JP7314191B2 - lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to lithium ion secondary batteries.
近年、リチウムイオン二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車(EV)、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)等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。 In recent years, lithium-ion secondary batteries have been favorably used as portable power sources for personal computers, mobile terminals, and the like, and power sources for driving vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HV), and plug-in hybrid vehicles (PHV).
リチウムイオン二次電池の正極には、一般的に、リチウム遷移金属複合酸化物等の正極活物質が用いられている。非水電解液中で生成した酸等によって、このような正極活物質から遷移金属が溶出し、溶出した遷移金属が負極に堆積すると、リチウム(Li)が析出し易くなることが知られている。この遷移金属の溶出に起因するLiの析出を抑制するために、特許文献1では、正極活物質層の幅方向の端部に低Ni組成の正極活物質を使用し、中央部に高Ni組成の正極活物質を使用することが提案されている。 A positive electrode active material such as a lithium transition metal composite oxide is generally used for the positive electrode of a lithium ion secondary battery. It is known that when a transition metal is eluted from such a positive electrode active material by an acid or the like generated in a non-aqueous electrolyte, and the eluted transition metal is deposited on the negative electrode, lithium (Li) is easily deposited. In order to suppress the deposition of Li due to the elution of this transition metal, Patent Document 1 proposes to use a positive electrode active material with a low Ni composition at the widthwise ends of the positive electrode active material layer and use a positive electrode active material with a high Ni composition in the central portion.
しかしながら、上記従来技術においては、エネルギー密度の高い高Ni組成の正極活物質に、エネルギー密度の低い低Ni組成の正極活物質を組合わせて用いるため、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度の低下を招くことになる。したがって、異なる組成の正極活物質を併用する場合には、リチウムイオン二次電池の特性の低下を招き得るものであり、この点において改善の余地がある。 However, in the conventional technology described above, since a positive electrode active material with a high energy density and a high Ni composition is used in combination with a positive electrode active material with a low energy density and a low Ni composition, the energy density of the lithium ion secondary battery is lowered. Therefore, when positive electrode active materials having different compositions are used in combination, the characteristics of the lithium ion secondary battery may deteriorate, and there is room for improvement in this respect.
そこで本発明は、異なる組成の正極活物質を用いなくても、リチウムイオン二次電池においてリチウムの析出を抑制することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to suppress deposition of lithium in a lithium ion secondary battery without using a positive electrode active material having a different composition.
ここに開示されるリチウムイオン二次電池は、正極と負極とが積層された電極体を備える。前記正極は、正極活物質層を有する。前記負極は、負極活物質層を有する。前記負極活物質層は、少なくとも一方向の寸法が、前記正極活物質層よりも大きい。前記負極活物質層は、前記正極活物質層と対向する対向領域と、前記正極活物質層と対向しない非対向領域と、を有する。前記方向において、前記正極活物質層は、二次粒子状の正極活物質粒子を含む中央領域と、単粒子状の正極活物質粒子を含有する端部領域と、を有する。前記端部領域において、前記正極活物質粒子の全質量に対する前記単粒子状の正極活物質粒子の質量割合は、30質量%以上である。前記中央領域における前記正極活物質粒子の全質量に対する前記二次粒子状の正極活物質粒子の質量割合は、前記端部領域における前記正極活物質粒子の全質量に対する前記二次粒子状の正極活物質粒子の質量割合よりも大きい。前記方向における前記負極活物質層の非対向領域の寸法に対する、前記正極活物質層の端部領域の寸法の比は、2以上7.5以下である。このような構成によれば、異なる組成の正極活物質を用いなくても、リチウムイオン二次電池においてリチウムの析出を抑制することができる。 A lithium-ion secondary battery disclosed herein includes an electrode body in which a positive electrode and a negative electrode are laminated. The positive electrode has a positive electrode active material layer. The negative electrode has a negative electrode active material layer. The negative electrode active material layer has a dimension in at least one direction larger than that of the positive electrode active material layer. The negative electrode active material layer has a facing region facing the positive electrode active material layer and a non-facing region not facing the positive electrode active material layer. In the direction, the positive electrode active material layer has a central region containing secondary positive electrode active material particles and end regions containing single positive electrode active material particles. In the end regions, the mass ratio of the single positive electrode active material particles to the total mass of the positive electrode active material particles is 30% by mass or more. The mass ratio of the secondary particle-like positive electrode active material particles to the total mass of the positive electrode active material particles in the central region is greater than the mass ratio of the secondary particle-like positive electrode active material particles to the total mass of the positive electrode active material particles in the end regions. A ratio of the dimension of the end region of the positive electrode active material layer to the dimension of the non-facing region of the negative electrode active material layer in the direction is 2 or more and 7.5 or less. According to such a configuration, deposition of lithium can be suppressed in the lithium ion secondary battery without using positive electrode active materials having different compositions.
ここに開示されるリチウムイオン二次電池の好ましい一態様においては、前記寸法の比が、2.5以上6.2以下である。このような構成によれば、リチウムの析出をより抑制することができる。 In a preferred embodiment of the lithium ion secondary battery disclosed herein, the dimension ratio is 2.5 or more and 6.2 or less. According to such a configuration, deposition of lithium can be further suppressed.
ここに開示されるリチウムイオン二次電池の好ましい一態様においては、前記端部領域において、前記正極活物質粒子の全質量に対する前記単粒子状の活物質粒子の質量割合が50質量%以上である。このような構成によれば、リチウムの析出をより抑制することができる。 In a preferred aspect of the lithium-ion secondary battery disclosed herein, in the end region, the mass ratio of the single-particle active material particles to the total mass of the positive electrode active material particles is 50% by mass or more. According to such a configuration, deposition of lithium can be further suppressed.
ここに開示されるリチウムイオン二次電池の好ましい一態様においては、前記負極活物質層が、負極活物質層を含有し、前記負極活物質が黒鉛である。このような構成によれば、リチウムの析出を特に抑制することができる。 In a preferred embodiment of the lithium ion secondary battery disclosed herein, the negative electrode active material layer contains a negative electrode active material layer, and the negative electrode active material is graphite. According to such a configuration, deposition of lithium can be particularly suppressed.
ここに開示されるリチウムイオン二次電池の好ましい一態様においては、前記端部領域に含まれる正極活物質粒子と前記中央領域に含まれる正極活物質粒子が、リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物の粒子であり、前記端部領域に含まれるリチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物中のLi以外の金属におけるNiの含有モル割合が、前記中央領域に含まれるリチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物中のLi以外の金属におけるNiの含有モル割合の0.9倍以上1.1倍以下である。このような構成によれば、組成が大きく異なる正極活物質を併用することに起因する、リチウムイオン二次電池の特性の低下を防止することができ、また、正極活物質の組成の違いに基づく金属溶出挙動の違いにより金属溶出が不均一になって、リチウム析出溶出効果が正極活物質層の一部において弱くなることを抑制することができる。 In a preferred embodiment of the lithium ion secondary battery disclosed herein, the positive electrode active material particles contained in the end regions and the positive electrode active material particles contained in the central region are particles of a lithium-nickel-cobalt-manganese-based composite oxide, and the molar ratio of Ni in the metal other than Li in the lithium-nickel-cobalt-manganese-based composite oxide contained in the end regions is 0.9 times or more and 1.1 times or less than the molar ratio of Ni in the metal other than Li in the lithium-nickel-cobalt-manganese-based composite oxide contained in the central region. According to such a configuration, it is possible to prevent the deterioration of the characteristics of the lithium ion secondary battery due to the combined use of positive electrode active materials with greatly different compositions, and it is possible to suppress the fact that the metal elution becomes uneven due to the difference in metal elution behavior due to the difference in the composition of the positive electrode active material, and the lithium deposition and elution effect weakens in part of the positive electrode active material layer.
