JP2004172114A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水電解質二次電池に関するものである。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.
近年、移動体通信機、ノートブック型パソコン、パームトップ型パソコン、一体型ビデオカメラ、ポータブルCD(MD)プレーヤー、コードレス電話等の電子機器の小形化、軽量化を図る上で、これらの電子機器の電源として、特に小型で大容量の電池が求められている。 In recent years, in order to reduce the size and weight of electronic devices such as mobile communication devices, notebook computers, palmtop computers, integrated video cameras, portable CD (MD) players, and cordless telephones, these electronic devices have been developed. In particular, a small-sized and large-capacity battery is demanded as a power source for the battery.
これら電子機器の電源として普及している電池としては、アルカリマンガン電池のような一次電池や、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等の二次電池が挙げられる。その中でも、正極にリチウム複合酸化物を用い、負極にリチウムイオンを吸蔵・放出できる炭素質材料を用いた非水電解質二次電池が、小型かつ軽量で、単電池電圧が高く、高エネルギー密度を得られることから注目されている。 Examples of batteries that are widely used as power supplies for these electronic devices include primary batteries such as alkaline manganese batteries, and secondary batteries such as nickel cadmium batteries and lead storage batteries. Among them, a non-aqueous electrolyte secondary battery using a lithium composite oxide for the positive electrode and a carbonaceous material capable of occluding and releasing lithium ions for the negative electrode is smaller, lighter, has a higher cell voltage, and has a higher energy density. It is noted because it can be obtained.
非水電解質二次電池の正極活物質として、特許文献1には、一般式(I);Liv-x1Ni1-x2MxO2で表され、X線回折のミラー指数hklにおける(003)面及び(104)面での回折ピーク比(003)/(104)が1.2以上、平均粒径Dが5〜100μm、粒度分布の10%が0.5D以上、90%が2D以下であるリチウムニッケル複合酸化物が記載されている。
しかしながら、このようなリチウムニッケル複合酸化物を含む正極を備えた二次電池は、非水電解質の酸化分解反応を生じるため、充放電サイクル寿命が短いという問題点がある。
本発明は、充放電サイクル寿命が向上された非水電解質二次電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having an improved charge / discharge cycle life.
本発明に係る第1の非水電解質二次電池は、リチウム複合酸化物粉末を含有する正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質とを具備した非水電解質二次電池において、
前記リチウム複合酸化物粉末は、二次凝集粒を含むもので、Liと元素M(前記元素MはNi及びCoよりなる群から選択される少なくとも1種類である)をモル比(XLi/XM)が0.95〜1.02の範囲内で含有する組成を有し、粉末X線回折における(003)面のピーク強度I003と(104)面のピーク強度I104との比(I003/I104)が2以上、5未満で、かつ体積累積頻度90%の粒径(D90)が10μm〜25μmの範囲内であり、
前記非水電解質は、環内に少なくとも一つの二重結合を有するスルトン化合物を含むことを特徴とするものである。
The first nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode including a positive electrode active material containing a lithium composite oxide powder, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte,
The lithium composite oxide powder contains secondary aggregated particles, and has a molar ratio of Li and the element M (the element M is at least one selected from the group consisting of Ni and Co) (X Li / X M ) in the range of 0.95 to 1.02, and the ratio (I) of the peak intensity I 003 on the ( 003 ) plane to the peak intensity I 104 on the (104) plane in powder X-ray diffraction. 003 / I 104 ) is 2 or more and less than 5, and the particle diameter (D90) at a volume cumulative frequency of 90% is in the range of 10 μm to 25 μm;
The non-aqueous electrolyte contains a sultone compound having at least one double bond in a ring.
本発明に係る第2の非水電解質二次電池は、リチウム複合酸化物粒子を含有する正極活物質粒子を含む正極と、負極と、非水電解質とを具備した非水電解質二次電池であって、
前記リチウム複合酸化物粒子は、Ni及びCoよりなる群から選択される少なくとも1種類からなる元素Mを含む組成を有し、二次凝集粒を含む粒子形態を持ち、かつピーク強度比が下記(1)式を満足し、
前記正極活物質粒子中の前記リチウム複合酸化物粒子の含有量は50重量%以上であり、
前記正極活物質粒子のモル比は下記(2)式を満たし、前記正極活物質粒子における体積累積頻度90%の粒径(D90)が10μm〜25μmの範囲内であり、
前記非水電解質は、環内に少なくとも一つの二重結合を有するスルトン化合物を含むことを特徴とするものである。
A second nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode including positive electrode active material particles containing lithium composite oxide particles, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. hand,
The lithium composite oxide particles have a composition including at least one element M selected from the group consisting of Ni and Co, have a particle form including secondary aggregated particles, and have a peak intensity ratio of the following ( 1) satisfying the equation,
The content of the lithium composite oxide particles in the positive electrode active material particles is 50% by weight or more,
The molar ratio of the positive electrode active material particles satisfies the following equation (2), and the particle diameter (D90) of the positive electrode active material particles at a volume accumulation frequency of 90% is in the range of 10 μm to 25 μm;
The non-aqueous electrolyte contains a sultone compound having at least one double bond in a ring.
2≦(I003/I104)<5 (1)
0.95≦(YLi/YM)≦1.02 (2)
但し、I003は前記リチウム複合酸化物粒子の粉末X線回折における(003)面のピーク強度(cps)で、I104は前記粉末X線回折における(104)面のピーク強度(cps)であり、YLiは前記正極活物質粒子中のリチウムのモル数で、YMは前記正極活物質粒子中の元素Mのモル数で、前記元素MはNi及びCoよりなる群から選択される少なくとも1種類である。
2 ≦ (I 003 / I 104 ) <5 (1)
0.95 ≦ (Y Li / Y M ) ≦ 1.02 (2)
Here, I 003 is the peak intensity (cps) of the (003) plane in the powder X-ray diffraction of the lithium composite oxide particles, and I 104 is the peak intensity (cps) of the (104) plane in the powder X-ray diffraction. , Y Li is the number of moles of lithium in the positive electrode active material particles, Y M is the number of moles of the element M in the positive electrode active material particles, and the element M is at least one selected from the group consisting of Ni and Co. Kind.
