JPWO2016038716A1 - Nonaqueous electrolyte secondary battery and battery pack provided with the same - Google Patents

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Abstract

正極と、負極と、非水電解質と、セパレータと、を備え、前記負極は、ニオブ−チタン複合酸化物を負極活物質として含み、前記非水電解質中のNb5+の含有量は、0.5ppm以上200ppm以下である非水電解質二次電池。A positive electrode, a negative electrode, a non-aqueous electrolyte, and a separator, wherein the negative electrode contains a niobium-titanium composite oxide as a negative electrode active material, and the content of Nb5 + in the non-aqueous electrolyte is 0.5 ppm or more A nonaqueous electrolyte secondary battery having a concentration of 200 ppm or less.

Description

本発明の実施形態は、非水電解質二次電池およびそれを備えた電池パックに関する。 Embodiments described herein relate generally to a nonaqueous electrolyte secondary battery and a battery pack including the same.

近年、高エネルギー密度電池として、リチウムイオン二次電池のような非水電解質二次電池が開発されている。非水電解質二次電池は、ハイブリッド自動車や電気自動車の電源として期待されている。また、非水電解質二次電池は、携帯電話基地局の無停電電源としても期待されている。そのため、非水電解質二次電池は、急速充放電性能、長期信頼性のような他の特性を有することも要求されている。急速充放電が可能な非水電解質二次電池は、充電時間が大幅に短いという利点を有する。また、非水電解質二次電池は、ハイブリッド自動車において動力性能を向上させることができる。さらに、非水電解質二次電池は、動力の回生エネルギーを効率的に回収することができる。 In recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion secondary batteries have been developed as high energy density batteries. Nonaqueous electrolyte secondary batteries are expected as a power source for hybrid vehicles and electric vehicles. Nonaqueous electrolyte secondary batteries are also expected as uninterruptible power supplies for mobile phone base stations. Therefore, the nonaqueous electrolyte secondary battery is also required to have other characteristics such as rapid charge / discharge performance and long-term reliability. A non-aqueous electrolyte secondary battery capable of rapid charging / discharging has the advantage that the charging time is significantly short. Further, the nonaqueous electrolyte secondary battery can improve the power performance in a hybrid vehicle. Furthermore, the nonaqueous electrolyte secondary battery can efficiently recover the regenerative energy of power.

急速充放電は、電子とリチウムイオンが、正極と負極の間を速やかに移動することによって可能となる。カーボン系負極を用いた電池は、急速充放電を繰り返すことにより、電極上に金属リチウムのデンドライトが析出することがあった。デンドライトは、内部短絡を生じさせ、その結果として、発熱および発火の少なくともいずれか一方を生じさせることがある。 Rapid charge / discharge is enabled by the rapid movement of electrons and lithium ions between the positive and negative electrodes. In a battery using a carbon-based negative electrode, metal lithium dendrite may be deposited on the electrode by repeated rapid charge and discharge. The dendrite can cause an internal short circuit, resulting in heat generation and / or ignition.

そこで、炭素質物の代わりに、金属複合酸化物を負極活物質として用いた電池が開発されている。特に、チタン酸化物を負極活物質として用いた電池は、安定に急速充放電が可能であり、カーボン系負極に比べて寿命も長いという特性を有する。   Therefore, batteries using metal composite oxides as negative electrode active materials instead of carbonaceous materials have been developed. In particular, a battery using titanium oxide as a negative electrode active material has characteristics that it can be stably charged and discharged quickly and has a longer life than a carbon-based negative electrode.

しかしながら、チタン酸化物は、炭素質物に比べて金属リチウムに対する電位が高い(貴である)。その上、チタン酸化物は、質量あたりの容量が低い。そのため、チタン酸化物を用いた電池は、エネルギー密度が低いという問題がある。   However, titanium oxide has a higher potential (noble) with respect to metallic lithium than carbonaceous material. In addition, titanium oxide has a low capacity per mass. Therefore, a battery using titanium oxide has a problem of low energy density.

例えば、チタン酸化物の電極電位は、金属リチウム基準で約1.5Vであり、カーボン系負極の電位に比べて高い(貴である)。チタン酸化物の電極電位は、リチウムを電気化学的に挿入脱離する際のTi3+とTi4+の間における酸化還元反応に起因するものであるため、電気化学的に制約されている。また、1.5V程度の高い電極電位において、リチウムイオンの急速充放電が安定的に行えるという事実もある。従って、チタン酸化物を用いた電池のエネルギー密度を向上させるために、チタン酸化物の電極電位を低下させることは実質的に困難である。For example, the electrode potential of titanium oxide is about 1.5 V with respect to metallic lithium, and is higher (noble) than the potential of the carbon-based negative electrode. The electrode potential of titanium oxide is electrochemically restricted because it is due to an oxidation-reduction reaction between Ti 3+ and Ti 4+ when electrochemically inserting and releasing lithium. In addition, there is a fact that rapid charge / discharge of lithium ions can be stably performed at a high electrode potential of about 1.5V. Therefore, it is substantially difficult to reduce the electrode potential of titanium oxide in order to improve the energy density of a battery using titanium oxide.

また、単位質量当たりの容量については、二酸化チタン(アナターゼ型構造)の理論容量は165mAh/g程度であり、LiTi12のようなリチウムチタン複合酸化物の理論容量も180mAh/g程度である。一方、一般的な黒鉛系電極材料の理論容量は385mAh/g以上である。従って、チタン酸化物の容量密度は、カーボン系負極のものと比較して著しく低い。これは、チタン酸化物の結晶構造中に、リチウムを吸蔵するサイトが少ないことや、構造中でリチウムが安定化し易いため、実質的な容量が低下することに起因する。Regarding the capacity per unit mass, the theoretical capacity of titanium dioxide (anatase type structure) is about 165 mAh / g, and the theoretical capacity of a lithium titanium composite oxide such as Li 4 Ti 5 O 12 is also about 180 mAh / g. It is. On the other hand, the theoretical capacity of a general graphite electrode material is 385 mAh / g or more. Therefore, the capacity density of the titanium oxide is significantly lower than that of the carbon-based negative electrode. This is due to the fact that there are few sites that occlude lithium in the crystal structure of the titanium oxide, and that the lithium is easily stabilized in the structure, so that the substantial capacity is reduced.

以上を鑑みて、チタンとニオブを含む新たな電極材料が検討されている。このような電極材料は、高い充放電容量を有すると期待されている。特に、TiNbで表される複合酸化物は、300mAh/gを超える高い理論容量を有する。しかし、TiNbのような複合酸化物は、生産性が低いという問題がある。In view of the above, new electrode materials containing titanium and niobium have been studied. Such an electrode material is expected to have a high charge / discharge capacity. In particular, the composite oxide represented by TiNb 2 O 7 has a high theoretical capacity exceeding 300 mAh / g. However, a complex oxide such as TiNb 2 O 7 has a problem of low productivity.

特開2008−91079号公報JP 2008-91079 A 特開2010−287496号公報JP 2010-287496 A

C.M. Reich et. al., FUEL CELLS No.3-4,1 pp249-255 (2001)C.M.Reich et.al., FUEL CELLS No.3-4,1 pp249-255 (2001) M.Gasperin, Journal of Solid State Chemistry 53, pp144-147 (1984)M. Gasperin, Journal of Solid State Chemistry 53, pp144-147 (1984)

本発明が解決しようとする課題は、急速充放電性能に優れ、エネルギー密度が高く、かつ長寿命の非水電解質二次電池およびそれを備えた電池パックを提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent rapid charge / discharge performance, high energy density, and long life, and a battery pack including the same.

実施形態の非水電解質二次電池は、正極と、負極と、非水電解質と、セパレータと、を備える。
前記負極は、ニオブ−チタン複合酸化物を負極活物質として含む。
前記非水電解質中のNb5+の含有量は、0.5ppm以上200ppm以下である。
The nonaqueous electrolyte secondary battery of the embodiment includes a positive electrode, a negative electrode, a nonaqueous electrolyte, and a separator.
The negative electrode includes a niobium-titanium composite oxide as a negative electrode active material.
The Nb 5+ content in the nonaqueous electrolyte is 0.5 ppm or more and 200 ppm or less.

単斜晶型TiNbの結晶構造を示す模式図である。It is a schematic view showing the crystal structure of the monoclinic form TiNb 2 O 7. 図1の結晶構造を他の方向から見た模式図である。It is the schematic diagram which looked at the crystal structure of FIG. 1 from the other direction. 第2の実施形態に係る非水電解質二次電池を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the nonaqueous electrolyte secondary battery which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る非水電解質二次電池を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the nonaqueous electrolyte secondary battery which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る非水電解質二次電池を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the nonaqueous electrolyte secondary battery which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る非水電解質二次電池を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the nonaqueous electrolyte secondary battery which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る電池パックを示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the battery pack which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係る電池パックを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the battery pack which concerns on 3rd Embodiment. 実施例1−3の電気化学測定の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the electrochemical measurement of Example 1-3. 実施例1−3の電気化学測定の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the electrochemical measurement of Example 1-3. 実施例1−3の電気化学測定の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the electrochemical measurement of Example 1-3. 実施例4−6の電気化学測定の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the electrochemical measurement of Example 4-6. 実施例7の電気化学測定の結果を示すグラフである。10 is a graph showing the results of electrochemical measurement of Example 7.

(第1の実施形態)
第1の実施形態では、正極と、負極と、非水電解質と、セパレータと、を備える非水電解質二次電池が提供される。
(First embodiment)
In the first embodiment, a nonaqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, a nonaqueous electrolyte, and a separator is provided.

負極は、ニオブ−チタン複合酸化物を負極活物質として含む。
非水電解質中のNb5+の含有量は、0.5ppm以上200ppm以下である。
The negative electrode includes niobium-titanium composite oxide as a negative electrode active material.
The content of Nb 5+ in the nonaqueous electrolyte is 0.5 ppm or more and 200 ppm or less.

ニオブ−チタン複合酸化物は、主に単斜晶型の結晶構造を有する。単斜晶型の結晶構造を有するニオブ−チタン複合酸化物としては、例えば、単斜晶型TiNbが挙げられる。図1および図2は、単斜晶型TiNbの結晶構造を示す模式図である。The niobium-titanium composite oxide mainly has a monoclinic crystal structure. An example of the niobium-titanium composite oxide having a monoclinic crystal structure is monoclinic TiNb 2 O 7 . 1 and 2 are schematic views showing the crystal structure of monoclinic TiNb 2 O 7 .

図1に示すように、単斜晶型TiNbの結晶構造は、金属イオン101と酸化物イオン102が骨格構造部分103を構成している。なお、金属イオン101には、ニオブ(Nb)イオンとチタン(Ti)イオンが、Nbイオン:Tiイオン=2:1の比(イオン数の比)でランダムに配置されている。この骨格構造部分103が三次元的に交互に配置されることで、骨格構造部分103同士の間に空隙部分104が存在する。この空隙部分104が、リチウムイオンのホストとなる。As shown in FIG. 1, in the crystal structure of monoclinic TiNb 2 O 7 , metal ions 101 and oxide ions 102 constitute a skeleton structure portion 103. Note that niobium (Nb) ions and titanium (Ti) ions are randomly arranged in the metal ions 101 at a ratio of Nb ions: Ti ions = 2: 1 (ratio of the number of ions). The skeletal structure portions 103 are alternately arranged three-dimensionally, so that void portions 104 exist between the skeleton structure portions 103. This void portion 104 becomes a host for lithium ions.

図1において、領域105および領域106は、[100]方向と[010]方向に二次元的なチャネルを有する部分である。図2に示すように、単斜晶型TiNbの結晶構造には、[001]方向に空隙部分107が存在する。この空隙部分107は、リチウムイオンの伝導に有利なトンネル構造を有している。これにより、空隙部分107は、領域105と領域106とを繋ぐ[001]方向の伝導経路となる。この伝導経路が存在することによって、リチウムイオンは、領域105と領域106を行き来することが可能となる。In FIG. 1, a region 105 and a region 106 are portions having two-dimensional channels in the [100] direction and the [010] direction. As shown in FIG. 2, in the crystal structure of monoclinic TiNb 2 O 7 , there are voids 107 in the [001] direction. This void portion 107 has a tunnel structure that is advantageous for lithium ion conduction. As a result, the gap portion 107 becomes a conduction path in the [001] direction that connects the region 105 and the region 106. The existence of this conduction path allows lithium ions to move back and forth between the region 105 and the region 106.

このように、単斜晶型TiNbの結晶構造は、リチウムイオンの等価的な挿入空間が大きく、かつ構造的に安定であり、さらに、リチウムイオンの拡散が速い二次元的なチャネルを有する領域と、それらを繋ぐ[001]方向の伝導経路とが存在するため、挿入空間へのリチウムイオンの挿入脱離性が向上するとともに、リチウムイオンの挿入脱離空間が実効的に増加する。これにより、単斜晶型TiNbは、高い容量と高いレート性能を有する非水電解質二次電池を実現できる。Thus, the crystal structure of monoclinic TiNb 2 O 7 is a two-dimensional channel that has a large equivalent insertion space for lithium ions, is structurally stable, and has a fast diffusion of lithium ions. Therefore, the insertion and removal of lithium ions into the insertion space is improved, and the insertion and removal space of lithium ions is effectively increased. Thereby, the monoclinic TiNb 2 O 7 can realize a nonaqueous electrolyte secondary battery having high capacity and high rate performance.

なお、本実施形態に係る非水電解質二次電池において、ニオブ−チタン複合酸化物は、単斜晶型TiNbに限定されないが、空間群C2/mの対称性を有し、非特許文献2に記載の原子座標を有する結晶構造を有することが好ましい。In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment, the niobium-titanium composite oxide is not limited to monoclinic TiNb 2 O 7 but has a symmetry of the space group C2 / m, and is not patented. It preferably has a crystal structure having atomic coordinates described in Document 2.

