目構造を形成する細孔がアニオンの移動を妨げないため、リチウム金属酸化物粒子と併用しても急速な充放電(アニオンの移動)により発熱しにくい。このため、急速な充放電の繰り返しに対しても放電容量の低下率が小さく、長期サイクル性に優れた非水電解液蓄電素子を提供することができる。
The nonaqueous electrolyte energy storage device of the present invention is a device in which charge and discharge are repeatedly performed at a high voltage for the purpose of obtaining a high energy density, and a force in the direction of occlusion and release in the pores of the carbon particles strongly acts on anions. However, since the minimum diameter of the pores of the carbon particles is 2 nm or more and 50 nm or less in many cases, the anion is unlikely to collide with the pores of the carbon particles. Further, even if the anion collides with the pores of the carbon particles, the other pores relax the force applied to the pores of the carbon particles, so that the carbon particles are less likely to collapse.
Further, the carbon particles are provided with three-dimensionally connected pores extending from the surface toward the inside. However, since the specific surface area is smaller than that of the activated carbon particles, the decomposition reaction of the electrolytic solution is relatively small. Less likely.
Therefore, the high voltage has a high energy density by increasing the voltage, and even when charge and discharge are repeated at a high voltage, the collapse of the positive electrode and the deterioration of the electrolytic solution can be suppressed. It is possible to provide a non-aqueous electrolyte liquid storage element having excellent cyclability.
From the viewpoint of heat generation, in the conventional technology, the occlusion and release of anions with respect to the activated carbon particles accompany heat generation due to a decrease in enthalpy, and when rapid charge and discharge are repeated, lithium metal oxide particles Due to the high resistance, the deterioration of the non-aqueous electrolyte storage element becomes more serious as the temperature rises. On the other hand, in the present invention, since the pores forming the three-dimensional network structure of the carbon particles do not hinder the movement of the anion, even when used in combination with the lithium metal oxide particles, rapid charge and discharge (migration of the anion) generates heat. Hard to do. Therefore, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte storage element having a small rate of decrease in discharge capacity even with rapid repetition of charge and discharge, and having excellent long-term cycle characteristics.
<正極>
前記正極は、正極活物質を含んでいれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、正極集電体上に前記正極活物質を含有する正極材を備えた正極などが挙げられる。
前記正極の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、平板状などが挙げられる。
<Positive electrode>
The positive electrode is not particularly limited as long as it contains a positive electrode active material, and can be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, a positive electrode provided with a positive electrode material containing the positive electrode active material on a positive electrode current collector Is mentioned.
The shape of the positive electrode is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include a flat plate shape.
<<正極材>>
前記正極材は、前記正極活物質を含み、更に必要に応じて、導電助剤、バインダ、増粘剤などを含む。
<< Positive electrode material >>
The positive electrode material includes the positive electrode active material, and further includes a conductive additive, a binder, a thickener, and the like, as necessary.
−正極活物質−
前記正極活物質としては、アニオンを吸蔵及び放出可能であり、炭素粒子と、リチウム金属酸化物粒子とを含有していれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
−Positive electrode active material−
The positive electrode active material can occlude and release anions and is not particularly limited as long as it contains carbon particles and lithium metal oxide particles, and can be appropriately selected depending on the purpose.
−−炭素粒子−−
前記炭素粒子としては、三次元網目構造を形成する複数の細孔を有していれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記炭素粒子が「三次元網目構造を形成する複数の細孔を有する」ことは、前記炭素粒子の表面及び内部に複数の細孔を有し、隣接する細孔が互いにつながって三次元的に連結し、表面に開口部を有する連通孔が形成されている状態を意味する。
前記炭素粒子が三次元網目構造を形成する複数の細孔を有することを確認する方法としては、例えば、SEM(Scanning Electron Microscope)、TEM(Transmission Electron Microscope)などを用いて観察する方法などが挙げられる。前記「三次元網目構造を形成する複数の細孔」を有する前記炭素粒子の断面は、TEMによる写真に基づいて作成した図2Aの概略断面図のように示すことができる。前記炭素粒子が三次元網目構造を形成する複数の細孔を有していると、アニオンが前記細孔に対して円滑に吸蔵及び放出されやすい点で有利である。
--- Carbon particles ---
The carbon particles are not particularly limited as long as they have a plurality of pores forming a three-dimensional network structure, and can be appropriately selected according to the purpose.
That the carbon particles have "a plurality of pores forming a three-dimensional network structure" means that the carbon particles have a plurality of pores on the surface and the inside of the carbon particles, and adjacent pores are connected to each other to three-dimensionally. It means a state in which a communication hole that is connected and has an opening on the surface is formed.
As a method for confirming that the carbon particles have a plurality of pores forming a three-dimensional network structure, for example, a method of observing using SEM (Scanning Electron Microscope), TEM (Transmission Electron Microscope) or the like can be mentioned. Can be A cross section of the carbon particles having the “plurality of pores forming a three-dimensional network structure” can be shown as a schematic cross-sectional view of FIG. 2A created based on a TEM photograph. When the carbon particles have a plurality of pores forming a three-dimensional network structure, it is advantageous in that anions are easily inserted and released into and from the pores.
前記炭素粒子には、最小径が2nm未満の「ミクロ孔」及び最小径が2nm以上50nm以下の「メソ孔」のいずれの細孔も存在してよいが、前記炭素粒子の三次元網目構造を形成する複数の細孔としては、メソ孔であることが好ましい。前記炭素粒子の細孔がメソ孔であると、アニオンの直径が0.5nm以上2nm以下であり、メソ孔の最小径が2nm以上50nm以下であるため、アニオンが円滑に前記細孔の内部に移動して吸蔵されやすい点で有利である。
前記炭素粒子における細孔の開口の向きとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、異方性がなく、等方性を有することが好ましい。前記炭素粒子が前記等方性を有すると、様々な角度からアニオンを吸蔵することができる点で有利である。
The carbon particles may have any of micropores having a minimum diameter of less than 2 nm and “mesopores” having a minimum diameter of 2 nm or more and 50 nm or less. The plurality of pores to be formed are preferably mesopores. When the pores of the carbon particles are mesopores, the diameter of the anion is 0.5 nm or more and 2 nm or less, and the minimum diameter of the mesopores is 2 nm or more and 50 nm or less. This is advantageous in that it is easily moved and occluded.
The direction of the opening of the pores in the carbon particles is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. However, it is preferable that the carbon particles have no anisotropy and have isotropic properties. When the carbon particles have the isotropic property, it is advantageous in that anions can be occluded from various angles.
前記炭素粒子の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、球状が好ましい。 The shape of the carbon particles is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose, but is preferably spherical.
前記炭素粒子のBET比表面積としては、800m2/g以上1,800m2/g以下が好ましく、900m2/g以上1,500m2/g以下がより好ましい。前記BET比表面積が前記好ましい範囲内であると、前記細孔の形成量が十分となり、アニオンの吸蔵及び放出が十分に行われて放電容量を大きくすることができる点で有利である。更に、前記活性炭粒子と比較すると、電解液との反応を低減できるため、電解液の分解が促進されにくくなり、充放電の繰り返しによる放電容量の低下を抑制できる点で有利である。
前記BET比表面積は、例えば、自動比表面積/細孔分布測定装置(TriStarII3020、株式会社島津製作所製)による吸着等温線の測定結果から、BET(Brunauer、Emmett、Teller)法を用いて求めることができる。
As the BET specific surface area of the carbon particles is preferably 800 m 2 / g or more 1,800 m 2 / g or less, 900 meters 2 / g or more 1,500 m 2 / g or less is more preferable. When the BET specific surface area is within the preferred range, the amount of the pores formed is sufficient, and it is advantageous in that occlusion and release of anions can be sufficiently performed to increase the discharge capacity. Furthermore, as compared with the activated carbon particles, the reaction with the electrolytic solution can be reduced, so that decomposition of the electrolytic solution is less likely to be promoted, and a reduction in discharge capacity due to repeated charge and discharge is advantageous.
The BET specific surface area can be determined by a BET (Brunauer, Emmett, Teller) method from a measurement result of an adsorption isotherm by an automatic specific surface area / pore distribution measuring device (TriStarII3020, manufactured by Shimadzu Corporation), for example. it can.
前記炭素粒子の細孔容積としては、0.2mL/g以上2.3mL/g以下が好ましく、0.5mL/g以上2.3mL/g以下がより好ましい。前記細孔容積が0.2mL/g以上であると、メソ孔が独立した細孔になることが稀になり、アニオンの移動が阻害されることもなく大きい放電容量を得ることができる。一方、前記炭素粒子の細孔容積が2.3mL/g以下であれば、炭素構造が嵩高くならずに電極としてエネルギー密度が高められ、単位体積当たりの放電容量を増大させることができる。また、前記細孔を形成している炭素質壁が薄くならずに、アニオンの吸蔵及び放出を繰り返しても炭素質壁の形状が保つことができ、長期サイクル性が向上する点で有利である。
前記炭素粒子の細孔容積は、例えば、自動比表面積/細孔分布測定装置(TriStarII3020、株式会社島津製作所製)による吸着等温線の測定結果から、BJH(Barrett、Joyner、Hallender)法を用いて求めることができる。
The pore volume of the carbon particles is preferably from 0.2 mL / g to 2.3 mL / g, and more preferably from 0.5 mL / g to 2.3 mL / g. When the pore volume is 0.2 mL / g or more, the mesopores rarely become independent pores, and a large discharge capacity can be obtained without hindering the movement of anions. On the other hand, if the pore volume of the carbon particles is 2.3 mL / g or less, the carbon structure does not become bulky, the energy density as an electrode is increased, and the discharge capacity per unit volume can be increased. In addition, the carbonaceous wall forming the pores is not thin, and the shape of the carbonaceous wall can be maintained even if occlusion and release of anions are repeated, which is advantageous in that the long-term cycle property is improved. .
