JP7213221B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本技術は非水電解質二次電池に関する。 The present technology relates to non-aqueous electrolyte secondary batteries.
特開平7-245121号公報(特許文献1)は、純リチウムからなる負極を開示している。 Japanese Patent Laying-Open No. 7-245121 (Patent Document 1) discloses a negative electrode made of pure lithium.
リチウムイオン二次電池が普及している。リチウムイオン二次電池においては、リチウム(Li)イオンを可逆的に吸蔵し得る物質(例えば黒鉛等)が、負極活物質として使用される。 Lithium ion secondary batteries are widespread. In a lithium ion secondary battery, a material capable of reversibly absorbing lithium (Li) ions (for example, graphite) is used as a negative electrode active material.
非水電解質二次電池(以下「電池」と略記され得る。)において、Li金属自体を負極活物質として使用することも検討されている。Li金属の溶解反応および析出反応を利用することにより、電池の高容量化が期待される。 In non-aqueous electrolyte secondary batteries (which may be abbreviated as “batteries” hereinafter), the use of Li metal itself as a negative electrode active material has also been investigated. By utilizing the dissolution reaction and deposition reaction of Li metal, it is expected that the capacity of the battery will be increased.
ただし、Li金属はサイクル特性に改善の余地がある。すなわち充電時(析出反応時)に、Li金属がデンドライトを形成し得る。充電の都度、デンドライトが成長することにより、容量劣化が急速に進行する傾向がある。 However, Li metal has room for improvement in cycle characteristics. That is, Li metal can form dendrites during charging (during precipitation reaction). Due to the growth of dendrites each time charging is performed, capacity deterioration tends to progress rapidly.
本技術の目的は、Li金属を負極活物質として含む電池において、サイクル特性を改善することである。 An object of the present technology is to improve cycle characteristics in a battery containing Li metal as a negative electrode active material.
以下、本技術の構成および作用効果が説明される。ただし本技術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は本技術の範囲を限定しない。 The configuration and effects of the present technology will be described below. However, the mechanism of action of this technology includes presumption. Whether the mechanism of action is correct or not does not limit the scope of the present technology.
〔1〕 非水電解質二次電池は正極と負極と電解液とを含む。負極は負極活物質を含む。負極活物質はリチウム金属を含む。電解液は溶媒と支持電解質とアニオン性界面活性剤とを含む。アニオン性界面活性剤は、スルホン酸塩、硫酸塩およびリン酸塩からなる群より選択される少なくとも1種を含む。 [1] A non-aqueous electrolyte secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and an electrolytic solution. The negative electrode contains a negative electrode active material. The negative electrode active material contains lithium metal. The electrolytic solution contains a solvent, a supporting electrolyte and an anionic surfactant. Anionic surfactants include at least one selected from the group consisting of sulfonates, sulfates and phosphates.
本技術の電池においては、電解液がアニオン性界面活性剤を含む。アニオン性界面活性剤は、スルホン酸塩、硫酸塩およびリン酸塩からなる群より選択される少なくとも1種を含む。以下、本技術のアニオン性界面活性剤が「特定界面活性剤」とも記される。 In the battery of the present technology, the electrolyte contains an anionic surfactant. Anionic surfactants include at least one selected from the group consisting of sulfonates, sulfates and phosphates. Hereinafter, the anionic surfactant of the present technology is also referred to as "specific surfactant".
充電時、Li金属の表面では電解液が還元分解される。電解液の分解生成物は、Li金属の表面に皮膜を形成し得る。該皮膜は、SEI(solid electrolyte interface)膜と称されている。SEI膜の形成によりLi金属の表面において活性点が低減され得る。 During charging, the electrolyte is reductively decomposed on the Li metal surface. Decomposition products of the electrolyte can form a film on the surface of the Li metal. The film is called an SEI (solid electrolyte interface) film. Formation of the SEI film can reduce the active sites on the surface of the Li metal.
しかし、充電時に新たに析出するLi金属(すなわち新生面)には、SEI膜が形成されていない。SEI膜に被覆されたLi金属に比して、新生面は活性点を多く含むと考えられる。そのため、新生面にLi金属の析出が集中し、デンドライトが成長すると考えられる。 However, the SEI film is not formed on the Li metal newly deposited during charging (that is, on the new surface). It is believed that the new surface contains more active sites than the Li metal coated with the SEI film. Therefore, it is considered that precipitation of Li metal concentrates on the new surface and dendrites grow.
従来、SEI膜の形成を促進する添加剤が提案されている。例えば、ビニレンカーボネート(VC)、モノフルオロエチレンカーボネート(FEC)等の添加剤が、電解液に添加されている。しかしVCおよびFEC等によって、デンドライトの成長を十分に阻害することは困難であると考えられる。SEI膜の形成速度に比して、Li金属の析出速度が高いためと考えられる。 Conventionally, additives have been proposed that promote the formation of SEI films. For example, additives such as vinylene carbonate (VC) and monofluoroethylene carbonate (FEC) are added to the electrolyte. However, it is considered difficult to sufficiently inhibit dendrite growth by VC, FEC, and the like. This is probably because the deposition rate of Li metal is higher than the formation rate of the SEI film.