さらに、単斜晶型TiNbの結晶構造は、リチウムイオンが空隙部分104に挿入されたとき、骨格を構成する金属イオン101が3価に還元され、これによって結晶の電気的中性が保たれる。本実施形態に係る非水電解質二次電池において、ニオブ−チタン複合酸化物は、Tiイオンが4価から3価へ還元されるだけでなく、Nbイオンが5価から3価へと還元される。そのため、ニオブ−チタン複合酸化物は、負極活物質質量当たりの還元価数が大きい。ゆえに、ニオブ−チタン複合酸化物は、多くのリチウムイオンが挿入されても結晶の電気的中性を保つことが可能である。そのため、ニオブ−チタン複合酸化物は、4価のカチオンだけを含む酸化チタンのような化合物に比べて、エネルギー密度が高い。本実施形態に係る非水電解質二次電池において、ニオブ−チタン複合酸化物の理論容量は387mAh/g程度であり、これはスピネル構造を有するチタン酸化物の2倍以上の値である。Furthermore, the crystal structure of the monoclinic TiNb 2 O 7 is such that when lithium ions are inserted into the voids 104, the metal ions 101 that constitute the skeleton are reduced to trivalent, thereby reducing the electrical neutrality of the crystals. Kept. In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment, the niobium-titanium composite oxide not only reduces Ti ions from tetravalent to trivalent, but also reduces Nb ions from pentavalent to trivalent. . Therefore, the niobium-titanium composite oxide has a large reduction valence per mass of the negative electrode active material. Therefore, the niobium-titanium composite oxide can maintain the electrical neutrality of the crystal even when many lithium ions are inserted. Therefore, the niobium-titanium composite oxide has a higher energy density than a compound such as titanium oxide containing only a tetravalent cation. In the non-aqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment, the theoretical capacity of the niobium-titanium composite oxide is about 387 mAh / g, which is a value more than twice that of the titanium oxide having a spinel structure.

また、ニオブ−チタン複合酸化物は、1.5V(vs.Li/Li)程度のリチウムの吸蔵放出電位を有する。ゆえに、この負極活物質を用いることにより、安定して繰り返し急速充放電が可能な非水電解質二次電池を実現できる。The niobium-titanium composite oxide has an occlusion / release potential of lithium of about 1.5 V (vs. Li / Li + ). Therefore, by using this negative electrode active material, a non-aqueous electrolyte secondary battery that can be stably and repeatedly charged and discharged can be realized.

以上のことから、負極活物質として、ニオブ−チタン複合酸化物を用いることにより、急速充放電性能に優れ、高いエネルギー密度を有する非水電解質二次電池を実現できる。 From the above, by using a niobium-titanium composite oxide as the negative electrode active material, a nonaqueous electrolyte secondary battery having excellent rapid charge / discharge performance and high energy density can be realized.

ところが、負極に含まれるニオブ−チタン複合酸化物は、非水電解質中の水分や充放電時に生成したフッ化水素(HF)によって、ニオブイオン(Nb5+)を溶出する。そこで、本実施形態に係る非水電解質二次電池では、予め非水電解質中に、適量、すなわち、0.5ppm以上200ppm以下のNb5+を添加または生成することにより、負極に含まれるニオブ−チタン複合酸化物からNb5+が溶出することを抑制できる。また、非水電解質中のNb5+の含有量は、1ppm以上50ppm以下であることが好ましい。
非水電解質中のNb5+の含有量が、0.5ppmより少なくなると、非水電解質中の水分やフッ化水素により、下記の反応式(1)で示される反応が右方向に進行して、負極に含まれるニオブ−チタン複合酸化物からNb5+が溶出し、ニオブ−チタン複合酸化物の劣化が加速する。
TiNb(solid)+14HF⇔7HO+2Nb5++Ti4++14F ・・・(1)
一方、非水電解質中のNb5+の含有量が、200ppmを超えると、非水電解質中のNb5+の含有量が多すぎて、非水電解質のイオン伝導性が低下し、反応抵抗が大きくなり、非水電解質二次電池の寿命が短くなる。
However, the niobium-titanium composite oxide contained in the negative electrode elutes niobium ions (Nb 5+ ) by moisture in the nonaqueous electrolyte and hydrogen fluoride (HF) generated during charge / discharge. Therefore, in the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment, niobium-titanium contained in the negative electrode is added in advance or added to the non-aqueous electrolyte in an appropriate amount, that is, 0.5 ppm to 200 ppm of Nb 5+. Elution of Nb 5+ from the composite oxide can be suppressed. Further, the content of Nb 5+ in the nonaqueous electrolyte is preferably 1 ppm or more and 50 ppm or less.
When the content of Nb 5+ in the non-aqueous electrolyte is less than 0.5 ppm, the reaction represented by the following reaction formula (1) proceeds in the right direction due to moisture and hydrogen fluoride in the non-aqueous electrolyte, Nb 5+ is eluted from the niobium-titanium composite oxide contained in the negative electrode, and the deterioration of the niobium-titanium composite oxide is accelerated.
TiNb 2 O 7 (solid) + 14HF⇔7H 2 O + 2Nb 5+ + Ti 4+ + 14F (1)
On the other hand, if the content of Nb 5+ in the non-aqueous electrolyte exceeds 200 ppm, the content of Nb 5+ in the non-aqueous electrolyte is too large, and the ionic conductivity of the non-aqueous electrolyte is lowered and the reaction resistance is increased. The life of the nonaqueous electrolyte secondary battery is shortened.

本実施形態に係る非水電解質二次電池では、非水電解質中の水の含有量は、1ppm以上100ppm以下であることが好ましい。水の含有量が1ppm以上100ppm以下である非水電解質に、0.5ppm以上200ppm以下のNb5+を添加または生成することにより、負極に含まれるニオブ−チタン複合酸化物からNb5+が溶出することを抑制できる。これにより、ニオブ−チタン複合酸化物を負極活物質として負極に用いた非水電解質二次電池の寿命を向上できる。In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment, the content of water in the nonaqueous electrolyte is preferably 1 ppm or more and 100 ppm or less. Nb 5+ is eluted from the niobium-titanium composite oxide contained in the negative electrode by adding or generating 0.5 ppm or more and 200 ppm or less of Nb 5+ to a nonaqueous electrolyte having a water content of 1 ppm to 100 ppm. Can be suppressed. Thereby, the lifetime of the nonaqueous electrolyte secondary battery using the niobium-titanium composite oxide as the negative electrode active material for the negative electrode can be improved.

本実施形態に係る非水電解質二次電池において、非水電解質中の水分を極めて取り除くことにより、非水電解質中にフッ化水素が生成するのを抑制して、負極に含まれるニオブ−チタン複合酸化物からNb5+が溶出することを抑制できる。これにより、ニオブ−チタン複合酸化物を負極活物質として負極に用いた非水電解質二次電池の寿命を向上できる。In the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment, the niobium-titanium composite contained in the negative electrode is suppressed by suppressing the generation of hydrogen fluoride in the non-aqueous electrolyte by extremely removing water in the non-aqueous electrolyte. Elution of Nb 5+ from the oxide can be suppressed. Thereby, the lifetime of the nonaqueous electrolyte secondary battery using the niobium-titanium composite oxide as the negative electrode active material for the negative electrode can be improved.

本実施形態に係る非水電解質二次電池において、非水電解質中にフッ化水素を生成し難い電解質を用いることにより、非水電解質中にフッ化水素が生成するのを抑制でき、負極に含まれるニオブ−チタン複合酸化物からNb5+が溶出することを抑制できる。これにより、ニオブ−チタン複合酸化物を負極活物質として負極に用いた非水電解質二次電池の寿命を向上できる。In the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment, by using an electrolyte that hardly generates hydrogen fluoride in the non-aqueous electrolyte, generation of hydrogen fluoride in the non-aqueous electrolyte can be suppressed and included in the negative electrode. Elution of Nb 5+ from the niobium-titanium composite oxide. Thereby, the lifetime of the nonaqueous electrolyte secondary battery using the niobium-titanium composite oxide as the negative electrode active material for the negative electrode can be improved.

ニオブ−チタン複合酸化物は、LiTiNb2−y7±δ(但し、Mは、B、Na、Mg、Al、Si、S、P、K、Ca、Mo、W、Cr、Mn、Co、NiおよびFeからなる群から選択される少なくとも1種、0≦x≦5、0≦y≦0.5、0≦δ≦0.3)で表される化合物であることが好ましい。LiTiNb2−y7±δで表されるニオブ−チタン複合酸化物は、化学式当たり4価から3価に還元可能なカチオンを1つ有し、5価か3価まで還元可能なカチオンを最大で2つ有するため、理論上、最大で5つのリチウムイオンを挿入することが可能である。そのため、上記の化学式において、xは0以上5以下である。ニオブ−チタン複合酸化物に含まれる元素Mが、全てニオブ−チタン複合酸化物の結晶格子中のNbを置換固溶した状態で存在する場合、y=0.5である。一方、ニオブ−チタン複合酸化物に含まれる元素Mが、均一に結晶格子中に存在せず偏析している場合、y=0である。δは、単斜晶型の結晶構造を有するニオブ−チタン複合酸化物の還元状態によって変動する。δが−0.3を超えると、ニオブが予め還元されて電極性能が低下する上、相分離するおそれがある。一方、δ=+0.3までは測定誤差の範囲である。Niobium-titanium composite oxide is Li x TiNb 2-y M y O 7 ± δ (where M is B, Na, Mg, Al, Si, S, P, K, Ca, Mo, W, Cr, A compound represented by at least one selected from the group consisting of Mn, Co, Ni, and Fe, 0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 0.5, and 0 ≦ δ ≦ 0.3) is preferable. . The niobium-titanium composite oxide represented by Li x TiNb 2-y M y O 7 ± δ has one cation that can be reduced from tetravalent to trivalent per chemical formula, and can be reduced to pentavalent or trivalent. It is theoretically possible to insert a maximum of five lithium ions because it has a maximum of two cations. Therefore, in the above chemical formula, x is 0 or more and 5 or less. When all the elements M contained in the niobium-titanium composite oxide are present in a state where Nb in the crystal lattice of the niobium-titanium composite oxide is substituted and dissolved, y = 0.5. On the other hand, when the element M contained in the niobium-titanium composite oxide does not exist uniformly in the crystal lattice and segregates, y = 0. δ varies depending on the reduction state of the niobium-titanium composite oxide having a monoclinic crystal structure. If δ exceeds −0.3, niobium is reduced in advance to deteriorate electrode performance, and phase separation may occur. On the other hand, up to δ = + 0.3 is the measurement error range.

LiTiNb2−y7±δ(但し、Mは、B、Na、Mg、Al、Si、S、P、K、Ca、Mo、W、Cr、Mn、Co、NiおよびFeからなる群から選択される少なくとも1種、0≦x≦5、0≦y≦0.5、0≦δ≦0.3)で表される複合酸化物は、ニオブの一部が元素Mで置換固溶されても実質的に容量が低下せず、異種元素置換により電子導電性の向上も期待できるため好ましい。Li x TiNb 2-y M y O 7 ± δ (where M is from B, Na, Mg, Al, Si, S, P, K, Ca, Mo, W, Cr, Mn, Co, Ni and Fe) In the composite oxide represented by at least one selected from the group consisting of 0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 0.5, and 0 ≦ δ ≦ 0.3), a part of niobium is substituted with the element M Even if it is dissolved, the capacity is not substantially reduced, and it is preferable because improvement in electronic conductivity can be expected by substitution with a different element.

さらに、本実施形態に係る非水電解質二次電池において、ニオブ−チタン複合酸化物の融点は、1350℃以下であることが好ましく、1250℃以下であることがより好ましい。
ニオブ−チタン複合酸化物の融点が1350℃以下であれば、低い焼成温度で焼成しても、結晶性の高いニオブ−チタン複合酸化物が得られる。そのため、既存の設備を利用して、ニオブ−チタン複合酸化物を合成できる。また、低い焼成温度でニオブ−チタン複合酸化物を合成できるため、ニオブ−チタン複合酸化物の生産性が高いという利点がある。
Furthermore, in the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment, the melting point of the niobium-titanium composite oxide is preferably 1350 ° C. or less, and more preferably 1250 ° C. or less.
If the melting point of the niobium-titanium composite oxide is 1350 ° C. or lower, a niobium-titanium composite oxide having high crystallinity can be obtained even when fired at a low firing temperature. Therefore, niobium-titanium composite oxide can be synthesized using existing equipment. Further, since the niobium-titanium composite oxide can be synthesized at a low firing temperature, there is an advantage that the productivity of the niobium-titanium composite oxide is high.

ニオブ−チタン複合酸化物の一次粒子の平均粒径は、0.001μm以上3μm以下であることが好ましい。平均粒径を0.001μm以上にすることにより、負極に対する非水電解質の分布を均等にすることができ、負極での非水電解質の枯渇が抑えられる。平均粒径を3μm以下にすることにより、負極の比表面積を3m/g以上50m/g以下としたとき、負極の多孔度の低下を抑制することができる。The average particle size of the primary particles of the niobium-titanium composite oxide is preferably 0.001 μm or more and 3 μm or less. By setting the average particle size to 0.001 μm or more, the distribution of the nonaqueous electrolyte relative to the negative electrode can be made uniform, and depletion of the nonaqueous electrolyte at the negative electrode can be suppressed. By making the average particle size 3 μm or less, when the specific surface area of the negative electrode is 3 m 2 / g or more and 50 m 2 / g or less, a decrease in the porosity of the negative electrode can be suppressed.

ニオブ−チタン複合酸化物は、その一次粒子の平均粒径が1μm以下で、かつ、N吸着によるBET法での比表面積が3m/g以上200m/g以下であることが好ましい。これにより、負極の非水電解質との親和性をさらに高くできる。The niobium-titanium composite oxide preferably has an average primary particle size of 1 μm or less and a specific surface area of 3 m 2 / g or more and 200 m 2 / g or less by the BET method by N 2 adsorption. Thereby, the affinity with the nonaqueous electrolyte of the negative electrode can be further increased.

正極、セパレータおよび非水電界質としては、特に限定されず、リチウム二次電池に適用可能なものを用いることができる。   It does not specifically limit as a positive electrode, a separator, and a nonaqueous electrolyte, What is applicable to a lithium secondary battery can be used.

