JP6885252B2 - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本開示はリチウムイオン二次電池に関する。 The present disclosure relates to a lithium ion secondary battery.
特開2017−004879号公報(特許文献1)は、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)を含む電解液において、DMC比率を39〜43体積%とすることを開示している。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-004879 (Patent Document 1) discloses that the DMC ratio is 39 to 43% by volume in an electrolytic solution containing ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC).
リチウムイオン二次電池(以下「電池」と略記され得る)の電解液は、溶媒およびリチウム(Li)塩を含む。Li塩は溶媒に溶解している。従来、常温域(たとえば0〜40℃)および低温域(たとえば−30〜0℃)の出力の観点から、EMCおよびDMCを含む混合溶媒が使用されている。 The electrolytic solution of a lithium ion secondary battery (hereinafter, may be abbreviated as "battery") contains a solvent and a lithium (Li) salt. The Li salt is dissolved in the solvent. Conventionally, a mixed solvent containing EMC and DMC has been used from the viewpoint of output in a normal temperature range (for example, 0 to 40 ° C.) and a low temperature range (for example, -30 to 0 ° C.).
電解液の粘度が低下すると、電解液中のイオン移動度が高まる。DMCは、常温域における粘度が低い。DMC比率が高いことにより、常温域における出力向上が期待される。しかしDMCは3℃程度の凝固点を有する。そのためDMC比率が高くなると、−40℃程度の極低温域においては、電解液が凝固する可能性がある。電解液が凝固すると、出力が著しく低下すると考えられる。 When the viscosity of the electrolytic solution decreases, the ion mobility in the electrolytic solution increases. DMC has a low viscosity in the normal temperature range. Due to the high DMC ratio, it is expected that the output will be improved in the normal temperature range. However, DMC has a freezing point of about 3 ° C. Therefore, if the DMC ratio is high, the electrolytic solution may solidify in an extremely low temperature region of about −40 ° C. When the electrolytic solution solidifies, it is considered that the output is significantly reduced.
他方、EMCは−55℃程度の凝固点を有する。そのためEMC比率が高いことにより、極低温域における出力向上が期待される。しかしEMC比率が高くなると、過充電時に反応が活発になり、発熱量が大きくなると考えられる。 On the other hand, EMC has a freezing point of about −55 ° C. Therefore, it is expected that the output will be improved in the extremely low temperature region due to the high EMC ratio. However, when the EMC ratio becomes high, the reaction becomes active at the time of overcharging, and it is considered that the calorific value increases.
本開示の目的は、極低温域における出力と、過充電時の発熱抑制とを両立することである。 An object of the present disclosure is to achieve both output in a cryogenic region and suppression of heat generation during overcharging.
以下、本開示の技術的構成および作用効果が説明される。ただし本開示の作用メカニズムは推定を含んでいる。作用メカニズムの正否により、特許請求の範囲が限定されるべきではない。 Hereinafter, the technical configuration and the action and effect of the present disclosure will be described. However, the mechanism of action of the present disclosure includes estimation. The scope of claims should not be limited by the correctness of the mechanism of action.
〔1〕リチウムイオン二次電池は、正極合材層、負極合材層、無機フィラー層、セパレータおよび電解液を少なくとも含む。
正極合材層は、正極活物質、および1.4質量%以上6質量%以下のリン酸三リチウムを少なくとも含む。
セパレータは、正極合材層と負極合材層との間に配置されている。
無機フィラー層は、正極合材層とセパレータとの間に配置されている。
電解液は、エチルメチルカーボネートおよびジメチルカーボネートを少なくとも含む。
ジメチルカーボネートの体積に対するエチルメチルカーボネートの体積の比は、0.94以上2.11以下である。
[1] The lithium ion secondary battery includes at least a positive electrode mixture layer, a negative electrode mixture layer, an inorganic filler layer, a separator and an electrolytic solution.
The positive electrode mixture layer contains at least a positive electrode active material and at least 1.4% by mass or more and 6% by mass or less of trilithium phosphate.
The separator is arranged between the positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer.
The inorganic filler layer is arranged between the positive electrode mixture layer and the separator.
The electrolytic solution contains at least ethyl methyl carbonate and dimethyl carbonate.
The ratio of the volume of ethyl methyl carbonate to the volume of dimethyl carbonate is 0.94 or more and 2.11 or less.
上記〔1〕の構成では、DMCの体積に対するEMCの体積の比(以下「EMC/DMC比」と略記され得る)が0.94以上2.11以下である。EMC/DMC比が0.94以上2.11以下の範囲から外れると、極低温域において出力が低下する可能性がある。さらにEMC/DMC比が0.94以上2.11以下の範囲から外れると、過充電時の発熱抑制も不十分になる可能性がある。 In the configuration of the above [1], the ratio of the volume of EMC to the volume of DMC (hereinafter, may be abbreviated as “EMC / DMC ratio”) is 0.94 or more and 2.11 or less. If the EMC / DMC ratio deviates from the range of 0.94 or more and 2.11 or less, the output may decrease in the extremely low temperature region. Further, if the EMC / DMC ratio deviates from the range of 0.94 or more and 2.11 or less, the suppression of heat generation at the time of overcharging may be insufficient.
上記〔1〕の構成では、正極合材層のリン酸三リチウム(Li3PO4)含量が1.4質量%以上6.0質量%以下である。これにより、過充電時の発熱抑制が期待される。 In the configuration of the above [1], the trilithium phosphate (Li 3 PO 4 ) content of the positive electrode mixture layer is 1.4% by mass or more and 6.0% by mass or less. This is expected to suppress heat generation during overcharging.