The pore volume of the carbon particles can be determined, for example, by using the BJH (Barrett, Joyner, Hallender) method based on the measurement result of the adsorption isotherm by an automatic specific surface area / pore distribution measuring device (TriStarII3020, manufactured by Shimadzu Corporation). You can ask.
前記炭素粒子の結晶性としては、炭素質のすべてが結晶構造となっている必要はなく、一部に非晶質構造が存在してもよく、また、すべてが非晶質構造であってもよい。 Regarding the crystallinity of the carbon particles, it is not necessary that all of the carbonaceous material has a crystalline structure, and an amorphous structure may partially exist, or even if all of them have an amorphous structure. Good.
前記炭素粒子としては、適宜製造したものを使用してもよいし、市販品を使用してもよい。前記市販品としては、例えば、クノーベル(登録商標)(東洋炭素株式会社製)などが挙げられる。 As the carbon particles, appropriately manufactured ones or commercially available ones may be used. Examples of the commercially available products include Knobel (registered trademark) (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.).
前記炭素粒子の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、三次元網目構造を有する筋材と、炭素材料形成源としての有機物質とを成形して炭化させた後、酸又はアルカリで前記筋材を溶解する方法などが挙げられる。この場合、前記筋材を溶解した痕が三次元網目構造を形成する複数のメソ孔となり、意図的に形成することができる。
前記筋材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、金属酸化物、金属塩、金属含有有機物などが挙げられる。これらの中でも、酸又はアルカリ可溶性のものが好ましい。
前記有機物質としては、炭化させることができれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。なお、前記有機物質は、炭化時に揮発性物質を放出するため、放出跡としてミクロ孔が形成されるため、ミクロ孔が全く存在しない炭素粒子を製造することは難しい。
The method for producing the carbon particles is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the intended purpose.For example, a reinforcing material having a three-dimensional network structure and an organic material as a carbon material forming source are formed by molding. After carbonization, a method of dissolving the muscle material with an acid or an alkali may, for example, be mentioned. In this case, the trace of the dissolution of the reinforcing material becomes a plurality of mesopores forming a three-dimensional network structure, and can be formed intentionally.
The reinforcing material is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include metals, metal oxides, metal salts, and metal-containing organic substances. Among them, those soluble in acids or alkalis are preferable.
The organic substance is not particularly limited as long as it can be carbonized, and can be appropriately selected depending on the purpose. In addition, since the organic substance emits a volatile substance at the time of carbonization, a micropore is formed as a trace of release, and it is difficult to produce carbon particles having no micropore.
−−リチウム金属酸化物粒子−−
前記リチウム金属酸化物粒子としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、リチウムイオン電池の正極材料として用いられているリチウム含有遷移金属酸化物などが挙げられる。
前記リチウム含有遷移金属酸化物としては、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)、オリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO4)、LipNixCoyMnzO2の組成式で表すことができるマンガン−コバルト−ニッケル三元系酸化物リチウム(例えば、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、急速充放電時のレート特性、及び充放電の繰り返しに対する長期サイクル性の点から、オリビン型リン酸鉄リチウム、マンガン−コバルト−ニッケル三元系酸化物リチウムが好ましい。
--- Lithium metal oxide particles--
The lithium metal oxide particles are not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include a lithium-containing transition metal oxide used as a positive electrode material of a lithium ion battery.
Examples of the lithium-containing transition metal oxide include lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), olivine-type lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), and Li Lithium manganese-cobalt-nickel ternary oxide (e.g., LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) which can be represented by a composition formula of p Ni x Co y Mn z O 2 is exemplified. . These may be used alone or in combination of two or more. Among these, olivine-type lithium iron phosphate and lithium manganese-cobalt-nickel ternary oxide are preferred from the viewpoint of the rate characteristics at the time of rapid charge and discharge and the long-term cyclability with respect to repeated charge and discharge.
前記正極活物質の体積基準粒度分布によるメジアン径(D50)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、30μm以下が好ましく、10μm以下がより好ましい。前記正極活物質の前記メジアン径が前記好ましい範囲内であると、電極の体積密度が大きく低下することを抑制できる点で有利である。
前記メジアン径(D50)は、例えば、レーザー回折散乱式粒度分布測定法により測定することができる。
The median diameter (D50) according to the volume-based particle size distribution of the positive electrode active material is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. The median diameter is preferably 30 μm or less, more preferably 10 μm or less. It is advantageous that the median diameter of the positive electrode active material is within the above-mentioned preferred range in that a large decrease in the volume density of the electrode can be suppressed.
The median diameter (D50) can be measured, for example, by a laser diffraction scattering particle size distribution measuring method.
前記リチウム金属酸化物粒子に対する前記炭素粒子の質量比(前記炭素粒子/前記リチウム金属酸化物粒子)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、50/50以上95/5以下が好ましく、60/40以上80/20以下がより好ましい。前記質量比が前記好ましい範囲内であると、長期サイクル性が優れ、かつ放電容量の低下を抑制できる点で有利である。 The mass ratio of the carbon particles to the lithium metal oxide particles (the carbon particles / the lithium metal oxide particles) is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. / 5 or less, more preferably 60/40 or more and 80/20 or less. When the mass ratio is within the preferable range, it is advantageous in that the long-term cyclability is excellent and a decrease in discharge capacity can be suppressed.
−導電助剤−
前記導電助剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属材料、炭素質材料などが挙げられる。
前記金属材料としては、例えば、銅、アルミニウムなどが挙げられる。
前記炭素質材料としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンナノチューブなどが挙げられる。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
-Conductive aid-
The conductive assistant is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include a metal material and a carbonaceous material.
Examples of the metal material include copper and aluminum.
Examples of the carbonaceous material include acetylene black and carbon nanotube.
These may be used alone or in combination of two or more.
−バインダ及び増粘剤−
前記バインダ及び前記増粘剤としては、電極製造時に用いる溶媒、電解液、及び印加される電位に対して安定な材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、フッ素系バインダ、エチレン−プロピレン−ブタジエンゴム(EPBR)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、アクリレート系ラテックス、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、アルギン酸、酸化スターチ、リン酸スターチ、カゼインなどが挙げられる。
前記フッ素系バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などが挙げられる。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
これらの中でも、フッ素系バインダ、アクリレート系ラテックス、カルボキシメチルセルロース(CMC)が好ましい。
-Binder and thickener-
The binder and the thickener are not particularly limited as long as they are stable to a solvent used for manufacturing an electrode, an electrolytic solution, and an applied potential, and can be appropriately selected depending on the purpose. , Fluorine-based binder, ethylene-propylene-butadiene rubber (EPBR), styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber, acrylate-based latex, carboxymethylcellulose (CMC), methylcellulose, hydroxymethylcellulose, ethylcellulose, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, Alginic acid, oxidized starch, starch phosphate, casein and the like can be mentioned.
Examples of the fluorine-based binder include polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE).
These may be used alone or in combination of two or more.
Among these, a fluorine-based binder, an acrylate-based latex, and carboxymethyl cellulose (CMC) are preferred.
<<正極集電体>>
前記正極集電体の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記正極集電体の大きさとしては、非水電解液蓄電素子に使用可能な大きさであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記正極集電体の材質としては、導電性材料で形成されたもので、印加される電位に対して安定であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ステンレススチール、ニッケル、アルミニウム、チタン、タンタルなどが挙げられる。これらの中でも、ステンレススチール、アルミニウムが好ましい。
<< Positive electrode current collector >>
The shape of the positive electrode current collector is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the purpose.
The size of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it can be used for the non-aqueous electrolyte storage device, and can be appropriately selected depending on the purpose.
The material of the positive electrode current collector is formed of a conductive material, and is not particularly limited as long as it is stable to an applied potential, and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples include steel, nickel, aluminum, titanium, and tantalum. Among these, stainless steel and aluminum are preferred.
<<正極の製造方法>>
前記正極の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記正極活物質に、必要に応じて、前記バインダ、前記増粘剤、前記導電剤、溶媒を加えてスラリー状とした正極材を、前記正極集電体上に塗布し、乾燥させる方法などが挙げられる。
前記溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、水系溶媒、有機系溶媒などが挙げられる。
前記水系溶媒としては、例えば、水、アルコールなどが挙げられる。
前記有機系溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、トルエンなどが挙げられる。
なお、前記正極活物質をそのままロール成形してシート電極としたり、圧縮成形によりペレット電極とすることもできる。
<< Positive electrode manufacturing method >>
The method for producing the positive electrode is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the intended purpose.For example, the positive electrode active material includes, as necessary, the binder, the thickener, the conductive agent, and a solvent. And applying a slurry-like positive electrode material onto the positive electrode current collector, followed by drying.