<ニオブ−チタン複合酸化物の製造方法>
本実施形態において、以下の方法により、ニオブ−チタン複合酸化物を製造することができる。
まず、出発原料を混合する。
元素Li、TiおよびNbの出発原料としては、Li、TiおよびNbを含む酸化物または塩を用いる。
元素Mの出発原料としては、B、Na、Mg、Al、Si、S、P、K、Ca、Mo、W、Cr、Mn、Co、NiおよびFeからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む酸化物または塩を用いる。例えば、LiTiNb2−y(Mo0.75yMg0.25y)O7±δを合成する場合、MgとMoの出発原料としては、MgOと、MoOまたはMoOとが用いられる。出発原料として用いる塩は、炭酸塩および硝酸塩のような、比較的低温で分解して酸化物を生じる塩であることが好ましい。
<Method for producing niobium-titanium composite oxide>
In this embodiment, a niobium-titanium composite oxide can be produced by the following method.
First, the starting materials are mixed.
As starting materials for the elements Li, Ti and Nb, oxides or salts containing Li, Ti and Nb are used.
The starting material for the element M is at least one selected from the group consisting of B, Na, Mg, Al, Si, S, P, K, Ca, Mo, W, Cr, Mn, Co, Ni, and Fe. An oxide or a salt containing an element is used. For example, when synthesizing Li x TiNb 2-y (Mo 0.75y Mg 0.25y ) O 7 ± δ , MgO and MoO 2 or MoO 3 are used as starting materials for Mg and Mo. The salt used as a starting material is preferably a salt that decomposes at a relatively low temperature to form an oxide, such as carbonate and nitrate.

ここで、元素Li、TiおよびNbの出発原料と、元素Mの出発原料とを、Tiに対するMのモル比(M/Ti)が、0<M/Ti≦0.5となる割合で混合する。また、Nbの一部が元素Mで置換された結晶の全電荷が中性に保たれるようなモル比(M/Ti)で混合することが好ましい。これにより、LiTiNbの結晶構造を維持した結晶が得られる。一方、Nbの一部が元素Mで置換された結晶の全電荷が中性に保たれいような元素Mが添加された場合であっても、元素Mの添加量を調整することにより、大部分でLiTiNbの結晶構造を維持した結晶が得られる。Here, the starting materials of the elements Li, Ti and Nb and the starting material of the element M are mixed at a ratio such that the molar ratio of M to Ti (M / Ti) is 0 <M / Ti ≦ 0.5. . Further, it is preferable to mix at a molar ratio (M / Ti) so that the total charge of the crystal in which a part of Nb is substituted with the element M is kept neutral. Thus, crystal maintaining the crystal structure of Li x TiNb 2 O 7 are obtained. On the other hand, even when the element M is added so that the total charge of the crystal in which a part of Nb is substituted with the element M is kept neutral, by adjusting the amount of the element M added, A crystal maintaining the crystal structure of Li x TiNb 2 O 7 in a part is obtained.

次に、出発原料の混合物を粉砕し、できるだけ均一な混合物を得る。
次いで、粉砕した混合物を焼成する。混合物の焼成において、焼成温度は500℃以上1200℃以下、焼成時間は延べ10時間以上40時間以下であることが好ましく、焼成温度は800℃以上1000℃以下、焼成時間は延べ10時間以上40時間以下であることがより好ましい。本実施形態に係るニオブ−チタン複合酸化物の製造方法によれば、焼成温度が1200℃以下であっても、結晶性の高いニオブ−チタン複合酸化物が得られる。また、焼成温度が1000℃以下であれば、従来の設備を利用できる。
Next, the mixture of starting materials is pulverized to obtain a mixture that is as uniform as possible.
The pulverized mixture is then fired. In firing the mixture, the firing temperature is preferably 500 ° C. or more and 1200 ° C. or less, the firing time is preferably 10 hours or more and 40 hours or less, the firing temperature is 800 ° C. or more and 1000 ° C. or less, and the firing time is 10 hours or more and 40 hours or less. The following is more preferable. According to the method for producing a niobium-titanium composite oxide according to this embodiment, a niobium-titanium composite oxide having high crystallinity can be obtained even when the firing temperature is 1200 ° C. or lower. Moreover, if a calcination temperature is 1000 degrees C or less, the conventional installation can be utilized.

このようなニオブ−チタン複合酸化物の製造方法により、LiTiNb2−y7±δ(但し、Mは、B、Na、Mg、Al、Si、S、P、K、Ca、Mo、W、Cr、Mn、Co、NiおよびFeからなる群から選択される少なくとも1種、0≦x≦5、0≦y≦0.5、0≦δ≦0.3)で表される化合物からなるニオブ−チタン複合酸化物が得られる。Li x TiNb 2-y M y O 7 ± δ (where M is B, Na, Mg, Al, Si, S, P, K, Ca, At least one selected from the group consisting of Mo, W, Cr, Mn, Co, Ni and Fe, 0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ δ ≦ 0.3) A niobium-titanium composite oxide comprising the compound is obtained.

なお、上記の製造方法により合成されたニオブ−チタン複合酸化物は、非水電解質二次電池を充電することによりリチウムイオンが挿入されてもよい。あるいは、出発原料として、炭酸リチウムのようなリチウムを含む化合物を用いることにより、ニオブ−チタン複合酸化物は、リチウムを含む複合酸化物として合成されてもよい。 Note that lithium ions may be inserted into the niobium-titanium composite oxide synthesized by the above manufacturing method by charging a nonaqueous electrolyte secondary battery. Alternatively, the niobium-titanium composite oxide may be synthesized as a composite oxide containing lithium by using a compound containing lithium such as lithium carbonate as a starting material.

Nb5+の含有量が0.5ppm以上200ppm以下の非水電解質は、例えば、非水電解質中に、Nb5+源として、塩化ニオブ(V)(NbCl)等のNbを含み、非水電解質中でNb5+を遊離する物質を適量添加することにより調製される。A non-aqueous electrolyte having a Nb 5+ content of 0.5 ppm to 200 ppm includes, for example, Nb such as niobium chloride (V) (NbCl 5 ) as a Nb 5+ source in the non-aqueous electrolyte. To prepare an appropriate amount of a substance that liberates Nb 5+ .

上記の製造方法により合成されたニオブ−チタン複合酸化物を用いて負極を作製し、その負極と、正極と、セパレータと、非水電解質とを組み合わせて、非水電解質二次電池を作製する。   A negative electrode is produced using the niobium-titanium composite oxide synthesized by the above production method, and a nonaqueous electrolyte secondary battery is produced by combining the negative electrode, the positive electrode, a separator, and a nonaqueous electrolyte.

<非水電解質中のNb5+の含有量の誘導結合プラズマ(ICP)測定>
非水電解質二次電池中の非水電解質を汎用分光器に移行させて、誘導結合プラズマ(ICP)測定により、極めて高速、低干渉の多元素を測定する。
この誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)測定により、非水電解質中のNb5+の含有量(ppm)を測定できる。
<Inductively coupled plasma (ICP) measurement of Nb 5+ content in non-aqueous electrolyte>
The non-aqueous electrolyte in the non-aqueous electrolyte secondary battery is transferred to a general-purpose spectrometer, and multi-elements with extremely high speed and low interference are measured by inductively coupled plasma (ICP) measurement.
By this inductively coupled plasma (ICP) measurement, the content (ppm) of Nb 5+ in the nonaqueous electrolyte can be measured.

(第2の実施形態)
第2の実施形態では、上述の第1実施形態におけるニオブ−チタン複合酸化物を負極活物質として含む負極と、正極と、非水電解質と、セパレータと、外装材と、を含む非水電解質二次電池が提供される。
より具体的には、本実施形態に係る非水電解質二次電池は、外装材と、外装材内に収納された正極と、外装材内に正極と空間的に離間されて、セパレータを介在して収納された負極と、外装材内に充填された非水電解質とを含む。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, a non-aqueous electrolyte that includes a negative electrode including the niobium-titanium composite oxide in the first embodiment described above as a negative electrode active material, a positive electrode, a non-aqueous electrolyte, a separator, and an exterior material. A secondary battery is provided.
More specifically, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment includes an exterior material, a positive electrode housed in the exterior material, a spatially separated space from the positive electrode in the exterior material, and a separator interposed therebetween. And the non-aqueous electrolyte filled in the exterior material.

以下、本実施形態に係る非水電解質二次電池の構成部材である負極、正極、非水電解質、セパレータ、外装材について、詳細に説明する。 Hereinafter, the negative electrode, the positive electrode, the nonaqueous electrolyte, the separator, and the exterior material, which are constituent members of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment, will be described in detail.

(1)負極
負極は、負極集電体と、この負極集電体の片面または両面に形成され、負極活物質、導電剤および結着剤を含む負極層とを備える。導電剤および結着剤は、任意成分である。
(1) The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode layer formed on one or both surfaces of the negative electrode current collector and including a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder. The conductive agent and the binder are optional components.

負極活物質としては、第1の実施形態で説明したニオブ−チタン複合酸化物が用いられる。これにより、生産性に優れ、かつ、優れた急速充放電性能と高いエネルギー密度とを有する非水電解質二次電池を提供できる。 As the negative electrode active material, the niobium-titanium composite oxide described in the first embodiment is used. Thereby, the nonaqueous electrolyte secondary battery which is excellent in productivity and has excellent rapid charge / discharge performance and high energy density can be provided.

負極活物質として、第1の実施形態で説明したニオブ−チタン複合酸化物を単独で用いてもよいが、ニオブ−チタン複合酸化物と他の負極活物質とを組合せて用いてもよい。他の負極活物質としては、例えば、アナターゼ構造を有する二酸化チタン(TiO)、ラムスデライト構造を有するチタン酸リチウム(例えば、LiTi)、スピネル構造を有するチタン酸リチウム(例えば、LiTi12)等が挙げられる。As the negative electrode active material, the niobium-titanium composite oxide described in the first embodiment may be used alone, or a niobium-titanium composite oxide and another negative electrode active material may be used in combination. As other negative electrode active materials, for example, titanium dioxide having an anatase structure (TiO 2 ), lithium titanate having a ramsdellite structure (for example, Li 2 Ti 3 O 7 ), lithium titanate having a spinel structure (for example, Li 4 Ti 5 O 12 ) and the like.

負極の比表面積は、3m/g以上50m/g以下であることが好ましく、5m/g以上50m/g以下であることがより好ましい。これにより、非水電解質二次電池の出力性能と充放電サイクル性能を、より改善することが可能である。ここで、負極の比表面積とは、負極層(集電体質量を除く)1g当りの表面積を意味する。なお、負極層とは、負極集電体上に形成された負極活物質、導電剤および結着剤を含む多孔質の層である。The specific surface area of the negative electrode is preferably 3 m 2 / g or more and 50 m 2 / g or less, and more preferably 5 m 2 / g or more and 50 m 2 / g or less. Thereby, the output performance and charge / discharge cycle performance of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be further improved. Here, the specific surface area of the negative electrode means the surface area per 1 g of the negative electrode layer (excluding the current collector mass). The negative electrode layer is a porous layer containing a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder formed on the negative electrode current collector.

負極の多孔度(集電体を除く)は、20%以上50%以下であることが好ましく、25%以上40%以下であることがより好ましい。これにより、非水電解質との親和性に優れ、かつ高密度な負極が得られる。 The porosity (excluding the current collector) of the negative electrode is preferably 20% or more and 50% or less, and more preferably 25% or more and 40% or less. As a result, a negative electrode having excellent affinity with the nonaqueous electrolyte and a high density can be obtained.

負極集電体は、負極活物質のリチウムの吸蔵および放出電位において電気化学的に安定である材料が用いられる。負極集電体としては、銅、ニッケル、ステンレスもしくはアルミニウム、または、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、CuおよびSiからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金から作製された集電体が好ましい。
負極集電体の厚さは、5μm以上20μm以下であることが好ましい。この範囲の厚さを有する負極集電体は、負極の強度と軽量化とを両立することができる。
For the negative electrode current collector, a material that is electrochemically stable at the lithium insertion and extraction potential of the negative electrode active material is used. The negative electrode current collector was made of copper, nickel, stainless steel or aluminum, or an aluminum alloy containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu and Si. A current collector is preferred.
The thickness of the negative electrode current collector is preferably 5 μm or more and 20 μm or less. A negative electrode current collector having a thickness in this range can achieve both strength and weight reduction of the negative electrode.

導電剤は、負極活物質の集電性能を高め、負極活物質と負極集電体との接触抵抗を抑える。
導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、コークス、炭素繊維、黒鉛、金属化合物粉末、金属粉末等が挙げられる。導電剤としては、より好ましくは、熱処理温度が800℃以上2000℃以下の平均粒径10μm以下のコークス、黒鉛、あるいは、TiO、TiC、TiN、Al,Ni,Cu、Fe等の金属粉末が挙げられる。
The conductive agent improves the current collecting performance of the negative electrode active material and suppresses the contact resistance between the negative electrode active material and the negative electrode current collector.
Examples of the conductive agent include acetylene black, carbon black, coke, carbon fiber, graphite, metal compound powder, and metal powder. More preferable examples of the conductive agent include coke, graphite, or a metal powder such as TiO, TiC, TiN, Al, Ni, Cu, and Fe having a heat treatment temperature of 800 ° C. to 2000 ° C. and an average particle size of 10 μm or less. It is done.

結着剤は、分散された負極活物質の間隙を埋めて、負極活物質と導電剤を結着させ、また、負極活物質と負極集電体とを結着させる。
結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、スチレンブタジエンゴム、コアシェルバインダー、ポリアクリル酸を含む有機物等が挙げられる。
The binder fills the gap between the dispersed negative electrode active materials, binds the negative electrode active material and the conductive agent, and binds the negative electrode active material and the negative electrode current collector.
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-based rubber, styrene butadiene rubber, core-shell binder, and organic matter containing polyacrylic acid.

負極層中の負極活物質の含有量は、68質量%以上96質量%以下であることが好ましい。また、負極層中の導電剤の含有量は、2質量%以上30質量%以下であることが好ましい。また、負極層中の結着剤の含有量は、2質量%以上30質量%以下であることが好ましい。
導電剤の含有量を2質量%以上とすることにより、負極層の集電性能を向上させ、非水電解質二次電池の大電流特性を向上させることができる。
また、結着剤の含有量を2質量%以上とすることにより、負極層と負極集電体の結着性を高め、非水電解質二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
一方、導電剤および結着剤の含有量を、それぞれ28質量%以下にすることが、非水電解質二次電池の高容量化を図る観点から好ましい。
The content of the negative electrode active material in the negative electrode layer is preferably 68% by mass or more and 96% by mass or less. Moreover, it is preferable that content of the electrically conductive agent in a negative electrode layer is 2 to 30 mass%. Moreover, it is preferable that content of the binder in a negative electrode layer is 2 mass% or more and 30 mass% or less.
By making content of a electrically conductive agent 2 mass% or more, the current collection performance of a negative electrode layer can be improved, and the large current characteristic of a nonaqueous electrolyte secondary battery can be improved.
Further, by setting the content of the binder to 2% by mass or more, the binding property between the negative electrode layer and the negative electrode current collector can be improved, and the cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be improved.
On the other hand, it is preferable from the viewpoint of increasing the capacity of the non-aqueous electrolyte secondary battery that the contents of the conductive agent and the binder are 28% by mass or less, respectively.