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態を説明する。なお、本明細書において言及していない事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. Matters not mentioned in this specification but necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters by those skilled in the art based on the prior art in the relevant field. The present invention can be implemented based on the contents disclosed in this specification and common general technical knowledge in the field. Moreover, in the following drawings, members and parts having the same function are denoted by the same reference numerals. Also, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect the actual dimensional relationships.
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイスをいい、いわゆる蓄電池、および電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。また、本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。 In this specification, the term “secondary battery” refers to an electricity storage device that can be repeatedly charged and discharged, and is a term that includes so-called storage batteries and electricity storage elements such as electric double layer capacitors. In this specification, the term “lithium ion secondary battery” refers to a secondary battery that utilizes lithium ions as a charge carrier and is charged/discharged by the transfer of charge associated with the lithium ions between the positive and negative electrodes.
以下、扁平形状の捲回電極体と扁平形状の電池ケースとを有する扁平角型のリチウムイオン二次電池を例にして、本発明について詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail by taking as an example a flat prismatic lithium ion secondary battery having a flat wound electrode body and a flat battery case, but the present invention is described in the embodiments. It is not intended to be limited.
図1に示すリチウムイオン二次電池100は、扁平形状の捲回電極体20と非水電解液80とが扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)30に収容されることにより構築される密閉型電池である。電池ケース30には外部接続用の正極端子42および負極端子44と、電池ケース30の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁36とが設けられている。また、電池ケース30には、非水電解液80を注入するための注入口(図示せず)が設けられている。正極端子42は、正極集電板42aと電気的に接続されている。負極端子44は、負極集電板44aと電気的に接続されている。電池ケース30の材質としては、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。なお、図1は、非水電解液80の量を正確に表すものではない。
The lithium ion
捲回電極体20は、図1および図2に示すように、正極シート50と、負極シート60とが、2枚の長尺状のセパレータシート70を介して重ね合わされて長手方向に捲回された形態を有する。正極シート50は、長尺状の正極集電体52の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って正極活物質層54が形成された構成を有する。負極シート60は、長尺状の負極集電体62の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って負極活物質層64が形成されている構成を有する。正極活物質層非形成部分52a(すなわち、正極活物質層54が形成されずに正極集電体52が露出した部分)および負極活物質層非形成部分62a(すなわち、負極活物質層64が形成されずに負極集電体62が露出した部分)は、捲回電極体20の捲回軸方向(すなわち、上記長手方向に直交するシート幅方向)の両端から外方にはみ出すように形成されている。正極活物質層非形成部分52aおよび負極活物質層非形成部分62aには、それぞれ正極集電板42aおよび負極集電板44aが接合されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
正極シート50および負極シート60の構成を、図3を用いてより詳細に説明する。図3に、正極シート50および負極シート60の厚さ方向(図3のD方向)および幅方向(図3のW方向)に沿った断面図を示す。
The configurations of the
図3に示すように、負極活物質層64は、幅方向の寸法(すなわち、幅)が、正極活物質層54の幅方向の寸法(すなわち、幅)よりも大きい。負極活物質層64は、正極活物質層54と対向している。しかしながら、負極活物質層64は、正極活物質層54よりも幅が大きいため、正極活物質層54と対向する対向領域64Aと、正極活物質層54と対向しない非対向領域64B,64Cと、を有している。非対向領域64B,64Cはそれぞれ、負極活物質層64の幅方向の端部に位置している。
As shown in FIG. 3 , the negative electrode
負極活物質層64の非対向領域64B,64CのW方向の寸法は、特に限定されないが、好ましくは1mm以上3mm以下であり、より好ましくは1mm以上2mm以下である。また、負極活物質層64の幅は、例えば、正極活物質層54の幅の1.00倍超え1.10倍以下(好ましくは1.01倍以上1.06倍以下)であるが、これに限定されない。
Although the dimension in the W direction of the
一方で、幅方向において、正極活物質層54は、中央領域54Aと、端部領域54B,54Cとを有している。中央領域54Aは、端部領域54B,54Cに挟まれた領域である。
On the other hand, in the width direction, the positive electrode
正極活物質層54の中央領域54Aは、二次粒子状の正極活物質粒子を含む。二次粒子は、一次粒子が凝集して構成される粒子である。一方で、正極活物質層54の端部領域54B,54Cは、単粒子状の正極活物質粒子を含む。
A
ここで「単粒子」は、単一の結晶核の成長によって生成した粒子であり、よって結晶粒界を含まない単結晶体の粒子である。粒子が単結晶体であることは、例えば、透過型電子顕微鏡(TEM)による電子線回折像の解析によって確認することができる。 A "single grain" as used herein is a grain produced by the growth of a single crystal nucleus, and is thus a grain of a single crystal that does not contain grain boundaries. Whether the particles are single crystals can be confirmed, for example, by analysis of electron beam diffraction images with a transmission electron microscope (TEM).
単粒子は、凝集し難いという性質を有し、単粒子は単独で正極活物質粒子を構成するが、単粒子が凝集して正極活物質粒子を構成する場合もある。しかしながら、単粒子が凝集して正極活物質粒子を構成する場合、凝集している単粒子の数は、2個以上10個以下である。よって、一つの正極活物質粒子は、1個以上10個以下の単粒子から構成されるものであり、正極活物質粒子は、1個以上5個以下の単粒子から構成され得、1個以上3個以下の単粒子から構成され得、1個の単粒子から構成され得る。なお、1個の正極活物質粒子における単粒子の数は、10,000倍から30,000倍の拡大倍率で走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察することにより確認することができる。 Single particles have the property of being difficult to agglomerate, and single particles constitute positive electrode active material particles by themselves, but single particles may be aggregated to form positive electrode active material particles. However, when single particles are aggregated to form positive electrode active material particles, the number of aggregated single particles is 2 or more and 10 or less. Therefore, one positive electrode active material particle is composed of 1 to 10 single particles, and the positive electrode active material particle may be composed of 1 to 5 single particles, may be composed of 1 to 3 single particles, and may be composed of 1 single particle. The number of single particles in one positive electrode active material particle can be confirmed by observation with a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 10,000 to 30,000.
このように単粒子は、複数の結晶粒からなる多結晶粒子や微粒子(一次粒子)が多数凝集してなる二次粒子とは異なる。単粒子状の正極活物質は、単結晶粒子を得る公知方法(例えば、溶融塩法)に従い、作製することができる。 Thus, a single particle is different from a polycrystalline particle composed of a plurality of crystal grains or a secondary particle composed of a large number of aggregated fine particles (primary particles). A single-particle positive electrode active material can be produced according to a known method for obtaining single-crystal particles (for example, a molten salt method).