本技術の特定界面活性剤は、Li金属の析出時に、Li金属の表面に素早く吸着し得る。特定界面活性剤の吸着により、新生面の活性点が低減されることが期待される。したがって、デンドライトの成長が阻害され、サイクル特性が改善することが期待される。 The specific surfactant of the present technology can quickly adsorb to the surface of Li metal during deposition of Li metal. Adsorption of the specific surfactant is expected to reduce the number of active sites on the nascent surface. Therefore, it is expected that dendrite growth is inhibited and cycle characteristics are improved.
なお、メカニズムの詳細は不明ながら、特定界面活性剤(アニオン性界面活性剤)に代えて、カチオン性界面活性剤が使用された場合、サイクル特性が改善しない傾向がみられる。 Although the details of the mechanism are unknown, when a cationic surfactant is used instead of the specific surfactant (anionic surfactant), there is a tendency that the cycle characteristics are not improved.
〔2〕 スルホン酸塩は、例えば式(I):
CH3(CR3R2R1)(CH2)n1SO3
-・M1 (I)
により表されてもよい。
硫酸塩は、例えば式(II):
CH3(CR6R5R4)(CH2)n2SO4
-・M2 (II)
により表されてもよい。
リン酸塩は、例えば式(III):
CH3(CR11R10R9)(CH2)n3(PO4R8R7)2-・xM3 (III)
により表されてもよい。
式(I)から式(III)において、「R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10およびR11」は、それぞれ独立に、水素原子、メチル基、エチル基、ヒドロキシエチル基、カルボニル基またはアミノメチル基を示す。「n1、n2およびn3」は、それぞれ独立に、1から20の整数を示す。「M1、M2およびM3」は、それぞれ独立に、アルカリ金属イオンを示す。「x」は1または2の整数を示す。
[2] The sulfonate has, for example, the formula (I):
CH3 ( CR3R2R1 )( CH2 ) n1SO3 - .M1 ( I )
may be represented by
Sulfates are for example of the formula (II):
CH3 ( CR6R5R4 )( CH2 ) n2SO4 - .M2 ( II )
may be represented by
The phosphate is for example of formula (III):
CH3 ( CR11R10R9 )( CH2 ) n3 ( PO4R8R7 ) 2 - .xM3 ( III )
may be represented by
In formulas (I) to ( III ), " R1 , R2 , R3, R4 , R5, R6 , R7 , R8, R9 , R10 and R11 " are each independently , hydrogen atom, methyl group, ethyl group, hydroxyethyl group, carbonyl group or aminomethyl group. "n1, n2 and n3" each independently represent an integer of 1 to 20; “M 1 , M 2 and M 3 ” each independently represent an alkali metal ion. "x" represents an integer of 1 or 2;
〔3〕 アニオン性界面活性剤は、例えば、電解液に対して1%から3%の質量分率を有していてもよい。 [3] The anionic surfactant may have a mass fraction of, for example, 1% to 3% with respect to the electrolyte.
〔4〕 負極活物質は、例えば、実質的にリチウム金属からなっていてもよい。 [4] The negative electrode active material may consist essentially of lithium metal, for example.
以下、本技術の実施形態(以下「本実施形態」とも記される。)が説明される。ただし以下の説明は、本技術の範囲を限定しない。 Hereinafter, embodiments of the present technology (hereinafter also referred to as “present embodiments”) will be described. However, the following description does not limit the scope of this technology.
本明細書において、「含む、備える(comprise,include)」、「有する(have)」およびこれらの変形〔例えば「から構成される(be composed of)」、「包含する(emcopass,involve)」、「含有する(contain)」、「担持する(carry,support)」、「保持する(hold)」等〕の記載は、オープンエンド形式である。すなわち、ある構成を含むが、当該構成のみを含むことに限定されない。「からなる(consist of)」との記載はクローズド形式である。「実質的に・・・からなる(consist essentially of)」との記載はセミクローズド形式である。すなわち「実質的に・・・からなる」との記載は、本技術の目的を阻害しない範囲で、必須成分に加えて、追加の成分が含まれ得ることを示す。例えば、本技術の属する分野において通常想定される成分(例えば不可避不純物等)が、追加の成分として含まれていてもよい。 As used herein, "comprise, include," "have," and variations thereof [e.g., "be composed of," "emcopass, involve," Descriptions of "contain", "carry, support", "hold", etc.] are open-ended. That is, it includes a configuration, but is not limited to including only that configuration. References to "consist of" are closed form. The statement "consisting essentially of" is semi-closed form. That is, the description “consisting essentially of” indicates that additional components may be included in addition to the essential components within a range that does not hinder the purpose of the present technology. For example, components normally assumed in the field to which the present technology belongs (for example, unavoidable impurities, etc.) may be included as additional components.
本明細書において、単数形(「a」、「an」および「the」)は、特に断りの無い限り、複数形も含む。例えば「粒子」は「1つの粒子」のみならず、「粒子の集合体(粉体)」も含み得る。 In this specification, singular forms (“a,” “an,” and “the”) include plural forms unless otherwise stated. For example, "particle" can include not only "one particle" but also "aggregate of particles (powder)".
本明細書において、例えば「1%から3%」等の数値範囲は、特に断りのない限り、上限値および下限値を含む。例えば「1%から3%」は、「1%以上3%以下」の数値範囲を示す。また、数値範囲内から任意に選択された数値が、新たな上限値および下限値とされてもよい。例えば、数値範囲内の数値と、本明細書中の別の部分に記載された数値とが任意に組み合わされることにより、新たな数値範囲が設定されてもよい。 In the present specification, numerical ranges such as "1% to 3%" include upper and lower limits unless otherwise specified. For example, "1% to 3%" indicates a numerical range of "1% or more and 3% or less". Also, numerical values arbitrarily selected from within the numerical range may be used as the new upper and lower limits. For example, a new numerical range may be set by arbitrarily combining the numerical values within the numerical range and the numerical values described elsewhere in this specification.