本発明によれば、充放電サイクル寿命が向上された非水電解質二次電池を提供することができる。 According to the present invention, a non-aqueous electrolyte secondary battery having an improved charge / discharge cycle life can be provided.
本発明に係る第1,第2の非水電解質二次電池について説明する。 The first and second nonaqueous electrolyte secondary batteries according to the present invention will be described.
本発明に係る第1の非水電解質二次電池は、リチウム複合酸化物粉末を含有する正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質とを具備した非水電解質二次電池であって、
前記リチウム複合酸化物粉末は、二次凝集粒を含むもので、モル比が下記(A)式を満たし、ピーク強度比が下記(B)式を満足し、かつ体積累積頻度90%の粒径(D90)が10μm〜25μmの範囲内であり、
前記非水電解質は、環内に少なくとも一つの二重結合を有するスルトン化合物を含む。
A first nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode including a positive electrode active material containing a lithium composite oxide powder, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. ,
The lithium composite oxide powder contains secondary agglomerated particles, the molar ratio satisfies the following formula (A), the peak intensity ratio satisfies the following formula (B), and the particle diameter at which the volume cumulative frequency is 90%. (D90) is in the range of 10 μm to 25 μm,
The non-aqueous electrolyte includes a sultone compound having at least one double bond in a ring.
2≦(I003/I104)<5 (A)
0.95≦(XLi/XM)≦1.02 (B)
但し、I003は前記リチウム複合酸化物粉末の粉末X線回折における(003)面のピーク強度(cps)で、I104は前記粉末X線回折における(104)面のピーク強度(cps)であり、XLiは前記リチウム複合酸化物粉末中のリチウムのモル数で、XMは前記リチウム複合酸化物粉末中の元素Mのモル数で、前記元素MはNi及びCoよりなる群から選択される少なくとも1種類である。
2 ≦ (I 003 / I 104 ) <5 (A)
0.95 ≦ (X Li / X M ) ≦ 1.02 (B)
Here, I 003 is the peak intensity (cps) of the (003) plane in the powder X-ray diffraction of the lithium composite oxide powder, and I 104 is the peak intensity (cps) of the (104) plane in the powder X-ray diffraction. , X Li is the number of moles of lithium in the lithium composite oxide powder, X M is the number of moles of element M in the lithium composite oxide powder, and the element M is selected from the group consisting of Ni and Co At least one type.
前述したスルトン化合物は、初充電時、二重結合が開いて重合反応を生じることにより正極表面にリチウムイオン透過性の保護被膜を形成することができる。一方、前記リチウム複合酸化物粉末は、リチウムの吸蔵・放出に伴う膨張・収縮が小さく、同時に、二次凝集粒の表面だけでなく一次粒子間の間隙にも保護被膜が形成されるために保護被膜が複雑なネットワーク構造を形成することができる。その結果、充放電サイクル中に正極から保護被膜が剥離するのを抑制することができるため、非水電解質の酸化分解反応を抑えることができ、二次電池の充放電サイクル寿命を向上することができる。 The above-mentioned sultone compound can form a lithium ion permeable protective film on the positive electrode surface by opening a double bond and causing a polymerization reaction at the time of initial charge. On the other hand, the lithium composite oxide powder has a small expansion and contraction due to occlusion and release of lithium, and at the same time, a protective coating is formed not only on the surfaces of the secondary aggregated particles but also on the gaps between the primary particles. The coating can form a complex network structure. As a result, since the protective film can be prevented from peeling off from the positive electrode during the charge / discharge cycle, the oxidative decomposition reaction of the nonaqueous electrolyte can be suppressed, and the charge / discharge cycle life of the secondary battery can be improved. it can.
以下、正極、負極及び非水電解質について説明する。 Hereinafter, the positive electrode, the negative electrode, and the non-aqueous electrolyte will be described.
1)正極
この正極は、集電体と、集電体の片面もしくは両面に担持され、前記正極活物質と結着剤と導電剤とを含有する正極層とを含む。
1) Positive Electrode The positive electrode includes a current collector and a positive electrode layer supported on one or both surfaces of the current collector and containing the positive electrode active material, the binder, and the conductive agent.
リチウム複合酸化物は、例えば、各構成元素の化合物(例えば、酸化物、水酸化物)を混合した後、空気中または酸素雰囲気下において焼成することにより合成される。 The lithium composite oxide is synthesized, for example, by mixing compounds (for example, oxides and hydroxides) of the respective constituent elements and then firing the mixture in air or an oxygen atmosphere.