また、単粒子は、通常、二次粒子を構成する一次粒子が単結晶体である場合の一次粒子よりも大きい。このため凝集し難い。単粒子の最大径は、0.5μm以上であってよく、1μm超であってよく、さらには2μm超であってよく、3μm以上7μm以上であってよい。また、単粒子の平均最大径は、3μm以上7μm以上であってよい。なお、単粒子の最大径は、単粒子のSEM画像において、単粒子の輪郭線上の最も離れた2点間の距離として求めることができる。このSEM画像は、単粒子の2次元投影像であってよいし、断面像であってもよい。単粒子の平均最大径は、SEM画像において、任意に選ばれる100個以上の単粒子の最大径の平均値として求めることができる。 Also, the single particles are usually larger than the primary particles in the case where the primary particles constituting the secondary particles are single crystals. Therefore, it is difficult to agglomerate. The maximum diameter of a single particle may be 0.5 μm or more, may be more than 1 μm, may be more than 2 μm, and may be 3 μm or more and 7 μm or more. Moreover, the average maximum diameter of the single particles may be 3 μm or more and 7 μm or more. The maximum diameter of a single particle can be determined as the distance between the two furthest points on the contour line of the single particle in the SEM image of the single particle. This SEM image may be a two-dimensional projection image of a single particle, or may be a cross-sectional image. The average maximum diameter of single particles can be obtained as the average value of the maximum diameters of 100 or more arbitrarily selected single particles in the SEM image.
単粒子の形状は特に限定されず、球状、柱状、板状、不定形状であってよい。 The shape of the single particle is not particularly limited, and may be spherical, columnar, plate-like, or amorphous.
二次粒子を構成する一次粒子は、結晶粒界を有しない単結晶体であっても、結晶粒界を有する多結晶体であってもよい。1個の二次粒子は、11個以上の一次粒子から構成され、50個以上、または100個以上の一次粒子から構成されていてもよい。また、二次粒子は、10,000個以下、または1,000個以下の一次粒子から構成されていてもよい。一つの二次粒子における一次粒子の数は、10,000倍から30,000倍の拡大倍率でSEM観察することにより確認することができる。 The primary particles that make up the secondary particles may be single crystals having no crystal grain boundaries or polycrystals having crystal grain boundaries. One secondary particle is composed of 11 or more primary particles, and may be composed of 50 or more, or 100 or more primary particles. The secondary particles may also consist of 10,000 or less, or 1,000 or less primary particles. The number of primary particles in one secondary particle can be confirmed by SEM observation at a magnification of 10,000 to 30,000.
二次粒子を構成する一次粒子の最大径に関し、一次粒子が単結晶体である場合には、一次粒子の最大径は、通常、単粒子の最大径よりも小さい。このため凝集し易い。一次粒子の最大径は、0.5μm未満であってよく、0.05μm以上0.2μm以下であってよく、0.1μm以上0.2μm以下であってよい。また、一次粒子の平均最大径は、0.1μm以上0.2μm以下であってよい。 Regarding the maximum diameter of the primary particles that constitute the secondary particles, when the primary particles are single crystals, the maximum diameter of the primary particles is usually smaller than the maximum diameter of the single particles. For this reason, it tends to agglomerate. The maximum diameter of the primary particles may be less than 0.5 μm, may be 0.05 μm or more and 0.2 μm or less, or may be 0.1 μm or more and 0.2 μm or less. Also, the average maximum diameter of the primary particles may be 0.1 μm or more and 0.2 μm or less.
一次粒子が多結晶体である場合には、一次粒子の最大径は、0.01μm以上2μm以下であってよく、0.05μm以上1μm以下であってよい。一次粒子の平均最大径は、0.05μm以上1μm以下であってよい。 When the primary particles are polycrystalline, the maximum diameter of the primary particles may be 0.01 μm or more and 2 μm or less, and may be 0.05 μm or more and 1 μm or less. The average maximum diameter of the primary particles may be 0.05 μm or more and 1 μm or less.
なお、1個の二次粒子において、任意に選ばれる10個以上の一次粒子の最大径が所定の範囲内にある場合には、当該1個の二次粒子に含まれるすべての一次粒子の最大径がその所定の範囲内にあるとみなすことができる。なお、一次粒子の最大径および平均最大径は、上記の単粒子の最大径および平均最大径の測定方法と同じ方法により測定することができる。 In one secondary particle, when the maximum diameter of 10 or more arbitrarily selected primary particles is within a predetermined range, the maximum diameter of all primary particles contained in the one secondary particle can be considered to be within the predetermined range. The maximum diameter and average maximum diameter of primary particles can be measured by the same method as the method for measuring the maximum diameter and average maximum diameter of single particles.
二次粒子を構成する一次粒子の形状は特に限定されず、球状、柱状、板状、不定形状であってよい。 The shape of the primary particles that make up the secondary particles is not particularly limited, and may be spherical, columnar, plate-like, or irregular.
正極活物質粒子が二次粒子状である場合、二次粒子の平均径(メジアン径D50)は、特に制限はないが、例えば0.05μm以上25μm以下であり、好ましくは0.5μm以上23μm以下であり、より好ましくは3μm以上22μm以下である。なお、二次粒子の平均粒子径(メジアン径D50)は、例えば、レーザ回折散乱法等により求めることができる。 When the positive electrode active material particles are secondary particles, the average diameter (median diameter D50) of the secondary particles is not particularly limited, but is, for example, 0.05 μm or more and 25 μm or less, preferably 0.5 μm or more and 23 μm or less, more preferably 3 μm or more and 22 μm or less. The average particle diameter (median diameter D50) of the secondary particles can be obtained by, for example, a laser diffraction scattering method.