The solvent is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include an aqueous solvent and an organic solvent.
Examples of the aqueous solvent include water and alcohol.
Examples of the organic solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), toluene and the like.
The positive electrode active material may be roll-formed as it is to form a sheet electrode, or may be formed into a pellet electrode by compression molding.
<負極>
前記負極としては、負極活物質を含んでいれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、負極集電体上に前記負極活物質を含有する負極材を備えた負極などが挙げられる。
前記負極の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、平板状などが挙げられる。
<Negative electrode>
The negative electrode is not particularly limited as long as it contains a negative electrode active material, and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, a negative electrode provided with a negative electrode material containing the negative electrode active material on a negative electrode current collector And the like.
The shape of the negative electrode is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include a flat plate shape.
<<負極材>>
前記負極材は、前記負極活物質を含み、更に必要に応じて、導電助剤、バインダ、増粘剤などを含む。
<< Negative electrode material >>
The negative electrode material includes the negative electrode active material, and further includes a conductive auxiliary, a binder, a thickener, and the like, as necessary.
−負極活物質−
前記負極活物質としては、非水溶媒系でカチオンを吸蔵及び放出可能であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、カチオンとしてのリチウムイオンを吸蔵、放出可能な炭素質材料、金属酸化物、リチウムと合金化可能な金属又は金属合金、リチウムと合金化可能な金属とリチウムとを含む合金とリチウムとの複合合金化合物、チッ化金属リチウムなどが挙げられる。
前記金属酸化物としては、例えば、酸化アンチモン錫、一酸化珪素などが挙げられる。
前記金属又は金属合金としては、例えば、リチウム、アルミニウム、錫、珪素、亜鉛などが挙げられる。
前記リチウムとの複合合金化合物としては、例えば、チタン酸リチウムなどが挙げられる。
前記チッ化金属リチウムとしては、例えば、チッ化コバルトリチウムなどが挙げられる。
これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、安全性とコストの点から、前記炭素質材料が好ましい。
なお、カチオンとしては、リチウムイオンが汎用されている。
-Negative electrode active material-
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude and release cations in a nonaqueous solvent system, and can be appropriately selected depending on the intended purpose.For example, it can occlude and release lithium ions as cations. Examples include a carbonaceous material, a metal oxide, a metal or metal alloy that can be alloyed with lithium, a composite alloy compound of lithium and an alloy containing a metal that can be alloyed with lithium and lithium, and lithium metal nitride.
Examples of the metal oxide include antimony tin oxide and silicon monoxide.
Examples of the metal or metal alloy include lithium, aluminum, tin, silicon, and zinc.
Examples of the composite alloy compound with lithium include lithium titanate.
Examples of the lithium metal nitride include lithium cobalt nitride.
These may be used alone or in combination of two or more. Among these, the carbonaceous material is preferable from the viewpoint of safety and cost.
Note that lithium ions are widely used as the cation.
前記炭素質材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、黒鉛(グラファイト)、様々な熱分解条件での有機物の熱分解物などが挙げられる。
前記黒鉛(グラファイト)としては、例えば、コークス、人造黒鉛、天然黒鉛などが挙げられる。
これらの中でも、人造黒鉛、天然黒鉛が好ましい。
The carbonaceous material is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. Examples thereof include graphite (graphite) and pyrolysates of organic substances under various pyrolysis conditions.
Examples of the graphite (graphite) include coke, artificial graphite, and natural graphite.
Among these, artificial graphite and natural graphite are preferred.
−導電助剤−
前記導電助剤としては、前記正極活物質と同様の前記導電助剤を用いることができる。
-Conductive aid-
As the conductive auxiliary, the same conductive auxiliary as the positive electrode active material can be used.
−バインダ及び増粘剤−
前記バインダ及び前記増粘剤としては、前記正極活物質と同様の前記バインダ及び前記増粘剤を用いることができる。
これらの中でも、フッ素系バインダ、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)が好ましい。
-Binder and thickener-
As the binder and the thickener, the same binder and the thickener as in the positive electrode active material can be used.
Among them, a fluorine-based binder, styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxymethyl cellulose (CMC) are preferable.
<<負極集電体>>
前記負極集電体としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記負極集電体の材質としては、導電性材料で形成されたものであり、印加される電位に対して安定であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ステンレススチール、ニッケル、アルミニウム、銅などが挙げられる。これらの中でも、ステンレススチール、銅、アルミニウムが特に好ましい。
前記集電体の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記集電体の大きさとしては、非水電解液蓄電素子に使用可能な大きさであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
<< Negative electrode current collector >>
The negative electrode current collector is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose.
The material of the negative electrode current collector is formed of a conductive material, and is not particularly limited as long as it is stable to an applied potential, and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples include stainless steel, nickel, aluminum, and copper. Among these, stainless steel, copper, and aluminum are particularly preferred.
The shape of the current collector is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the purpose.
The size of the current collector is not particularly limited as long as it can be used for the nonaqueous electrolyte storage element, and can be appropriately selected depending on the purpose.
<<負極の製造方法>>
前記負極の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記負極活物質に、必要に応じて前記バインダ、前記増粘剤、前記導電助剤、溶媒などを加えてスラリー状とした負極材を、前記負極集電体上に塗布して乾燥する方法、スラリー状とした前記負極材をそのままロール成形してシート電極とする方法、圧縮成形によりペレット電極とする方法、蒸着、スパッタ、メッキ等により前記負極集電体上に前記負極活物質の薄膜を形成する方法などが挙げられる。
前記溶媒としては、前記正極の製造方法と同様の溶媒を用いることができる。
<< Negative electrode production method >>
The method for producing the negative electrode is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the intended purpose.For example, the binder, the thickener, the conductive auxiliary agent, and the solvent may be added to the negative electrode active material as necessary. A method of applying a slurry-like negative electrode material onto the negative electrode current collector and drying the same; a method of forming the slurry-like negative electrode material as it is into a roll of a sheet electrode; And a method of forming a thin film of the negative electrode active material on the negative electrode current collector by vapor deposition, sputtering, plating, or the like.
As the solvent, the same solvent as in the method for producing the positive electrode can be used.
<非水電解液>
前記非水電解液は、非水溶媒に電解質塩を溶解してなる電解液である。
<Non-aqueous electrolyte>
The non-aqueous electrolyte is an electrolyte obtained by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent.
<<非水溶媒>>
前記非水溶媒としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、非プロトン性有機溶媒、エステル系有機溶媒、エーテル系有機溶媒などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、非プロトン性有機溶媒が好ましい。
<< non-aqueous solvent >>
The non-aqueous solvent is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include an aprotic organic solvent, an ester organic solvent, and an ether organic solvent. These may be used alone or in combination of two or more. Of these, aprotic organic solvents are preferred.
前記非プロトン性有機溶媒としては、例えば、カーボネート系有機溶媒が挙げられ、低粘度な溶媒が好ましい。
前記カーボネート系有機溶媒としては、例えば、鎖状カーボネート、環状カーボネートなどが挙げられる。
これらの中でも、鎖状カーボネートが、電解質塩の溶解力が高い点で好ましい。
Examples of the aprotic organic solvent include a carbonate-based organic solvent, and a low-viscosity solvent is preferable.
Examples of the carbonate-based organic solvent include a chain carbonate and a cyclic carbonate.
Among these, a chain carbonate is preferable in that it has a high dissolving power of the electrolyte salt.
前記鎖状カーボネートとしては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(EMC)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(EMC)が好ましい。
前記ジメチルカーボネート(DMC)とメチルエチルカーボネート(EMC)とを組み合わせた混合溶媒を用いる場合には、ジメチルカーボネート(DMC)とメチルエチルカーボネート(EMC)の混合割合は特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and methyl ethyl carbonate (EMC). These may be used alone or in combination of two or more. Among them, dimethyl carbonate (DMC) and methyl ethyl carbonate (EMC) are preferable.
In the case of using a mixed solvent obtained by combining dimethyl carbonate (DMC) and methyl ethyl carbonate (EMC), the mixing ratio of dimethyl carbonate (DMC) and methyl ethyl carbonate (EMC) is not particularly limited, and may be selected depending on the purpose. It can be selected as appropriate.
前記環状カーボネートとしては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)が好ましい。
前記環状カーボネートとしてエチレンカーボネート(EC)と、前記鎖状カーボネートとしてジメチルカーボネート(DMC)とを組み合わせた混合溶媒を用いる場合には、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合割合は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
Examples of the cyclic carbonate include propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), and fluoroethylene carbonate (FEC). These may be used alone or in combination of two or more. Among these, propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC) are preferred.
When a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) as the cyclic carbonate and dimethyl carbonate (DMC) as the chain carbonate is used, the mixing ratio of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) is particularly preferable. There is no limitation, and it can be appropriately selected according to the purpose.