負極は、例えば、汎用されている溶媒に、負極活物質、導電剤および結着剤を懸濁してスラリーを調製し、このスラリーを負極集電体に塗布して、乾燥し、負極層を形成した後、プレスを施すことにより作製される。また、負極は、負極活物質、導電剤および結着剤をペレット状に形成して負極層とし、これを負極集電体上に配置することにより作製されてもよい。 For example, the negative electrode is prepared by suspending a negative electrode active material, a conductive agent and a binder in a widely used solvent to prepare a slurry, and applying this slurry to a negative electrode current collector and drying to form a negative electrode layer Then, it is manufactured by applying a press. Further, the negative electrode may be produced by forming a negative electrode active material, a conductive agent, and a binder into a pellet shape to form a negative electrode layer, which is disposed on the negative electrode current collector.

(2)正極
正極は、正極集電体と、この正極集電体の片面もしくは両面に形成され、正極活物質、導電剤および結着剤を含む正極層とを備える。導電剤および結着剤は、任意成分である。
(2) The positive electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode layer formed on one or both surfaces of the positive electrode current collector and including a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder. The conductive agent and the binder are optional components.

正極活物質としては、例えば、酸化物または硫化物が用いられる。酸化物および硫化物としては、例えば、リチウムを吸蔵する二酸化マンガン(MnO)、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、リチウムマンガン複合酸化物(例えば、LiMnまたはLiMnO)、リチウムニッケル複合酸化物(例えば、LiNiO)、リチウムコバルト複合酸化物(例えば、LiCoO)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えば、LiNi1−yCo)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えば、LiMnCo1−y)、スピネル構造を有するリチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えば、LiMn2−yNi)、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(例えば、LiFePO、LiFe1−yMnPO、LiCoPO)、硫酸鉄[Fe(SO]、バナジウム酸化物(例えば、V)、および、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物が挙げられる。上記の化学式において、0<x≦1であり、0<y≦1である。正極活物質として、これらの化合物を単独で用いてもよく、あるいは、複数の化合物を組合せて用いてもよい。For example, an oxide or a sulfide is used as the positive electrode active material. Examples of the oxide and sulfide include manganese dioxide (MnO 2 ) that stores lithium, iron oxide, copper oxide, nickel oxide, and lithium manganese composite oxide (for example, Li x Mn 2 O 4 or Li x MnO 2 ). , Lithium nickel composite oxide (for example, Li x NiO 2 ), lithium cobalt composite oxide (for example, Li x CoO 2 ), lithium nickel cobalt composite oxide (for example, LiNi 1-y Co y O 2 ), lithium manganese Cobalt composite oxide (for example, Li x Mn y Co 1-y O 2 ), lithium manganese nickel composite oxide having a spinel structure (eg, Li x Mn 2-y Ni y O 4 ), lithium phosphorus having an olivine structure oxides (e.g., Li x FePO 4, Li x Fe 1-y Mn y PO 4 Li x CoPO 4), iron sulfate [Fe 2 (SO 4) 3 ], vanadium oxide (e.g., V 2 O 5), and include lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide. In the above chemical formula, 0 <x ≦ 1 and 0 <y ≦ 1. As the positive electrode active material, these compounds may be used alone, or a plurality of compounds may be used in combination.

より好ましい正極活物質としては、例えば、正極電圧が高いリチウムマンガン複合酸化物(例えば、LiMn)、リチウムニッケル複合酸化物(例えば、LiNiO)、リチウムコバルト複合酸化物(例えば、LiCoO)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えば、LiNi1−yCo)、スピネル構造を有するリチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えば、LiMn2−yNi)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えば、LiMnCo1−y)、リチウムリン酸鉄(例えば、LiFePO)、および、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物が挙げられる。上記の化学式において、0<x≦1であり、0<y≦1である。More preferable positive electrode active materials include, for example, a lithium manganese composite oxide (eg, Li x Mn 2 O 4 ), a lithium nickel composite oxide (eg, Li x NiO 2 ), a lithium cobalt composite oxide ( For example, Li x CoO 2 ), lithium nickel cobalt composite oxide (eg, LiNi 1-y Co y O 2 ), lithium manganese nickel composite oxide having a spinel structure (eg, Li x Mn 2-y Ni y O 4) ), Lithium manganese cobalt composite oxide (for example, Li x Mn y Co 1-y O 2 ), lithium iron phosphate (for example, Li x FePO 4 ), and lithium nickel cobalt manganese composite oxide. In the above chemical formula, 0 <x ≦ 1 and 0 <y ≦ 1.

非水電解質二次電池の非水電解質として常温溶融塩を用いる場合、好ましい正極活物質としては、例えば、リチウムリン酸鉄、LiVPOF(0≦x≦1)、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、および、リチウムニッケルコバルト複合酸化物が挙げられる。これらの化合物は、常温溶融塩との反応性が低いため、非水電解質二次電池のサイクル寿命を向上できる。When a room temperature molten salt is used as the nonaqueous electrolyte of the nonaqueous electrolyte secondary battery, preferred examples of the positive electrode active material include lithium iron phosphate, Li x VPO 4 F (0 ≦ x ≦ 1), and lithium manganese composite oxide. , Lithium nickel composite oxide, and lithium nickel cobalt composite oxide. Since these compounds have low reactivity with the room temperature molten salt, the cycle life of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be improved.

正極活物質の一次粒子の平均粒径は、100nm以上1μm以下であることが好ましい。一次粒子の平均粒径が100nm以上の正極活物質は、工業生産上の取り扱いが容易である。また、一次粒子の平均粒径が1μm以下の正極活物質は、リチウムイオンの固体内拡散をスムーズに進行させることができる。 The average particle size of primary particles of the positive electrode active material is preferably 100 nm or more and 1 μm or less. A positive electrode active material having an average primary particle size of 100 nm or more is easy to handle in industrial production. In addition, a positive electrode active material having an average primary particle size of 1 μm or less can smoothly diffuse lithium ions in a solid.

正極活物質の比表面積は、N吸着によるBET法で測定され、0.1m/g以上10m/g以下であることが好ましい。比表面積が0.1m/g以上の正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵・放出サイトを十分に確保できる。また、比表面積が10m/g以下の正極活物質は、工業生産の上で取り扱い易く、かつ非水電解質二次電池のサイクル特性を向上させることができる。The specific surface area of the positive electrode active material is measured by a BET method using N 2 adsorption, and is preferably 0.1 m 2 / g or more and 10 m 2 / g or less. The positive electrode active material having a specific surface area of 0.1 m 2 / g or more can sufficiently secure the lithium ion storage / release site. Moreover, the positive electrode active material having a specific surface area of 10 m 2 / g or less is easy to handle in industrial production and can improve the cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery.

正極集電体は、アルミニウム箔、または、Mg、Ti、Zn、Ni、Cr、Mn、Fe、CuおよびSiからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含むアルミニウム合金箔から形成されていることが好ましい。
アルミニウム箔の純度は、99質量%以上が好ましい。アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔に含まれる鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属の含有量は、1質量%以下であることが好ましい。
The positive electrode current collector is formed from an aluminum foil or an aluminum alloy foil containing at least one element selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Ni, Cr, Mn, Fe, Cu, and Si. It is preferable.
The purity of the aluminum foil is preferably 99% by mass or more. The content of transition metals such as iron, copper, nickel, and chromium contained in the aluminum foil or aluminum alloy foil is preferably 1% by mass or less.

正極集電体の厚さは、5μm以上20μm以下であることが好ましく、5μm以上15μm以下であることがより好ましい。 The thickness of the positive electrode current collector is preferably 5 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 5 μm or more and 15 μm or less.

導電剤は、正極活物質の集電性能を高めて、正極活物質と正極集電体との接触抵抗を抑える。導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、人工黒鉛、天然黒鉛、炭素繊維、導電性ポリマー等を含むものが挙げられる。
導電剤の種類は、1種類または2種類以上にすることができる。
The conductive agent improves the current collection performance of the positive electrode active material and suppresses the contact resistance between the positive electrode active material and the positive electrode current collector. Examples of the conductive agent include those containing acetylene black, carbon black, artificial graphite, natural graphite, carbon fiber, conductive polymer, and the like.
The type of the conductive agent can be one type or two or more types.

導電剤としては、特に、繊維径が1μm以下の気相成長の炭素繊維が好ましい。この炭素繊維を用いることにより、正極内部の電子伝導のネットワークが向上して、正極の出力性能を大幅に向上できる。 As the conductive agent, vapor grown carbon fiber having a fiber diameter of 1 μm or less is particularly preferable. By using this carbon fiber, the network of electron conduction inside the positive electrode is improved, and the output performance of the positive electrode can be greatly improved.

結着剤は、分散された正極活物質の間隙を埋め、正極活物質と導電剤を結着させ、また、正極活物質と正極集電体とを結着させる。
結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、ポリアクリル酸を含む有機物が挙げられる。
結着剤の種類は、1種類または2種類以上にすることができる。
また、結着剤を分散させるための有機溶媒としては、例えば、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド(DMF)等が用いられる。
The binder fills the gap between the dispersed positive electrode active materials, binds the positive electrode active material and the conductive agent, and binds the positive electrode active material and the positive electrode current collector.
Examples of the binder include organic substances including polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine rubber, and polyacrylic acid.
The type of the binder can be one type or two or more types.
Moreover, as an organic solvent for dispersing the binder, for example, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide (DMF), or the like is used.

正極層中の正極活物質の含有量は、80質量%以上98質量%以下であることが好ましい。また、正極層中の結着剤の含有量は、2質量%以上20質量%以下であることが好ましい。
結着剤の含有量を2質量%以上とすることにより、正極層に十分な電極強度が得られる。また、結着剤の含有量を20質量%以下とすることにより、正極における絶縁体の配合量を減少させ、正極の内部抵抗を減少できる。
The content of the positive electrode active material in the positive electrode layer is preferably 80% by mass or more and 98% by mass or less. Moreover, it is preferable that content of the binder in a positive electrode layer is 2 mass% or more and 20 mass% or less.
By setting the content of the binder to 2% by mass or more, sufficient electrode strength can be obtained for the positive electrode layer. Further, by setting the binder content to 20% by mass or less, the amount of the insulator in the positive electrode can be reduced, and the internal resistance of the positive electrode can be reduced.

導電剤を加える場合、正極層中の正極活物質の含有量は、77質量%以上95質量%以下であることが好ましい。また、正極層中の結着剤の含有量は、2質量%以上20質量%以下であることが好ましい。また、正極層中の導電剤の含有量は、3質量%以上15質量%以下であることが好ましい。
導電剤の含有量を3質量%以上とすることにより、正極の集電性能を高め、かつ、正極活物質と正極集電体との接触抵抗を抑えることができる。一方、導電剤の含有量を15質量%以下とすることにより、高温保存下での正極導電剤表面での非水電解質の分解を低減することができる。
When the conductive agent is added, the content of the positive electrode active material in the positive electrode layer is preferably 77% by mass or more and 95% by mass or less. Moreover, it is preferable that content of the binder in a positive electrode layer is 2 mass% or more and 20 mass% or less. Moreover, it is preferable that content of the electrically conductive agent in a positive electrode layer is 3 to 15 mass%.
By setting the content of the conductive agent to 3% by mass or more, the current collecting performance of the positive electrode can be improved, and the contact resistance between the positive electrode active material and the positive electrode current collector can be suppressed. On the other hand, by setting the content of the conductive agent to 15% by mass or less, decomposition of the non-aqueous electrolyte on the surface of the positive electrode conductive agent under high temperature storage can be reduced.

正極は、例えば、汎用されている溶媒に、正極活物質、結着剤および必要に応じて配合される導電剤を懸濁してスラリーを調製し、このスラリーを正極集電体に塗布した後に乾燥し、正極層を形成した後、プレスを施すことにより作製される。また、正極は、正極活物質、結着剤および必要に応じて配合される導電剤をペレット状に形成して正極層とし、これを正極集電体上に配置することにより作製されてもよい。 For example, the positive electrode is prepared by suspending a positive electrode active material, a binder, and a conductive agent blended as necessary in a widely used solvent to prepare a slurry, and applying the slurry to the positive electrode current collector and then drying the slurry. And after forming a positive electrode layer, it produces by giving a press. Further, the positive electrode may be produced by forming a positive electrode active material, a binder, and a conductive agent blended as necessary into a pellet shape to form a positive electrode layer, which is disposed on the positive electrode current collector. .

(3)非水電解質
非水電解質としては、電解質を有機溶媒に溶解することにより調製される液状の有機電解質、液状の有機溶媒と高分子材料を複合化したゲル状の有機電解質、または、リチウム塩電解質と高分子材料を複合化した固体非水電解質(高分子固体電解質)、リチウム塩電解質と無機材料を複合化した固体非水電解質(無機固体電解質)が挙げられる。また、リチウムイオンを含有した常温溶融塩(イオン性融体)を非水電解質として用いてもよい。
(3) Non-aqueous electrolyte As the non-aqueous electrolyte, a liquid organic electrolyte prepared by dissolving an electrolyte in an organic solvent, a gel organic electrolyte obtained by combining a liquid organic solvent and a polymer material, or lithium Examples thereof include a solid nonaqueous electrolyte (polymer solid electrolyte) in which a salt electrolyte and a polymer material are combined, and a solid nonaqueous electrolyte (inorganic solid electrolyte) in which a lithium salt electrolyte and an inorganic material are combined. Moreover, you may use the normal temperature molten salt (ionic melt) containing lithium ion as a non-aqueous electrolyte.

非水電解質は、液状もしくはゲル状で、沸点が100℃以上で、有機電解質または常温溶融塩を含有することが好ましい。 The non-aqueous electrolyte is preferably liquid or gel, has a boiling point of 100 ° C. or higher, and contains an organic electrolyte or a room temperature molten salt.

液状の有機電解質は、電解質を0.5mol/L以上2.5mol/L以下の濃度で有機溶媒に溶解することにより、調製される。これにより、低温環境下においても高出力を取り出すことができる。有機電解質における電解質の濃度のより好ましい範囲は、1.5mol/L以上2.5mol/L以下である。 The liquid organic electrolyte is prepared by dissolving the electrolyte in an organic solvent at a concentration of 0.5 mol / L or more and 2.5 mol / L or less. Thereby, a high output can be taken out even in a low temperature environment. A more preferable range of the concentration of the electrolyte in the organic electrolyte is 1.5 mol / L or more and 2.5 mol / L or less.