本明細書において、例えば「LiCoO2」等の化学量論的組成式によって化合物が表現されている場合、該化学量論的組成式は、代表例に過ぎない。組成比は非化学量論的であってもよい。例えば、コバルト酸リチウムが「LiCoO2」と表現されている時、特に断りのない限り、コバルト酸リチウムは「Li/Co/O=1/1/2」の組成比に限定されず、任意の組成比でLi、CoおよびOを含み得る。 In this specification, when a compound is represented by a stoichiometric composition formula such as "LiCoO 2 ", the stoichiometric composition formula is merely a representative example. Composition ratios may be non-stoichiometric. For example, when lithium cobalt oxide is expressed as “LiCoO 2 ”, the composition ratio of lithium cobalt oxide is not limited to “Li/Co/O=1/1/2” unless otherwise specified. It may contain Li, Co and O in a compositional ratio.
各図中の寸法関係は、実際の寸法関係と一致しない場合がある。本技術の理解を助けるために、各図中の寸法関係(長さ、幅、厚さ等)が変更されている場合がある。さらに一部の構成が省略されている場合もある。 The dimensional relationships in each drawing may not match the actual dimensional relationships. Dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each figure may be changed to facilitate understanding of the present technology. Furthermore, some configurations may be omitted.
<非水電解質二次電池>
図1は、本実施形態における非水電解質二次電池の一例を示す概略図である。
電池100は、任意の用途で使用され得る。電池100は、例えば電動車両において、主電源または動力アシスト用電源として使用されてもよい。複数個の電池100が連結されることにより、電池モジュールまたは組電池が形成されてもよい。
<Non-aqueous electrolyte secondary battery>
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a non-aqueous electrolyte secondary battery in this embodiment.
電池100は外装体90を含む。外装体90は、角形(扁平直方体状)である。ただし角形は一例である。外装体90は、例えば円筒形であってもよいし、パウチ形であってもよい。外装体90は、例えばAl(アルミニウム)合金製であってもよい。外装体90は、電極体50および電解液(不図示)を収納している。電極体50は、正極集電部材81によって正極端子91に接続されている。電極体50は、負極集電部材82によって負極端子92に接続されている。
図2は、本実施形態における電極体の一例を示す概略図である。
電極体50は巻回型である。電極体50は、正極10、セパレータ30および負極20を含む。すなわち電池100は、正極10と負極20と電解液とを含む。正極10、セパレータ30および負極20は、いずれも帯状のシートである。電極体50は複数枚のセパレータ30を含んでいてもよい。電極体50は、正極10、セパレータ30および負極20がこの順に積層され、渦巻状に巻回されることにより形成されている。正極10または負極20の一方がセパレータ30に挟まれていてもよい。正極10および負極20の両方がセパレータ30に挟まれていてもよい。電極体50は、巻回後に扁平状に成形されている。なお巻回型は一例である。電極体50は、例えば積層(スタック)型であってもよい。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the electrode body in this embodiment.
The
《電解液》
電解液の少なくとも一部は、電極体50に含浸されている。電解液の全部が電極体50に含浸されていてもよい。電解液の一部が電極体50に含浸されていてもよい。電解液の一部は、例えば電極体50の外部(外装体90の底部)に貯留されていてもよい。
《Electrolyte》
At least part of the electrolytic solution is impregnated into the
電解液は液体電解質である。本実施形態の電解液は、溶媒と支持電解質と特定界面活性剤とを含む。電解液は、これらの成分に加えて、任意の添加剤等をさらに含んでいてもよい。 The electrolyte is a liquid electrolyte. The electrolytic solution of this embodiment contains a solvent, a supporting electrolyte, and a specific surfactant. The electrolytic solution may further contain optional additives in addition to these components.
(溶媒)
溶媒は非プロトン性である。溶媒は任意の成分を含み得る。溶媒は、例えば、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)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、1,2-ジメトキシエタン(DME)、メチルホルメート(MF)、メチルアセテート(MA)、メチルプロピオネート(MP)、およびγ-ブチロラクトン(GBL)からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。
(solvent)
Solvents are aprotic. The solvent can contain any component. Solvents include, for example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), 1,2-dimethoxyethane (DME ), methyl formate (MF), methyl acetate (MA), methyl propionate (MP), and γ-butyrolactone (GBL).
(支持電解質)
支持電解質は溶媒に溶解している。支持電解質は、例えば、LiPF6、LiBF4、およびLiN(FSO2)2からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。支持電解質は、例えば0.5mоl/Lから2.0mоl/Lのモル濃度を有していてもよい。支持電解質は、例えば0.8mоl/Lから1.2mоl/Lのモル濃度を有していてもよい。
(supporting electrolyte)
The supporting electrolyte is dissolved in the solvent. The supporting electrolyte may contain, for example, at least one selected from the group consisting of LiPF 6 , LiBF 4 and LiN(FSO 2 ) 2 . The supporting electrolyte may have a molarity of, for example, 0.5 mol/L to 2.0 mol/L. The supporting electrolyte may have a molarity of, for example, 0.8 mol/L to 1.2 mol/L.