前記エステル系有機溶媒としては、例えば、環状エステル、鎖状エステルなどが挙げられる。
前記環状エステルとしては、例えば、γ−ブチロラクトン(γBL)、2−メチル−γ−ブチロラクトン、アセチル−γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトンなどが挙げられる。
前記鎖状エステルとしては、例えば、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステル、ギ酸アルキルエステルなどが挙げられる。
前記酢酸アルキルエステルとしては、例えば、酢酸メチル(MA)、酢酸エチルなどが挙げられる。
前記ギ酸アルキルエステルとしては、例えば、ギ酸メチル(MF)、ギ酸エチルなどが挙げられる。
Examples of the ester organic solvent include a cyclic ester and a chain ester.
Examples of the cyclic ester include γ-butyrolactone (γBL), 2-methyl-γ-butyrolactone, acetyl-γ-butyrolactone, and γ-valerolactone.
Examples of the chain ester include alkyl propionate, dialkyl malonate, alkyl acetate, and alkyl formate.
Examples of the alkyl acetate include methyl acetate (MA) and ethyl acetate.
Examples of the alkyl formate include methyl formate (MF) and ethyl formate.
前記エーテル系有機溶媒としては、例えば、環状エーテル、鎖状エーテルなどが挙げられる。
前記環状エーテルとしては、例えば、テトラヒドロフラン、アルキルテトラヒドロフラン、アルコキシテトラヒドロフラン、ジアルコキシテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、アルキル−1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキソランなどが挙げられる。
前記鎖状エーテルとしては、例えば、1,2−ジメトシキエタン(DME)、ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、ジエチレングリコールジアルキルエーテル、トリエチレングリコールジアルキルエーテル、テトラエチレングリコールジアルキルエーテルなどが挙げられる。
Examples of the ether organic solvent include a cyclic ether and a chain ether.
Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran, alkyltetrahydrofuran, alkoxytetrahydrofuran, dialkoxytetrahydrofuran, 1,3-dioxolan, alkyl-1,3-dioxolan, and 1,4-dioxolan.
Examples of the chain ether include 1,2-dimethoxyethane (DME), diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, diethylene glycol dialkyl ether, triethylene glycol dialkyl ether, and tetraethylene glycol dialkyl ether.
<<電解質塩>>
前記電解質塩としては、リチウム塩が好ましい。前記リチウム塩としては、前記非水溶媒に溶解し、高いイオン伝導度を示すものであれば特に制限はなく、例えば、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、塩化リチウム(LiCl)、ホウ弗化リチウム(LiBF4)、六弗化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、リチウムビストリフルオロメチルスルホニルイミド(LiN(C2F5SO2)2)、リチウムビスファーフルオロエチルスルホニルイミド(LiN(CF2F5SO2)2)などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)、ホウ弗化リチウム(LiBF4)が、炭素電極中へのアニオンの吸蔵量の大きさの観点から好ましい。
<< electrolyte salt >>
As the electrolyte salt, a lithium salt is preferable. The lithium salt is not particularly limited as long as it dissolves in the non-aqueous solvent and exhibits high ionic conductivity. For example, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium perchlorate (LiClO 4 ), Lithium chloride (LiCl), lithium borofluoride (LiBF 4 ), lithium arsenide hexafluoride (LiAsF 6 ), lithium trifluorometasulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium bistrifluoromethylsulfonylimide (LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 ) and lithium bis (fluoroethylsulfonylimide) (LiN (CF 2 F 5 SO 2 ) 2 ). These may be used alone or in combination of two or more. Among these, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) and lithium borofluoride (LiBF 4 ) are preferable from the viewpoint of the amount of occlusion of anions in the carbon electrode.
前記電解質塩の濃度としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、放電容量と出力の両立の点から、前記非水溶媒中で、0.5mol/L以上6mol/L以下が好ましく、1mol/L以上4mol/L以下がより好ましい。 The concentration of the electrolyte salt is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. However, from the viewpoint of compatibility between the discharge capacity and the output, the concentration in the nonaqueous solvent is 0.5 mol / L to 6 mol / L. L or less is preferable, and 1 mol / L or more and 4 mol / L or less are more preferable.
<その他の部材>
前記その他の部材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、セパレータなどが挙げられる。
<Other components>
The other members are not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose. Examples thereof include a separator.
<<セパレータ>>
前記セパレータは、前記正極と前記負極の短絡を防ぐために正極と負極の間に設けられる。
前記セパレータの材質、形状、大きさ、構造としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記セパレータの材質としては、例えば、クラフト紙、ビニロン混抄紙、合成パルプ混抄紙等の紙、セロハン、ポリエチレングラフト膜、ポリプロピレンメルトブロー不織布等のポリオレフィン不織布、ポリアミド不織布、ガラス繊維不織布、マイクロポア膜などが挙げられる。これらの中でも、電解液保持の観点から、気孔率50%以上のものが好ましい。
前記セパレータの形状としては、微多孔(マイクロポア)を有する薄膜タイプよりも、気孔率が高い不織布系の方が好ましい。前記セパレータの平均厚みとしては、短絡防止と電解液保持の観点から、20μm以上が好ましい。
前記セパレータの大きさとしては、非水電解液蓄電素子に使用可能な大きさであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記セパレータの構造としては、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。
<< Separator >>
The separator is provided between the positive electrode and the negative electrode to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode.
The material, shape, size, and structure of the separator are not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the purpose.
Examples of the material of the separator include kraft paper, vinylon-mixed paper, paper such as synthetic pulp-mixed paper, cellophane, polyethylene graft membrane, polyolefin nonwoven fabric such as polypropylene melt-blown nonwoven fabric, polyamide nonwoven fabric, glass fiber nonwoven fabric, and micropore membrane. No. Among them, those having a porosity of 50% or more are preferable from the viewpoint of holding the electrolytic solution.
As the shape of the separator, a nonwoven fabric having a high porosity is more preferable than a thin film type having micropores (micropores). The average thickness of the separator is preferably 20 μm or more from the viewpoint of preventing short circuit and retaining the electrolyte.
The size of the separator is not particularly limited as long as it can be used for the non-aqueous electrolyte storage element, and can be appropriately selected depending on the purpose.
The structure of the separator may be a single layer structure or a laminated structure.
<非水電解液蓄電素子の製造方法>
本発明の非水電解液蓄電素子の製造方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記正極、前記負極、及び前記非水電解液と、必要に応じて用いられる前記セパレータとを、適切な形状に組み立てる方法などが挙げられる。更に、必要に応じて外装缶等の他の構成部材を用いることも可能である。
<Non-aqueous electrolyte storage element manufacturing method>
The method for producing the non-aqueous electrolyte storage element of the present invention is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, the positive electrode, the negative electrode, and the non-aqueous electrolytic solution may be used as needed. And a method of assembling the used separator into an appropriate shape. Further, if necessary, other components such as an outer can can be used.
本発明の非水電解液蓄電素子の形状については、特に制限はなく、一般的に採用されている各種形状の中から、その用途に応じて適宜選択することができる。前記形状としては、例えば、シート電極及びセパレータをスパイラル状にしたシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造のシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプなどが挙げられる。 The shape of the non-aqueous electrolyte energy storage device of the present invention is not particularly limited, and can be appropriately selected from various generally employed shapes according to the application. Examples of the shape include a cylinder type in which a sheet electrode and a separator are formed in a spiral shape, a cylinder type having an inside-out structure in which a pellet electrode and a separator are combined, and a coin type in which a pellet electrode and a separator are stacked.
<用途>
本発明の非水電解液蓄電素子は、例えば、非水電解液二次電池、非水電解液キャパシタなどとして好適に用いることができる。
前記非水電解液蓄電素子の用途としては、特に制限はなく、各種用途に用いることができ、例えば、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、時計、ストロボ、カメラ等の電源、バックアップ電源などが挙げられる。
<Application>
The non-aqueous electrolyte storage device of the present invention can be suitably used, for example, as a non-aqueous electrolyte secondary battery, a non-aqueous electrolyte capacitor, and the like.
The use of the non-aqueous electrolyte storage element is not particularly limited and can be used for various purposes, for example, a notebook computer, a pen input computer, a mobile computer, an electronic book player, a mobile phone, a mobile fax, a mobile copy, Portable printers, headphone stereos, video movies, LCD TVs, handy cleaners, portable CDs, minidiscs, transceivers, electronic organizers, calculators, memory cards, portable tape recorders, radios, motors, lighting fixtures, toys, game machines, watches, strobes , A power source for a camera, a backup power source, and the like.
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。
まず、各実施例及び比較例で用いる前記炭素粒子及び前記活性炭粒子における細孔の形成状態を確認し、更にBET比表面積及び細孔容積を測定した。
Hereinafter, examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited to these examples.
First, the formation state of pores in the carbon particles and the activated carbon particles used in each of Examples and Comparative Examples was confirmed, and the BET specific surface area and the pore volume were measured.