単粒子状の正極活物質は、二次粒子状の正極活物質よりも、遷移金属の溶出が起こり難い。したがって、端部領域54B,54Cにおいて単粒子状の正極活物質を用いることにより、リチウム析出抑制効果を得ることができる。しかしながら、端部領域54B,54Cにおいて、正極活物質粒子の全質量に対する単粒子状の正極活物質粒子の質量割合が小さ過ぎると、リチウム析出抑制効果が十分に得られない。そのため、当該質量割合は、30質量%以上であり、より高いリチウム析出抑制効果の観点から、好ましくは50質量%以上である。当該質量割合は、100質量%であってよい。すなわち、端部領域54B,54Cに含まれるすべての正極活物質粒子が、単粒子状であってよい。
The single-particle positive electrode active material is more resistant to elution of the transition metal than the secondary-particle positive electrode active material. Therefore, by using the single-particle positive electrode active material in the
なお、端部領域54B,54Cにおける質量割合が100質量%未満の場合、端部領域54B,54Cは、単粒子状の正極活物質粒子に加えて、二次粒子状の正極活物質を含有する。そのため、端部領域54B,54Cにおける正極活物質粒子の全質量に対する二次粒子状の正極活物質粒子の質量割合は、70質量%以下であり、好ましくは50質量%以下である。
When the mass ratio of the
一方で、中央領域54Aにおける正極活物質粒子の全質量に対する二次粒子状の正極活物質粒子の質量割合は、端部領域54B,54Cにおける正極活物質粒子の全質量に対する二次粒子状の正極活物質粒子の質量割合よりも大きい。よって、中央領域54Aにおける二次粒子状の正極活物質粒子のこの質量割合は、70質量%超えであり、好ましくは80質量%以上であり、より好ましくは85質量%以上であり、さらに好ましくは90質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。すなわち、最も好ましくは、中央領域54Aに含まれるすべての正極活物質粒子が、二次粒子状である。
On the other hand, the mass ratio of the secondary positive electrode active material particles to the total mass of the positive electrode active material particles in the
本実施形態においては、幅方向における負極活物質層64の非対向領域64Bの寸法(図3の寸法wn)に対する、正極活物質層54の端部領域54Bの寸法(図3の寸法wp)の比(wp/wn)が、2以上7.5以下である。比(wp/wn)がこの範囲内にあることによって、単粒子状の正極活物質粒子によるリチウム析出抑制効果を適切に得ることができる。より高いリチウム析出抑制効果の観点から、比(wp/wn)は、2.5以上6.2以下であることが好ましい。
In the present embodiment, the ratio (wp/wn) of the dimension (dimension wp in FIG. 3) of the
このように本実施形態では、正極活物質の粒子形態に着目し、遷移金属の溶出が起こり難い、すなわちリチウム析出抑制効果を有する単粒子状の正極活物質を、正極活物質層において適切な量で適切な位置に配置することによって、リチウムイオン二次電池におけるリチウム析出を抑制するものである。よって、本実施形態においては、異なる組成の正極活物質を用いなくても、リチウムイオン二次電池においてリチウムの析出を抑制することができる。 As described above, in the present embodiment, focusing on the particle form of the positive electrode active material, the deposition of lithium in a lithium ion secondary battery is suppressed by arranging an appropriate amount of a single-particle positive electrode active material having an effect of suppressing lithium deposition in the positive electrode active material layer, focusing on the particle form of the positive electrode active material. Therefore, in the present embodiment, deposition of lithium can be suppressed in the lithium ion secondary battery without using positive electrode active materials having different compositions.
本実施形態においては、正極活物質の組成は、特に限定されない。中央領域54Aに含まれる正極活物質の組成と、端部領域54B,54Cに含まれる正極活物質の組成は、同じであってもよく、異なっていてもよいが、同じまたは類似であることが好ましい。組成が同じまたは類似である場合には、組成が大きく異なる正極活物質を併用することに起因する、リチウムイオン二次電池の特性の低下を防止することができる。また、正極活物質の組成の違いに基づく金属溶出挙動の違いにより、金属溶出が不均一になって、リチウム析出溶出効果が正極活物質層の一部において弱くなることを抑制することができる。組成が同じまたは類似である場合としては、具体的に例えば、端部領域54B,54Cに含まれる正極活物質および中央領域54Aに含まれる正極活物質が、ニッケルを含有するリチウム複合酸化物(特に、リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物)であり、端部領域54B,54Cに含まれる正極活物質中のLi以外の金属におけるNiの含有モル割合が、中央領域54Aに含まれる正極活物質中のLi以外の金属におけるNiの含有モル割合の0.9倍以上1.1倍以下である場合などが挙げられる。
In this embodiment, the composition of the positive electrode active material is not particularly limited. The composition of the positive electrode active material contained in the
正極活物質の種類は、リチウムイオン二次電池に用いられる公知の正極活物質と同様であってよい。具体的に例えば、正極活物質として、リチウム複合酸化物、リチウム遷移金属リン酸化合物等を用いることができる。正極活物質の結晶構造は、特に限定されず、層状構造、スピネル構造、オリビン構造等であってよい。 The type of positive electrode active material may be the same as known positive electrode active materials used in lithium ion secondary batteries. Specifically, for example, a lithium composite oxide, a lithium transition metal phosphate compound, or the like can be used as the positive electrode active material. The crystal structure of the positive electrode active material is not particularly limited, and may be a layered structure, a spinel structure, an olivine structure, or the like.
リチウム複合酸化物としては、遷移金属元素として、Ni、Co、Mnのうちの少なくとも1種を含むリチウム遷移金属複合酸化物が好ましく、その具体例としては、リチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム系複合酸化物、リチウム鉄ニッケルマンガン系複合酸化物等が挙げられる。これらの正極活物質は、1種単独で用いてよく、または2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The lithium composite oxide is preferably a lithium transition metal composite oxide containing at least one of Ni, Co, and Mn as a transition metal element, and specific examples thereof include lithium nickel composite oxides, lithium cobalt composite oxides, lithium manganese composite oxides, lithium nickel manganese composite oxides, lithium nickel cobalt manganese composite oxides, lithium nickel cobalt aluminum composite oxides, and lithium iron nickel manganese composite oxides. These positive electrode active materials may be used singly or in combination of two or more.
なお、本明細書において「リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物」とは、Li、Ni、Co、Mn、Oを構成元素とする酸化物の他に、それら以外の1種または2種以上の添加的な元素を含んだ酸化物をも包含する用語である。かかる添加的な元素の例としては、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Na、Fe、Zn、Sn等の遷移金属元素や典型金属元素等が挙げられる。また、添加的な元素は、B、C、Si、P等の半金属元素や、S、F、Cl、Br、I等の非金属元素であってもよい。このことは、上記したリチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム系複合酸化物、リチウム鉄ニッケルマンガン系複合酸化物等についても同様である。 In this specification, the term "lithium-nickel-cobalt-manganese-based composite oxide" is a term that includes oxides containing Li, Ni, Co, Mn, and O as constituent elements, as well as oxides containing one or more additional elements. Examples of such additive elements include transition metal elements and typical metal elements such as Mg, Ca, Al, Ti, V, Cr, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Na, Fe, Zn and Sn. Also, the additive elements may be metalloid elements such as B, C, Si and P, and nonmetal elements such as S, F, Cl, Br and I. The same applies to the lithium-nickel-based composite oxide, lithium-cobalt-based composite oxide, lithium-manganese-based composite oxide, lithium-nickel-manganese-based composite oxide, lithium-nickel-cobalt-aluminum-based composite oxide, lithium-iron-nickel-manganese-based composite oxide, and the like.