(特定界面活性剤)
電解液は特定界面活性剤を含む。電解液は、例えば、質量分率(質量濃度)で0.1%から5%の特定界面活性剤を含んでいてもよい。電解液は、例えば、質量分率で1%から3%の特定界面活性剤を含んでいてもよい。電解液が複数種の特定界面活性剤を含む場合、特定界面活性剤の質量分率は、各特定界面活性剤の質量分率の合計を示す。
(Specific surfactant)
The electrolytic solution contains a specific surfactant. The electrolytic solution may contain, for example, 0.1% to 5% of specific surfactant in terms of mass fraction (mass concentration). The electrolytic solution may contain, for example, 1% to 3% by mass fraction of a specific surfactant. When the electrolytic solution contains a plurality of specific surfactants, the mass fraction of the specific surfactant indicates the total mass fraction of each specific surfactant.
特定界面活性剤は、溶媒に溶解していてもよいし、溶媒中に分散していてもよい。特定界面活性剤は、Li金属の析出時に、Li金属の表面に素早く吸着し得る。特定界面活性剤の吸着により、新生面の活性点が低減されることが期待される。したがって、デンドライトの成長が阻害され、サイクル特性が改善することが期待される。 The specific surfactant may be dissolved in the solvent or dispersed in the solvent. The specific surfactant can quickly adsorb to the surface of Li metal during deposition of Li metal. Adsorption of the specific surfactant is expected to reduce the number of active sites on the nascent surface. Therefore, it is expected that dendrite growth is inhibited and cycle characteristics are improved.
特定界面活性剤はアニオン性界面活性剤である。特定界面活性剤は、スルホン酸塩、硫酸塩およびリン酸塩からなる群より選択される少なくとも1種を含む。特定界面活性剤は、スルホン酸塩、硫酸塩またはリン酸塩のいずれか1つであってもよい。特定界面活性剤は、スルホン酸塩、硫酸塩およびリン酸塩のうち、いずれか1つ以上の混合物であってもよい。特定界面活性剤は、1分子鎖内に、スルホン酸基、硫酸基およびリン酸基からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。特定界面活性剤は、例えば単独重合体であってもよいし、共重合体であってもよい。特定界面活性剤は、例えば、オリゴマーであってもよいし、ポリマーであってもよい。 A specific surfactant is an anionic surfactant. The specific surfactant contains at least one selected from the group consisting of sulfonates, sulfates and phosphates. The specific surfactant may be any one of sulfonate, sulfate or phosphate. The specific surfactant may be a mixture of any one or more of sulfonates, sulfates and phosphates. The specific surfactant may contain at least one selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a sulfate group and a phosphate group in one molecular chain. The specific surfactant may be, for example, a homopolymer or a copolymer. A specific surfactant may be, for example, an oligomer or a polymer.
スルホン酸塩は、例えば式(I):
CH3(CR3R2R1)(CH2)n1SO3
-・M1 (I)
により表されてもよい。
Sulfonates are for example of the formula (I):
CH3 ( CR3R2R1 )( CH2 ) n1SO3 - .M1 ( I )
may be represented by
式(I)において、「R1、R2およびR3」は、それぞれ独立に、水素原子(-H)、メチル基(-CH3)、エチル基(-C2H5)、ヒドロキシエチル基(-C2H4OH)、カルボニル基(-C(=O)-)またはアミノメチル基(-CH2NH2)を示す。「n1」は1から20の整数を示す。「M1」はアルカリ金属イオンを示す。 In formula (I), "R 1 , R 2 and R 3 " are each independently a hydrogen atom (--H), a methyl group (--CH 3 ), an ethyl group (--C 2 H 5 ), a hydroxyethyl group (--C 2 H 4 OH), carbonyl group (--C(=O)--) or aminomethyl group (--CH 2 NH 2 ). “n1” represents an integer from 1 to 20; “M 1 ” represents an alkali metal ion.
「n1」は、例えば5から15の整数を示していてもよい。「n1」は、例えば5から10の整数を示していてもよい。「M1」は、例えばNa+、Li+およびK+からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。 "n1" may represent an integer from 5 to 15, for example. "n1" may represent an integer from 5 to 10, for example. "M 1 " may contain at least one selected from the group consisting of Na + , Li + and K + , for example.
硫酸塩は、例えば式(II):
CH3(CR6R5R4)(CH2)n2SO4
-・M2 (II)
により表されてもよい。
Sulfates are for example of the formula (II):
CH3 ( CR6R5R4 )( CH2 ) n2SO4 - .M2 ( II )
may be represented by
式(II)において、「R4、R5およびR6」は、それぞれ独立に、水素原子、メチル基、エチル基、ヒドロキシエチル基、カルボニル基またはアミノメチル基を示す。「n2」は1から20の整数を示す。「M2」はアルカリ金属イオンを示す。 In formula (II), "R 4 , R 5 and R 6 " each independently represent a hydrogen atom, a methyl group, an ethyl group, a hydroxyethyl group, a carbonyl group or an aminomethyl group. "n2" represents an integer from 1 to 20; " M2 " indicates an alkali metal ion.
「n2」は、例えば5から15の整数を示していてもよい。「n2」は、例えば5から10の整数を示していてもよい。「M2」は、例えばNa+、Li+およびK+からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。 "n2" may represent an integer from 5 to 15, for example. "n2" may represent an integer from 5 to 10, for example. "M 2 " may contain at least one selected from the group consisting of Na + , Li + and K + , for example.