上記〔1〕の構成では、無機フィラー層が、正極合材層とセパレータとの間に配置されている。無機フィラー層には、電解液が保持され得る。そのため無機フィラー層が正極合材層とセパレータとの間に配置されていることにより、正極活物質の近傍に電解液が潤沢に存在することになる。これにより極低温域において、出力時に正極活物質の近傍でLiイオンの濃度が減少することが抑制され得る。すなわち極低温域における出力向上が期待される。 In the configuration of the above [1], the inorganic filler layer is arranged between the positive electrode mixture layer and the separator. The electrolytic solution can be retained in the inorganic filler layer. Therefore, since the inorganic filler layer is arranged between the positive electrode mixture layer and the separator, the electrolytic solution is abundantly present in the vicinity of the positive electrode active material. As a result, it is possible to suppress a decrease in the concentration of Li ions in the vicinity of the positive electrode active material at the time of output in the extremely low temperature region. That is, it is expected that the output will be improved in the extremely low temperature range.
以上の作用の相乗により、上記〔1〕の構成では、極低温域における出力と、過充電時の発熱抑制との両立が期待される。 Due to the synergistic effect of the above actions, in the configuration of the above [1], it is expected that both the output in the cryogenic region and the suppression of heat generation during overcharging are compatible.
〔2〕電解液は、エチレンカーボネートをさらに含んでもよい。ジメチルカーボネートは、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびジメチルカーボネートの合計に対して、28体積%以上36体積%以下の比率を有してもよい。 [2] The electrolytic solution may further contain ethylene carbonate. The dimethyl carbonate may have a ratio of 28% by volume or more and 36% by volume or less with respect to the total of ethylene carbonate, ethylmethyl carbonate and dimethyl carbonate.
EC、EMCおよびDMCの3成分混合系では、−30℃における出力と、−45℃における出力との差が顕著である。すなわち−30℃から−45℃にかけて出力が顕著に低下する。上記〔2〕の構成によれば、−30℃から−45℃にかけての出力低下が抑制されることが期待される。 In the three-component mixed system of EC, EMC and DMC, the difference between the output at −30 ° C. and the output at −45 ° C. is remarkable. That is, the output drops significantly from −30 ° C. to −45 ° C. According to the configuration of the above [2], it is expected that the output decrease from -30 ° C to −45 ° C is suppressed.
以下、本開示の実施形態(本明細書では「本実施形態」と略記され得る)が説明される。ただし、以下の説明は特許請求の範囲を限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure (which may be abbreviated as "the present embodiment" in the present specification) will be described. However, the following description does not limit the scope of claims.
<リチウムイオン二次電池>
図1は、本実施形態の電池の構成の一例を示す概略図である。電池100は、ケース90を含む。ケース90は角形(扁平直方体)である。ただしケース(外装体)は角形に限定されるべきではない。ケースは、たとえば円筒形であってもよい。ケース90は、容器91および蓋92を含む。蓋92は、たとえばレーザ溶接により容器91と接合されている。
<Lithium-ion secondary battery>
FIG. 1 is a schematic view showing an example of the configuration of the battery of the present embodiment. The
ケース90は、電極群50および電解液を収納している。図1中の一点鎖線は、電解液の液面を示している。電解液は、電極群50内にも存在している。ケース90は密閉されている。ケース90は、たとえばアルミニウム(Al)合金等により構成され得る。ただし所定の密閉性が確保され得る限り、ケースは、たとえば、アルミラミネートフィルム製のパウチ等であってもよい。
The
蓋92は、正極端子81および負極端子82を備える。蓋92は、たとえば、注液孔、ガス排出弁、電流遮断機構(CID)等を備えていてもよい。
The
図1のY軸方向の両側から、容器91が押圧されていてもよい。すなわち電池100が拘束されていてもよい。押圧力は、たとえば30〜1000kgfであってもよい。
The
図2は、電極群の構成の一例を示す概略図である。電極群50は巻回型である。すなわち電極群50は、正極10、セパレータ30、負極20およびセパレータ30がこの順序で積層され、渦巻状に巻回されることにより構成されている。正極10は、正極端子81(図1)と電気的に接続される。負極20は、負極端子82(図1)と電気的に接続される。なお電極群は、積層型(スタック型)であってもよい。積層型の電極群は、正極と負極との間にセパレータが挟まれつつ、正極と負極とが交互に積層されることにより構成され得る。
FIG. 2 is a schematic view showing an example of the configuration of the electrode group. The
図3は、図2のIII−III線断面図である。正極10は、正極集電体11および正極合材層12を含む。負極20は、負極集電体21および負極合材層22を含む。セパレータ30は、正極合材層12と負極合材層22との間に配置されている。さらに無機フィラー層40が正極合材層12とセパレータ30との間に配置されている。正極合材層12、負極合材層22、無機フィラー層40およびセパレータ30には、それぞれ電解液が含浸されている。すなわち電池100は、正極合材層、負極合材層、無機フィラー層、セパレータおよび電解液を少なくとも含む。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. The
《正極》
本実施形態において、正極10は帯状のシートである。正極10は、正極集電体11および正極合材層12を含む。正極集電体11は、電池100の仕様に応じて、任意の形状を有し得る。正極集電体11は、たとえば、Al箔、チタン(Ti)箔、ステンレス箔等であってもよい。正極集電体11は、たとえば10〜100μmの厚さを有してもよい。
《Positive electrode》
In the present embodiment, the