<炭素粒子及び活性炭粒子の細孔の形成状態>
各実施例及び比較例で用いる前記炭素粒子及び前記活性炭粒子において、TEM(JEM−2100、日本電子株式会社製)により三次元網目構造を形成する細孔の有無を観察し、以下の基準で評価した。結果を表1−1から表4に示す。
[評価基準]
○:図2Aに示すような三次元網目構造を形成する細孔を確認できた
×:図2Aに示すような三次元網目構造を形成する細孔ではなく、図2Bに示すような細孔を確認できた
<Formation of pores of carbon particles and activated carbon particles>
In the carbon particles and the activated carbon particles used in each of the examples and comparative examples, the presence or absence of pores forming a three-dimensional network structure was observed by TEM (JEM-2100, manufactured by JEOL Ltd.), and evaluated based on the following criteria. did. The results are shown in Tables 1-1 to 4.
[Evaluation criteria]
:: pores forming a three-dimensional network structure as shown in FIG. 2A could be confirmed. ×: pores as shown in FIG. 2B, not pores forming a three-dimensional network structure as shown in FIG. 2A. It could be confirmed
<炭素粒子及び活性炭粒子のBET比表面積及び細孔容積の測定>
各実施例及び比較例で用いる前記炭素粒子及び前記活性炭粒子のBET比表面積を、自動比表面積/細孔分布測定装置(TriStarII3020、株式会社島津製作所製)による吸着等温線の測定結果から、BET(Brunauer、Emmett、Teller)法を用いて求めた。結果を表1−1から表4に示す。
前記炭素粒子及び前記活性炭粒子の細孔容積を、前記BET比表面積を求めた際に用いた前記吸着等温線の測定結果から、BJH(Barrett、Joyner、Hallender)法を用いて求めた。結果を表1−1から表4に示す。
<Measurement of BET specific surface area and pore volume of carbon particles and activated carbon particles>
The BET specific surface area of the carbon particles and the activated carbon particles used in each of the Examples and Comparative Examples was determined from the measurement results of the adsorption isotherm by an automatic specific surface area / pore distribution measuring device (TriStarII3020, manufactured by Shimadzu Corporation). (Brunauer, Emmett, Teller) method. The results are shown in Tables 1-1 to 4.
The pore volume of the carbon particles and the activated carbon particles was determined by using the BJH (Barrett, Joyner, Hallender) method from the measurement results of the adsorption isotherm used when the BET specific surface area was determined. The results are shown in Tables 1-1 to 4.
(実施例1)
<正極の作製>
−正極活物質の調製−
前記リチウム金属酸化物粒子としてオリビン型リン酸鉄リチウム(LiFePO4、宝泉株式会社製)、前記炭素粒子として炭素粒子A(クノーベル(登録商標)、東洋炭素株式会社製)を用い、オリビン型リン酸鉄リチウムに対する炭素粒子Aの質量比(炭素粒子A/オリビン型リン酸鉄リチウム)を70/30となるようにプラネタリミキサー(ハイビスミックス3D−2型、プライミクス株式会社製)を用いて混合させて配合し、正極活物質を調製した。
(Example 1)
<Preparation of positive electrode>
-Preparation of positive electrode active material-
The lithium metal oxide olivine type lithium iron phosphate as particles (LiFePO 4, manufactured by Hohsen Corporation), using carbon particles A (Kunoberu (registered trademark), manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) as the carbon particles, olivine-type phosphate The mass ratio of carbon particles A to lithium iron oxide (carbon particles A / olivine-type lithium iron phosphate) was mixed using a planetary mixer (Hibismix 3D-2, manufactured by Primix Corporation) so as to be 70/30. To prepare a positive electrode active material.
−正極スラリーの調製−
得られた正極活物質、前記導電助剤としてアセチレンブラック(デンカブラック粉状、電気化学工業株式会社製)、前記バインダとしてアクリレート系ラテックス(TRD202A、JSR株式会社製)、及び前記増粘剤としてカルボキシルメチルセルロース(ダイセル1270、株式会社ダイセル製)を、固形分の質量比で100:7.0:2.9:7.7となるように混合し、水を加えて適切な粘度に調製し、正極スラリーを得た。
-Preparation of positive electrode slurry-
The obtained positive electrode active material, acetylene black (denka black powder, manufactured by Denki Kagaku Kogyo KK) as the conductive aid, acrylate latex (TRD202A, manufactured by JSR Corporation) as the binder, and carboxyl as the thickener Methylcellulose (Daicel 1270, manufactured by Daicel Corporation) was mixed at a solid content of 100: 7.0: 2.9: 7.7, and water was added to adjust the viscosity to an appropriate value. A slurry was obtained.
−正極の作製−
次に、得られた正極スラリーを、前記正極集電体としての平均厚み20μmのアルミニウム箔にドクターブレードを用いて片面に塗布した。乾燥後の目付け量(塗工された正極中の炭素活物質粉末の質量)の平均を3.0mg/cm2とした。これを直径16mmに打ち抜いて正極とした。
-Preparation of positive electrode-
Next, the obtained positive electrode slurry was applied to one surface of an aluminum foil having an average thickness of 20 μm as the positive electrode current collector using a doctor blade. The average of the basis weight after drying (the mass of the carbon active material powder in the coated positive electrode) was 3.0 mg / cm 2 . This was punched out to a diameter of 16 mm to obtain a positive electrode.
<セパレータ>
セパレータとしては、ガラス濾紙(GA100、ADVANTEC社製)を直径16mmに打ち抜いたものを2枚用意した。
<Separator>
Two separators prepared by punching glass filter paper (GA100, manufactured by ADVANTEC) to a diameter of 16 mm were prepared.
<負極の作製>
−負極スラリー1の調製−
前記負極活物質として人造黒鉛(MAGD、日立化成工業株式会社製)、前記導電助剤としてアセチレンブラック(デンカブラック粉状、電気化学工業株式会社製)、前記バインダとしてスチレンブタジエンゴム(EX1215、電気化学工業株式会社製)、及び前記増粘剤としてカルボキシルメチルセルロース(ダイセル2200、株式会社ダイセル製)を、固形分の質量比で100:5.0:3.0:2.0になるように混合し、水を加えて適切な粘度に調整し、負極スラリー1を得た。
<Preparation of negative electrode>
-Preparation of negative electrode slurry 1-
Artificial graphite (MAGD, manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd.) as the negative electrode active material, acetylene black (Denka black powder, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as the conductive aid, and styrene butadiene rubber (EX1215, electrochemical (Manufactured by Kogyo Co., Ltd.) and carboxymethyl cellulose (Daicel 2200, manufactured by Daicel Co., Ltd.) as the thickener so as to be 100: 5.0: 3.0: 2.0 by mass ratio of solid content. And water were added to adjust the viscosity to an appropriate value, and a negative electrode slurry 1 was obtained.
−負極の作製−
次に、得られた負極スラリー1を、前記負極集電体としての平均厚み18μmの銅箔にドクターブレードを用いて片面に塗布した。乾燥後の目付け量(塗工された負極中の炭素活物質粉末の質量)の平均を3.0mg/cm2とした。これを直径16mmに打ち抜いて負極とした。
-Preparation of negative electrode-
Next, the obtained negative electrode slurry 1 was applied to one surface of a copper foil having an average thickness of 18 μm as the negative electrode current collector using a doctor blade. The average of the basis weight after drying (the mass of the carbon active material powder in the coated negative electrode) was 3.0 mg / cm 2 . This was punched out to a diameter of 16 mm to obtain a negative electrode.
<非水電解液>
非水電解液としては、1.8mol/LのLiPF6電解質と、0.2mol/LのLiBF4電解質とを含有するプロピレンカーボネート(PC):ジメチルカーボネート(DMC):メチルエチルカーボネート(EMC)=1:1:1(質量比)の混合溶液(宇部興産株式会社製)を用いた。
<Non-aqueous electrolyte>
As the non-aqueous electrolyte, propylene carbonate (PC): dimethyl carbonate (DMC): methyl ethyl carbonate (EMC) containing 1.8 mol / L LiPF 6 electrolyte and 0.2 mol / L LiBF 4 electrolyte A mixed solution (manufactured by Ube Industries, Ltd.) of 1: 1: 1 (mass ratio) was used.
<非水電解液蓄電素子の製造>
前記正極、前記負極、及び前記セパレータを150℃で4時間真空乾燥後、乾燥アルゴン雰囲気のグローブボックス中で、蓄電素子としての2032型コインセルを組み立てた。
前記2032型コインセルに、前記非水電解液を400μL注入した。
次いで、前記2032型コインセルの負極と正極を2日間短絡させることで、リチウムイオンを負極側へドーピングさせて、実施例1の非水電解液蓄電素子を製造した。
得られた実施例1の非水電解液蓄電素子について、以下のようにして、充放電試験を行った。
<Manufacture of non-aqueous electrolyte storage element>
After vacuum drying the positive electrode, the negative electrode, and the separator at 150 ° C. for 4 hours, a 2032-type coin cell as a power storage element was assembled in a glove box in a dry argon atmosphere.
400 μL of the non-aqueous electrolyte was injected into the 2032 type coin cell.
Next, the negative electrode and the positive electrode of the 2032 type coin cell were short-circuited for two days, thereby doping lithium ions to the negative electrode side, thereby producing the non-aqueous electrolyte energy storage device of Example 1.
The obtained non-aqueous electrolyte storage device of Example 1 was subjected to a charge / discharge test as follows.