リチウム複合酸化物におけるリチウム(XLi)と元素M(XM)のモル比(XLi/XM)を0.95〜1.02の範囲内にする理由を説明する。モル比(XLi/XM)を0.95未満にすると、結晶性が著しく低下するため、リチウムの吸蔵・放出がほとんど起こらない可能性がある。一方、モル比(XLi/XM)が1.02を超えるものは、結晶性に優れるものの、焼成時に粒成長が進むため、単粒子の比率が高くなる。その結果、リチウムの吸蔵・放出に伴う膨張・収縮が大きくなるだけでなく、一次粒子を被覆する保護被膜が孤立してしまい、ネットワーク構造を得られないため、充放電サイクルで保護被膜が剥離しやすくなり、充放電サイクル寿命が短くなる恐れがある。モル比(XLi/XM)のより好ましい範囲は、0.97〜1.02であり、さらに好ましい範囲は0.99〜1.02である。 The reason why the molar ratio (X Li / X M ) between lithium (X Li ) and the element M (X M ) in the lithium composite oxide is in the range of 0.95 to 1.02 will be described. When the molar ratio (X Li / X M ) is less than 0.95, crystallinity is remarkably reduced, and there is a possibility that occlusion and release of lithium hardly occur. On the other hand, when the molar ratio (X Li / X M ) exceeds 1.02, although the crystallinity is excellent, since the grain growth proceeds during firing, the ratio of single particles becomes high. As a result, not only does the expansion and contraction accompanying the occlusion and release of lithium increase, but also the protective coating covering the primary particles becomes isolated and a network structure cannot be obtained. And the cycle life of the charge and discharge may be shortened. A more preferable range of the molar ratio (X Li / X M ) is 0.97 to 1.02, and a further preferable range is 0.99 to 1.02.
リチウム複合酸化物としては、例えば、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物などを挙げることができる。前記リチウム複合酸化物は、リチウムと元素M以外の元素を含んでいても良い。かかる元素としては、例えば、Mn、Al、Sn、Fe、Cu、Cr、Zn、Mg、Si、P、F、Cl、B等を挙げることができる。添加元素の種類は、1種類でも、2種類以上でも良い。 Examples of the lithium composite oxide include a lithium nickel composite oxide, a lithium cobalt composite oxide, and a lithium nickel cobalt composite oxide. The lithium composite oxide may contain lithium and an element other than the element M. Examples of such elements include Mn, Al, Sn, Fe, Cu, Cr, Zn, Mg, Si, P, F, Cl, and B. The type of the additive element may be one type or two or more types.
前記リチウム複合酸化物は正極活物質の50%以上を占めていることが望ましい。 It is preferable that the lithium composite oxide accounts for 50% or more of the positive electrode active material.
粉末X線回折における(003)面のピーク強度I003と(104)面のピーク強度I104との比(I003/I104)を前記範囲に限定する理由を説明する。ピーク強度比(I003/I104)が5以上であるものは、結晶性に優れるものの、粒成長が進むために板状性を示す、つまり結晶配向性の高い単粒子の比率が高くなるため、リチウムの吸蔵・放出に伴う膨張・収縮が大きく、また、各一次粒子を被覆する保護被膜が孤立し、ネットワーク構造を得られなくなる。その結果、充放電サイクルの繰り返しにより保護被膜が容易に剥離するため、充放電サイクル寿命が短くなる恐れがある。ピーク強度比(I003/I104)を2以上、かつ5未満にすることによって、二次凝集粒の比率を高くすることができると共に、リチウムの吸蔵・放出に伴う膨張・収縮率を小さくすることができる。なお、結晶が配向性を持たず、完全に等方的である場合には、ピーク強度比(I003/I104)は計算上2となる。ピーク強度比(I003/I104)のより好ましい範囲は、2より大きく、4.95以下である。 The reason for limiting the ratio (I 003 / I 104 ) of the peak intensity I 003 on the ( 003 ) plane to the peak intensity I 104 on the (104) plane in the powder X-ray diffraction will be described. Those having a peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) of 5 or more have excellent crystallinity, but exhibit plate-likeness due to the progress of grain growth, that is, the ratio of single particles having high crystal orientation is increased. In addition, the expansion and contraction accompanying the occlusion and release of lithium are large, and the protective coating covering each primary particle is isolated, and a network structure cannot be obtained. As a result, the protection film is easily peeled off by repeating the charge / discharge cycle, and the charge / discharge cycle life may be shortened. By setting the peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) to 2 or more and less than 5, the ratio of secondary aggregated particles can be increased, and the expansion and contraction rate accompanying the occlusion and release of lithium is reduced. be able to. When the crystal has no orientation and is completely isotropic, the peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) is 2 in calculation. A more preferable range of the peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) is more than 2 and not more than 4.95.
リチウム複合酸化物粉末の体積累積頻度90%の粒径(D90)を前記範囲に規定する理由を説明する。D90が10μm未満であるものは、二次凝集粒を構成する一次粒子の数が少ない傾向にあるため、二次凝集粒と保護被膜との接触面積が不足し、保護被膜が剥離しやすくなり、充放電サイクル寿命が短くなる恐れがある。一方、D90が25μmを超えるものは、二次凝集粒を構成する一次粒子の数が多いため、二次凝集粒の内部に保護被膜が行き渡らず、二次凝集粒の表面のみが保護被膜で覆われている状態に近くなる。このため、充放電サイクル中に保護被膜の剥離が起き易く、充放電サイクル寿命が短くなる恐れがある。D90のより好ましい範囲は、10μm〜20μmである。 The reason why the particle diameter (D90) of the lithium composite oxide powder at a volume accumulation frequency of 90% is defined in the above range will be described. If D90 is less than 10 μm, since the number of primary particles constituting the secondary aggregated particles tends to be small, the contact area between the secondary aggregated particles and the protective film is insufficient, and the protective film is easily peeled off. The charge / discharge cycle life may be shortened. On the other hand, when the D90 exceeds 25 μm, since the number of primary particles constituting the secondary agglomerated particles is large, the protective film is not spread inside the secondary agglomerated particles, and only the surface of the secondary agglomerated particles is covered with the protective film. It is close to the state that is being done. For this reason, peeling of the protective film easily occurs during the charge / discharge cycle, and the charge / discharge cycle life may be shortened. A more preferred range for D90 is from 10 μm to 20 μm.
前記導電剤としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等を挙げることができる。 Examples of the conductive agent include acetylene black, carbon black, and graphite.