電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム(LiClO)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCFSO)、および、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CFSO]のようなリチウム塩、並びに、これらの混合物が挙げられる。電解質は、高電位でも酸化し難いものであることが好ましく、六フッ化リン酸リチウムが最も好ましい。Examples of the electrolyte include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium hexafluoroarsenide (LiAsF 6 ), and trifluorometa. Examples include lithium salts such as lithium sulfonate (LiCF 3 SO 3 ) and lithium bistrifluoromethylsulfonylimide [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ], and mixtures thereof. The electrolyte is preferably one that is not easily oxidized even at a high potential, and lithium hexafluorophosphate is most preferred.

有機溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート;ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)等の鎖状カーボネート;テトラヒドロフラン(THF)、2−メチルテトラヒドロフラン(2−MeTHF)、ジオキソラン(DOX)等の環状エーテル;ジメトキシエタン(DME)、ジエトキシエタン(DEE)等の鎖状エーテル;γ−ブチロラクトン(GBL)、アセトニトリル(AN)およびスルホラン(SL)が挙げられる。これらの有機溶媒は、単独または2種以上の混合物の形態で用いることができる。 Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), and vinylene carbonate; chain carbonates such as diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and methyl ethyl carbonate (MEC); Cyclic ethers such as tetrahydrofuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran (2-MeTHF), dioxolane (DOX); chain ethers such as dimethoxyethane (DME) and diethoxyethane (DEE); γ-butyrolactone (GBL), acetonitrile (AN) and sulfolane (SL). These organic solvents can be used alone or in the form of a mixture of two or more.

常温溶融塩(イオン性融体)は、有機物カチオンとアニオンの組合せからなる有機塩の内、常温(15℃〜25℃)で液体として存在し得る化合物である。常温溶融塩としては、単体で液体として存在する常温溶融塩、電解質と混合させることで液体となる常温溶融塩、有機溶媒に溶解させることで液体となる常温溶融塩が挙げられる。一般に、非水電解質二次電池に用いられる常温溶融塩の融点は、25℃以下である。また、有機物カチオンは、一般に4級アンモニウム骨格を有する。 A room temperature molten salt (ionic melt) is a compound that can exist as a liquid at room temperature (15 ° C. to 25 ° C.) among organic salts composed of combinations of organic cations and anions. Examples of the room temperature molten salt include a room temperature molten salt that exists alone as a liquid, a room temperature molten salt that becomes a liquid when mixed with an electrolyte, and a room temperature molten salt that becomes a liquid when dissolved in an organic solvent. In general, the melting point of a room temperature molten salt used for a non-aqueous electrolyte secondary battery is 25 ° C. or less. The organic cation generally has a quaternary ammonium skeleton.

高分子固体電解質は、電解質を高分子材料に溶解し、固体化することによって調製される。無機固体電解質は、リチウムイオン伝導性を有する固体物質である。 The polymer solid electrolyte is prepared by dissolving an electrolyte in a polymer material and solidifying it. The inorganic solid electrolyte is a solid material having lithium ion conductivity.

高分子材料としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキサイド(PEO)等が挙げられる。   Examples of the polymer material include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), polyethylene oxide (PEO), and the like.

非水電解質は、添加剤をさらに含むことができる。
添加剤としては、特に限定されないが、例えば、ビニレンカーボネート(VC)、ビニレンアセテート(VA)、ビニレンブチレート、ビニレンヘキサネート、ビニレンクロトネート、カテコールカーボネート、プロパンスルトン等が挙げられる。
添加剤の濃度は、非水電解質100質量%に対して、0.1質量%以上3質量%以下の範囲であることが好ましく、より好ましい範囲は、0.5質量%以上1質量%以下である。
The non-aqueous electrolyte can further include an additive.
Although it does not specifically limit as an additive, For example, vinylene carbonate (VC), vinylene acetate (VA), vinylene butyrate, vinylene hexanate, vinylene crotonate, catechol carbonate, propane sultone etc. are mentioned.
The concentration of the additive is preferably in the range of 0.1% by mass to 3% by mass with respect to 100% by mass of the nonaqueous electrolyte, and more preferably in the range of 0.5% by mass to 1% by mass. is there.

非水電解質中のNb5+の含有量は、0.5ppm以上200ppm以下であり、1ppm以上50ppm以下であることが好ましい。
また、非水電解質中の水の含有量は、1ppm以上100ppm以下であることが好ましい。
The content of Nb 5+ in the nonaqueous electrolyte is 0.5 ppm or more and 200 ppm or less, and preferably 1 ppm or more and 50 ppm or less.
The water content in the non-aqueous electrolyte is preferably 1 ppm or more and 100 ppm or less.

Nb5+の含有量が0.5ppm以上200ppm以下の非水電解質は、例えば、非水電解質中に、Nb5+源として、塩化ニオブ(V)(NbCl)等のNbを含み、非水電解質中でNb5+を遊離する物質を適量添加することにより調製される。A non-aqueous electrolyte having a Nb 5+ content of 0.5 ppm to 200 ppm includes, for example, Nb such as niobium chloride (V) (NbCl 5 ) as a Nb 5+ source in the non-aqueous electrolyte. To prepare an appropriate amount of a substance that liberates Nb 5+ .

(4)セパレータ
セパレータは、正極と負極の間に配置される。
セパレータは、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、セルロース、または、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、または、合成樹脂製不織布から形成される。これらの中でも、ポリエチレンまたはポリプロピレンから形成された多孔質フィルムは、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能であるため、安全性を向上できる。
(4) The separator separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode.
The separator is formed of, for example, a porous film containing polyethylene (PE), polypropylene (PP), cellulose, or polyvinylidene fluoride (PVdF), or a synthetic resin nonwoven fabric. Among these, the porous film formed from polyethylene or polypropylene can be melted at a constant temperature and can interrupt the current, so that safety can be improved.

セパレータは、厚さが30μm以下であることが好ましい。また、セパレータは、厚さが20μm以上100μm以下、密度が0.2g/cm以上0.9g/cm以下であることがより好ましい。セパレータの厚さおよび密度がこの範囲であると、機械的強度と電池抵抗の軽減とのバランスを取ることができ、高出力で内部短絡し難い電池を提供することができる。また、高温環境下での熱収縮が少なく良好な高温貯蔵性能を発揮することができる。The separator preferably has a thickness of 30 μm or less. The separator preferably has a thickness of 20 μm to 100 μm and a density of 0.2 g / cm 3 to 0.9 g / cm 3 . When the thickness and density of the separator are within this range, it is possible to balance the mechanical strength and the reduction of battery resistance, and it is possible to provide a battery that is high in output and hardly short-circuited internally. In addition, good thermal storage performance can be exhibited with little heat shrinkage in a high temperature environment.

(5)外装材
正極、負極および非水電解質が収容される外装材としては、金属製容器や、ラミネートフィルム製外装容器が用いられる。
金属製容器としては、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄、ステンレス等からなる金属缶で角形、円筒形の形状のものが用いられる。また、金属製容器の厚さは、1mm以下であることが好ましく、より好ましくは0.5mm以下、さらに好ましくは0.2mm以下である。
アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金が好ましい。アルミニウム合金中に、鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属を含む場合、その含有量は100ppm以下であることが好ましい。アルミニウム合金からなる金属製容器は、アルミニウムからなる金属製容器よりも強度が飛躍的に増大するため、金属製容器の厚さを薄くすることができる。その結果、薄型で軽量かつ高出力で放熱性に優れた非水電解質二次電池を実現することができる。
(5) Exterior material As the exterior material in which the positive electrode, the negative electrode, and the nonaqueous electrolyte are accommodated, a metal container or a laminate film exterior container is used.
As the metal container, a metal can made of aluminum, aluminum alloy, iron, stainless steel or the like having a square or cylindrical shape is used. Moreover, it is preferable that the thickness of a metal container is 1 mm or less, More preferably, it is 0.5 mm or less, More preferably, it is 0.2 mm or less.
As the aluminum alloy, an alloy containing elements such as magnesium, zinc and silicon is preferable. When the aluminum alloy contains a transition metal such as iron, copper, nickel, or chromium, the content is preferably 100 ppm or less. A metal container made of an aluminum alloy has a strength that is dramatically higher than that of a metal container made of aluminum, so that the thickness of the metal container can be reduced. As a result, a non-aqueous electrolyte secondary battery that is thin, lightweight, has high output, and has excellent heat dissipation can be realized.

ラミネートフィルムとしては、例えば、アルミニウム箔を樹脂フィルムで被覆した多層フィルム等が挙げられる。樹脂フィルムを構成する樹脂としては、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の高分子化合物が用いられる。また、ラミネートフィルムの厚さは、0.5mm以下であることが好ましく、0.2mm以下であることがより好ましい。アルミニウム箔の純度は、99.5%以上であることが好ましい。 Examples of the laminate film include a multilayer film in which an aluminum foil is covered with a resin film. As the resin constituting the resin film, polymer compounds such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), nylon, polyethylene terephthalate (PET) are used. Moreover, it is preferable that the thickness of a laminate film is 0.5 mm or less, and it is more preferable that it is 0.2 mm or less. The purity of the aluminum foil is preferably 99.5% or more.

なお、本実施形態は、扁平型(薄型)、角型、円筒型、コイン型、ボタン型等の種々の形態の非水電解質二次電池に適用することができる。
また、本実施形態に係る非水電解質二次電池は、上記の正極および負極からなる電極群に電気的に接続されるリードをさらに具備することができる。本実施形態に係る非水電解質二次電池は、例えば、2つのリードを具備することもできる。その場合、一方のリードは、正極集電タブに電気的に接続され、他方のリードは、負極集電タブに電気的に接続される。
リードの材料としては、特に限定されないが、例えば、正極集電体および負極集電体と同じ材料が用いられる。
The present embodiment can be applied to various forms of nonaqueous electrolyte secondary batteries such as a flat type (thin type), a square type, a cylindrical type, a coin type, and a button type.
In addition, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment can further include a lead electrically connected to the electrode group including the positive electrode and the negative electrode. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment can include, for example, two leads. In that case, one lead is electrically connected to the positive current collecting tab, and the other lead is electrically connected to the negative current collecting tab.
The lead material is not particularly limited, and for example, the same material as the positive electrode current collector and the negative electrode current collector is used.

本実施形態に係る非水電解質二次電池は、上記のリードに電気的に接続され、上記の外装材から引き出された端子をさらに具備することもできる。本実施形態に係る非水電解質二次電池は、例えば、2つの端子を具備することもできる。その場合、一方の端子は、正極集電タブに電気的に接続されたリードに接続され、他方の端子は、負極集電タブに電気的に接続されたリードに接続される。
端子の材料としては、特に限定されないが、例えば、正極集電体および負極集電体と同じ材料が用いられる。
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment may further include a terminal that is electrically connected to the lead and is drawn out from the exterior material. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment can include, for example, two terminals. In that case, one terminal is connected to a lead electrically connected to the positive electrode current collector tab, and the other terminal is connected to a lead electrically connected to the negative electrode current collector tab.
The material of the terminal is not particularly limited, and for example, the same material as the positive electrode current collector and the negative electrode current collector is used.

(6)非水電解質二次電池
次に、本実施形態に係る非水電解質二次電池の一例として、図3および図4に示す扁平型非水電解質二次電池(非水電解質二次電池)200について説明する。図3は、扁平型非水電解質二次電池200の断面図模式図である。また、図4は、図3中に示すA部の拡大断面図である。なお、これら各図は本実施形態に係る非水電解質二次電池を説明するための模式図であり、その形状や寸法、比等は実際の装置と異なる個所があるが、これらについては、以下の説明と公知技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
(6) Non-aqueous electrolyte secondary battery Next, as an example of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment, a flat non-aqueous electrolyte secondary battery (non-aqueous electrolyte secondary battery) shown in FIGS. 200 will be described. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the flat type nonaqueous electrolyte secondary battery 200. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a portion A shown in FIG. Each of these figures is a schematic diagram for explaining the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment, and the shape, dimensions, ratio, etc. thereof are different from those of the actual device. The design can be changed as appropriate in consideration of the above description and known techniques.

図3に示す非水電解質二次電池200は、扁平状の捲回電極群201が、外装材202内に収納されて構成されている。外装材202は、ラミネートフィルムを袋状に形成したものでもよく、金属製の容器であってもよい。また、扁平状の捲回電極群201は、外側、すなわち外装材202側から、負極203、セパレータ204、正極205、セパレータ204の順で積層した積層物を渦巻状に捲回し、プレス成型することにより形成される。図4に示すように、最外周に位置する負極203は、負極集電体203aの内面側の片面に負極層203bが形成された構成を有する。最外周以外の部分の負極203は、負極集電体203aの両面に負極層203bが形成された構成を有する。また、正極205は、正極集電体205aの両面に正極層205bが形成された構成を有する。なお、セパレータ204に代えて、上述したゲル状の非水電解質を用いてもよい。 A non-aqueous electrolyte secondary battery 200 shown in FIG. 3 is configured such that a flat wound electrode group 201 is housed in an exterior material 202. The exterior material 202 may be a laminate film formed in a bag shape or a metal container. Further, the flat wound electrode group 201 is formed by winding a laminate in which the negative electrode 203, the separator 204, the positive electrode 205, and the separator 204 are laminated in this order from the outside, that is, the exterior material 202 side, and press-molding. It is formed by. As shown in FIG. 4, the negative electrode 203 located on the outermost periphery has a configuration in which a negative electrode layer 203b is formed on one surface on the inner surface side of the negative electrode current collector 203a. A portion of the negative electrode 203 other than the outermost periphery has a configuration in which the negative electrode layer 203b is formed on both surfaces of the negative electrode current collector 203a. The positive electrode 205 has a structure in which a positive electrode layer 205b is formed on both surfaces of a positive electrode current collector 205a. Note that the above-described gel-like nonaqueous electrolyte may be used instead of the separator 204.