<充放電試験>
得られた実施例1の非水電解液蓄電素子を25℃の恒温槽中に保持し、自動電池評価装置(1024B−7V0.1A−4、株式会社エレクトロフィールド製)を用いて、以下のとおりの充放電試験を実施した。
初回の充放電はエージング処理として、充放電レート0.2C換算の電流値において、充電終止電圧として4.2Vまで定電流充電した後、24時間休止し、充放電レート1C換算の電流値において、放電終止電圧として1.8Vまで定電流放電をした。前記エージング処理後に、下記の充放電試験を行った。
なお、前記0.2C換算の電流値とは、公称容量値の容量を有する非水電解液蓄電素子を定電流放電して、5時間で放電終了となる電流値のことである。前記1C換算の電流値とは、公称容量値の容量を有する非水電解液蓄電素子を定電流放電して、1時間で放電終了となる電流値のことである。
[1]:充放電レート1C換算の電流値において4.2Vまで定電流充電
[2]:5分間休止
[3]:充放電レート1C換算の電流値において1.8Vまで定電流放電
[4]:5分間休止
[5]:充放電レート10C換算の電流値において4.2Vまで定電流充電
[6]:5分間休止
[7]:充放電レート10C換算の電流値において1.8Vまで定電流放電
[8]:5分間休止
[9]:前記[5]〜前記[8]を1サイクルとし、1,000サイクル目まで充放電を繰り返した。
<Charging / discharging test>
The obtained non-aqueous electrolyte storage element of Example 1 was held in a thermostat at 25 ° C., and an automatic battery evaluation device (1024B-7V0.1A-4, manufactured by Electrofield Co., Ltd.) was used as follows. Was subjected to a charge / discharge test.
The first charge / discharge is performed as an aging process. After a constant current charge up to 4.2 V as a charge end voltage at a charge / discharge rate of 0.2 C as a aging process, the battery is paused for 24 hours, and at a charge / discharge rate of 1 C as a current value. A constant current discharge was performed to 1.8 V as a discharge end voltage. After the aging treatment, the following charge / discharge test was performed.
Note that the 0.2C-converted current value is a current value at which a non-aqueous electrolyte storage element having a capacity of a nominal capacity value is discharged at a constant current and discharge is completed in 5 hours. The 1C-converted current value is a current value at which a non-aqueous electrolyte storage element having a capacity of a nominal capacity value is discharged at a constant current and discharge is completed in one hour.
[1]: Constant current charge up to 4.2 V at a charge / discharge rate 1 C converted current value [2]: Pause for 5 minutes [3]: Constant current discharge up to 1.8 V at a charge / discharge rate 1 C converted current value [4] : Pause for 5 minutes [5]: Constant current charge up to 4.2 V at a charge / discharge rate of 10 C [6]: Pause for 5 minutes [7]: Constant current up to 1.8 V at a charge / discharge rate of 10 C Discharge [8]: Pause for 5 minutes [9]: The above [5] to [8] were defined as one cycle, and charging and discharging were repeated up to the 1,000th cycle.
上記の充放電試験を1,000サイクル目まで充放電を繰り返す中で、前記エージング処理後1サイクル目の1C放電容量、2サイクル目の急速充放電時の10C放電容量、及び1,000サイクル目の急速充放電時の10C放電容量を測定した。なお、放電容量は、正極活物質1g当たりの換算値(mAh/g)である。図3に、実施例1における1サイクル目の1C放電曲線、2サイクル目の10C放電曲線、1,000サイクル目の10C放電曲線を示した。
急速充放電時容量維持率、及び1,000サイクル時容量維持率は、それぞれ下記式から求めた。結果を表1−1に示した。
The capacity retention rate at the time of rapid charge and discharge and the capacity retention rate at the time of 1,000 cycles were obtained from the following formulas. The results are shown in Table 1-1.
(実施例2)
実施例1において、負極スラリー1を、以下のようにして調製した負極スラリー2に代え、負極集電体の銅箔をアルミニウム箔に代えた以外は、実施例1と同様にして、実施例2の非水電解液蓄電素子を製造した。
(Example 2)
Example 2 was repeated in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode slurry 1 was replaced with the negative electrode slurry 2 prepared as described below, and the copper foil of the negative electrode current collector was replaced with an aluminum foil. Was manufactured.
−負極スラリー2の調製−
前記負極活物質としてチタン酸リチウム(LTO、石原産業株式会社製)、前記導電助剤としてアセチレンブラック(デンカブラック粉状、電気化学工業株式会社製)、前記バインダとしてスチレンブタジエンゴム(TRD102A、JSR株式会社製)、及び前記増粘剤としてカルボキシルメチルセルロース(ダイセル2200、株式会社ダイセル製)を、固形分の質量比で100:7:3:1になるように混合し、水を加えて適切な粘度に調整し、負極スラリー2を得た。
-Preparation of negative electrode slurry 2-
Lithium titanate (LTO, manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd.) as the negative electrode active material, acetylene black (Denka black powder, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as the conductive aid, and styrene butadiene rubber (TRD102A, JSR stock) as the binder Company) and carboxymethylcellulose (Daicel 2200, manufactured by Daicel Co., Ltd.) as the thickener so that the mass ratio of the solid content is 100: 7: 3: 1, and water is added to obtain an appropriate viscosity. And negative electrode slurry 2 was obtained.
なお、実施例2においては、前記負極活物質にチタン酸リチウムを使用しているため、前記エージング処理及び充放電試験条件の充電終止電圧を4.2Vから2.9Vに、放電終止電圧を1.8Vから0.5Vに変えた以外は、実施例1と同様に評価した。結果を表1−1に示した。 In Example 2, since lithium titanate was used as the negative electrode active material, the charge end voltage under the aging treatment and charge / discharge test conditions was changed from 4.2 V to 2.9 V, and the discharge end voltage was set at 1 Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the voltage was changed from 0.8 V to 0.5 V. The results are shown in Table 1-1.
(比較例1)
実施例1において、前記正極活物質中の炭素粒子Aを活性炭粒子(ベルファインAP、ATエレクトロード株式会社製)に代えた以外は、実施例1と同様にして、比較例1の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−1に示した。図4に、比較例1における1サイクル目の1C放電曲線、2サイクル目の10C放電曲線、1,000サイクル目の10C放電曲線を示した。
(Comparative Example 1)
The non-aqueous electrolysis of Comparative Example 1 was performed in the same manner as in Example 1 except that the carbon particles A in the positive electrode active material were replaced with activated carbon particles (Bellfine AP, manufactured by AT Electrode Co., Ltd.). A liquid storage element was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1-1. FIG. 4 shows a 1C discharge curve at the first cycle, a 10C discharge curve at the second cycle, and a 10C discharge curve at the 1,000th cycle in Comparative Example 1.
(比較例2)
実施例2において、前記正極活物質中の炭素粒子Aを活性炭粒子(ベルファインAP、ATエレクトロード株式会社製)に代えた以外は、実施例2と同様にして、比較例2の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−1に示した。
(Comparative Example 2)
In Example 2, the non-aqueous electrolysis of Comparative Example 2 was performed in the same manner as in Example 2 except that the carbon particles A in the positive electrode active material were replaced with activated carbon particles (Bellfine AP, manufactured by AT Electrode Co., Ltd.). A liquid storage element was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1-1.
(比較例3)
実施例1において、前記正極活物質を炭素粒子A及びオリビン型リン酸鉄リチウムの組合せから炭素粒子A単独に代えた以外は、実施例1と同様にして、比較例3の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−2に示した。図5に、比較例3における1サイクル目の1C放電曲線、2サイクル目の10C放電曲線、1,000サイクル目の10C放電曲線を示した。
(Comparative Example 3)
In Example 1, the non-aqueous electrolyte storage of Comparative Example 3 was carried out in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode active material was changed from a combination of carbon particles A and olivine-type lithium iron phosphate to carbon particles A alone. An element was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1-2. FIG. 5 shows a 1C discharge curve in the first cycle, a 10C discharge curve in the second cycle, and a 10C discharge curve in the 1,000th cycle in Comparative Example 3.
(比較例4)
実施例2において、前記正極活物質を炭素粒子A及びオリビン型リン酸鉄リチウムの組合せから炭素粒子A単独に代えた以外は、実施例2と同様にして、比較例4の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−2に示した。
(Comparative Example 4)
In Example 2, the non-aqueous electrolyte storage of Comparative Example 4 was carried out in the same manner as in Example 2 except that the positive electrode active material was changed from a combination of carbon particles A and olivine-type lithium iron phosphate to carbon particles A alone. An element was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1-2.
(比較例5)
実施例1において、前記正極活物質を炭素粒子A及びオリビン型リン酸鉄リチウムの組合せから活性炭粒子(ベルファインAP、ATエレクトロード株式会社製)単独に代えた以外は、実施例1と同様にして、比較例5の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−2に示した。
(Comparative Example 5)
In the same manner as in Example 1, except that the positive electrode active material was changed from a combination of carbon particles A and lithium olivine-type iron phosphate to activated carbon particles alone (Bellfine AP, manufactured by AT Electrode Co., Ltd.). Thus, a non-aqueous electrolyte storage element of Comparative Example 5 was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1-2.