リン酸塩は、例えば式(III):
CH3(CR11R10R9)(CH2)n3(PO4R8R7)2-・xM3 (III)
により表されてもよい。
The phosphate is for example of formula (III):
CH3 ( CR11R10R9 )( CH2 ) n3 ( PO4R8R7 ) 2 - .xM3 ( III )
may be represented by
式(III)において、「R7、R8、R9、R10およびR11」は、それぞれ独立に、水素原子、メチル基、エチル基、ヒドロキシエチル基、カルボニル基またはアミノメチル基を示す。「n3」は1から20の整数を示す。「M3 」はアルカリ金属イオンを示す。「x」は1または2の整数を示す。 In formula (III), " R7 , R8, R9 , R10 and R11 " each independently represents a hydrogen atom, a methyl group, an ethyl group, a hydroxyethyl group, a carbonyl group or an aminomethyl group. “n3” represents an integer from 1 to 20; " M3 " represents an alkali metal ion. "x" represents an integer of 1 or 2;
「n3」は例えば5から15の整数を示していてもよい。「n3」は例えば8から12の整数を示していてもよい。「M3」は、例えばNa+、Li+およびK+からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。 "n3" may indicate an integer from 5 to 15, for example. "n3" may represent an integer from 8 to 12, for example. "M 3 " may contain at least one selected from the group consisting of Na + , Li + and K + , for example.
特定界面活性剤は、例えば、1-デカンスルホン酸ナトリウム、デシル硫酸ナトリウム、リン酸モノドデシルモノナトリウム、およびリン酸モノドデシルジナトリウムからなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。 The specific surfactant may contain, for example, at least one selected from the group consisting of sodium 1-decanesulfonate, sodium decyl sulfate, monododecyl monosodium phosphate, and monododecyl disodium phosphate.
特定界面活性剤は、例えば250から7000の数平均分子量(Mn)を有していてもよい。特定界面活性剤は、例えば300から9000の重量平均分子量(Mw)を有していてもよい。数平均分子量(Mn)および重量平均分子量(Mw)は、GPC法(gel permeation chromatography)により測定され得る。 Specific surfactants may have a number average molecular weight (Mn) of, for example, 250 to 7,000. Specific surfactants may have a weight average molecular weight (Mw) of, for example, 300 to 9000. Number average molecular weight (Mn) and weight average molecular weight (Mw) can be measured by the GPC method (gel permeation chromatography).
《負極》
負極20は負極活物質を含む。負極20は、例えば、実質的に負極活物質からなっていてもよい。負極活物質はLi金属を含む。負極活物質は、例えば実質的にLi金属からなっていてもよい。負極活物質はLi金属を含む限り、その他の成分をさらに含んでいてもよい。負極活物質は、Li金属に加えて、例えばLi合金を含んでいてもよい。Li合金は、例えば、Si(珪素)、Sn(錫)、Al、Cd(カドミウム)、Sb(アンチモン)およびPb(鉛)からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。負極活物質は、Li金属に加えて、例えば黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、SiO、Si/C複合材料、SnO、およびLi4Ti5O12からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。「Si/C複合材料」は、珪素と炭素との複合材料を示す。Si/C複合材料は、例えば炭素材料(黒鉛、非晶質炭素等)にSi金属、Si酸化物等が担持されることにより形成され得る。
《Negative electrode》
The
Li金属は、実質的にLiの単体からなる。Li金属は、例えば箔状であってもよい。例えばLi箔が負極20を形成していてもよい。Li箔は、例えば0.1mmから2mmの厚さを有していてもよい。Li箔は、例えば0.1mmから1mmの厚さを有していてもよい。Li箔は負極基材に担持されていてもよい。負極基材は、例えばCu(銅)板、Cu箔等を含んでいてもよい。例えば、Cu板の片面にLi箔が圧着されることにより、負極20が形成されていてもよい。Cu板の両面にLi箔が圧着されることにより、負極20が形成されていてもよい。Li金属は、例えば網状であってもよい。Li金属は、例えば粒子状であってもよい。例えば、Li金属粒子および炭素粒子等を含む混合物が層状に成形されることにより、負極20が形成されていてもよい。
Li metal consists essentially of Li alone. The Li metal may be in the form of foil, for example. For example, a Li foil may form the
負極20は、例えばLi金属を担持する担持層を含んでいてもよい。担持層は、負極基材の表面に形成されていてもよい。担持層は、例えば、炭素系負極活物質(黒鉛等)とバインダとを含んでいてもよい。担持層は、例えば、炭素系負極活物質と、合金系負極活物質(Si金属、Si酸化物等)と、バインダとを含んでいてもよい。バインダは、例えば、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)等を含んでいてもよい。例えば、担持層の表面にLi箔が配置されていてもよい。例えば、担持層の表面にLi箔が積層されていてもよい。例えば、担持層の表面にLi金属粒子が配置されていてもよい。例えば、担持層の表面にLi金属粒子が埋め込まれていてもよい。例えば、担持層の表面にLi金属の粉体層が形成されていてもよい。
The
《正極》
正極10は、例えば正極合材層を含む。正極10は、例えば正極基材をさらに含んでいてもよい。例えば正極基材の表面に正極合材層が配置されていてもよい。正極合材層は、正極基材の片面のみに配置されていてもよい。正極合材層は、正極基材の表裏両面に配置されていてもよい。正極基材は導電性のシートである。正極基材は例えばAl箔等を含んでいてもよい。正極基材は、例えば10μmから30μmの厚さを有していてもよい。
《Positive electrode》
The