図3に示す捲回電極群201は、その外周端近傍において、負極端子206が最外周の負極203の負極集電体203aに電気的に接続されている。正極端子207は内側の正極205の正極集電体205aに電気的に接続されている。これらの負極端子206および正極端子207は、外装材202の外部に延出されるか、外装材202に備えられた取り出し電極に接続される。 In the wound electrode group 201 shown in FIG. 3, the negative electrode terminal 206 is electrically connected to the negative electrode current collector 203 a of the outermost negative electrode 203 in the vicinity of the outer peripheral end. The positive electrode terminal 207 is electrically connected to the positive electrode current collector 205 a of the inner positive electrode 205. The negative electrode terminal 206 and the positive electrode terminal 207 are extended to the outside of the exterior material 202 or connected to a take-out electrode provided in the exterior material 202.

ラミネートフィルムからなる外装材を備えた非水電解質二次電池200を製造する際は、負極端子206および正極端子207が接続された捲回電極群201を、開口部を有する袋状の外装材202に装入し、液状非水電解質を外装材202の開口部から注入し、さらに、袋状の外装材202の開口部を、負極端子206および正極端子207を挟んだ状態でヒートシールすることにより、捲回電極群201および液状非水電解質を完全密封させる。 When manufacturing the non-aqueous electrolyte secondary battery 200 having an exterior material made of a laminate film, the wound electrode group 201 to which the negative electrode terminal 206 and the positive electrode terminal 207 are connected is replaced with a bag-shaped exterior material 202 having an opening. The liquid non-aqueous electrolyte is injected from the opening of the exterior material 202, and the opening of the bag-shaped exterior material 202 is heat-sealed with the negative electrode terminal 206 and the positive electrode terminal 207 sandwiched therebetween. The wound electrode group 201 and the liquid nonaqueous electrolyte are completely sealed.

また、金属容器からなる外装材を備えた非水電解質二次電池200を製造する際は、負極端子206および正極端子207が接続された捲回電極群201を、開口部を有する金属容器に装入し、液状非水電解質を外装材202の開口部から注入し、さらに、金属容器に蓋体を装着して開口部を封口させる。 In addition, when manufacturing the nonaqueous electrolyte secondary battery 200 having an exterior material made of a metal container, the wound electrode group 201 to which the negative electrode terminal 206 and the positive electrode terminal 207 are connected is mounted on a metal container having an opening. The liquid non-aqueous electrolyte is injected from the opening of the exterior material 202, and a lid is attached to the metal container to seal the opening.

負極端子206としては、例えば、リチウムに対する電位が1V以上3V以下の範囲において電気的安定性と導電性とを備える材料を用いることができる。具体的には、アルミニウム、または、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、Si等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。また、負極端子206は、負極集電体203aとの接触抵抗を低減するために、負極集電体203aと同様の材料であることがより好ましい。 As the negative electrode terminal 206, for example, a material having electrical stability and conductivity in a range where the potential with respect to lithium is 1 V or more and 3 V or less can be used. Specifically, aluminum or an aluminum alloy containing elements such as Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si can be given. The negative electrode terminal 206 is more preferably made of the same material as the negative electrode current collector 203a in order to reduce contact resistance with the negative electrode current collector 203a.

正極端子207としては、リチウムに対する電位が3V以上4.25V以下の範囲において電気的安定性と導電性とを備える材料を用いることができる。具体的には、アルミニウムまたはMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、Si等の元素を含むアルミニウム合金が挙げられる。正極端子207は、正極集電体205aとの接触抵抗を低減するために、正極集電体205aと同様の材料であることが好ましい。
以下、非水電解質二次電池200の構成部材である外装材202、負極203、正極205、セパレータ204および非水電解質について詳細に説明する。
As the positive electrode terminal 207, a material having electrical stability and conductivity in a range where the potential with respect to lithium is 3 V or more and 4.25 V or less can be used. Specifically, aluminum or an aluminum alloy containing an element such as Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, or Si can be given. The positive electrode terminal 207 is preferably made of the same material as the positive electrode current collector 205a in order to reduce the contact resistance with the positive electrode current collector 205a.
Hereinafter, the exterior material 202, the negative electrode 203, the positive electrode 205, the separator 204, and the nonaqueous electrolyte, which are constituent members of the nonaqueous electrolyte secondary battery 200, will be described in detail.

(1)外装材
外装材202としては、上記の外装材が用いられる。
(1) As the exterior material exterior material 202, the exterior material described above is used.

(2)負極
負極203としては、上記の負極が用いられる。
(2) The negative electrode is used as the negative electrode 203.

(3)正極
正極205としては、上記の正極が用いられる。
(3) The positive electrode is used as the positive electrode 205.

(4)セパレータ
セパレータ204としては、上記のセパレータが用いられる。
(4) As the separator separator 204, the above separator is used.

(5)非水電解質
非水電解質としては、上記の非水電解質が用いられる。
(5) Nonaqueous electrolyte As the nonaqueous electrolyte, the above nonaqueous electrolyte is used.

第2の実施形態に係る非水電解質二次電池は、前述した図3および図4に示す構成のものに限らず、例えば、図5および図6に示す構成の電池であってもよい。図5は、第2の実施形態に係る別の扁平型非水電解質二次電池を模式的に示す部分切欠斜視図であり、図6は図5のB部の拡大断面図である。 The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the second embodiment is not limited to the one shown in FIGS. 3 and 4 described above, and may be a battery shown in FIGS. 5 and 6, for example. FIG. 5 is a partially cutaway perspective view schematically showing another flat type nonaqueous electrolyte secondary battery according to the second embodiment, and FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a portion B in FIG.

図5および図6に示す非水電解質二次電池210は、積層型電極群211が外装材212内に収納されて構成されている。積層型電極群211は、図6に示すように正極213と負極214とを、その間にセパレータ215を介在させながら交互に積層した構造を有する。 A non-aqueous electrolyte secondary battery 210 shown in FIGS. 5 and 6 is configured such that a laminated electrode group 211 is accommodated in an exterior material 212. As shown in FIG. 6, the stacked electrode group 211 has a structure in which positive electrodes 213 and negative electrodes 214 are alternately stacked with separators 215 interposed therebetween.

正極213は複数枚存在し、それぞれが正極集電体213aと、正極集電体213aの両面に担持された正極層213bとを備える。正極層213bには正極活物質が含有される。 There are a plurality of positive electrodes 213, each including a positive electrode current collector 213 a and a positive electrode layer 213 b supported on both surfaces of the positive electrode current collector 213 a. The positive electrode layer 213b contains a positive electrode active material.

負極214は複数枚存在し、それぞれが負極集電体214aと、負極集電体214aの両面に担持された負極層214bとを備える。負極層214bには負極活物質が含有される。各負極214の負極集電体214aは、一辺が負極214から突出している。突出した負極集電体214aは、帯状の負極端子216に電気的に接続されている。帯状の負極端子216の先端は、外装材212から外部に引き出されている。また、図示しないが、正極213の正極集電体213aは、負極集電体214aの突出辺と反対側に位置する辺が正極213から突出している。正極213から突出した正極集電体213aは、帯状の正極端子217に電気的に接続されている。帯状の正極端子217の先端は、負極端子216とは反対側に位置し、外装材212の辺から外部に引き出されている。 There are a plurality of negative electrodes 214, each including a negative electrode current collector 214a and a negative electrode layer 214b supported on both surfaces of the negative electrode current collector 214a. The negative electrode layer 214b contains a negative electrode active material. One side of the negative electrode current collector 214 a of each negative electrode 214 protrudes from the negative electrode 214. The protruding negative electrode current collector 214 a is electrically connected to the strip-shaped negative electrode terminal 216. The tip of the strip-shaped negative electrode terminal 216 is drawn out from the exterior material 212. Although not shown, the positive electrode current collector 213a of the positive electrode 213 has a side protruding from the positive electrode 213 on the side opposite to the protruding side of the negative electrode current collector 214a. The positive electrode current collector 213 a protruding from the positive electrode 213 is electrically connected to the belt-like positive electrode terminal 217. The front end of the strip-like positive electrode terminal 217 is located on the opposite side to the negative electrode terminal 216, and is drawn out from the side of the exterior material 212.

図5および図6に示す非水電解質二次電池210を構成する各部材の材質、配合比、寸法等は、図3および図4において説明した非水電解質二次電池200の各構成部材と同様の構成である。 The materials, blending ratios, dimensions, etc. of the members constituting the nonaqueous electrolyte secondary battery 210 shown in FIGS. 5 and 6 are the same as those of the components of the nonaqueous electrolyte secondary battery 200 described in FIGS. 3 and 4. It is the composition.

以上説明した本実施形態によれば、非水電解質二次電池を提供することができる。
本実施形態に係る非水電解質二次電池は、上述の第1実施形態におけるニオブ−チタン複合酸化物を負極活物質として含む負極と、正極と、非水電解質と、セパレータと、を具備する。負極は、ニオブ−チタン複合酸化物を負極活物質として含む。非水電解質中のNb5+の含有量は、0.5ppm以上200ppm以下である。このような非水電解質二次電池は、非水電解質中の水分や充放電時に生成したフッ化水素(HF)によって、負極に含まれるニオブ−チタン複合酸化物からニオブイオン(Nb5+)を溶出することを抑制できる。これにより、本実施形態に係る非水電解質二次電池は、急速充放電性能に優れ、エネルギー密度が高く、かつ寿命が長くなる。
According to this embodiment described above, a nonaqueous electrolyte secondary battery can be provided.
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment includes a negative electrode including the niobium-titanium composite oxide in the first embodiment as a negative electrode active material, a positive electrode, a nonaqueous electrolyte, and a separator. The negative electrode includes niobium-titanium composite oxide as a negative electrode active material. The content of Nb 5+ in the nonaqueous electrolyte is 0.5 ppm or more and 200 ppm or less. Such a non-aqueous electrolyte secondary battery elutes niobium ions (Nb 5+ ) from the niobium-titanium composite oxide contained in the negative electrode by moisture in the non-aqueous electrolyte and hydrogen fluoride (HF) generated during charging and discharging. Can be suppressed. Thereby, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment has excellent rapid charge / discharge performance, a high energy density, and a long life.

(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態に係る電池パックについて詳細に説明する。
本実施形態に係る電池パックは、上記の第1の実施形態または第2の実施形態に係る非水電解質二次電池(すなわち、単電池)を複数(2つ以上)有する。本実施形態に係る電池パックにおいて、複数の単電池は、電気的に直列、並列、あるいは、直列と並列に接続して配置される。
(Third embodiment)
Next, the battery pack according to the third embodiment will be described in detail.
The battery pack according to the present embodiment has a plurality (two or more) of nonaqueous electrolyte secondary batteries (that is, single cells) according to the first embodiment or the second embodiment. In the battery pack according to the present embodiment, the plurality of single cells are electrically connected in series, in parallel, or connected in series and in parallel.

図7および図8を参照して、本実施形態に係る電池パック300を具体的に説明する。図7に示す電池パック300においては、単電池301として、図3に示す扁平型非水電解液電池200を使用している。
複数の単電池301は、外部に延出した負極端子206および正極端子207が同じ向きに揃えられるように積層され、粘着テープ302で締結することによって組電池303を構成している。これらの単電池301は、図7および図8に示すように、互いに電気的に直列に接続されている。
With reference to FIG. 7 and FIG. 8, the battery pack 300 which concerns on this embodiment is demonstrated concretely. In the battery pack 300 shown in FIG. 7, the flat type nonaqueous electrolyte battery 200 shown in FIG. 3 is used as the unit cell 301.
The plurality of unit cells 301 are stacked such that the negative electrode terminal 206 and the positive electrode terminal 207 extending to the outside are aligned in the same direction, and are fastened with an adhesive tape 302 to constitute an assembled battery 303. These unit cells 301 are electrically connected to each other in series as shown in FIGS.

プリント配線基板304は、負極端子206および正極端子207が延出する単電池301の側面と対向して配置されている。図7に示すように、プリント配線基板304には、サーミスタ305(図8を参照)、保護回路306および外部機器への通電用端子307が搭載されている。なお、組電池303と対向するプリント配線基板304の面には、組電池303の配線と不要な接続を回避するために絶縁板(図示せず)が取り付けられている。 The printed wiring board 304 is disposed to face the side surface of the unit cell 301 from which the negative electrode terminal 206 and the positive electrode terminal 207 extend. As shown in FIG. 7, a thermistor 305 (see FIG. 8), a protection circuit 306, and a terminal 307 for energizing external devices are mounted on the printed wiring board 304. An insulating plate (not shown) is attached to the surface of the printed wiring board 304 facing the assembled battery 303 in order to avoid unnecessary connection with the wiring of the assembled battery 303.

正極側リード308は、組電池303の最下層に位置する正極端子207に接続され、その先端はプリント配線基板304の正極側コネクタ309に挿入されて電気的に接続されている。負極側リード310は、組電池303の最上層に位置する負極端子206に接続され、その先端は、プリント配線基板304の負極側コネクタ311に挿入されて電気的に接続されている。これらのコネクタ309、311は、プリント配線基板304に形成された配線312、313(図8を参照)を通じて保護回路306に接続されている。 The positive electrode side lead 308 is connected to the positive electrode terminal 207 located at the lowermost layer of the assembled battery 303, and the tip thereof is inserted into the positive electrode side connector 309 of the printed wiring board 304 and electrically connected thereto. The negative electrode side lead 310 is connected to the negative electrode terminal 206 located in the uppermost layer of the assembled battery 303, and the tip thereof is inserted into and electrically connected to the negative electrode side connector 311 of the printed wiring board 304. These connectors 309 and 311 are connected to the protection circuit 306 through wirings 312 and 313 (see FIG. 8) formed on the printed wiring board 304.

サーミスタ305は、単電池301の温度を検出するために用いられ、図7においては図示を省略しているが、単電池301の近傍に設けられるとともに、その検出信号は保護回路306に送信される。保護回路306は、所定の条件で保護回路306と外部機器への通電用端子307との間のプラス側配線314aおよびマイナス側配線314bを遮断できる。ここで、上記の所定の条件とは、例えば、サーミスタ305の検出温度が所定温度以上になったときである。さらに、所定の条件とは、単電池301の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。このような過充電等の検出は、個々の単電池301もしくは単電池301全体について行われる。なお、個々の単電池301における過充電等を検出する場合には、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単電池301中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図7および図8の場合、単電池301それぞれに電圧検出のための配線315を接続し、これら配線315を通して検出信号が保護回路306に送信される。 The thermistor 305 is used to detect the temperature of the unit cell 301 and is not shown in FIG. 7, but is provided in the vicinity of the unit cell 301 and its detection signal is transmitted to the protection circuit 306. . The protection circuit 306 can cut off the plus side wiring 314a and the minus side wiring 314b between the protection circuit 306 and the terminal 307 for energizing external devices under a predetermined condition. Here, the predetermined condition is, for example, when the temperature detected by the thermistor 305 is equal to or higher than a predetermined temperature. Furthermore, the predetermined condition is when an overcharge, overdischarge, overcurrent, or the like of the unit cell 301 is detected. Such detection of overcharge or the like is performed for each single cell 301 or the entire single cell 301. In addition, when detecting an overcharge or the like in each unit cell 301, the battery voltage may be detected, or the positive electrode potential or the negative electrode potential may be detected. In the latter case, a lithium electrode used as a reference electrode is inserted into each unit cell 301. In the case of FIG. 7 and FIG. 8, the voltage detection wiring 315 is connected to each of the single cells 301, and the detection signal is transmitted to the protection circuit 306 through these wirings 315.