前記結着剤は、活物質を集電体に保持させ、かつ活物質同士をつなぐ機能を有する。前記結着剤としては、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)、ポリエーテルサルフォン、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)等を用いることができる。 The binder has a function of holding the active material on the current collector and connecting the active materials. As the binder, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethersulfone, ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), styrene-butadiene rubber (SBR), or the like is used. be able to.
前記正極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、正極活物質80〜95重量%、導電剤3〜20重量%、結着剤2〜7重量%の範囲にすることが好ましい。 The mixing ratio of the positive electrode active material, the conductive agent and the binder is preferably in the range of 80 to 95% by weight of the positive electrode active material, 3 to 20% by weight of the conductive agent, and 2 to 7% by weight of the binder.
前記集電体としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板を用いることができる。これら導電性基板は、例えば、アルミニウム、ステンレス、またはニッケルから形成することができる。 As the current collector, a conductive substrate having a porous structure or a non-porous conductive substrate can be used. These conductive substrates can be formed from, for example, aluminum, stainless steel, or nickel.
前記正極は、例えば、正極活物質に導電剤および結着剤を適当な溶媒に懸濁し、この懸濁物を集電体に塗布、乾燥して薄板状にすることにより作製される。 The positive electrode is manufactured, for example, by suspending a conductive agent and a binder in a suitable solvent in a positive electrode active material, applying the suspension to a current collector, and drying to form a thin plate.
2)負極
前記負極は、集電体と、集電体の片面もしくは両面に担持される負極層とを含む。
2) Negative electrode The negative electrode includes a current collector and a negative electrode layer supported on one or both surfaces of the current collector.
前記負極層は、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物及び結着剤を含む。 The negative electrode layer includes a carbonaceous material that stores and releases lithium ions and a binder.
前記炭素質物としては、例えば、黒鉛、コークス、炭素繊維、球状炭素、熱分解気相炭素質物、樹脂焼成体などの黒鉛質材料もしくは炭素質材料; 熱硬化性樹脂、等方性ピッチ、メソフェーズピッチ系炭素、メソフェーズピッチ系炭素繊維、メソフェーズ小球体など(特に、メソフェーズピッチ系炭素繊維が容量や充放電サイクル特性が高くなり好ましい)に500〜3000℃で熱処理を施すことにより得られる黒鉛質材料または炭素質材料;等を挙げることができる。中でも、(002)面の面間隔d002が0.34nm以下である黒鉛結晶を有する黒鉛質材料を用いるのが好ましい。このような黒鉛質材料を炭素質物として含む負極を備えた非水電解質二次電池は、電池容量および大電流放電特性を大幅に向上することができる。前記面間隔d002 は、0.337nm以下であることが更に好ましい。 Examples of the carbonaceous material include a graphite material or a carbonaceous material such as graphite, coke, carbon fiber, spherical carbon, pyrolysis gas phase carbonaceous material, and resin fired body; thermosetting resin, isotropic pitch, mesophase pitch Graphitic material obtained by performing a heat treatment at 500 to 3000 ° C. on a base carbon, a mesophase pitch-based carbon fiber, a mesophase small sphere or the like (in particular, a mesophase pitch-based carbon fiber is preferable because the capacity and charge / discharge cycle characteristics are increased) or Carbonaceous material; and the like. Among them, it is preferable to use a graphitic material having graphite crystals in which the (002) plane spacing d 002 is 0.34 nm or less. A nonaqueous electrolyte secondary battery provided with a negative electrode containing such a graphite material as a carbonaceous material can significantly improve the battery capacity and large current discharge characteristics. More preferably, the plane distance d 002 is 0.337 nm or less.
前記結着剤としては、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)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)等を用いることができる。 Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), styrene-butadiene rubber (SBR), and carboxymethyl cellulose (CMC). Can be used.
前記炭素質物及び前記結着剤の配合割合は、炭素質物90〜98重量%、結着剤2〜20重量%の範囲であることが好ましい。 The mixing ratio of the carbonaceous material and the binder is preferably in the range of 90 to 98% by weight of the carbonaceous material and 2 to 20% by weight of the binder.
前記集電体としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板を用いることができる。これら導電性基板は、例えば、銅、ステンレス、またはニッケルから形成することができる。 As the current collector, a conductive substrate having a porous structure or a non-porous conductive substrate can be used. These conductive substrates can be formed from, for example, copper, stainless steel, or nickel.
前記負極は、例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物と結着剤とを溶媒の存在下で混練し、得られた懸濁物を集電体に塗布し、乾燥した後、所望の圧力で1回プレスもしくは2〜5回多段階プレスすることにより作製される。 The negative electrode is, for example, kneading a carbonaceous material that absorbs and releases lithium ions and a binder in the presence of a solvent, applies the obtained suspension to a current collector, and after drying, applies a desired pressure. By pressing once or multi-stage pressing 2 to 5 times.
以上説明したような正極と負極を用いて電極群が作製される。 An electrode group is manufactured using the positive electrode and the negative electrode as described above.
この電極群は、例えば、(i)正極及び負極をその間にセパレータを介在させて渦巻き状に捲回するか、(ii)正極及び負極をその間にセパレータを介在させて偏平形状に捲回するか、(iii)正極及び負極をその間にセパレータを介在させて渦巻き状に捲回した後、径方向に圧縮するか、(iv)正極及び負極をその間にセパレータを介在させて1回以上折り曲げるか、あるいは(v)正極と負極とをその間にセパレータを介在させながら積層する方法により作製される。 This electrode group is, for example, whether (i) the positive electrode and the negative electrode are spirally wound with a separator interposed therebetween, or (ii) the positive electrode and the negative electrode are wound in a flat shape with a separator interposed therebetween. (Iii) the positive electrode and the negative electrode are spirally wound with a separator interposed therebetween, and then compressed in the radial direction; or (iv) the positive electrode and the negative electrode are bent one or more times with the separator interposed therebetween. Alternatively, it is produced by a method of (v) laminating a positive electrode and a negative electrode with a separator interposed therebetween.