正極合材層は、例えば10μmから100μmの厚さを有していてもよい。正極合材層は正極活物質と導電材とバインダとを含んでいてもよい。正極合材層は、例えば、実質的に正極活物質と導電材とバインダとからなっていてもよい。正極合材層は、例えば、質量分率で80%から99.8%の正極活物質と、0.1%から10%の導電材と、0.1%から10%のバインダとからなっていてもよい。 The positive electrode composite layer may have a thickness of, for example, 10 μm to 100 μm. The positive electrode mixture layer may contain a positive electrode active material, a conductive material, and a binder. The positive electrode mixture layer may be, for example, substantially composed of a positive electrode active material, a conductive material, and a binder. The positive electrode mixture layer is composed of, for example, a positive electrode active material of 80% to 99.8% by mass, a conductive material of 0.1% to 10%, and a binder of 0.1% to 10%. may
正極活物質は任意の成分を含み得る。正極活物質は、例えばLiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn2O4、Li(NiCoMn)O2、Li(NiCoAl)O2、およびLiFePO4からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。ここで、例えば「Li(NiCoMn)O2」等の組成式における「(NiCoMn)」等の記載は、括弧内の組成比の合計が1であることを示している。導電材は任意の成分を含み得る。導電材は、例えばアセチレンブラック等を含んでいてもよい。バインダは任意の成分を含み得る。バインダは例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)等を含んでいてもよい。 The positive electrode active material can contain any component. The positive electrode active material contains at least one selected from the group consisting of LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li(NiCoMn)O 2 , Li(NiCoAl)O 2 and LiFePO 4 , for example. You can Here, for example, descriptions such as “(NiCoMn)” in composition formulas such as “Li(NiCoMn)O 2 ” indicate that the sum of the composition ratios in parentheses is one. The conductive material can contain any component. The conductive material may contain, for example, acetylene black. The binder can contain optional ingredients. The binder may include, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF).
《セパレータ》
セパレータ30の少なくとも一部は、正極10と負極20との間に介在している。セパレータ30は、正極10と負極20とを分離している。セパレータ30は、例えば10μmから30μmの厚さを有していてもよい。
《Separator》
At least part of the
セパレータ30は多孔質である。セパレータ30は電解液を透過する。セパレータ30は、例えば200s/100mLから400s/100mLの透気度を有していてもよい。本明細書における「透気度」は、「JIS P8117:2009」に規定される「透気抵抗度(air resistance)」を示す。透気度はガーレー試験法により測定される。
セパレータ30は電気絶縁性である。セパレータ30は、例えばポリオレフィン系樹脂を含んでいてもよい。セパレータ30は、例えば、実質的にポリオレフィン系樹脂からなっていてもよい。ポリオレフィン系樹脂は、例えばポリエチレン(PE)およびポリプロピレン(PP)からなる群より選択される少なくとも1種を含んでいてもよい。セパレータ30は、例えば単層構造を有していてもよい。セパレータ30は、例えば、実質的にPE層からなっていてもよい。セパレータ30は、例えば多層構造を有していてもよい。セパレータ30は、例えば、PP層とPE層とPP層とがこの順に積層されることにより形成されていてもよい。セパレータ30の表面に、例えば耐熱層等が形成されていてもよい。
以下、本技術の実施例(以下「本実施例」とも記される。)が説明される。ただし以下の説明は、本技術の範囲を限定しない。 Hereinafter, an embodiment of the present technology (hereinafter also referred to as "this embodiment") will be described. However, the following description does not limit the scope of this technology.
<非水電解質二次電池の製造>
以下のようにNo.1からNo.13に係る評価電池(非水電解質二次電池)が製造された。
<Production of non-aqueous electrolyte secondary battery>
No. as follows. 1 to No. An evaluation battery (non-aqueous electrolyte secondary battery) according to No. 13 was manufactured.
(正極の準備)
下記材料が準備された。
正極活物質:Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2
導電材:アセチレンブラック
バインダ:PVdF
分散媒:N-メチル-2-ピロリドン
正極基材:Al箔
(Preparation of positive electrode)
The following materials were prepared.
Positive electrode active material: Li(Ni1 / 3Co1 / 3Mn1 /3 ) O2
Conductive material: Acetylene black Binder: PVdF
Dispersion medium: N-methyl-2-pyrrolidone Positive electrode substrate: Al foil
正極活物質と導電材とバインダと分散媒とが混合されることにより、正極合材スラリーが調製された。固形分の質量比は「正極活物質/導電材/バインダ=87/10/3」であった。正極合材スラリーが正極基材の表面に塗布されることにより正極合材層が形成された。正極合材層が圧縮された。以上より正極が準備された。 A positive electrode mixture slurry was prepared by mixing the positive electrode active material, the conductive material, the binder, and the dispersion medium. The mass ratio of the solid content was "positive electrode active material/conductive material/binder=87/10/3". A positive electrode mixture layer was formed by applying the positive electrode mixture slurry to the surface of the positive electrode substrate. The positive electrode mixture layer was compressed. A positive electrode was prepared as described above.
(負極の準備)
下記材料が準備された。
負極活物質:Li金属(Li箔、厚さ=0.5mm)
負極基材:Cu板(厚さ=1mm)
(Preparation of negative electrode)
The following materials were prepared.