図7に示すように、正極端子207および負極端子206が突出する側面を除く組電池303の三側面には、ゴムもしくは樹脂からなる保護シート316がそれぞれ配置されている。 As shown in FIG. 7, protective sheets 316 made of rubber or resin are arranged on three side surfaces of the assembled battery 303 excluding the side surfaces from which the positive electrode terminal 207 and the negative electrode terminal 206 protrude.

組電池303は、各保護シート316およびプリント配線基板304とともに、収納容器317内に収納される。すなわち、収納容器317の長辺方向の両方の内側面と短辺方向の内側面それぞれに保護シート316が配置され、短辺方向の保護シート316とは反対側の内側面にプリント配線基板304が配置される。組電池303は、保護シート316およびプリント配線基板304で囲まれた空間内に位置する。蓋318は、収納容器317の上面に取り付けられている。 The assembled battery 303 is stored in the storage container 317 together with each protective sheet 316 and the printed wiring board 304. That is, the protective sheet 316 is disposed on both the inner side surface in the long side direction and the inner side surface in the short side direction of the storage container 317, and the printed wiring board 304 is disposed on the inner side surface opposite to the protective sheet 316 in the short side direction. Be placed. The assembled battery 303 is located in a space surrounded by the protective sheet 316 and the printed wiring board 304. The lid 318 is attached to the upper surface of the storage container 317.

なお、組電池303の固定には、粘着テープ302に代えて熱収縮テープを用いてもよい。この場合、組電池の両側面に保護シートを配置し、熱収縮テープを周回させた後、熱収縮テープを熱収縮させて組電池を結束させる。 For fixing the assembled battery 303, a heat shrink tape may be used instead of the adhesive tape 302. In this case, protective sheets are arranged on both side surfaces of the assembled battery, the heat shrinkable tape is circulated, and then the heat shrinkable tape is heat shrunk to bind the assembled battery.

ここで、図7、図8においては、単電池301を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには、単電池301を並列に接続しても、または、直列接続と並列接続とを組み合わせた構成としてもよい。また、組み上がった電池パックを、さらに直列、並列に接続することも可能である。 Here, FIGS. 7 and 8 show the configuration in which the cells 301 are connected in series. However, in order to increase the battery capacity, the cells 301 may be connected in parallel or in parallel with the series connection. It is good also as a structure which combined connection. In addition, the assembled battery packs can be further connected in series and in parallel.

以上説明した本実施形態によれば、電池パックを提供することができる。本実施形態に係る電池パックは、上記の第1の実施形態または第2の実施形態に係る非水電解質二次電池を複数具備する。このような電池パックは、急速充放電性能に優れ、エネルギー密度が高く、かつ寿命が長い。 According to this embodiment described above, a battery pack can be provided. The battery pack according to the present embodiment includes a plurality of nonaqueous electrolyte secondary batteries according to the first embodiment or the second embodiment. Such a battery pack has excellent rapid charge / discharge performance, high energy density, and long life.

なお、電池パックの態様は用途により適宜変更される。本実施形態に係る電池パックの用途としては、大電流を取り出したときに優れたサイクル特性を示すことが要求されるものが好ましい。具体的には、デジタルカメラの電源用や、二輪または四輪のハイブリッド電気自動車、二輪または四輪の電気自動車、アシスト自転車等の車載用が挙げられる。特に、高温特性の優れた非水電解質二次電池を用いた電池パックは、車載用に好適に用いられる。 In addition, the aspect of a battery pack is changed suitably by a use. As a use of the battery pack according to the present embodiment, one that is required to exhibit excellent cycle characteristics when a large current is taken out is preferable. Specific examples include a power source for a digital camera, a two-wheel or four-wheel hybrid electric vehicle, a two-wheel or four-wheel electric vehicle, an in-vehicle device such as an assist bicycle. In particular, a battery pack using a nonaqueous electrolyte secondary battery having excellent high temperature characteristics is suitably used for in-vehicle use.

以上の実施形態によれば、生産性に優れ、かつ、優れた急速充放電性能と高いエネルギー密度を有する電池パックを提供することができる。 According to the above embodiment, it is possible to provide a battery pack having excellent productivity and excellent rapid charge / discharge performance and high energy density.

以下、実施例に基づいて上記の実施形態をさらに詳細に説明する。
なお、合成したニオブ−チタン複合酸化物の結晶相の同定および結晶構造の推定は、Cu−Kα線を用いた粉末X線回折法によって行った。また、生成物の組成をICP(Inductively Coupled Plasma、誘導結合プラズマ)発光分光分析法により分析し、目的物が得られていることを確認した。また、TEM(Transmission Electron Microscope、透過型電子顕微鏡)観察ならびにEPMA(Electron Probe Micro Analyzer、電子線マイクロアナライザー)測定を行い、ニオブ−チタン複合酸化物LiTiNb2−y7±δの元素Mの状態を確認した。また、得られた試料のDSC(示差走査熱量計)測定を行い、吸熱ピークの頂点位置から融点を調べた。
Hereinafter, based on an Example, said embodiment is described further in detail.
Note that the identification of the crystal phase and the estimation of the crystal structure of the synthesized niobium-titanium composite oxide were performed by a powder X-ray diffraction method using Cu-Kα rays. Further, the composition of the product was analyzed by ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectroscopic analysis to confirm that the target product was obtained. Further, TEM (Transmission Electron Microscope) and EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) measurements were performed, and the niobium-titanium composite oxide Li x TiNb 2- y My O 7 ± δ was measured. The state of element M was confirmed. Moreover, DSC (differential scanning calorimeter) measurement of the obtained sample was performed, and melting | fusing point was investigated from the vertex position of the endothermic peak.

<実施例1−実施例4>
以下の手順により、実施例1−実施例4のニオブ−チタン複合酸化物を作製した。
<Example 1-Example 4>
The niobium-titanium composite oxide of Example 1 to Example 4 was produced by the following procedure.

「電気化学特性の評価」
(電気化学測定セルの作製)
上記で合成したニオブ−チタン複合酸化物と、導電剤としてアセチレンブラックとを混合した。ニオブ−チタン複合酸化物とアセチレンブラックの混合比は、ニオブ−チタン複合酸化物100質量部に対して、アセチレンブラックを10質量部とした。この混合物を、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)中に分散した。得られた分散液に、結着剤として、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を混合し、電極スラリーを作製した。PVdFは、ニオブ−チタン複合酸化物100質量部に対して、10質量部を混合した。
次いで、ブレードを用いて、アルミ箔からなる集電体の両面に、上記の電極スラリーを塗布した。その後、真空下、130℃で12時間乾燥し、電極を得た。
"Evaluation of electrochemical properties"
(Production of electrochemical measurement cell)
The niobium-titanium composite oxide synthesized above was mixed with acetylene black as a conductive agent. The mixing ratio of the niobium-titanium composite oxide and acetylene black was 10 parts by mass of acetylene black with respect to 100 parts by mass of the niobium-titanium composite oxide. This mixture was dispersed in NMP (N-methyl-2-pyrrolidone). Polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder was mixed with the obtained dispersion to prepare an electrode slurry. 10 parts by mass of PVdF was mixed with 100 parts by mass of the niobium-titanium composite oxide.
Next, the electrode slurry was applied to both surfaces of a current collector made of aluminum foil using a blade. Then, it dried at 130 degreeC under vacuum for 12 hours, and obtained the electrode.

エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを、体積比2:1で混合し、混合溶媒を調製した。この混合溶媒中に、電解質として六フッ化リン酸リチウムを1Mの濃度で溶解させて、非水電解質を調製した。得られた非水電解質に、0.7ppm、50ppm、100ppm、180ppmのNb5+を溶解させて、実施例1−実施例4の非水電解質を得た。Nb5+源としては、NbClを用いた。Ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 2: 1 to prepare a mixed solvent. In this mixed solvent, lithium hexafluorophosphate as an electrolyte was dissolved at a concentration of 1M to prepare a non-aqueous electrolyte. In the obtained non-aqueous electrolyte, 0.7 ppm, 50 ppm, 100 ppm, and 180 ppm of Nb 5+ were dissolved to obtain the non-aqueous electrolytes of Example 1 to Example 4. NbCl 5 was used as the Nb 5+ source.

上記の電極と、対極として金属リチウム箔と、非水電解質とを用いて、電気化学測定セルを作製した。 An electrochemical measurement cell was fabricated using the above electrode, a metal lithium foil as a counter electrode, and a non-aqueous electrolyte.

(電気化学測定)
上記の電気化学測定セルを用いて、室温で充放電試験を行った。充放電は、金属リチウム電極基準で1.0V〜3.0Vの電位範囲で、充放電電流値を0.2C(時間放電率)として行った。
(Electrochemical measurement)
A charge / discharge test was performed at room temperature using the electrochemical measurement cell. Charging / discharging was performed at a charge / discharge current value of 0.2 C (time discharge rate) in a potential range of 1.0 V to 3.0 V on the basis of a metal lithium electrode.

また、レート性能を調査した。0.2C、1C、2C、5C、10Cのときの放電容量を測定し、それぞれ0.2C容量を1.0C容量としたときの放電容量比を算出した。   The rate performance was also investigated. The discharge capacities at 0.2C, 1C, 2C, 5C, and 10C were measured, and the discharge capacity ratio was calculated when the 0.2C capacity was 1.0C capacity.

次に、室温で50サイクル繰り返し充放電を行い(充電/放電で1サイクルとする)、50回放電容量維持率を調べた。充放電は、金属リチウム電極基準で1.0V〜3.0Vの電位範囲で、電流値を1C(時間放電率)とし、室温で行った。 Next, 50 cycles were repeatedly charged / discharged at room temperature (one cycle for charging / discharging), and the 50-time discharge capacity retention rate was examined. Charging / discharging was performed at room temperature with a current value of 1 C (time discharge rate) in a potential range of 1.0 V to 3.0 V based on a metal lithium electrode.

50サイクル後、再び0.2C(時間放電率)で充放電を行い、放電容量を測定した。初回放電容量を100%として、50サイクル後の容量維持率(%)を算出した。
結果を、図9〜図11に示す。図9は、実施例1−実施例3の電気化学測定セルの初回充放電容量の測定結果を示すグラフである。図10は、実施例1−実施例3の電気化学測定セルのレート特性の測定結果を示すグラフである。図11は、実施例1−実施例3の電気化学測定セルのサイクル容量の変化を示すグラフである。図12は、実施例4の電気化学測定セルのサイクル容量の変化を示すグラフである。
また、非水電解質中のNb5+の含有量、水の含有量および電気化学特性を表1に示す。なお、表1において、電気化学特性の測定結果を、45℃、1Cにおける、50サイクル後の放電容量維持率(%)が80%を超える場合を◎、45℃、1Cにおける、50サイクル後の放電容量維持率(%)が70%を超え、80%以下の場合を○、45℃、1Cにおける、50サイクル後の放電容量維持率(%)が60%を超え、70%以下の場合を△、50サイクル後の放電容量維持率(%)が60%以下の場合を×とした。
After 50 cycles, charge and discharge were performed again at 0.2 C (time discharge rate), and the discharge capacity was measured. The capacity retention rate (%) after 50 cycles was calculated with the initial discharge capacity as 100%.
The results are shown in FIGS. FIG. 9 is a graph showing measurement results of initial charge / discharge capacities of the electrochemical measurement cells of Example 1 to Example 3. FIG. 10 is a graph showing measurement results of rate characteristics of the electrochemical measurement cells of Example 1 to Example 3. FIG. 11 is a graph showing changes in cycle capacity of the electrochemical measurement cells of Example 1 to Example 3. FIG. 12 is a graph showing changes in cycle capacity of the electrochemical measurement cell of Example 4.
Table 1 shows the content of Nb 5+ in the nonaqueous electrolyte, the content of water, and the electrochemical characteristics. In Table 1, the measurement results of the electrochemical characteristics are obtained when the discharge capacity maintenance rate (%) after 50 cycles at 45 ° C. and 1C exceeds 80%, ◎, after 45 cycles at 45 ° C. and 1C. When the discharge capacity maintenance rate (%) exceeds 70% and is 80% or less, ○, when the discharge capacity maintenance rate (%) after 50 cycles at 45 ° C. and 1C exceeds 60% and 70% or less Δ, the case where the discharge capacity retention rate (%) after 50 cycles was 60% or less was evaluated as x.

<実施例5>
非水電解質に活性アルミナを添加した以外は実施例1−実施例4と同様にして、電気化学測定セルを作製した。
得られた電気化学測定セルについて、実施例1−実施例4と同様にして、電気化学測定を行った。
結果を、図12および表1に示す。図12は、実施例5の電気化学測定セルのサイクル容量の変化を示すグラフである。
<Example 5>
An electrochemical measurement cell was produced in the same manner as in Example 1 to Example 4 except that activated alumina was added to the nonaqueous electrolyte.
About the obtained electrochemical measurement cell, it carried out similarly to Example 1-Example 4, and performed the electrochemical measurement.
The results are shown in FIG. FIG. 12 is a graph showing changes in cycle capacity of the electrochemical measurement cell of Example 5.

<実施例6>
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを、体積比2:1で混合し、混合溶媒を調製した。この混合溶媒中に、電解質としてLiClOを1Mの濃度で溶解させて非水電解質を調製した以外は実施例1−実施例4と同様にして、電気化学測定セルを作製した。
得られた電気化学測定セルについて、実施例1−実施例4と同様にして、電気化学測定を行った。
結果を、図12および表1に示す。図12は、実施例6の電気化学測定セルのサイクル容量の変化を示すグラフである。
<Example 6>
Ethylene carbonate and diethyl carbonate were mixed at a volume ratio of 2: 1 to prepare a mixed solvent. An electrochemical measurement cell was produced in the same manner as in Example 1 to Example 4 except that LiClO 4 was dissolved as an electrolyte in this mixed solvent at a concentration of 1 M to prepare a nonaqueous electrolyte.
About the obtained electrochemical measurement cell, it carried out similarly to Example 1-Example 4, and performed the electrochemical measurement.
The results are shown in FIG. FIG. 12 is a graph showing changes in cycle capacity of the electrochemical measurement cell of Example 6.