正極合材層12は、正極集電体11の表面に形成されている。正極合材層12は、正極集電体11の表裏両面に形成されていてもよい。正極合材層12は、たとえば10〜200μmの厚さを有していてもよい。本明細書において各構成の「厚さ」は、たとえば、マイクロメータ等により測定され得る。各構成の厚さは、各構成の断面顕微鏡画像等において測定されてもよい。厚さは、少なくとも3回測定され得る。少なくとも3回の算術平均が測定結果として採用され得る。
The positive
正極合材層12は、たとえば2.30〜2.76g/cm3の密度を有してもよい。正極合材層12は、たとえば2.34g/cm3以上の密度を有してもよいし、2.42g/cm3以上の密度を有してもよい。正極合材層12は、たとえば2.62g/cm3以下の密度を有してもよいし、2.55g/cm3以下の密度を有してもよい。本明細書の正極合材層12の「密度」は、みかけ密度を示す。すなわち密度は、正極合材層12の質量が、正極合材層12のみかけ体積で除されることにより算出され得る。みかけ体積は、正極合材層12の厚さと正極合材層12の面積との乗算により算出される。後述の負極合材層22の密度についても同様である。
The positive
正極合材層12は多孔質である。正極合材層12は、正極活物質およびLi3PO4を少なくとも含む。正極合材層12は、たとえば、正極活物質、導電材、Li3PO4およびバインダを含んでもよい。
The positive
正極合材層12は、たとえば80〜95質量%の正極活物質を含んでもよい。電池100のエネルギー密度の観点から、正極合材層12は、85質量%以上の正極活物質を含んでもよい。正極活物質は粒子であり得る。正極活物質は、たとえば1〜30μmの平均粒径を有してもよい。本明細書の「平均粒径」は、レーザ回折散乱法によって測定される体積基準の粒度分布において、微粒側からの累積粒子体積が全粒子体積の50%になる粒径を示す。かかる平均粒径は「D50」とも称される。
The positive
正極活物質は、Liイオンを電気化学的に吸蔵し、放出する。正極活物質は、特に限定されるべきではない。正極活物質は、各種の結晶構造を有し得る。正極活物質は、たとえば、層状岩塩型、スピネル型、オリビン型等の結晶構造を有し得る。正極活物質は、たとえば、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、LiFePO4等であってもよい。1種の正極活物質が単独で使用されてもよいし、2種以上の正極活物質が組み合わされて使用されてもよい。極低温域における出力、および電池100のエネルギー密度の観点から、正極活物質は層状岩塩型の結晶構造を有することが望ましい。
The positive electrode active material electrochemically occludes and releases Li ions. The positive electrode active material should not be particularly limited. The positive electrode active material can have various crystal structures. The positive electrode active material may have a crystal structure such as a layered rock salt type, a spinel type, or an olivine type. The positive electrode active material may be, for example, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4, or the like. One kind of positive electrode active material may be used alone, or two or more kinds of positive electrode active materials may be used in combination. From the viewpoint of the output in the extremely low temperature region and the energy density of the
正極活物質は、層状岩塩型の結晶構造を有し、かつ下記式(I):
LiaNixCoyMnzO2 …(I)
(ただし式中、a、x、y、zは、1<a<1.2、0<x<1、0<y<1、0<z<1、x>z、y>z、x+y+z=1を満たす。)
により表されてもよい。
The positive electrode active material has a layered rock salt type crystal structure and has the following formula (I):
Li a Ni x Co y Mn z
(However, in the formula, a, x, y, z are 1 <a <1.2, 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1, x> z, y> z, x + y + z = 1 is satisfied.)
May be represented by.
上記式(I)により表される正極活物質としては、たとえば、Li1.1Ni0.7Co0.2Mn0.1O2、Li1.1Ni0.6Co0.3Mn0.1O2、Li1.1Ni0.5Co0.3Mn0.2O2、Li1.1Ni0.4Co0.4Mn0.2O2、Li1.1Ni0.4Co0.3Mn0.1O2等が挙げられる。 Examples of the positive electrode active material represented by the above formula (I) include Li 1.1 Ni 0.7 Co 0.2 Mn 0.1 O 2 , Li 1.1 Ni 0.6 Co 0.3 Mn 0.1 O 2 , Li 1.1 Ni 0.5 Co 0.3 Mn 0.2 O 2 . Examples thereof include Li 1.1 Ni 0.4 Co 0.4 Mn 0.2 O 2 and Li 1.1 Ni 0.4 Co 0.3 Mn 0.1 O 2.
正極活物質は、たとえば、Li、Ni(ニッケル)、Co(コバルト)、Mn(マンガン)およびO(酸素)以外の元素がドープされていてもよい。ドープ元素は、たとえば、Mg(マグネシウム)、Al、Si(珪素)、Ca(カルシウム)、Ti、Zn(亜鉛)、Ga(ガリウム)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、Nb(ニオブ)、Mo(モリブデン)、Hf(ハフニウム)、W(タングステン)、Ce(セリウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユウロピウム)およびYb(イッテルビウム)からなる群より選択される少なくとも1種であってもよい。正極活物質には、たとえば、0.8〜1.2質量%のWがドープされていてもよい。これにより、たとえば、極低温域における出力向上が期待される。 The positive electrode active material may be doped with an element other than, for example, Li, Ni (nickel), Co (cobalt), Mn (manganese) and O (oxygen). The doping elements include, for example, Mg (magnesium), Al, Si (silicon), Ca (calcium), Ti, Zn (zinc), Ga (gallium), Y (yttrium), Zr (zirconium), Nb (niobium), etc. It may be at least one selected from the group consisting of Mo (molybdenum), Hf (hafnium), W (tungsten), Ce (cerium), Sm (samarium), Eu (europium) and Yb (yttrium). The positive electrode active material may be doped with, for example, 0.8 to 1.2% by mass of W. As a result, for example, it is expected that the output will be improved in the extremely low temperature region.