Negative electrode active material: Li metal (Li foil, thickness = 0.5 mm)
Negative electrode base material: Cu plate (thickness = 1 mm)
Li箔がCu板に圧着された。これにより負極が準備された。 A Li foil was crimped to the Cu plate. This prepared the negative electrode.
(電解液)
電解液が調製された。電解液は下記成分を含んでいた。添加剤の種類および質量分率は表1に示される。
(Electrolyte)
An electrolyte was prepared. The electrolyte contained the following components. Additive types and mass fractions are shown in Table 1.
溶媒:「EC/EMC=3/7(体積比)」
支持電解質:LiPF6(モル濃度=1.0mоl/L)
添加剤:表1を参照のこと。
Solvent: "EC/EMC = 3/7 (volume ratio)"
Supporting electrolyte: LiPF 6 (molarity = 1.0 mol/L)
Additives: See Table 1.
(組み立て)
セパレータが準備された。セパレータは3層構造を有していた。3層構造はPP層とPE層とPP層とからなっていた。セパレータは300s/100mLの透気度を有していた。
(assembly)
A separator was prepared. The separator had a three-layer structure. The three-layer structure consisted of a PP layer, a PE layer and a PP layer. The separator had an air permeability of 300s/100mL.
セパレータを挟んで正極と負極とが対向するように、正極とセパレータと負極とが積層された。これにより電極体が形成された。外装体が準備された。外装体はAlラミネートフィルム製のパウチであった。外装体に電極体が収納された。外装体に電解液が注入された。外装体が密封された。以上より評価電池が組み立てられた。 A positive electrode, a separator, and a negative electrode were laminated such that the positive electrode and the negative electrode faced each other with the separator interposed therebetween. An electrode body was thus formed. A shell was prepared. The package was a pouch made of Al laminated film. The electrode body was housed in the exterior body. An electrolytic solution was injected into the exterior body. The outer body was sealed. An evaluation battery was assembled as described above.
(活性化処理)
25℃に設定された恒温槽内において、0.3Itの定電流方式充電により、評価電池が4.1Vまで充電された。次いで、0.3Itの定電流方式放電により、評価電池が3Vまで放電された。該充電と放電との一巡が3回繰り返された。なお「It」は電流の時間率を表す記号である。1Itの電流は、評価電池の設計容量が1時間で放電されるように定義される。
(activation treatment)
The evaluation battery was charged to 4.1 V by constant current charging at 0.3 It in a constant temperature bath set at 25°C. The evaluation cell was then discharged to 3V by constant current discharge of 0.3It. The cycle of charging and discharging was repeated three times. Note that "It" is a symbol representing the time rate of current. A current of 1 It is defined such that the design capacity of the evaluated battery is discharged in 1 hour.
(初期容量の測定)
活性化処理後、定電流-定電圧方式充電により評価電池が満充電状態にされた。定電流充電時の電流は0.2Itであった。定電圧充電時の電圧は4.1Vであった。定電圧充電は、電流が0.02Itまで減衰した時点で終了された。次いで、0.3Itの定電流方式放電により、評価電池が3.0Vまで放電されることにより、初期容量(放電容量)が測定された。
(Measurement of initial capacity)
After the activation process, the evaluation battery was fully charged by constant current-constant voltage charging. The current during constant current charging was 0.2 It. The voltage during constant voltage charging was 4.1V. Constant voltage charging was terminated when the current decayed to 0.02 It. Then, the evaluation battery was discharged to 3.0 V by constant current discharge of 0.3 It, and the initial capacity (discharge capacity) was measured.
<サイクル試験>
25℃に設定された恒温槽内において、充放電サイクルが100回繰り返された。1サイクルは、下記「充電→第1休止→放電→第2休止」の一巡を示す。1サイクル目、50サイクル目および100サイクル目の放電容量が測定された。
<Cycle test>
The charge/discharge cycle was repeated 100 times in a constant temperature bath set at 25°C. One cycle indicates the following cycle of "charging→first rest→discharging→second rest". The discharge capacities at the 1st cycle, the 50th cycle and the 100th cycle were measured.
充電:定電流方式、電流=0.5It、終止電圧=4.1V
第1休止:10分
放電:定電流方式、電流=0.5It、終止電圧=3.0V
第2休止:10分
Charging: constant current method, current = 0.5 It, final voltage = 4.1 V
First rest: 10 minutes Discharge: constant current method, current = 0.5 It, end voltage = 3.0 V
Second pause: 10 minutes
<結果>
No.1においては、電解液が添加剤を含んでいない。No.1においては、容量劣化の進行が急速である。
<Results>
No. In 1, the electrolyte does not contain additives. No. In 1, progress of capacity deterioration is rapid.
No.2およびNo.3においては、電解液がVCを含む。VCは、SEI膜の形成を促進すると考えられる。VCの質量分率が高くなると、僅かながらサイクル特性が改善する傾向がみられる。 No. 2 and no. In 3, the electrolyte contains VC. VC is believed to promote the formation of the SEI film. As the mass fraction of VC increases, the cycle characteristics tend to improve, albeit slightly.
No.4およびNo.5においては、電解液がFECを含む。FECは、SEI膜の形成を促進すると考えられる。FECの添加により、サイクル特性が多少改善する傾向がみられる。 No. 4 and no. In 5, the electrolyte contains FEC. FEC is believed to promote the formation of the SEI film. Addition of FEC tends to improve cycle characteristics to some extent.