電極群には、プレスを施さなくても良いが、正極、負極及びセパレータの一体化強度を高めるためにプレスを施しても良い。また、プレス時に加熱を施すことも可能である。 The electrode group need not be pressed, but may be pressed to increase the integration strength of the positive electrode, the negative electrode, and the separator. In addition, heating can be performed at the time of pressing.
電極群には、正極、負極及びセパレータの一体化強度を高めるために、接着性高分子を含有させることができる。前記接着性を有する高分子としては、例えば、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリアクリレート(PMMA)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリ塩化ビニル(PVC)、またはポリエチレンオキサイド(PEO)等を挙げることができる。 The electrode group may contain an adhesive polymer in order to increase the integration strength of the positive electrode, the negative electrode, and the separator. Examples of the polymer having the adhesive property include polyacrylonitrile (PAN), polyacrylate (PMMA), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyvinyl chloride (PVC), and polyethylene oxide (PEO). .
この電極群に使用するセパレータとしては、微多孔性の膜、織布、不織布、これらのうち同一材または異種材の積層物等を用いることができる。セパレータを形成する材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合ポリマー、エチレン−ブテン共重合ポリマー等を挙げることができる。セパレータの形成材料としては、前述した種類の中から選ばれる1種類または2種類以上を用いることができる。 As a separator used for this electrode group, a microporous membrane, a woven fabric, a nonwoven fabric, a laminate of the same material or a different material among them, or the like can be used. Examples of the material forming the separator include polyethylene, polypropylene, an ethylene-propylene copolymer, and an ethylene-butene copolymer. As the material for forming the separator, one or more kinds selected from the above-mentioned kinds can be used.
前記セパレータの厚さは、30μm以下にすることが好ましく、さらに好ましい範囲は25μm以下である。また、厚さの下限値は5μmにすることが好ましく、さらに好ましい下限値は8μmである。 The thickness of the separator is preferably 30 μm or less, and more preferably 25 μm or less. The lower limit of the thickness is preferably 5 μm, and more preferably 8 μm.
前記セパレータは、120℃、1時間での熱収縮率を20%以下であることが好ましい。前記熱収縮率は、15%以下にすることがより好ましい。 The separator preferably has a heat shrinkage at 120 ° C. for one hour of 20% or less. More preferably, the heat shrinkage is 15% or less.
前記セパレータは、多孔度が30〜60%の範囲であることが好ましい。多孔度のより好ましい範囲は、35〜50%である。 The separator preferably has a porosity in the range of 30 to 60%. A more preferred range of porosity is 35-50%.
前記セパレータは、空気透過率が600秒/100cm3 以下であることが好ましい。空気透過率は、100cm3の空気がセパレータを透過するのに要した時間(秒)を意味する。空気透過率の上限値は500秒/100cm3 にすることがより好ましい。また、空気透過率の下限値は50秒/100cm3 にすることが好ましく、さらに好ましい下限値は80秒/100cm3 である。 The separator preferably has an air permeability of 600 seconds / 100 cm 3 or less. The air permeability means the time (seconds) required for 100 cm 3 of air to pass through the separator. The upper limit of the air permeability is more preferably set to 500 seconds / 100 cm 3 . Further, the lower limit of the air permeability is preferably 50 seconds / 100 cm 3 , and more preferably 80 seconds / 100 cm 3 .
セパレータの幅は、正極と負極の幅に比べて広くすることが望ましい。このような構成にすることにより、正極と負極がセパレータを介さずに直接接触するのを防ぐことができる。 It is desirable that the width of the separator be wider than the width of the positive electrode and the width of the negative electrode. With such a configuration, it is possible to prevent the positive electrode and the negative electrode from directly contacting each other without passing through the separator.
3)非水電解質
非水電解質には、実質的に液状またはゲル状の形態を有するものを使用することができる。
3) Non-aqueous electrolyte As the non-aqueous electrolyte, those having a substantially liquid or gel form can be used.
液状非水電解質およびゲル状非水電解質に含まれる非水溶媒および電解質について説明する。 The non-aqueous solvent and the electrolyte contained in the liquid non-aqueous electrolyte and the gel non-aqueous electrolyte will be described.
非水溶媒は、環内に少なくとも一つの二重結合を有するスルトン化合物を含む。 Non-aqueous solvents include sultone compounds having at least one double bond in the ring.
ここで、環内に少なくとも1つの二重結合を有するスルトン化合物としては、下記化1に示す一般式で表わされるスルトン化合物Aか、もしくはスルトン化合物Aの少なくとも1つのHが炭化水素基で置換されたスルトン化合物Bを用いることができる。なお、本願では、スルトン化合物Aまたはスルトン化合物Bを単独で用いても、スルトン化合物Aとスルトン化合物Bの双方を使用しても良い。
化1において、CmHnは直鎖状の炭化水素基で、mとnは、2m>nを満たす2以上の整数である。
In
環内に少なくとも一つの二重結合を有するスルトン化合物は、正極との反応により二重結合が開いて重合反応が起こるため、正極表面にリチウムイオン透過性の保護被膜を形成することができる。スルトン化合物の中でも好ましいのは、スルトン化合物Aのうちm=3、n=4である化合物、即ち1,3−プロペンスルトン(PRS)、または、m=4、n=6である化合物、即ち1,4−ブチレンスルトン(BTS)である。スルトン化合物としては、1,3−プロペンスルトン(PRS)あるいは1,4−ブチレンスルトン(BTS)を単独で用いても、これらPRSとBTSを併用しても良い。 The sultone compound having at least one double bond in the ring opens a double bond by the reaction with the positive electrode to cause a polymerization reaction, so that a lithium ion permeable protective film can be formed on the surface of the positive electrode. Among the sultone compounds, a compound having m = 3 and n = 4 in the sultone compound A, that is, 1,3-propene sultone (PRS) or a compound having m = 4 and n = 6, that is, 1 , 4-butylene sultone (BTS). As the sultone compound, 1,3-propene sultone (PRS) or 1,4-butylene sultone (BTS) may be used alone, or these PRS and BTS may be used in combination.