正極合材層12は、1.4質量%以上6.0質量%以下のLi3PO4を含む。これにより、過充電時の発熱抑制が期待される。Li3PO4は、正極合材層12全体に均一に分散していてもよい。Li3PO4は、たとえば正極活物質の表面に配置されていてもよい。正極合材層12は、たとえば、1.4質量%以上2.8質量%以下のLi3PO4を含んでもよいし、2.8質量%以上6.0質量%以下のLi3PO4を含んでもよい。Li3PO4は、たとえば、0.05〜50μmの平均粒径を有してもよい。
The positive
正極合材層12は、たとえば3〜15質量%の導電材を含んでもよい。導電材は、正極合材層12内の電子伝導を補助する。導電材は、特に限定されるべきではない。導電材は、たとえば、黒鉛、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素、カーボンブラック(たとえばアセチレンブラック等)、活性炭、炭素繊維、カーボンナノチューブ等であってもよい。1種の導電材が単独で使用されてもよいし、2種以上の導電材が組み合わされて使用されてもよい。正極合材層12は、たとえば5質量%以上の導電材を含んでもよい。これにより、たとえば極低温域における出力向上が期待される。出力時のオーム損失が小さくなるためと考えられる。
The positive
正極合材層12は、たとえば1〜10質量%のバインダを含んでもよい。バインダは、正極合材層12内の構成要素同士を結着し、正極合材層12と正極集電体11とを結着する。バインダは、特に限定されるべきではない。バインダは、たとえば、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)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体〔poly(VDF―co―HFP)〕、ポリアクリル酸(PAA)、カルボキシメチルセルロース(CMC)等であってもよい。1種のバインダが単独で使用されてもよいし、2種以上のバインダが組み合わされて使用されてもよい。
The positive
《負極》
本実施形態において、負極20は帯状のシートである。負極20は、負極集電体21および負極合材層22を含む。負極集電体21は、電池100の仕様に応じて、任意の形状を有し得る。負極集電体21は、たとえば、銅(Cu)箔、Ti箔、ステンレス箔等であってもよい。負極集電体21は、たとえば10〜100μmの厚さを有してもよい。負極合材層22は、たとえば、0.8〜2.0g/cm3の密度を有してもよい。
《Negative electrode》
In the present embodiment, the
負極合材層22は、負極集電体21の表面に形成されている。負極合材層22は、負極集電体21の表裏両面に形成されていてもよい。負極合材層22は、たとえば10〜200μmの厚さを有してもよい。
The negative
負極合材層22は多孔質である。負極合材層22は、負極活物質を少なくとも含む。負極合材層22は、たとえば、負極活物質およびバインダを含んでもよい。
The negative
負極合材層22は、たとえば80〜99.5質量%の負極活物質を含んでもよい。負極活物質は粒子であり得る。負極活物質は、たとえば1〜30μmの平均粒径を有してもよい。負極活物質は、Liイオンを電気化学的に吸蔵し、放出する。負極活物質は、特に限定されるべきではない。負極活物質は、たとえば、炭素六角網面が積層された結晶構造を含む炭素材料(典型的には黒鉛)、珪素、酸化珪素、珪素基合金、錫、錫基合金等であってもよい。1種の負極活物質が単独で使用されてもよいし、2種以上の負極活物質が組み合わされて使用されてもよい。
The negative
負極合材層22は、たとえば0.5〜20質量%のバインダを含んでもよい。バインダは特に限定されるべきではない。バインダは、たとえば、CMC、スチレンブタジエンゴム(SBR)、PAA等であってもよい。1種のバインダが単独で使用されてもよいし、2種以上のバインダが組み合わされて使用されてもよい。負極合材層22は、導電材をさらに含んでもよい。負極合材層22の導電材は、たとえば、カーボンブラック、炭素繊維等であってもよい。
The negative
《セパレータ》
本実施形態において、セパレータ30は帯状のシートである。セパレータ30は、正極合材層12と負極合材層22との間に配置されている。セパレータ30は、電気絶縁性である。セパレータ30は、正極合材層12と負極合材層22とを電気的に隔絶している。セパレータ30は多孔質である。セパレータ30は電解液を透過させる。セパレータ30は、たとえば10〜50μmの厚さを有してもよい。
《Separator》
In the present embodiment, the
セパレータ30は、たとえば、ポリエチレン(PE)製、ポリプロピレン(PP)製等の多孔質膜であり得る。セパレータ30は、単層構造を有してもよいし、多層構造(たとえば3層構造等)を有してもよい。セパレータ30は、たとえば、PE製の多孔質膜のみにより構成されていてもよい。セパレータ30は、たとえば、PP製の多孔質膜、PE製の多孔質膜およびPP製の多孔質膜がこの順序で積層されることにより構成されていてもよい。
The
《無機フィラー層》
無機フィラー層40は、正極合材層12とセパレータ30との間に配置されている。無機フィラー層40は、セパレータ30の表面に形成されていてもよいし、正極合材層12の表面に形成されていてもよいし、セパレータ30の表面および正極合材層12の表面の両方に形成されていてもよい。無機フィラー層40は、たとえば、セパレータ30の表面に、無機フィラーを含むペーストが塗布され、乾燥されることにより形成され得る。無機フィラー層40は、たとえば0.5〜10μmの厚さを有してもよい。
《Inorganic filler layer》
The
正極合材層12とセパレータ30との間に無機フィラー層40が配置されている限り、負極合材層22とセパレータ30との間にも無機フィラー層40が配置されていてもよい。ただし、無機フィラー層40が負極合材層22とセパレータ30との間に配置されていると、負極合材層22の表面に形成される被膜と、無機フィラー層40とが密着し、有効反応面積が減少する可能性もある。その結果、極低温域における出力が低下する可能性もある。したがって本実施形態では、正極合材層12とセパレータ30との間にのみ、無機フィラー層40が配置されていることが望ましい。
As long as the
無機フィラー層40は多孔質である。無機フィラー層40は、電解液を潤沢に保持し得る。無機フィラー層40が、正極合材層12とセパレータ30との間に配置されていることにより、極低温域において、出力時に正極活物質の近傍でLiイオンの濃度が減少することが抑制され得る。無機フィラー層40は、たとえば1〜20g/cm2の面密度(目付)を有してもよい。かかる範囲において、無機フィラー層40が、本実施形態にとって好適な電解液保持能を有することが期待される。
The
無機フィラー層40は、無機フィラーを含む。本明細書の「無機フィラー」は、充放電反応に関与しない無機化合物の粒子を示す。無機フィラーは、セパレータ30の構成材料の融点よりも高い融点を有してもよい。その場合、たとえば、無機フィラー層40がセパレータ30の表面に形成されることにより、セパレータ30に耐熱性が付与され得る。
The
無機フィラーは、たとえば0.1〜5μmの平均粒径を有してもよい。無機フィラーは、たとえば、アルミナ(たとえばαアルミナ等)、チタニア、ベーマイト、マグネシア、ジルコニア等であってもよい。1種の無機フィラーが単独で使用されてもよいし、2種以上の無機フィラーが組み合わされて使用されてもよい。無機フィラーの形状は特に限定されるべきではない。無機フィラーは、たとえば、球状、塊状、針状、繊維状、フレーク状等であり得る。 The inorganic filler may have an average particle size of, for example, 0.1 to 5 μm. The inorganic filler may be, for example, alumina (for example, α-alumina), titania, boehmite, magnesia, zirconia or the like. One kind of inorganic filler may be used alone, or two or more kinds of inorganic fillers may be used in combination. The shape of the inorganic filler should not be particularly limited. The inorganic filler can be, for example, spherical, lumpy, needle-like, fibrous, flake-like or the like.