No.6からNo.11においては、電解液が界面活性剤A、BまたはCを含む。No.6からNo.11においては、サイクル特性が大幅に改善する傾向がみられる。Li金属の析出時に、Li金属の表面に界面活性剤が素早く吸着し得るためと考えられる。界面活性剤A、BおよびCは、いずれもアニオン性である。 No. 6 to No. In 11, the electrolyte contains surfactant A, B or C. No. 6 to No. In No. 11, there is a tendency for the cycle characteristics to significantly improve. This is probably because the surfactant can quickly adsorb to the surface of the Li metal when the Li metal is deposited. Surfactants A, B and C are all anionic.
No.12およびNo,13においては、電解液が界面活性剤Dを含む。No.12およびNo.13においては、容量劣化の進行が急速である。界面活性剤Dはカチオン性である。 No. In Nos. 12 and Nos. 13, the electrolyte contains surfactant D. No. 12 and no. In No. 13, progress of capacity deterioration is rapid. Surfactant D is cationic.
本実施形態および本実施例は、全ての点で例示である。本実施形態および本実施例は、制限的ではない。本技術の範囲は、特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内における全ての変更を包含する。例えば、本実施形態および本実施例から、任意の構成が抽出され、それらが任意に組み合わされることも、当初から予定されている。本実施形態および本実施例に複数の作用効果が記載されている場合、本技術の範囲は、全ての作用効果を奏する範囲に限定されない。 This embodiment and this example are illustrative in all respects. This embodiment and this example are not restrictive. The scope of the present technology includes all changes within the meaning and range of equivalence to the description of the claims. For example, it is planned from the beginning that arbitrary configurations are extracted from this embodiment and this example and they are arbitrarily combined. When a plurality of actions and effects are described in this embodiment and this example, the scope of the present technology is not limited to the range in which all the actions and effects are exhibited.
10 正極、20 負極、30 セパレータ、50 電極体、81 正極集電部材、82 負極集電部材、90 外装体、91 正極端子、92 負極端子、100 電池(非水電解質二次電池)。 10 positive electrode, 20 negative electrode, 30 separator, 50 electrode body, 81 positive electrode current collecting member, 82 negative electrode current collecting member, 90 exterior body, 91 positive electrode terminal, 92 negative electrode terminal, 100 battery (non-aqueous electrolyte secondary battery).
Claims (3)
前記負極は、負極活物質を含み、
前記負極活物質は、リチウム金属を含み、
前記電解液は、溶媒と支持電解質とアニオン性界面活性剤とを含み、
前記アニオン性界面活性剤は、スルホン酸塩、硫酸塩およびリン酸塩からなる群より選択される少なくとも1種を含み、
前記スルホン酸塩は、式(I):
CH 3 (CR 3 R 2 R 1 )(CH 2 ) n1 SO 3 - ・M 1 (I)
により表され、
前記硫酸塩は、式(II):
CH 3 (CR 6 R 5 R 4 )(CH 2 ) n2 SO 4 - ・M 2 (II)
により表され、
前記リン酸塩は、式(III):
CH 3 (CR 11 R 10 R 9 )(CH 2 ) n3 (PO 4 R 8 R 7 ) 2- ・xM 3 (III)
により表され、
前記式(I)から前記式(III)において、
R 1 、R 2 、R 3 、R 4 、R 5 、R 6 、R 7 、R 8 、R 9 、R 10 およびR 11 は、それぞれ独立に、水素原子、メチル基、エチル基、ヒドロキシエチル基、カルボニル基またはアミノメチル基を示し、
n1、n2およびn3は、それぞれ独立に、1から20の整数を示し、
M 1 、M 2 およびM 3 は、それぞれ独立に、アルカリ金属イオンを示し、
xは、1または2の整数を示す、
非水電解質二次電池。 including a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte;
The negative electrode includes a negative electrode active material,
the negative electrode active material includes lithium metal,
The electrolytic solution contains a solvent, a supporting electrolyte and an anionic surfactant,
The anionic surfactant contains at least one selected from the group consisting of sulfonates, sulfates and phosphates,
Said sulfonate has the formula (I):
CH3 ( CR3R2R1 ) ( CH2 ) n1SO3 - .M1 ( I ) _ _ _ _ _
is represented by
Said sulfate salt has the formula (II):
CH3 ( CR6R5R4 ) ( CH2 ) n2SO4 - .M2 ( II ) _ _ _ _ _
is represented by
Said phosphate has the formula (III):
CH3 ( CR11R10R9 ) ( CH2 ) n3 ( PO4R8R7 ) 2 - .xM3 ( III ) _ _ _ _ _ _
is represented by
In the above formulas (I) to (III),
R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , R 8 , R 9 , R 10 and R 11 are each independently a hydrogen atom, a methyl group, an ethyl group, a hydroxyethyl group; , represents a carbonyl group or an aminomethyl group,
n1, n2 and n3 each independently represent an integer from 1 to 20,
M 1 , M 2 and M 3 each independently represent an alkali metal ion,
x represents an integer of 1 or 2;
Non-aqueous electrolyte secondary battery.
請求項1に記載の非水電解質二次電池。 the anionic surfactant has a mass fraction of 1% to 3% with respect to the electrolyte;
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 .
請求項1または請求項2に記載の非水電解質二次電池。 wherein the negative electrode active material consists essentially of the lithium metal;
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2 .
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