スルトン化合物の比率は、10体積%以下にすることが望ましい。これは、スルトン化合物の比率が10%体積を超えると、上記の保護被膜が極めて厚くなってリチウムイオン透過性が低下し、常温よりも低い温度における放電容量が低下するからである。更に、例えば−20℃等の低い温度でも放電容量を高く保つためには、スルトン化合物が含まれる割合は4%体積以下であることが望ましい。また、保護被膜の形成量を十分に確保するためには、スルトン化合物の比率を最低でも0.01体積%確保することが望ましい。更に、スルトン化合物の比率が0.1体積%以上あれば、例えば65℃等の更に高い温度でも保護被膜による保護機能を充分に示すことができる。 The ratio of the sultone compound is desirably 10% by volume or less. This is because, when the ratio of the sultone compound exceeds 10% by volume, the protective film becomes extremely thick, the lithium ion permeability is reduced, and the discharge capacity at a temperature lower than room temperature is reduced. Further, in order to keep the discharge capacity high even at a low temperature such as -20 ° C., the ratio of the sultone compound to be contained is preferably 4% by volume or less. In addition, in order to ensure a sufficient amount of the protective film formed, it is desirable to secure at least 0.01% by volume of the sultone compound. Furthermore, if the ratio of the sultone compound is 0.1% by volume or more, the protective function of the protective film can be sufficiently exhibited even at a higher temperature such as 65 ° C.
非水溶媒には、さらにエチレンカーボネート(EC)が含まれていることが望ましい。非水溶媒中のECの含有量は、25体積%〜50体積%の範囲内にすることが望ましい。これにより、導電率が高く、かつ適度な粘性を有する非水電解質が得られる。さらに好ましいEC含有量は、25体積%〜45体積%の範囲内である。 It is desirable that the non-aqueous solvent further contains ethylene carbonate (EC). The content of EC in the non-aqueous solvent is desirably in the range of 25% by volume to 50% by volume. Thereby, a non-aqueous electrolyte having high conductivity and appropriate viscosity can be obtained. A more preferred EC content is in the range of 25% to 45% by volume.
非水溶媒には、スルトン化合物とECと併せて、他の溶媒を使用することができる。他の溶媒としては、例えば、鎖状カーボネート{例えば、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)など}、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、フェニルエチレンカーボネート(phEC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(GBL)、γ−バレロラクトン(VL)、プロピオン酸メチル(MP)、プロピオン酸エチル(EP)、2−メチルフラン(2Me−F)、フラン(F)、チオフェン(TIOP)、カテコールカーボネート(CATC)、エチレンサルファイト(ES)、12−クラウン−4(Crown)、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(Ether)等を挙げることができる。他の溶媒の種類は、1種類もしくは2種類以上にすることができる。 As the nonaqueous solvent, other solvents can be used in combination with the sultone compound and EC. Other solvents include, for example, chain carbonates (eg, methyl ethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), etc.), vinylene carbonate (VC), vinyl ethylene carbonate (VEC), phenylethylene Carbonate (phEC), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (GBL), γ-valerolactone (VL), methyl propionate (MP), ethyl propionate (EP), 2-methylfuran (2Me-F), Furan (F), thiophene (TIOP), catechol carbonate (CATC), ethylene sulfite (ES), 12-crown-4 (crown), tetraethylene glycol dimethyl ether (Ether), and the like can be given. The types of other solvents can be one or more.
前記非水溶媒に溶解される電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム(LiClO4 )、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6 )、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3 SO2 )2 ]、LiN(C2F5SO2)2などのリチウム塩を挙げることができる。使用する電解質の種類は、1種類または2種類以上にすることができる。 Examples of the electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), and lithium arsenide hexafluoride. (LiAsF 6 ), lithium trifluorometasulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium bistrifluoromethylsulfonylimide [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ], LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 and other lithium salts Can be mentioned. The type of electrolyte used can be one or more.
前記電解質の前記非水溶媒に対する溶解量は、0.5〜2.5モル/Lとすることが望ましい。さらに好ましい範囲は、1〜2.5モル/Lである。 The amount of the electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent is desirably 0.5 to 2.5 mol / L. A more preferred range is 1 to 2.5 mol / L.
前記液状非水電解質には、セパレータとの濡れ性を良くするために、トリオクチルフォスフェート(TOP)のような界面活性剤を含有させることが望ましい。界面活性剤の添加量は、3%以下が好ましく、さらには0.1〜1%の範囲内にすることが好ましい。 It is desirable that the liquid nonaqueous electrolyte contains a surfactant such as trioctyl phosphate (TOP) in order to improve the wettability with the separator. The amount of the surfactant added is preferably 3% or less, and more preferably in the range of 0.1 to 1%.
前記液状非水電解質の量は、電池単位容量100mAh当たり0.2〜0.6gにすることが好ましい。液状非水電解質量のより好ましい範囲は、0.25〜0.55g/100mAhである。 It is preferable that the amount of the liquid non-aqueous electrolyte is 0.2 to 0.6 g per 100 mAh of battery unit capacity. A more preferable range of the mass of the liquid non-aqueous electrolyte is 0.25 to 0.55 g / 100 mAh.