無機フィラー層40は、バインダをさらに含んでもよい。無機フィラー層40は、たとえば、70〜98質量%の無機フィラー、および2〜30質量%のバインダを含んでもよい。無機フィラー層40のバインダは、正極合材層12および負極合材層22のバインダとして例示されたものであってもよい。バインダは、たとえば、ポリイミド、エチレン−アクリル酸エステル共重合体等であってもよい。
The
《電解液》
電解液は、溶媒およびLi塩を含む。溶媒は、非プロトン性である。溶媒は、EMCおよびDMCを含む。すなわち電解液は、EMCおよびDMCを少なくとも含む。溶媒においてEMCおよびDMCの合計は、たとえば60〜95体積%の比率を有してもよい。
《Electrolytic solution》
The electrolytic solution contains a solvent and a Li salt. The solvent is aprotic. Solvents include EMC and DMC. That is, the electrolytic solution contains at least EMC and DMC. The sum of EMC and DMC in the solvent may have a ratio of, for example, 60-95% by volume.
EMC/DMC比は、0.94以上2.11以下である。EMC/DMC比が0.94以上2.11以下の範囲を外れると、極低温域において出力が低下する可能性がある。さらにEMC/DMC比が0.94以上2.11以下の範囲を外れると、過充電時の発熱抑制が不十分になる可能性がある。EMC/DMC比は、たとえば、1.05以上であってもよいし、1.06以上であってもよいし、1.12以上であってもよいし、1.37以上であってもよい。EMC/DMC比は、たとえば、1.79以下であってもよいし、1.50以下であってもよい。 The EMC / DMC ratio is 0.94 or more and 2.11 or less. If the EMC / DMC ratio is out of the range of 0.94 or more and 2.11 or less, the output may decrease in the extremely low temperature region. Further, if the EMC / DMC ratio is out of the range of 0.94 or more and 2.11 or less, the suppression of heat generation at the time of overcharging may be insufficient. The EMC / DMC ratio may be, for example, 1.05 or more, 1.06 or more, 1.12 or more, or 1.37 or more. .. The EMC / DMC ratio may be, for example, 1.79 or less, or 1.50 or less.
溶媒は、EMCおよびDMC以外の成分をさらに含んでもよい。溶媒は、たとえば高誘電率成分を含んでもよい。高誘電率成分としては、たとえば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、γ−ブチロラクトン(GBL)等が挙げられる。溶媒において高誘電率成分は、たとえば5〜40体積%の比率を有してもよい。 The solvent may further contain components other than EMC and DMC. The solvent may contain, for example, a high dielectric constant component. Examples of the high dielectric constant component include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), γ-butyrolactone (GBL) and the like. The high dielectric constant component in the solvent may have a ratio of, for example, 5-40% by volume.
すなわち電解液は、ECをさらに含んでもよい。その場合、DMCは、EC、EMCおよびDMCの合計に対して、たとえば28体積%以上36体積%以下の比率を有してもよい。これにより、−30℃から−45℃にかけての出力低下が抑制されることが期待される。DMCは、EC、EMCおよびDMCの合計に対して、たとえば28体積%以上34体積%以下の比率を有してもよい。 That is, the electrolytic solution may further contain EC. In that case, the DMC may have, for example, a ratio of 28% by volume or more and 36% by volume or less with respect to the total of EC, EMC and DMC. This is expected to suppress the decrease in output from −30 ° C. to −45 ° C. The DMC may have, for example, a ratio of 28% by volume or more and 34% by volume or less with respect to the total of EC, EMC and DMC.
Li塩は、溶媒に溶解している。電解液は、たとえば0.5〜2mоl/lのLi塩を含んでもよい。電解液は、たとえば0.8mоl/l以上のLi塩を含んでもよいし、1.0mоl/l以上のLi塩を含んでもよい。電解液は、たとえば1.5mоl/l以下のLi塩を含んでもよいし、1.2mоl/l以下のLi塩を含んでもよい。電解液に多くのLi塩が溶解している程、電解液の凝固点降下が大きくなることが期待される。凝固点降下により、極低温域における出力向上が期待される。 The Li salt is dissolved in the solvent. The electrolytic solution may contain, for example, 0.5 to 2 mL / l Li salt. The electrolytic solution may contain, for example, 0.8 mL / l or more of Li salt, or 1.0 mL / l or more of Li salt. The electrolytic solution may contain, for example, a Li salt of 1.5 mL / l or less, or may contain a Li salt of 1.2 mL / l or less. It is expected that the more Li salts are dissolved in the electrolytic solution, the greater the freezing point depression of the electrolytic solution. Due to the freezing point depression, the output is expected to improve in the extremely low temperature range.