正極活物質としては、リチウムイオン二次電池100に種々の有利な特性を付与できることから、リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物が好ましい。リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物としては、下式(I)で表される組成を有するものが好ましい。
Li1+xNiyCozMn(1-y-z)MαO2-βQβ (I)
As the positive electrode active material, a lithium-nickel-cobalt-manganese-based composite oxide is preferable because it can impart various advantageous characteristics to the lithium-ion
Li 1+x Ni y Co z Mn (1-yz) M α O 2-β Q β (I)
式(I)中、x、y、z、α、およびβはそれぞれ、-0.3≦x≦0.3、0.1≦y≦0.95、0.02≦z≦0.5、0≦α≦0.1、0≦β≦0.5を満たす。Mは、Al、Zr、B、Mg、Fe、Cu、Zn、Sn、Na、K、Ba、Sr、Ca、W、Mo、Nb、Ti、およびSiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。Qは、F、ClおよびBrからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。xは、好ましくは0≦x≦0.3を満たし、より好ましくは0≦x≦0.15を満たし、さらに好ましくは0である。エネルギー密度の観点から、yは、好ましくは0.3≦y≦0.95を満たし、より好ましくは0.5≦y≦0.95を満たし、さらに好ましくは0.6≦y≦0.95を満たし、最も好ましくは0.7≦y≦0.95を満たす。zは、好ましくは0.02≦z<0.4を満たし、より好ましくは0.02≦z≦0.2を満たし、さらに好ましくは0.02≦z≦0.15を満たす。αは、好ましくは0≦α≦0.05を満たし、より好ましくは0である。βは、好ましくは0≦β≦0.1を満たし、より好ましくは0である。 In formula (I), x, y, z, α, and β satisfy −0.3≦x≦0.3, 0.1≦y≦0.95, 0.02≦z≦0.5, 0≦α≦0.1, and 0≦β≦0.5. M is at least one element selected from the group consisting of Al, Zr, B, Mg, Fe, Cu, Zn, Sn, Na, K, Ba, Sr, Ca, W, Mo, Nb, Ti, and Si. Q is at least one element selected from the group consisting of F, Cl and Br. x preferably satisfies 0≦x≦0.3, more preferably 0≦x≦0.15, and still more preferably 0. From the viewpoint of energy density, y preferably satisfies 0.3≦y≦0.95, more preferably 0.5≦y≦0.95, still more preferably 0.6≦y≦0.95, and most preferably 0.7≦y≦0.95. z preferably satisfies 0.02≦z<0.4, more preferably 0.02≦z≦0.2, and still more preferably 0.02≦z≦0.15. α preferably satisfies 0≦α≦0.05, more preferably 0. β preferably satisfies 0≦β≦0.1, more preferably 0.
正極活物質の含有量は、特に限定されないが、正極活物質層54中(すなわち、正極活物質の全質量に対し)、好ましくは70質量%以上であり、より好ましくは80質量%以上であり、さらに好ましくは85質量%以上である。 The content of the positive electrode active material is not particularly limited, but is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, and still more preferably 85% by mass or more in the positive electrode active material layer 54 (that is, with respect to the total mass of the positive electrode active material).
正極活物質層54は、正極活物質以外の成分を含み得る。その例としては、リン酸リチウム(Li3PO4)、導電材、バインダ等が挙げられる。
The positive electrode
正極活物質層54中のリン酸リチウムの含有量は、特に制限はないが、1質量%以上15質量%以下が好ましく、2質量%以上12質量%以下がより好ましい。
The content of lithium phosphate in the positive electrode
導電材としては、例えばアセチレンブラック(AB)等のカーボンブラックやその他(例、グラファイト等)の炭素材料を好適に使用し得る。正極活物質層54中の導電材の含有量は、特に限定されないが、例えば0.1質量%以上20質量%以下であり、好ましくは1質量%以上15質量%以下であり、より好ましくは2質量%以上10質量%以下である。
Carbon black such as acetylene black (AB) and other carbon materials (eg, graphite) can be suitably used as the conductive material. The content of the conductive material in the positive electrode
バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)等を使用し得る。正極活物質層54中のバインダの含有量は、特に限定されないが、例えば0.5質量%以上15質量%以下であり、好ましくは1質量%以上10質量%以下であり、より好ましくは1.5質量%以上8質量%以下である。
As the binder, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF) or the like can be used. The content of the binder in the positive electrode
正極活物質層54の厚みは、特に限定されないが、例えば、10μm以上300μm以下であり、好ましくは20μm以上200μm以下である。
Although the thickness of the positive electrode
正極シート50を構成する正極集電体52としては、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等の金属製のシートまたは箔状体を用いることができ、好適にはアルミニウム箔が用いられる。正極集電体52としてアルミニウム箔を用いる場合には、その厚みは、特に限定されないが、例えば5μm以上35μm以下であり、好ましくは7μm以上20μm以下である。
As the positive electrode
なお、リチウムイオン二次電池100では、端部領域54B,54Cの両方が、単粒子状の正極活物質粒子を含むが、いずれか一方のみが、単粒子状の正極活物質粒子を含んで上記のように構成されていてもよい。端部領域54B,54Cの両方が、単粒子状の正極活物質粒子を含む方が、リチウム析出抑制効果が高くなる。また、本実施形態では、正極活物質層54の幅方向の端部が、単粒子状の正極活物質粒子を含む端部領域に設定されているが、正極活物質層54の幅方向と直交する方向の端部が、単粒子状の正極活物質粒子を含む端部領域に設定されていてもよい。正極活物質層54の幅方向の端部およびこれと直交する方向の端部の両方が、単粒子状の正極活物質粒子を含む端部領域に設定されていてもよい。
In the lithium-ion
一方、負極シート60を構成する負極集電体62としては、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等の金属製のシートまたは箔状体を用いることができ、好適には銅箔が用いられる。負極集電体62として銅箔を用いる場合には、その厚みは、特に限定されないが、例えば5μm以上35μm以下であり、好ましくは7μm以上20μm以下である。
On the other hand, as the negative electrode
負極活物質としては、炭素材料系の負極活物質などを用いることができ、なかでも黒鉛が好ましい。黒鉛は、天然黒鉛であっても人造黒鉛であってもよく、黒鉛が非晶質な炭素材料で被覆された形態の非晶質炭素被覆黒鉛であってもよい。 As the negative electrode active material, a carbon material-based negative electrode active material or the like can be used, and among them, graphite is preferable. Graphite may be natural graphite, artificial graphite, or amorphous carbon-coated graphite in which graphite is coated with an amorphous carbon material.
負極活物質層中の負極活物質の含有量は、特に限定されないが、90質量%以上が好ましく、95質量%以上がより好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more.
負極活物質層64は、負極活物質以外の成分、例えばバインダや増粘剤等を含み得る。
The negative electrode
バインダとしては、例えば、スチレンブタジエンラバー(SBR)およびその変性体、アクリロニトリルブタジエンゴムおよびその変性体、アクリルゴムおよびその変性体、フッ素ゴム等を使用し得る。なかでも、SBRが好ましい。負極活物質層64中のバインダの含有量は、特に限定されないが、好ましくは0.1質量%以上8質量%以下であり、より好ましくは0.2質量%以上3質量%以下である。
As the binder, for example, styrene-butadiene rubber (SBR) and its modified products, acrylonitrile-butadiene rubber and its modified products, acrylic rubber and its modified products, fluororubber and the like can be used. Among them, SBR is preferable. The content of the binder in the negative electrode
増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、酢酸フタル酸セルロース(CAP)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)等のセルロース系ポリマー;ポリビニルアルコール(PVA)等を使用し得る。なかでも、CMCが好ましい。負極活物質層64中の増粘剤の含有量は、特に限定されないが、好ましくは0.3質量%以上3質量%以下であり、より好ましくは0.4質量%以上2質量%以下である。
Examples of thickeners that can be used include cellulose-based polymers such as carboxymethylcellulose (CMC), methylcellulose (MC), cellulose acetate phthalate (CAP), and hydroxypropylmethylcellulose (HPMC); polyvinyl alcohol (PVA) and the like. Among them, CMC is preferred. The content of the thickening agent in the negative electrode
負極活物質層64の厚みは、特に限定されないが、例えば、10μm以上300μm以下であり、好ましくは20μm以上200μm以下である。
Although the thickness of the negative electrode
セパレータ70としては、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂から構成される多孔性シート(フィルム)が挙げられる。かかる多孔性シートは、単層構造であってもよく、二層以上の積層構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。セパレータ70の表面には、耐熱層(HRL)が設けられていてもよい。
Examples of the
セパレータ70の厚みは特に限定されないが、例えば5μm以上50μm以下であり、好ましくは10μm以上30μm以下である。
Although the thickness of the
非水電解液80は、典型的には、非水溶媒と電解質塩(言い換えると、支持塩)とを含有する。非水溶媒としては、一般的なリチウムイオン二次電池の電解液に用いられる各種のカーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の有機溶媒を、特に限定なく用いることができる。なかでも、カーボネート類が好ましく、その具体例としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F-DMC)、トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)等が挙げられる。このような非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。
The
電解質塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)等のリチウム塩を用いることができ、なかでも、LiPF6が好ましい。電解質塩の濃度は、特に限定されないが、0.7mol/L以上1.3mol/L以下が好ましい。 As the electrolyte salt, for example, lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 and lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI) can be used, among which LiPF 6 is preferred. The concentration of the electrolyte salt is not particularly limited, but is preferably 0.7 mol/L or more and 1.3 mol/L or less.