以上説明した電極群及び非水電解質が収納される容器について説明する。 A container in which the above-described electrode group and the non-aqueous electrolyte are stored will be described.
容器の形状は、例えば、有底円筒形、有底矩形筒型、袋状、カップ状等にすることができる。 The shape of the container can be, for example, a cylindrical shape with a bottom, a rectangular tube with a bottom, a bag shape, a cup shape, or the like.
この容器は、例えば、樹脂層を含むフィルム、金属板、金属フィルム等から形成することができる。 This container can be formed, for example, from a film including a resin layer, a metal plate, a metal film, or the like.
前記フィルムに含まれる樹脂層は、例えば、ポリオレフィン(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン)、ポリアミド等から形成することができる。樹脂層を含むフィルムの中でも、金属層と、前記金属層の両面に配置された保護層とが一体化されたラミネートフィルムを用いることが望ましい。前記金属層は、水分を遮断する役割と容器の形状保持を担う。前記金属層は、例えば、アルミニウム、ステンレス、鉄、銅、ニッケル等を挙げることができる。中でも、軽量で、水分を遮断する機能が高いアルミニウムが好ましい。前記金属層は、1種類の金属から形成しても良いが、2種類以上の金属層を一体化させたものから形成しても良い。前記2つの保護層のうち、外部と接する保護層は前記金属層の損傷を防止する役割をなす。この外部保護層は、1種類の樹脂層、もしくは2種類以上の樹脂層から形成される。一方、内部保護層は、前記金属層が非水電解質により腐食されるのを防止する役割を担う。この内部保護層は、1種類の樹脂層、もしくは2種類以上の樹脂層から形成される。また、かかる内部保護層の表面に、容器をヒートシールにより封止するための熱可塑性樹脂を配することができる。 The resin layer included in the film can be formed from, for example, polyolefin (for example, polyethylene or polypropylene), polyamide, or the like. Among films including a resin layer, it is desirable to use a laminate film in which a metal layer and protective layers disposed on both surfaces of the metal layer are integrated. The metal layer plays a role of blocking moisture and a shape of the container. Examples of the metal layer include aluminum, stainless steel, iron, copper, and nickel. Among them, aluminum that is lightweight and has a high function of blocking moisture is preferable. The metal layer may be formed from one type of metal, or may be formed from a combination of two or more types of metal layers. Of the two protective layers, a protective layer in contact with the outside serves to prevent damage to the metal layer. This external protective layer is formed from one type of resin layer or two or more types of resin layers. On the other hand, the inner protective layer plays a role of preventing the metal layer from being corroded by the non-aqueous electrolyte. This internal protective layer is formed from one type of resin layer or two or more types of resin layers. In addition, a thermoplastic resin for sealing the container by heat sealing can be provided on the surface of the internal protective layer.
樹脂層を含むフィルムの厚さは、0.3mm以下にすることが望ましく、より好ましい範囲は0.25mm以下で、更に好ましい範囲は0.15mm以下で、最も好ましい範囲は0.12mm以下である。また、厚さが0.05mmより薄いと、変形や破損し易くなることから、フィルムの厚さの下限値は0.05mmにすることが好ましい。 The thickness of the film including the resin layer is preferably 0.3 mm or less, more preferably 0.25 mm or less, further preferably 0.15 mm or less, and most preferably 0.12 mm or less. . When the thickness is less than 0.05 mm, the film is easily deformed or damaged. Therefore, the lower limit of the thickness of the film is preferably set to 0.05 mm.
前記金属板及び前記金属フィルムは、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウムから形成することができる。 The metal plate and the metal film can be formed from, for example, iron, stainless steel, and aluminum.
前記金属板及び金属フィルムの厚さは、0.4mm以下にすることが望ましく、より好ましい範囲は0.3mm以下で、最も好ましい範囲は0.25mm以下である。また、厚さが0.05mmより薄いと、十分な強度を得られない恐れがあることから、金属板及び金属フィルムの厚さの下限値は0.05mmにすることが好ましい。 The thickness of the metal plate and the metal film is desirably 0.4 mm or less, a more preferred range is 0.3 mm or less, and a most preferred range is 0.25 mm or less. If the thickness is smaller than 0.05 mm, sufficient strength may not be obtained. Therefore, the lower limit of the thickness of the metal plate and the metal film is preferably set to 0.05 mm.
本発明に係る第2の非水電解質二次電池は、リチウム複合酸化物粒子を含有する正極活物質粒子を含む正極と、負極と、非水電解質とを具備した非水電解質二次電池であって、
前記リチウム複合酸化物粒子は、Ni及びCoよりなる群から選択される少なくとも1種類からなる元素Mを含む組成を有し、二次凝集粒を含む粒子形態を持ち、かつピーク強度比が下記(C)式を満足し、
前記正極活物質粒子中の前記リチウム複合酸化物粒子の含有量は50重量%以上であり、
前記正極活物質粒子のモル比は下記(D)式を満たし、前記正極活物質粒子における体積累積頻度90%の粒径(D90)が10μm〜25μmの範囲内であり、
前記非水電解質は、環内に少なくとも一つの二重結合を有するスルトン化合物を含む非水電解質二次電池が提供される。
A second nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode including positive electrode active material particles containing lithium composite oxide particles, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. hand,
The lithium composite oxide particles have a composition including at least one element M selected from the group consisting of Ni and Co, have a particle form including secondary aggregated particles, and have a peak intensity ratio of the following ( C) satisfying the formula,
The content of the lithium composite oxide particles in the positive electrode active material particles is 50% by weight or more,
The molar ratio of the positive electrode active material particles satisfies the following formula (D), and the particle diameter (D90) of the positive electrode active material particles having a volume accumulation frequency of 90% is in the range of 10 μm to 25 μm.