(比較例6)
実施例2において、前記正極活物質を炭素粒子A及びオリビン型リン酸鉄リチウムの組合せから活性炭粒子(ベルファインAP、ATエレクトロード株式会社製)単独に代えた以外は、実施例2と同様にして、比較例6の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表1−2に示した。
(Comparative Example 6)
In Example 2, it carried out similarly to Example 2 except having changed the said positive electrode active material from the combination of the carbon particle A and the olivine type lithium iron phosphate to the activated carbon particle (Bellfine AP, AT Electrode Co., Ltd.) alone. Thus, a non-aqueous electrolyte storage element of Comparative Example 6 was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1-2.
表1−1及び表1−2の結果から、三次元網目構造を形成する複数の細孔を内部に有する炭素粒子Aと、リチウム金属酸化物粒子とを正極活物質に含む実施例1〜2では、比較例1〜6に比べて1Cでの放電容量が高く、高いエネルギー密度を有していることがわかった。また、活性炭粒子と、リチウム金属酸化物粒子とを正極活物質に含む比較例1〜2では、1,000サイクル時容量維持率が80%を下回っているのに対し、実施例1〜2では80%以上を維持しており、実施例1〜2が長期サイクル性に優れていることがわかった。
また、図3〜図5には、実施例1、比較例1、及び比較例3の放電曲線の変化をそれぞれ示す。これらの結果から、実施例1が、比較例1及び3に比べて放電容量が高いことが分かった。
From the results of Table 1-1 and Table 1-2, Examples 1 to 2 including carbon particles A having a plurality of pores forming a three-dimensional network structure therein and lithium metal oxide particles in the positive electrode active material are shown. It was found that the sample had higher discharge capacity at 1 C and higher energy density than Comparative Examples 1 to 6. In Comparative Examples 1 and 2, in which the activated carbon particles and the lithium metal oxide particles were included in the positive electrode active material, the capacity retention at 1,000 cycles was less than 80%, whereas in Examples 1 and 2, 80% or more was maintained, and it was found that Examples 1 and 2 were excellent in long-term cycle properties.
3 to 5 show changes in the discharge curves of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 3, respectively. From these results, it was found that Example 1 had a higher discharge capacity than Comparative Examples 1 and 3.
(実施例3〜11)
実施例1において、正極活物質中の炭素粒子Aとオリビン型リン酸鉄リチウムの配合比を表2−1及び表2−2のようにそれぞれ変え、負極を平均厚み500μmのリチウム金属箔に代えた以外は、実施例1と同様にして、実施例3〜11の非水電解液蓄電素子を製造した。
得られた実施例3〜11の非水電解液蓄電素子に対して、1,000サイクル時の容量維持率の評価を、2,000サイクル時の容量維持率の評価に変えた以外は、実施例1と同様に評価した。結果を表2−1及び表2−2に示した。
(Examples 3 to 11)
In Example 1, the mixing ratio of the carbon particles A in the positive electrode active material and the olivine type lithium iron phosphate was changed as shown in Tables 2-1 and 2-2, and the negative electrode was replaced with a lithium metal foil having an average thickness of 500 μm. Except for the above, the non-aqueous electrolyte storage elements of Examples 3 to 11 were manufactured in the same manner as Example 1.
For the obtained non-aqueous electrolyte energy storage devices of Examples 3 to 11, except that the evaluation of the capacity retention rate at 1,000 cycles was changed to the evaluation of the capacity retention rate at 2,000 cycles. Evaluation was performed in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 2-1 and 2-2.
(比較例7)
実施例3において、前記正極活物質を炭素粒子A及びオリビン型リン酸鉄リチウムから炭素粒子Aに代えた以外は、実施例3と同様にして、比較例7の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例3と同様に評価した。結果を表2−2に示した。
(Comparative Example 7)
A non-aqueous electrolyte storage element of Comparative Example 7 was manufactured in the same manner as in Example 3 except that the positive electrode active material was changed from carbon particles A and olivine-type lithium iron phosphate to carbon particles A in Example 3. Then, evaluation was performed in the same manner as in Example 3. The results are shown in Table 2-2.
表2−1及び表2−2の結果から、正極活物質中のリチウム金属酸化物粒子に対する炭素粒子Aの配合比を低減させると放電容量が高くなるが、2,000サイクル時の容量維持率は低下することがわかった。前記炭素粒子と前記リチウム金属酸化物粒子との質量比(炭素粒子/リチウム金属酸化物粒子)が、50/50未満であると、2,000サイクル時の容量維持率が60%未満となり、急激に低下してしまうため、前記炭素粒子と前記リチウム金属酸化物粒子との質量比(炭素粒子/リチウム金属酸化物粒子)が50/50以上であることが好ましいことがわかった。
また、前記炭素粒子と前記リチウム金属酸化物粒子との質量比(炭素粒子/リチウム金属酸化物粒子)を増加させると、2,000サイクル時の容量維持率が高くなるが、放電容量が低減する。前記炭素粒子と前記リチウム金属酸化物粒子との質量比(炭素粒子/リチウム金属酸化物粒子)が95/5を超えると、放電容量が70mAh/gを下回ってしまうため、前記炭素粒子と前記リチウム金属酸化物粒子との質量比(炭素粒子/リチウム金属酸化物粒子)は95/5以下であることが好ましいことがわかった。
From the results of Tables 2-1 and 2-2, when the mixing ratio of the carbon particles A to the lithium metal oxide particles in the positive electrode active material is reduced, the discharge capacity increases, but the capacity retention rate at 2,000 cycles is increased. Was found to decrease. When the mass ratio of the carbon particles to the lithium metal oxide particles (carbon particles / lithium metal oxide particles) is less than 50/50, the capacity retention at 2,000 cycles becomes less than 60%, It has been found that the mass ratio of the carbon particles to the lithium metal oxide particles (carbon particles / lithium metal oxide particles) is preferably 50/50 or more.
When the mass ratio between the carbon particles and the lithium metal oxide particles (carbon particles / lithium metal oxide particles) is increased, the capacity retention at 2,000 cycles increases, but the discharge capacity decreases. . If the mass ratio between the carbon particles and the lithium metal oxide particles (carbon particles / lithium metal oxide particles) exceeds 95/5, the discharge capacity will be less than 70 mAh / g. It was found that the mass ratio to the metal oxide particles (carbon particles / lithium metal oxide particles) is preferably 95/5 or less.
(実施例12〜19)
実施例7において、正極活物質中の炭素粒子Aを表3−1及び表3−2に示すように比表面積の異なる炭素粒子B〜I(クノーベル(登録商標)、東洋炭素株式会社製)にそれぞれ代えた以外は、実施例7と同様にして、実施例12〜19の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例1と同様に評価した。結果を表3−1及び表3−2に示した。
(Examples 12 to 19)
In Example 7, carbon particles A in the positive electrode active material were converted into carbon particles B to I (Knovel (registered trademark), manufactured by Toyo Carbon Co., Ltd.) having different specific surface areas as shown in Tables 3-1 and 3-2. Except having changed each, the non-aqueous electrolyte storage element of Examples 12-19 was manufactured like Example 7, and it evaluated similarly to Example 1. The results are shown in Table 3-1 and Table 3-2.
表3−1及び表3−2の結果から、正極活物質中の炭素粒子の比表面積を低下させると、放電容量が低下することがわかった。炭素粒子の比表面積が800m2/g未満であると放電容量が70mAh/gを下回るため、炭素粒子の比表面積は800m2/g以上であることが好ましいことがわかった。
また、炭素粒子の比表面積を増加させると、放電容量が高くなるが、2,000サイクル時の容量維持率は低下することがわかった。炭素粒子の比表面積が1,800m2/gを超えると2,000サイクル時の容量維持率が60%を下回るため、炭素粒子の比表面積は1,800m2/g以下であることが好ましいことがわかった。
From the results of Tables 3-1 and 3-2, it was found that when the specific surface area of the carbon particles in the positive electrode active material was reduced, the discharge capacity was reduced. When the specific surface area of the carbon particles is less than 800 m 2 / g, the discharge capacity is less than 70 mAh / g, so it was found that the specific surface area of the carbon particles is preferably 800 m 2 / g or more.
It was also found that when the specific surface area of the carbon particles was increased, the discharge capacity was increased, but the capacity retention at 2,000 cycles was reduced. When the specific surface area of the carbon particles exceeds 1,800 m 2 / g, the capacity retention rate at 2,000 cycles is less than 60%, so that the specific surface area of the carbon particles is preferably 1,800 m 2 / g or less. I understood.
(実施例20)
実施例7において、正極活物質中のオリビン型リン酸鉄リチウムをマンガン−コバルト−ニッケル三元系酸化物リチウム(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、株式会社豊島製作所製)に代えた以外は、実施例7と同様にして、実施例20の非水電解液蓄電素子を製造した。得られた実施例20の非水電解液蓄電素子に対して、2,000サイクル時の容量維持率の評価を100サイクル時の容量維持率の評価に変えた以外は、実施例7と同様に評価した。結果を表4に示した。
(Example 20)
In Example 7, olivine-type lithium iron phosphate and manganese in the cathode active material - cobalt - nickel ternary oxide lithium (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, Ltd. Toshima Seisakusho) A non-aqueous electrolyte energy storage device of Example 20 was manufactured in the same manner as in Example 7, except for replacing the above. In the same manner as in Example 7, except that the evaluation of the capacity retention rate at 2,000 cycles was changed to the evaluation of the capacity retention rate at 100 cycles for the obtained nonaqueous electrolyte storage element of Example 20, evaluated. The results are shown in Table 4.