なお、上記非水電解液80は、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、上述した成分以外の成分、例えば、オキサラト錯体等の被膜形成剤、ビフェニル(BP)、シクロヘキシルベンゼン(CHB)等のガス発生剤;増粘剤;等の各種添加剤を含んでいてもよい。
The nonaqueous
以上のように構成されるリチウムイオン二次電池100は、非水電解液中で生成した酸等によって正極活物質から遷移金属が溶出することに起因するリチウムの析出が抑制されている。よって、リチウムイオン二次電池100は、耐久性に優れる。
In the lithium ion
リチウムイオン二次電池100は、各種用途に利用可能である。好適な用途としては、電気自動車(EV)、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)等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。また、リチウムイオン二次電池100は、小型電力貯蔵装置等の蓄電池として使用することができる。リチウムイオン二次電池100は、典型的には複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態でも使用され得る。
The lithium ion
なお、一例として扁平形状の捲回電極体20を備える角形のリチウムイオン二次電池100について説明した。しかしながら、ここに開示されるリチウムイオン二次電池は、積層型電極体(すなわち、複数の正極と、複数の負極とが交互に積層された電極体)を備えるリチウムイオン二次電池として構成することもできる。また、ここに開示される非水電解液二次電池は、円筒形リチウムイオン二次電池、ラミネートケース型リチウムイオン二次電池、コイン型リチウムイオン二次電池等として構成することもできる。
As an example, the prismatic lithium ion
また、上記の例では、電解質として非水電解液80を用いているが、固体電解質を用いた全固体二次電池として構成することもできる。
Moreover, in the above example, the non-aqueous
以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 EXAMPLES Examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.
<実施例1>
二次粒子状のLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2を第1の正極活物質粒子として用意した。この第1の正極活物質において一次粒子の平均径は0.5μmであり、二次粒子の平均径は12μmであった。この二次粒子状のLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)とをNCM:AB:PVDF=100:1:1の質量比で、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)中で混合し、第1の正極活物質層形成用スラリーを調製した。
<Example 1>
Secondary particles of LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 were prepared as first positive electrode active material particles. In this first positive electrode active material, the average diameter of primary particles was 0.5 μm, and the average diameter of secondary particles was 12 μm. The secondary particulate LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 (NCM), acetylene black (AB) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder were mixed at a mass ratio of NCM:AB:PVDF=100:1:1 in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare a slurry for forming a first positive electrode active material layer.
単粒子状のLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2を第2の正極活物質粒子として用意した。この第2の正極活物質において単粒子の平均径は4μmであった。この二次粒子状のLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)とをNCM:AB:PVDF=100:1:1の質量比で、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)中で混合し、第2の正極活物質層形成用スラリーを調製した。 Single particles of LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 were prepared as second positive electrode active material particles. The average diameter of single particles in this second positive electrode active material was 4 μm. This secondary particulate LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 (NCM), acetylene black (AB) as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder were mixed at a mass ratio of NCM:AB:PVDF=100:1:1 in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to prepare a slurry for forming a second positive electrode active material layer.
上部スリットと下部スリットとを備える多層塗工用ダイを用意した。このダイの下部スリットの中央部をマスキングすることによって、上部スリットの塗工領域の両外側に下部スリットより塗工ができるようにした。このダイを用いて、アルミニウム箔の中央部に、第1の正極活物質層形成用スラリーを塗工すると共に、その中央部に接するようにその中央部の両外側に第2の正極活物質層形成用スラリーを塗工した。このとき、アルミニウム箔の端部にスラリーを塗工しない正極活物質層非形成部分を設けた。その後、乾燥を行い、所定の厚みにロールプレスして正極シートを作製した。 A multi-layer coating die was provided with an upper slit and a lower slit. By masking the central portion of the lower slit of the die, coating can be performed from the lower slit on both sides of the coating region of the upper slit. Using this die, the first positive electrode active material layer forming slurry was applied to the central portion of the aluminum foil, and the second positive electrode active material layer forming slurry was applied to both outer sides of the central portion so as to be in contact with the central portion. At this time, a positive electrode active material layer non-formation portion was provided at the end of the aluminum foil where the slurry was not applied. After that, it was dried and roll-pressed to a predetermined thickness to prepare a positive electrode sheet.
また、負極活物質としての黒鉛(C)と、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、C:SBR:CMC=100:1:1の質量比で、イオン交換水中で混合し、負極活物質層形成用スラリーを調製した。この負極活物質層形成用スラリーを、銅箔上に塗布した。このとき、銅箔の端部にスラリーを塗工しない負極活物質層非形成部分を設けた。その後、乾燥を行い、所定の厚みにロールプレスして負極シートを作製した。 Further, graphite (C) as a negative electrode active material, styrene-butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener were mixed in ion-exchanged water at a mass ratio of C:SBR:CMC=100:1:1 to prepare slurry for forming a negative electrode active material layer. This negative electrode active material layer forming slurry was applied onto a copper foil. At this time, a negative electrode active material layer non-formation portion was provided at the end of the copper foil where the slurry was not applied. After that, it was dried and roll-pressed to a predetermined thickness to prepare a negative electrode sheet.
上記の正極シートと負極シートとを所定の寸法に裁断した。この所定の寸法においては、負極活物質層の幅方向の寸法を、正極活物質層の幅方向の寸法よりも大きくした。また、負極活物質層における正極活物質層と対向していない領域の幅方向の寸法(図3の寸法wn、以下「負極未対向部幅」ともいう)に対する、正極活物質層の端部の第2の正極活物質層形成用スラリーによって形成された領域の幅方向の寸法(図3の寸法wp、以下「正極端部幅」ともいう)の比は、5.1であった。 The above positive electrode sheet and negative electrode sheet were cut into predetermined dimensions. In this predetermined dimension, the dimension in the width direction of the negative electrode active material layer was made larger than the dimension in the width direction of the positive electrode active material layer. In addition, the ratio of the width direction dimension of the region formed by the second positive electrode active material layer forming slurry (dimension wp in FIG. 3, hereinafter also referred to as “positive electrode end portion width”) at the end of the positive electrode active material layer to the width direction dimension of the region of the negative electrode active material layer not facing the positive electrode active material layer (dimension wn in FIG. 3, hereinafter also referred to as “negative electrode non-facing portion width”) was 5.1.