Li塩は、たとえば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li[N(SO2F)2](LiFSI)、Li[N(CF3SO2)2]等であってもよい。これらのうちLiPF6は、溶解度およびイオン移動度が高い傾向にある。Li塩がLiPF6であることにより、たとえば、充放電特性の向上が期待される。1種のLi塩が単独で使用されてもよいし、2種以上のLi塩が組み合わされて使用されてもよい。 Li salts include, for example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li [N (SO 2 F) 2 ] (LiFSI), Li [N (CF 3 SO 2). ) 2 ] etc. may be used. Of these, LiPF 6 tends to have high solubility and ion mobility. When the Li salt is LiPF 6 , for example, improvement of charge / discharge characteristics is expected. One kind of Li salt may be used alone, or two or more kinds of Li salt may be used in combination.
電解液は、各種の機能性添加剤をさらに含んでもよい。電解液は、たとえば、0.1〜5質量%の機能性添加剤を含んでもよい。機能性添加剤は、たとえば、被膜形成剤、ガス発生剤(過充電添加剤)等であり得る。機能性添加剤としては、たとえば、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、リチウムビスオキサラトボラート(LiBOB)、ジフルオロリン酸リチウム、フルオロスルホン酸リチウム、シクロヘキシルベンゼン(CHB)、ビフェニル(BP)、プロパンサルトン(PS)、エチレンサルファイト(ES)等が挙げられる。 The electrolytic solution may further contain various functional additives. The electrolytic solution may contain, for example, 0.1 to 5% by mass of a functional additive. The functional additive may be, for example, a film-forming agent, a gas generating agent (overcharge additive), or the like. Examples of the functional additive include vinylene carbonate (VC), vinylethylene carbonate (VEC), fluoroethylene carbonate (FEC), lithium bisoxalatoborate (LiBOB), lithium difluorophosphate, lithium fluorosulfonate, and cyclohexylbenzene. (CHB), biphenyl (BP), propansalton (PS), ethylene sulphite (ES) and the like can be mentioned.
《用途等》
本実施形態の電池100は、極低温域において高い出力を示すことが期待される。本実施形態の電池100は、過充電時等の誤使用時においても、発熱量が小さいことが期待される。こうした性能が活かされる用途としては、たとえば、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)、電気自動車(EV)等の駆動用電源等が挙げられる。ただし本実施形態の電池100の用途は、自動車の駆動用電源に限定されるべきではない。本実施形態の電池100は、あらゆる用途に適用可能である。
<< Applications >>
The
以下、本開示の実施例が説明される。ただし以下の説明は、特許請求の範囲を限定するものではない。 Hereinafter, examples of the present disclosure will be described. However, the following description does not limit the scope of claims.
<実験1>
《実施例1−1》
正極活物質(上記式(I)により表されるもの)、導電材(アセチレンブラック)、Li3PO4、バインダ(PVdF)および溶媒(N−メチル−2−ピロリドン)が混合されることにより、正極ペーストが調製された。正極ペーストが正極集電体(Al箔)の表面(表裏両面)に塗布され、乾燥されることにより、正極合材層が形成された。正極合材層が所定の密度を有するように、正極合材層が圧縮された。これにより正極が製造された。正極が帯状に裁断された。
<Experiment 1>
<< Example 1-1 >>
By mixing the positive electrode active material (represented by the above formula (I)), the conductive material (acetylene black), Li 3 PO 4 , the binder (PVdF) and the solvent (N-methyl-2-pyrrolidone), A positive electrode paste was prepared. The positive electrode paste was applied to the surface (both front and back surfaces) of the positive electrode current collector (Al foil) and dried to form a positive electrode mixture layer. The positive electrode mixture layer was compressed so that the positive electrode mixture layer had a predetermined density. As a result, a positive electrode was manufactured. The positive electrode was cut into strips.
負極活物質(黒鉛)、バインダ(CMC、SBR)および溶媒(水)が混合されることにより、負極ペーストが調製された。負極ペーストが負極集電体(Cu箔)の表面(表裏両面)に塗布され、乾燥されることにより、負極合材層が形成された。負極合材層が所定の密度を有するように、負極合材層が圧縮された。これにより負極が製造された。負極が帯状に裁断された。 A negative electrode paste was prepared by mixing a negative electrode active material (graphite), a binder (CMC, SBR) and a solvent (water). The negative electrode paste was applied to the surface (both front and back surfaces) of the negative electrode current collector (Cu foil) and dried to form a negative electrode mixture layer. The negative electrode mixture layer was compressed so that the negative electrode mixture layer had a predetermined density. As a result, a negative electrode was manufactured. The negative electrode was cut into strips.
帯状のセパレータが準備された。セパレータは3層構造を有する。すなわちセパレータは、PP製の多孔質膜、PE製の多孔質膜およびPP製の多孔質膜がこの順序で積層されることにより構成されている。無機フィラー、バインダおよび溶媒が混合されることにより、ペーストが調製された。ペーストがセパレータの表面(片面)に塗布され、乾燥されることにより、無機フィラー層が形成された。 A strip-shaped separator was prepared. The separator has a three-layer structure. That is, the separator is configured by laminating a porous film made of PP, a porous film made of PE, and a porous film made of PP in this order. The paste was prepared by mixing the inorganic filler, binder and solvent. The paste was applied to the surface (one side) of the separator and dried to form an inorganic filler layer.
正極、セパレータ、負極およびセパレータがこの順序で積層され、渦巻状に巻回された。これにより電極群が製造された。セパレータに形成された無機フィラー層は、正極と対向するように配置された。すなわち、無機フィラー層が正極合材層とセパレータとの間に配置された。電極群が扁平状に成形された。 The positive electrode, the separator, the negative electrode and the separator were laminated in this order and spirally wound. As a result, a group of electrodes was manufactured. The inorganic filler layer formed on the separator was arranged so as to face the positive electrode. That is, the inorganic filler layer was arranged between the positive electrode mixture layer and the separator. The electrode group was formed into a flat shape.