(実施例21)
実施例7において、正極活物質中のオリビン型リン酸鉄リチウムをコバルト酸リチウム(LiCoO2、株式会社豊島製作所製)に代えた以外は、実施例7と同様にして、実施例21の非水電解液蓄電素子を製造し、実施例20と同様に評価した。結果を表4に示した。
(Example 21)
In Example 7, the non-aqueous solution of Example 21 was changed in the same manner as in Example 7 except that lithium olivine-type iron phosphate in the positive electrode active material was changed to lithium cobaltate (LiCoO 2 , manufactured by Toshima Seisakusho Co., Ltd.). An electrolyte storage element was manufactured and evaluated in the same manner as in Example 20. The results are shown in Table 4.
表4の結果から、正極活物質に含まれるリチウム金属酸化物としては、放電容量及び長期サイクル性の点で、オリビン型リン酸鉄リチウム、マンガン−コバルト−ニッケル三元系酸化物リチウムが好ましいことがわかった。 From the results in Table 4, the lithium metal oxide contained in the positive electrode active material is preferably olivine-type lithium iron phosphate and lithium manganese-cobalt-nickel ternary oxide in terms of discharge capacity and long-term cyclability. I understood.
以上の結果から、本発明の非水電解液蓄電素子によれば、正極にアニオンを蓄えるタイプの電極を用いた非水電解液蓄電素子において、高いエネルギー密度を実現するとともに、充放電を繰り返した場合でも、放電容量の低下率が小さい長期サイクル性に優れた非水電解液蓄電素子を提供できることがわかった。 From the above results, according to the nonaqueous electrolyte energy storage device of the present invention, a high energy density was achieved in the nonaqueous electrolyte energy storage device using an electrode of a type that stores anions in the positive electrode, and charge / discharge was repeated. Even in this case, it was found that a non-aqueous electrolyte storage element having a small rate of decrease in discharge capacity and excellent in long-term cycle characteristics could be provided.
本発明の態様は、例えば、以下のとおりである。
<1> アニオンを吸蔵及び放出可能な正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解液と、を有する非水電解液蓄電素子であって、前記正極活物質が、炭素粒子と、リチウム金属酸化物粒子とを含有し、前記炭素粒子が、三次元網目構造を形成する複数の細孔を有することを特徴とする非水電解液蓄電素子である。
<2> 前記炭素粒子のBET比表面積が、800m2/g以上1,800m2/g以下であり、かつ前記炭素粒子の細孔容積が0.5mL/g以上2.3mL/g以下である前記<1>に記載の非水電解液蓄電素子である。
<3> 前記細孔の最小径が、2nm以上50nm以下である前記<1>から<2>のいずれかに記載の非水電解液蓄電素子である。
<4> 前記炭素粒子と前記リチウム金属酸化物粒子との質量比(炭素粒子/リチウム金属酸化物粒子)が、50/50以上95/5以下である前記<1>から<3>のいずれかに記載の非水電解液蓄電素子である。
<5> 前記正極活物質の体積基準粒度分布によるメジアン径(D50)が、30μm以下である前記<1>から<4>のいずれかに記載の非水電解液蓄電素子である。
<6> 前記リチウム金属酸化物粒子が、オリビン型リン酸鉄リチウム、及び、マンガン−コバルト−ニッケル三元系酸化物リチウムの少なくともいずれかを含有する前記<1>から<5>のいずれかに記載の非水電解液蓄電素子である。
<7> 前記非水電解液が、非水溶媒に電解質塩を溶解してなる前記<1>から<6>のいずれかに記載の非水電解液蓄電素子である。
<8> 前記非水溶媒が、非プロトン性有機溶媒である前記<7>に記載の非水電解液蓄電素子である。
<9> 前記非プロトン性有機溶媒が、鎖状カーボネートである前記<8>に記載の非水電解液蓄電素子である。
<10> 前記電解質塩が、LiPF6及びLiBF4の少なくともいずれかを含有する前記<7>から<9>のいずれかに記載の非水電解液蓄電素子である。
<11> 前記電解質塩の濃度が、前記非水溶媒中で、0.5mol/L以上6mol/L以下である前記<7>から<10>のいずれかに記載の非水電解液蓄電素子である。
<12> 前記負極活物質が、人造黒鉛及びチタン酸リチウムの少なくともいずれかである前記<1>から<11>のいずれかに記載の非水電解液蓄電素子である。
Aspects of the present invention are, for example, as follows.
<1> A non-aqueous electrolyte storage element including a positive electrode including a positive electrode active material capable of inserting and extracting an anion, a negative electrode including a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte, wherein the positive electrode active material includes: A non-aqueous electrolyte liquid storage element containing carbon particles and lithium metal oxide particles, wherein the carbon particles have a plurality of pores forming a three-dimensional network structure.
<2> The BET specific surface area of the carbon particles is 800 m 2 / g or more and 1,800 m 2 / g or less, and the pore volume of the carbon particles is 0.5 mL / g or more and 2.3 mL / g or less. The non-aqueous electrolyte storage device according to <1>.
<3> The nonaqueous electrolyte storage device according to any one of <1> to <2>, wherein the minimum diameter of the pores is 2 nm or more and 50 nm or less.
<4> Any one of the above items <1> to <3>, wherein a mass ratio of the carbon particles to the lithium metal oxide particles (carbon particles / lithium metal oxide particles) is 50/50 or more and 95/5 or less. 3. The non-aqueous electrolyte storage device according to item 1.
<5> The non-aqueous electrolyte storage element according to any one of <1> to <4>, wherein a median diameter (D50) according to a volume-based particle size distribution of the positive electrode active material is 30 μm or less.
<6> The battery according to any one of <1> to <5>, wherein the lithium metal oxide particles contain at least one of olivine-type lithium iron phosphate and manganese-cobalt-nickel lithium ternary oxide. It is a non-aqueous electrolyte storage element described in the above.
<7> The non-aqueous electrolyte storage element according to any one of <1> to <6>, wherein the non-aqueous electrolyte is obtained by dissolving an electrolyte salt in a non-aqueous solvent.
<8> The non-aqueous electrolyte storage element according to <7>, wherein the non-aqueous solvent is an aprotic organic solvent.
<9> The non-aqueous electrolyte storage element according to <8>, wherein the aprotic organic solvent is a chain carbonate.
<10> The non-aqueous electrolyte storage element according to any one of <7> to <9>, wherein the electrolyte salt contains at least one of LiPF 6 and LiBF 4 .
<11> The nonaqueous electrolyte liquid storage element according to any one of <7> to <10>, wherein the concentration of the electrolyte salt is 0.5 mol / L or more and 6 mol / L or less in the nonaqueous solvent. is there.
<12> The non-aqueous electrolyte storage device according to any one of <1> to <11>, wherein the negative electrode active material is at least one of artificial graphite and lithium titanate.
前記<1>から<12>のいずれかに記載の非水電解液蓄電素子によれば、従来における前記諸問題を解決し、前記本発明の目的を達成することができる。 According to the non-aqueous electrolyte storage element described in any one of <1> to <12>, the above-described problems in the related art can be solved and the object of the present invention can be achieved.
11 正極
12 負極
13 セパレータ
20 正極集電体
21 正極活物質
22 バインダ
23 導電助剤
24 負極集電体
25 負極活物質
26 非水電解液
27 電解質塩
31 炭素粒子
32 メソ孔
33 ミクロ孔
41 活性炭粒子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Positive electrode 12 Negative electrode 13 Separator 20 Positive electrode collector 21 Positive electrode active material 22 Binder 23 Conductive auxiliary agent 24 Negative electrode collector 25 Negative electrode active material 26 Nonaqueous electrolytic solution 27 Electrolyte salt 31 Carbon particle 32 Mesopore 33 Micropore 41 Activated carbon particle
Claims (7)
前記正極活物質は、炭素粒子と、リチウム金属酸化物粒子とを含有し、
充電終止電圧として対Li電位が4.2Vまで前記非水電解液蓄電素子を定電流充電するときに、前記炭素粒子は、少なくとも対Li電位が4Vの時点で前記アニオンを吸蔵するものであり、
前記炭素粒子は、三次元網目構造を形成する複数の細孔を有することを特徴とする非水電解液蓄電素子。 A positive electrode including a positive electrode active material capable of storing and releasing anions, a negative electrode including a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte storage element having:
The positive electrode active material contains carbon particles and lithium metal oxide particles,
When the non-aqueous electrolyte storage element is charged at a constant current up to a potential of 4.2 V with respect to Li potential as a charge termination voltage, the carbon particles occlude the anion at least when the potential with respect to Li is 4 V.
The non-aqueous electrolyte storage element according to claim 1 , wherein the carbon particles have a plurality of pores forming a three-dimensional network structure.
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