セパレータとしてPP/PE/PEの三層構造を有する多孔性ポリオレフィンシートを用意した。これらを図1に示すように、正極活物質層非形成部分と負極活物質層非形成部分とが反対方向に突出するように重ね合わせて積層体を得た。次いで、積層体を捲回して捲回体を得、これを扁平形状になるようにプレス処理して扁平形状の捲回電極体を得た。 A porous polyolefin sheet having a three-layer structure of PP/PE/PE was prepared as a separator. As shown in FIG. 1, these were superimposed so that the positive electrode active material layer non-formed portion and the negative electrode active material layer non-formed portion projected in opposite directions to obtain a laminate. Next, the laminated body was wound to obtain a wound body, which was pressed into a flat shape to obtain a flat wound electrode body.
捲回電極体の正極活物質層非形成部分に正極集電板としてのアルミニウム板を溶接によって取り付けると共に、負極活物質層非形成部分に負極集電板としての銅板を溶接によって取り付けた。 An aluminum plate as a positive electrode collector plate was attached by welding to the portion of the wound electrode body where the positive electrode active material layer was not formed, and a copper plate as a negative electrode collector plate was attached by welding to the portion where the negative electrode active material layer was not formed.
これをアルミニウムラミネートフィルム製のケースに挿入し、溶着した後、非水電解液を注液した。なお、非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を、1:3の体積比で含む混合溶媒に、LiPF6を1.0mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。その後、ラミネートケースを封止することによって、実施例1の評価用リチウムイオン二次電池を得た。 This was inserted into a case made of an aluminum laminate film, welded, and then injected with a non-aqueous electrolyte. The non-aqueous electrolytic solution used was obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1.0 mol/L in a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) at a volume ratio of 1:3. Then, the evaluation lithium ion secondary battery of Example 1 was obtained by sealing the laminate case.
<比較例1>
正極活物質層全体を第1の正極活物質層形成用スラリーを用いて形成した以外は実施例1と同様にして、比較例1の評価用リチウムイオン二次電池を得た。
<Comparative Example 1>
A lithium ion secondary battery for evaluation of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the entire positive electrode active material layer was formed using the first positive electrode active material layer forming slurry.
<比較例2>
正極活物質層全体を第2の正極活物質層形成用スラリーを用いて形成した以外は実施例1と同様にして、比較例2の評価用リチウムイオン二次電池を得た。
<Comparative Example 2>
A lithium ion secondary battery for evaluation of Comparative Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the entire positive electrode active material layer was formed using the second positive electrode active material layer forming slurry.
<実施例2,3および比較例3>
第2の正極活物質層形成用スラリーに含まれる第2の正極活物質粒子として、単粒子状のLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2と二次粒子状のLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2との混合物を用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例2,3および比較例3の評価用リチウムイオン二次電池をそれぞれ得た。なお、単粒子状のLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2と二次粒子状のLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2との混合割合(質量比)は、表1のカッコ内に示す値とした。
<Examples 2 and 3 and Comparative Example 3>
Evaluation lithium ion secondary batteries of Examples 2 and 3 and Comparative Example 3 were obtained in the same manner as in Example 1, except that a mixture of monoparticulate LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 and secondary particulate LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 was used as the second positive electrode active material particles contained in the slurry for forming the second positive electrode active material layer. The mixing ratio (mass ratio) between the single-particle LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 and the secondary-particle LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 was the value shown in parentheses in Table 1.
<実施例4~6および比較例4>
多層塗工用ダイのマスキング幅等を変更して、負極活物質層の負極未対向部幅に対する正極端部幅の比を表1に示すように変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例4~6および比較例4の評価用リチウムイオン二次電池をそれぞれ得た。
<Examples 4 to 6 and Comparative Example 4>
Lithium ion secondary batteries for evaluation of Examples 4 to 6 and Comparative Example 4 were obtained in the same manner as in Example 1, except that the masking width of the multilayer coating die and the like were changed so that the ratio of the width of the positive electrode end portion to the width of the negative electrode non-facing portion of the negative electrode active material layer was changed as shown in Table 1.
<サイクル特性評価>
各評価用リチウムイオン二次電池を室温下で、0.1Cの電流値で4.2Vまで定電流充電し、その後0.1Cの電流値で3.0Vまで定電流放電した。このときの放電容量を求め、これを初期容量とした。
<Cycle characteristics evaluation>
Each lithium ion secondary battery for evaluation was subjected to constant current charging at a current value of 0.1 C to 4.2 V at room temperature, and then constant current discharging to 3.0 V at a current value of 0.1 C. The discharge capacity at this time was determined and taken as the initial capacity.
続いて、各評価用リチウムイオン二次電池を4.2Vの充電状態にして60℃の環境下にて8週間保存した。その後、各評価用リチウムイオン二次電池を室温下に置き、2Cで4.2Vまで定電流充電および2Cで3.0Vまで定電流放電を1サイクルとする充放電を、1000サイクル繰り返した。1000サイクル後の放電容量を、初期容量と同様の方法で求めた。金属リチウム析出耐性の指標として、(充放電1000サイクル後の放電容量/初期容量)×100より、容量維持率(%)を求めた。結果を表1に示す。 Subsequently, each lithium ion secondary battery for evaluation was charged to 4.2 V and stored in an environment of 60° C. for 8 weeks. After that, each lithium ion secondary battery for evaluation was placed at room temperature, and charging and discharging were repeated 1000 cycles, with constant current charging to 4.2 V at 2 C and constant current discharging to 3.0 V at 2 C being one cycle. The discharge capacity after 1000 cycles was determined in the same manner as the initial capacity. As an index of metal lithium deposition resistance, the capacity retention rate (%) was obtained from (discharge capacity after 1000 charge/discharge cycles/initial capacity)×100. Table 1 shows the results.
<金属リチウム析出評価>
1000サイクルの充放電を実施した各評価用リチウムイオン二次電池を分解し、負極上の金属リチウムの析出の程度を目視により調べた。結果を表1に示す。
<Evaluation of Metallic Lithium Deposition>
Each evaluation lithium ion secondary battery that had been charged and discharged for 1000 cycles was disassembled, and the degree of deposition of metallic lithium on the negative electrode was visually examined. Table 1 shows the results.