角形のケースが準備された。電極群がケースに収納された。電解液がケースに注入された。実験1において、電解液は1.2mоl/lのLiPF6を含む。ケースが密閉された。以上より電池(角形リチウムイオン二次電池)が製造された。電池は、3.0〜4.1Vの電圧範囲において使用されるように設計されている。電池に所定のエージングが実施された。電池の初期充放電が実施された。本実験では、初回の放電容量が定格容量とされた。 A square case was prepared. The electrode group was housed in a case. The electrolyte was injected into the case. In Experiment 1, the electrolyte contains 1.2 mol / l LiPF 6 . The case was sealed. From the above, a battery (square lithium ion secondary battery) was manufactured. Batteries are designed to be used in the voltage range of 3.0 to 4.1 V. The batteries have undergone the prescribed aging. The initial charge and discharge of the battery was carried out. In this experiment, the initial discharge capacity was the rated capacity.
《実施例1−2〜実施例1−7、比較例1−1〜比較例1−10》
下記表1の構成を備える電池がそれぞれ製造された。下記表1の「無機フィラー層」の欄において、たとえば、「正極−セパレータ間」は、無機フィラー層が正極合材層とセパレータとの間に配置されていることを示す。
<< Example 1-2 to Example 1-7, Comparative Example 1-1 to Comparative Example 1-10 >>
Batteries having the configurations shown in Table 1 below were manufactured. In the column of "inorganic filler layer" in Table 1 below, for example, "between the positive electrode and the separator" indicates that the inorganic filler layer is arranged between the positive electrode mixture layer and the separator.
《低温出力試験》
本明細書では、電流の単位に「C」が使用される。「1C」の電流は、定格容量を1時間で放電する。電池の電圧が3.7Vに調整された。−45℃に設定された恒温槽内に電池が配置された。同環境で電池が6時間放置された。6時間経過後、10Cの電流により電池が放電された。放電開始から0.1秒後の電圧降下量が測定された。電圧降下量が電流で除されることにより、直流抵抗(本明細書では「IV抵抗」とも記される)が算出された。結果は上記表1に示されている。上記表1のIV抵抗の欄に示される値は、実施例1−7のIV抵抗が100%とされる場合の相対値である。値が小さい程、極低温域における出力が高いことを示している。
《Low temperature output test》
In this specification, "C" is used as a unit of electric current. The current of "1C" discharges the rated capacity in 1 hour. The battery voltage was adjusted to 3.7V. The batteries were placed in a constant temperature bath set at −45 ° C. The battery was left in the same environment for 6 hours. After 6 hours, the battery was discharged by a current of 10C. The amount of voltage drop 0.1 seconds after the start of discharge was measured. The DC resistance (also referred to herein as "IV resistance") was calculated by dividing the voltage drop by the current. The results are shown in Table 1 above. The values shown in the IV resistance column of Table 1 above are relative values when the IV resistance of Example 1-7 is 100%. The smaller the value, the higher the output in the cryogenic region.
《過充電試験》
電池の表面に熱電対(温度センサ)が取り付けられた。電池の温度が−10℃に調整された。10Cの電流により、4.1Vを超える所定電圧まで電池が充電された。所定電圧に到達後、5分間電池が放置された。5分後の電池の温度と、所定電圧に到達した際の電池の温度との差(ΔT)が算出された。結果は上記表1に示されている。ΔTが小さい程、過充電時の発熱が抑制されていることを示している。
《Overcharge test》
A thermocouple (temperature sensor) was attached to the surface of the battery. The battery temperature was adjusted to -10 ° C. The battery was charged to a predetermined voltage exceeding 4.1 V by a current of 10 C. After reaching the predetermined voltage, the battery was left for 5 minutes. The difference (ΔT) between the temperature of the battery after 5 minutes and the temperature of the battery when the predetermined voltage was reached was calculated. The results are shown in Table 1 above. The smaller ΔT is, the more the heat generation during overcharging is suppressed.
《評価》
低温出力試験および過充電試験の結果に基づき、各電池が以下のA〜Dのいずれのランクに属するか判定された。ランクが「A」である電池では、極低温域における出力と、過充電時の発熱抑制とが両立されていると考えられる。
《Evaluation》
Based on the results of the low temperature output test and the overcharge test, it was determined which of the following ranks A to D each battery belonged to. It is considered that the battery having the rank "A" has both the output in the extremely low temperature region and the suppression of heat generation at the time of overcharging.
A:IV抵抗(−45℃)が111%未満であり、かつΔTが26℃未満である。
B:IV抵抗(−45℃)が111%未満であり、かつΔTが26℃以上である。
C:IV抵抗(−45℃)が111%以上であり、かつΔTが26℃未満である。
D:IV抵抗(−45℃)が111%以上であり、かつΔTが26℃以上である。
A: The IV resistance (−45 ° C.) is less than 111% and ΔT is less than 26 ° C.
B: IV resistance (−45 ° C.) is less than 111% and ΔT is 26 ° C. or higher.
C: IV resistance (−45 ° C.) is 111% or more, and ΔT is less than 26 ° C.
D: IV resistance (−45 ° C.) is 111% or more, and ΔT is 26 ° C. or more.
《結果》
上記表1に示されるように、以下の条件(1)〜(3)をすべて満たす実施例は、極低温域における出力と、過充電時の発熱抑制とが両立されている(すなわちランクが「A」である)。他方、以下の条件(1)〜(3)のいずれか1つ以上を満たさない比較例は、極低温域における出力と、過充電時の発熱抑制とが両立されていない(すなわちランクが「B〜D」である)。
"result"
As shown in Table 1 above, in the examples satisfying all of the following conditions (1) to (3), both the output in the cryogenic region and the suppression of heat generation during overcharging are compatible (that is, the rank is "". A "). On the other hand, in the comparative example in which any one or more of the following conditions (1) to (3) is not satisfied, the output in the cryogenic region and the suppression of heat generation at the time of overcharging are not compatible (that is, the rank is "B". ~ D ").