<実施例7>
ニオブ−チタン複合酸化物が、LiTiNb2−y7±δ(但し、0≦x≦5、0≦y≦0.5、0≦δ≦0.3)で表される化合物であり、元素MがMoまたはFeの場合、非水電解質に50ppmのNb5+を添加した以外は実施例1−実施例3と同様にして、電気化学測定セルを作製した。なお、ニオブ−チタン複合酸化物における1molのTiに対してMoの含有量を0.03mol、Feの含有量を0.06molとした。
得られた電気化学測定セルについて、実施例1−実施例4と同様にして、電気化学測定を行った。結果を表1および図13に示す。図13は、実施例7の電気化学測定セルの放電容量維持率の変化を示すグラフである。
<Example 7>
A compound in which the niobium-titanium composite oxide is represented by Li x TiNb 2-y M y O 7 ± δ (where 0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ δ ≦ 0.3) When the element M is Mo or Fe, an electrochemical measurement cell was produced in the same manner as in Example 1 to Example 3 except that 50 ppm of Nb 5+ was added to the nonaqueous electrolyte. Note that the Mo content was 0.03 mol and the Fe content was 0.06 mol with respect to 1 mol of Ti in the niobium-titanium composite oxide.
About the obtained electrochemical measurement cell, it carried out similarly to Example 1-Example 4, and performed the electrochemical measurement. The results are shown in Table 1 and FIG. FIG. 13 is a graph showing changes in the discharge capacity retention rate of the electrochemical measurement cell of Example 7.

<比較例1>
非水電解質に、Nb5+を添加しなかった以外は実施例1−実施例4と同様にして、電気化学測定セルを作製した。
得られた電気化学測定セルについて、実施例1−実施例4と同様にして、電気化学測定を行った。結果を表1に示す。
<Comparative Example 1>
An electrochemical measurement cell was produced in the same manner as in Example 1 to Example 4 except that Nb 5+ was not added to the nonaqueous electrolyte.
About the obtained electrochemical measurement cell, it carried out similarly to Example 1-Example 4, and performed the electrochemical measurement. The results are shown in Table 1.

<比較例2>
非水電解質に、10000ppmのNb5+を添加した以外は実施例1−実施例4と同様にして、電気化学測定セルを作製した。
得られた電気化学測定セルについて、実施例1−実施例4と同様にして、電気化学測定を行った。結果を表1に示す。
<Comparative example 2>
An electrochemical measurement cell was produced in the same manner as in Example 1 to Example 4 except that 10000 ppm of Nb 5+ was added to the nonaqueous electrolyte.
About the obtained electrochemical measurement cell, it carried out similarly to Example 1-Example 4, and performed the electrochemical measurement. The results are shown in Table 1.

Figure 2016038716
Figure 2016038716

表1の結果から、実施例1−実施例7では、非水電解質中のNb5+の含有量を0.7ppm〜180ppmとすることにより、45℃、1Cにおける、50サイクル後の放電容量維持率(%)が60%を超えることが分かった。さらに、非水電解質中のNb5+の含有量を50ppm〜100ppmとすることにより、45℃、1Cにおける、50サイクル後の放電容量維持率(%)が70%を超え、80%以下となることが分かった。
実施例5では、非水電解質中のNb5+の含有量を0.7ppmとし、非水電解質に活性アルミナを添加して、非水電解質中の水の含有量を3ppm未満とすることにより、45℃、1Cにおける、50サイクル後の放電容量維持率(%)が80%を超えることが分かった。
実施例6では、非水電解質中のNb5+の含有量を0.7ppmとし、電解質としてLiClOを用いることにより、45℃、1Cにおける、50サイクル後の放電容量維持率(%)が80%を超えることが分かった。
実施例7では、非水電解質中のNb5+の含有量を50ppmとし、ニオブ−チタン複合酸化物として、LiTiNb2−y7±δ(但し、0≦x≦5、0≦y≦0.5、0≦δ≦0.3)で表され、元素MがMoまたはFeである化合物を用いることにより、45℃、1Cにおける、50サイクル後の放電容量維持率(%)が80%を超えることが分かった。
From the results of Table 1, in Example 1 to Example 7, the discharge capacity retention rate after 50 cycles at 45 ° C. and 1 C by setting the content of Nb 5+ in the nonaqueous electrolyte to 0.7 ppm to 180 ppm. (%) Was found to exceed 60%. Furthermore, by setting the content of Nb 5+ in the non-aqueous electrolyte to 50 ppm to 100 ppm, the discharge capacity retention rate (%) after 50 cycles at 45 ° C. and 1 C exceeds 70% and becomes 80% or less. I understood.
In Example 5, the content of Nb 5+ in the non-aqueous electrolyte was 0.7 ppm, and activated alumina was added to the non-aqueous electrolyte so that the water content in the non-aqueous electrolyte was less than 3 ppm. It was found that the discharge capacity retention ratio (%) after 50 cycles at 1 ° C. exceeded 80%.
In Example 6, the content of Nb 5+ in the nonaqueous electrolyte was 0.7 ppm, and LiClO 4 was used as the electrolyte, whereby the discharge capacity retention rate (%) after 50 cycles at 45 ° C. and 1 C was 80%. It turned out that it exceeds.
In Example 7, the content of Nb 5+ in the non-aqueous electrolyte was 50 ppm, and as the niobium-titanium composite oxide, Li x TiNb 2 -y M y O 7 ± δ (where 0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ δ ≦ 0.3), and by using a compound in which the element M is Mo or Fe, the discharge capacity retention rate (%) after 50 cycles at 45 ° C. and 1 C is obtained. It was found to exceed 80%.

一方、比較例1では、非水電解質中のNb5+の含有量を0ppmとすることにより、45℃、1Cにおける、50サイクル後の放電容量維持率(%)が60%未満となることが分かった。
比較例2では、非水電解質中のNb5+の含有量を10000ppmとすることにより、45℃、1Cにおける、50サイクル後の放電容量維持率(%)が60%未満となることが分かった。
なお、比較例1では、電気化学測定セルが充放電を繰り返して直ぐに失効してしまった。
On the other hand, in Comparative Example 1, it was found that the discharge capacity retention rate (%) after 50 cycles at 45 ° C. and 1 C was less than 60% by setting the content of Nb 5+ in the nonaqueous electrolyte to 0 ppm. It was.
In Comparative Example 2, it was found that the discharge capacity retention rate (%) after 50 cycles at 45 ° C. and 1 C was less than 60% by setting the content of Nb 5+ in the nonaqueous electrolyte to 10000 ppm.
In Comparative Example 1, the electrochemical measurement cell expired immediately after repeated charge and discharge.

図9の結果から、実施例1−実施例3では、初回充電容量および初回放電容量がほぼ同等であることが分かった。
図10の結果から、実施例1−実施例3では、レート特性がほぼ同等であることが分かった。
図11の結果から、非水電解質中のNb5+の含有量が50ppm(実施例2)と非水電解質中のNb5+の含有量が100ppm(実施例3)の場合、ほぼ同等のサイクル容量であり、非水電解質中のNb5+の含有量が0.7ppm(実施例1)の場合よりも優れていることが分かった。
図12の結果から、実施例5では、非水電解質中のNb5+の含有量を0.7ppmとし、非水電解質に活性アルミナを添加して、非水電解質中の水の含有量を3ppm未満とし、実施例6では、非水電解質中のNb5+の含有量を0.7ppmとし、電解質としてLiClOを用いることにより、実施例5と実施例6は、ほぼ同等のサイクル容量となり、非水電解質中のNb5+の含有量が180ppm(実施例4)の場合よりも優れていることが分かった。
図13の結果から、非水電解質中のNb5+の含有量を50ppmとし、負極活物質としてMoを含むニオブ−チタン複合酸化物を用いた場合、非水電解質にNb5+を添加しなかった場合(比較例1)よりも、放電容量維持率が高いことが分かった。また、非水電解質中のNb5+の含有量を50ppmとし、負極活物質としてFeを含むニオブ−チタン複合酸化物を用いた場合、非水電解質にNb5+を添加しなかった場合(比較例1)よりも、42サイクル目までは放電容量維持率が高いものの、43サイクル目で容量がほぼゼロになってしまった。
From the results of FIG. 9, it was found that in Example 1 to Example 3, the initial charge capacity and the initial discharge capacity were substantially equal.
From the results of FIG. 10, it was found that the rate characteristics were substantially the same in Example 1 to Example 3.
From the result of FIG. 11, when the content of Nb 5+ in the non-aqueous electrolyte is 50 ppm (Example 2) and the content of Nb 5+ in the non-aqueous electrolyte is 100 ppm (Example 3), the cycle capacity is almost equivalent. It was found that the content of Nb 5+ in the non-aqueous electrolyte was superior to that in the case of 0.7 ppm (Example 1).
From the results of FIG. 12, in Example 5, the content of Nb 5+ in the non-aqueous electrolyte was 0.7 ppm, activated alumina was added to the non-aqueous electrolyte, and the water content in the non-aqueous electrolyte was less than 3 ppm. In Example 6, the content of Nb 5+ in the non-aqueous electrolyte was 0.7 ppm, and LiClO 4 was used as the electrolyte, so that Example 5 and Example 6 had almost the same cycle capacity, It was found that the content of Nb 5+ in the electrolyte was superior to that in the case of 180 ppm (Example 4).
From the result of FIG. 13, when the content of Nb 5+ in the non-aqueous electrolyte is 50 ppm and the niobium-titanium composite oxide containing Mo is used as the negative electrode active material, Nb 5+ is not added to the non-aqueous electrolyte. It was found that the discharge capacity retention rate was higher than (Comparative Example 1). Further, when the content of Nb 5+ in the non-aqueous electrolyte is 50 ppm and a niobium-titanium composite oxide containing Fe is used as the negative electrode active material, Nb 5+ is not added to the non-aqueous electrolyte (Comparative Example 1). ), The discharge capacity retention rate was high until the 42nd cycle, but the capacity was almost zero at the 43rd cycle.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

101・・・金属イオン、102・・・酸化物イオン、103・・・骨格構造部分、104・・・空隙部分、105,106・・・領域、107・・・空隙部分、200・・・非水電解質二次電池、201・・・捲回電極群、202・・・外装材、203・・・負極、204・・・セパレータ、205・・・正極、206・・・負極端子、207・・・正極端子、210・・・非水電解質二次電池、211・・・積層型電極群、212・・・外装材、213・・・正極、214・・・負極、215・・・セパレータ、216・・・負極端子、217・・・正極端子、300・・・電池パック、301・・・単電池、302・・・粘着テープ、303・・・組電池、304・・・プリント配線基板、305・・・サーミスタ、306・・・保護回路、307・・・通電用端子、308・・・正極側リード、309・・・正極側コネクタ、310・・・負極側リード、311・・・負極側コネクタ、312,313・・・配線、314a・・・プラス側配線、314b・・・マイナス側配線、315・・・配線、316・・・保護シート、317・・・収納容器、318・・・蓋。 101 ... Metal ion, 102 ... Oxide ion, 103 ... Frame structure portion, 104 ... Void portion, 105,106 ... Area, 107 ... Void portion, 200 ... Non Water electrolyte secondary battery, 201 ... wound electrode group, 202 ... exterior material, 203 ... negative electrode, 204 ... separator, 205 ... positive electrode, 206 ... negative electrode terminal, 207 ...・ Positive electrode terminal, 210... Nonaqueous electrolyte secondary battery, 211... Stacked electrode group, 212. ... Negative electrode terminal, 217 ... Positive electrode terminal, 300 ... Battery pack, 301 ... Single cell, 302 ... Adhesive tape, 303 ... Battery pack, 304 ... Printed wiring board, 305 ... Thermistor, 306 ... Protection 307... Positive electrode side lead 309... Positive electrode side connector 310. Negative electrode side lead 311... Negative electrode side connector 312 and 313. 314a: plus side wiring, 314b: minus side wiring, 315 ... wiring, 316 ... protective sheet, 317 ... storage container, 318 ... lid.

Claims (6)

正極と、負極と、非水電解質と、セパレータと、を備え、
前記負極は、ニオブ−チタン複合酸化物を負極活物質として含み、
前記非水電解質中のNb5+の含有量は、0.5ppm以上200ppm以下である非水電解質二次電池。
A positive electrode, a negative electrode, a non-aqueous electrolyte, and a separator;
The negative electrode includes a niobium-titanium composite oxide as a negative electrode active material,
The nonaqueous electrolyte secondary battery in which the content of Nb 5+ in the nonaqueous electrolyte is 0.5 ppm or more and 200 ppm or less.
前記ニオブ−チタン複合酸化物は、LiTiNb2−y7±δ(但し、Mは、B、Na、Mg、Al、Si、S、P、K、Ca、Mo、W、Cr、Mn、Co、NiおよびFeからなる群から選択される少なくとも1種、0≦x≦5、0≦y≦0.5、0≦δ≦0.3)で表される化合物である請求項1に記載の非水電解質二次電池。The niobium-titanium composite oxide is Li x TiNb 2-y M y O 7 ± δ (where M is B, Na, Mg, Al, Si, S, P, K, Ca, Mo, W, Cr) And at least one selected from the group consisting of Mn, Co, Ni and Fe, 0 ≦ x ≦ 5, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ δ ≦ 0.3) 2. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to 1. 前記非水電解質中の水の含有量は、1ppm以上100ppm以下である請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。   The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2, wherein a content of water in the nonaqueous electrolyte is 1 ppm or more and 100 ppm or less. 前記ニオブ−チタン複合酸化物は、単斜晶型TiNbである請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the niobium-titanium composite oxide is monoclinic TiNb 2 O 7 . 前記正極は、リチウムニッケル複合酸化物またはリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。   The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode includes a lithium nickel composite oxide or a lithium manganese composite oxide as a positive electrode active material. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池が複数、直列または並列に電気的に接続されてなる電池パック。 A battery pack formed by electrically connecting a plurality of nonaqueous electrolyte secondary batteries according to claim 1 in series or in parallel.
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