実施例1~6と比較例1~4との比較より、正極活物質層が、二次粒子状の正極活物質粒子を含む中央領域と、単粒子状の正極活物質粒子を含む端部領域と、を有し、端部領域において、単粒子の質量割合が30質量%以上であり、中央領域の方が端部領域よりも二次粒子を多く含み、かつ負極未対向幅に対する正極端部幅の寸法の比が2以上7.5以下であれば、Li析出を効果的に抑制できることがわかる。また、実施例1,4~6および比較例1の比較より、負極未対向幅に対する正極端部幅の寸法の比が2.5以上6.2以下である場合に、Li析出を極めて効果的に抑制できていることがわかる。実施例1~3および比較例3の比較より、端部領域において、正極活物質粒子の全質量に対する単粒子状の活物質粒子の質量割合が50質量%以上である場合には、Li析出を極めて効果的に抑制できていることがわかる。 Comparing between Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1-4, the positive electrode active material layer has a central region containing secondary particle -shaped positive electrode active substance particles, an end region containing a single particles -like positive electrode active particles, and the end area of the single particles is 30 % by mass or more, and the central area is in the end. It can be seen that if the ratio of the positive edge width is 2 or more and 7.5 or less for the negative extreme untidthetomatic width of 2 or less than the area, it can be effectively suppressed. Further, from a comparison of Examples 1, 4 to 6, and Comparative Example 1, when the ratio of the positive electrode end width to the negative electrode non-facing width is 2.5 or more and 6.2 or less, Li deposition can be extremely effectively suppressed. From the comparison of Examples 1 to 3 and Comparative Example 3, in the end region, when the mass ratio of the monoparticulate active material particles to the total mass of the positive electrode active material particles is 50% by mass or more, it can be seen that Li deposition can be suppressed extremely effectively.
<実施例7>
第1および第2の正極活物質の組成をLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例7の評価用リチウムイオン二次電池を得た。
<Example 7>
A lithium ion secondary battery for evaluation of Example 7 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the composition of the first and second positive electrode active materials was changed to LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 .
<比較例5>
第1および第2の正極活物質の組成をLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2に変更した以外は、比較例1と同様にして、比較例5の評価用リチウムイオン二次電池を得た。
<Comparative Example 5>
A lithium ion secondary battery for evaluation of Comparative Example 5 was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that the composition of the first and second positive electrode active materials was changed to LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 .
<比較例6>
第1および第2の正極活物質の組成をLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2に変更した以外は、比較例2と同様にして、比較例6の評価用リチウムイオン二次電池を得た。
<Comparative Example 6>
A lithium ion secondary battery for evaluation of Comparative Example 6 was obtained in the same manner as in Comparative Example 2, except that the composition of the first and second positive electrode active materials was changed to LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 .
<サイクル特性評価および金属リチウム析出評価>
実施例7および比較例5,6の評価用リチウムイオン二次電池に対して、上記と同じ方法で、サイクル特性評価および金属リチウム析出評価を行った。結果を表2に示す。
<Evaluation of cycle characteristics and evaluation of metallic lithium deposition>
The evaluation lithium ion secondary batteries of Example 7 and Comparative Examples 5 and 6 were subjected to cycle characteristics evaluation and metallic lithium deposition evaluation in the same manner as described above. Table 2 shows the results.
表2の結果より、正極活物質の組成を変えても、表1の実施例1および比較例1,2と同じ傾向の結果が得られていることがわかる。このことから、正極活物質の粒子形態のみが、Li析出の抑制に寄与していることがわかる。 From the results in Table 2, it can be seen that even if the composition of the positive electrode active material is changed, the results with the same tendency as in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 in Table 1 are obtained. From this, it can be seen that only the particle form of the positive electrode active material contributes to the suppression of Li deposition.
以上のことから、ここに開示されるリチウムイオン二次電池によれば、異なる組成の正極活物質を用いなくても、リチウムイオン二次電池においてリチウムの析出を抑制できることがわかる。 From the above, according to the lithium ion secondary battery disclosed herein, it can be seen that deposition of lithium can be suppressed in the lithium ion secondary battery without using a positive electrode active material with a different composition.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
20 捲回電極体
30 電池ケース
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極シート(正極)
52 正極集電体
52a 正極活物質層非形成部分
54 正極活物質層
60 負極シート(負極)
62 負極集電体
62a 負極活物質層非形成部分
64 負極活物質層
70 セパレータシート(セパレータ)
80 非水電解液
100 リチウムイオン二次電池
20
52 positive electrode
62 Negative electrode
80
Claims (4)
前記正極は、正極活物質層を有し、
前記負極は、負極活物質層を有し、
前記負極活物質層は、少なくとも一方向の寸法が、前記正極活物質層よりも大きく、
前記負極活物質層は、前記正極活物質層と対向する対向領域と、前記正極活物質層と対向しない非対向領域と、を有し、
前記方向において、前記正極活物質層は、二次粒子状の正極活物質粒子を含む中央領域と、単粒子状の正極活物質粒子を含む端部領域と、を有し、
前記端部領域において、前記正極活物質粒子の全質量に対する前記単粒子状の正極活物質粒子の質量割合が、30質量%以上であり、
前記中央領域における前記正極活物質粒子の全質量に対する前記二次粒子状の正極活物質粒子の質量割合が、前記端部領域における前記正極活物質粒子の全質量に対する前記二次粒子状の正極活物質粒子の質量割合よりも大きく、
前記方向における前記負極活物質層の非対向領域の寸法に対する、前記正極活物質層の端部領域の寸法の比が、2以上7.5以下であり、
前記端部領域に含まれる正極活物質粒子と前記中央領域に含まれる正極活物質粒子が、リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物の粒子であり、
前記端部領域に含まれるリチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物中のLi以外の金属におけるNiの含有モル割合が、前記中央領域に含まれるリチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物中のLi以外の金属におけるNiの含有モル割合の0.9倍以上1.1倍以下である、リチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery comprising an electrode body in which a positive electrode and a negative electrode are laminated,
The positive electrode has a positive electrode active material layer,
The negative electrode has a negative electrode active material layer,
The negative electrode active material layer has a dimension in at least one direction larger than that of the positive electrode active material layer,
The negative electrode active material layer has a facing region facing the positive electrode active material layer and a non-facing region not facing the positive electrode active material layer,
In the direction, the positive electrode active material layer has a central region containing secondary positive electrode active material particles and end regions containing single positive electrode active material particles,
In the end region, the mass ratio of the single-particle positive electrode active material particles to the total mass of the positive electrode active material particles is 30% by mass or more,
The mass ratio of the secondary particle-like positive electrode active material particles to the total mass of the positive electrode active material particles in the central region is larger than the mass ratio of the secondary particle-like positive electrode active material particles to the total mass of the positive electrode active material particles in the end regions,
a ratio of the dimension of the end region of the positive electrode active material layer to the dimension of the non-facing region of the negative electrode active material layer in the direction is 2 or more and 7.5 or less;
the positive electrode active material particles contained in the end regions and the positive electrode active material particles contained in the central region are particles of a lithium-nickel-cobalt-manganese-based composite oxide;
A lithium ion secondary battery in which the molar ratio of Ni in the metal other than Li in the lithium-nickel-cobalt-manganese-based composite oxide contained in the end region is 0.9 times or more and 1.1 times or less than the molar ratio of Ni in the metal other than Li in the lithium-nickel-cobalt-manganese-based composite oxide contained in the central region.
前記負極活物質が黒鉛である、請求項1~3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。 the negative electrode active material layer contains a negative electrode active material ,
The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein said negative electrode active material is graphite.
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