(1)正極合材層が1.4質量%以上6.0質量%以下のLi3PO4を含む。
(2)無機フィラー層が正極合材層とセパレータとの間に配置されている。
(3)EMC/DMC比が0.94以上2.11以下である。
(1) The positive electrode mixture layer contains Li 3 PO 4 of 1.4% by mass or more and 6.0% by mass or less.
(2) The inorganic filler layer is arranged between the positive electrode mixture layer and the separator.
(3) The EMC / DMC ratio is 0.94 or more and 2.11 or less.
図4は、EMC/DMC比とIV抵抗(−45℃)との関係を示すグラフである。図5は、EMC/DMC比とΔTとの関係を示すグラフである。EMC/DMC比が0.94以上2.11以下の範囲において、極低温域における出力と、過充電時の発熱抑制とが両立されている。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the EMC / DMC ratio and the IV resistance (−45 ° C.). FIG. 5 is a graph showing the relationship between the EMC / DMC ratio and ΔT. In the range where the EMC / DMC ratio is 0.94 or more and 2.11 or less, both the output in the extremely low temperature range and the suppression of heat generation at the time of overcharging are compatible.
<実験2>
《実施例2−1〜実施例2−5、比較例2−1〜比較例2−4》
上記表1の構成を備える電池がそれぞれ製造された。実験2において、電解液は0.8mоl/lのLiPF6を含む。
<
<< Example 2-1 to Example 2-5, Comparative Example 2-1 to Comparative Example 2-4 >>
Batteries having the configurations shown in Table 1 above were manufactured. In
《低温出力試験》
上記「実験1」と同様に、−45℃におけるIV抵抗が測定された。測定温度が−30℃に変更されることを除いて、−45℃におけるIV抵抗と同様に、−30℃におけるIV抵抗が測定された。−45℃におけるIV抵抗が、−30℃におけるIV抵抗で除されることにより、IV抵抗比が算出された。結果は、上記表1に示されている。IV抵抗比が小さい程、−30℃から−45℃にかけての出力低下が抑制されていることを示している。
《Low temperature output test》
The IV resistance at −45 ° C. was measured in the same manner as in “Experiment 1” above. The IV resistance at -30 ° C was measured as well as the IV resistance at −45 ° C, except that the measurement temperature was changed to −30 ° C. The IV resistance ratio was calculated by dividing the IV resistance at −45 ° C. by the IV resistance at −30 ° C. The results are shown in Table 1 above. The smaller the IV resistivity ratio, the more the decrease in output from −30 ° C. to −45 ° C. is suppressed.
図6は、DMC比率と、IV抵抗比(−45℃/−30℃)との関係を示すグラフである。DMC比率が28体積%以上36体積%以下の範囲において、IV抵抗比が顕著に低下している。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the DMC ratio and the IV resistance ratio (−45 ° C./-30 ° C.). In the range where the DMC ratio is 28% by volume or more and 36% by volume or less, the IV resistance ratio is remarkably lowered.
今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。特許請求の範囲の記載によって確定される技術的範囲は、特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。 The embodiments and examples disclosed this time are exemplary in all respects and are not restrictive. The technical scope defined by the description of the claims includes all changes within the meaning and scope equivalent to the description of the claims.
10 正極、11 正極集電体、12 正極合材層、20 負極、21 負極集電体、22 負極合材層、30 セパレータ、40 無機フィラー層、50 電極群、81 正極端子、82 負極端子、90 ケース、91 容器、92 蓋、100 電池(リチウムイオン二次電池)。 10 positive electrode, 11 positive electrode current collector, 12 positive electrode mixture layer, 20 negative electrode, 21 negative electrode current collector, 22 negative electrode mixture layer, 30 separator, 40 inorganic filler layer, 50 electrode group, 81 positive electrode terminal, 82 negative electrode terminal, 90 cases, 91 containers, 92 lids, 100 batteries (lithium ion secondary batteries).
Claims (2)
を少なくとも含み、
前記正極合材層は、正極活物質、および1.4質量%以上6.0質量%以下のリン酸三リチウムを少なくとも含み、
前記セパレータは、前記正極合材層と前記負極合材層との間に配置されており、
前記無機フィラー層は、前記正極合材層と前記セパレータとの間に配置されており、
前記無機フィラー層は、多孔質であり、
前記無機フィラー層は、1g/cm 2 以上20g/cm 2 以下の面密度を有し、
前記電解液は、エチルメチルカーボネートおよびジメチルカーボネートを少なくとも含み、
ジメチルカーボネートの体積に対するエチルメチルカーボネートの体積の比は、0.94以上2.11以下である、
リチウムイオン二次電池。 Containing at least a positive electrode mixture layer, a negative electrode mixture layer, an inorganic filler layer, a separator and an electrolytic solution,
The positive electrode mixture layer contains at least a positive electrode active material and at least 1.4% by mass or more and 6.0% by mass or less of trilithium phosphate.
The separator is arranged between the positive electrode mixture layer and the negative electrode mixture layer.
The inorganic filler layer is arranged between the positive electrode mixture layer and the separator.
The inorganic filler layer is porous and
The inorganic filler layer has a surface density of 1 g / cm 2 or more and 20 g / cm 2 or less.
The electrolytic solution contains at least ethyl methyl carbonate and dimethyl carbonate and contains at least.
The ratio of the volume of ethyl methyl carbonate to the volume of dimethyl carbonate is 0.94 or more and 2.11 or less.
Lithium-ion secondary battery.
ジメチルカーボネートは、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびジメチルカーボネートの合計に対して、28体積%以上36体積%以下の比率を有する、
請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。 The electrolytic solution further contains ethylene carbonate and contains
Dimethyl carbonate has a ratio of 28% by volume or more and 36% by volume or less with respect to the total of ethylene carbonate, ethylmethyl carbonate and dimethyl carbonate.
The lithium ion secondary battery according to claim 1.
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