A non-aqueous electrolyte secondary battery is provided, wherein the non-aqueous electrolyte includes a sultone compound having at least one double bond in a ring.
2≦(I003/I104)<5 (C)
0.95≦(YLi/YM)≦1.02 (D)
但し、I003は前記リチウム複合酸化物粒子の粉末X線回折における(003)面のピーク強度(cps)で、I104は前記粉末X線回折における(104)面のピーク強度(cps)であり、YLiは前記正極活物質粒子中のリチウムのモル数で、YMは前記正極活物質粒子中の元素Mのモル数で、前記元素MはNi及びCoよりなる群から選択される少なくとも1種類である。
2 ≦ (I 003 / I 104 ) <5 (C)
0.95 ≦ (Y Li / Y M ) ≦ 1.02 (D)
Here, I 003 is the peak intensity (cps) of the (003) plane in the powder X-ray diffraction of the lithium composite oxide particles, and I 104 is the peak intensity (cps) of the (104) plane in the powder X-ray diffraction. , Y Li is the number of moles of lithium in the positive electrode active material particles, Y M is the number of moles of the element M in the positive electrode active material particles, and the element M is at least one selected from the group consisting of Ni and Co. Kind.
本発明に係る第2の非水電解質二次電池においては、正極以外は前述した第1の非水電解質二次電池で説明したのと同様な構成にすることができる。以下、正極について説明する。 The second non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention can have the same configuration as that described in the first non-aqueous electrolyte secondary battery except for the positive electrode. Hereinafter, the positive electrode will be described.
この正極は、集電体と、集電体の片面もしくは両面に担持され、前記正極活物質粒子と結着剤と導電剤とを含有する正極層とを含む。 The positive electrode includes a current collector, and a positive electrode layer supported on one or both surfaces of the current collector and containing the positive electrode active material particles, a binder, and a conductive agent.
元素Mを含有するリチウム複合酸化物粒子のピーク強度比(I003/I104)を2以上、5未満にすることによって、二次凝集粒の比率を高くすることができると共に、リチウムの吸蔵・放出に伴う膨張・収縮率を小さくすることができる。なお、結晶が配向性を持たず、完全に等方的である場合には、ピーク強度比(I003/I104)は計算上2となる。ピーク強度比(I003/I104)のより好ましい範囲は、2より大きく、4.95以下である。 By setting the peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) of the lithium composite oxide particles containing the element M to 2 or more and less than 5, it is possible to increase the ratio of secondary aggregated particles, The rate of expansion and contraction associated with release can be reduced. When the crystal has no orientation and is completely isotropic, the peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) is 2 in calculation. A more preferable range of the peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) is more than 2 and not more than 4.95.
正極活物質粒子中にピーク強度比(I003/I104)が2以上、5未満のリチウム複合酸化物粒子が50重量%以上含まれているため、正極活物質粒子のモル比(YLi/YM)はリチウム複合酸化物粒子のモル比とほぼ等しくなる。よって、モル比(YLi/YM)を0.95未満にすると、リチウム複合酸化物粒子の結晶性の低下などにより正極活物質においてリチウムの吸蔵・放出がほとんど起こらない可能性がある。一方、モル比(YLi/YM)を1.02より大きくすると、リチウム複合酸化物粒子の結晶性は優れるものの、リチウム複合酸化物粒子中の単粒子の比率が高くなるため、リチウムの吸蔵・放出に伴う膨張・収縮が大きくなるだけでなく、一次粒子を被覆する保護被膜が孤立してしまい、ネットワーク構造を得られ難くなる。その結果、充放電サイクルで保護被膜が剥離しやすくなるため、充放電サイクル寿命が短くなる恐れがある。モル比(YLi/YM)のより好ましい範囲は、0.97〜1.02であり、さらに好ましい範囲は0.99〜1.02である。 Since the lithium composite oxide particles having a peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) of 2 or more and less than 5 are contained in the positive electrode active material particles by 50% by weight or more, the molar ratio of the positive electrode active material particles (Y Li / Y M ) becomes substantially equal to the molar ratio of the lithium composite oxide particles. Therefore, if the molar ratio (Y Li / Y M ) is less than 0.95, there is a possibility that the occlusion and release of lithium in the positive electrode active material hardly occur due to a decrease in crystallinity of the lithium composite oxide particles. On the other hand, when the molar ratio (Y Li / Y M ) is larger than 1.02, although the crystallinity of the lithium composite oxide particles is excellent, the ratio of single particles in the lithium composite oxide particles increases, so that the lithium occlusion is increased. -Not only the expansion and contraction accompanying the release are increased, but also the protective coating covering the primary particles is isolated, making it difficult to obtain a network structure. As a result, the protective film is easily peeled off in the charge / discharge cycle, and the life of the charge / discharge cycle may be shortened. A more preferable range of the molar ratio (Y Li / Y M ) is 0.97 to 1.02, and a still more preferable range is 0.99 to 1.02.
正極活物質粒子中のリチウム複合酸化物粒子の含有量が50重量%以上であるため、正極活物質粒子の粒度分布にはリチウム複合酸化物粒子の粒度分布が大きく反映されている。正極活物質粒子の体積累積頻度90%の粒径(D90)が10μm未満であるものは、リチウム複合酸化物粒子の二次凝集粒を構成する一次粒子の数が少ない傾向にあるため、二次凝集粒と保護被膜との接触面積が少なくなり、保護被膜が剥離しやすい。このため、長い充放電サイクル寿命を得られない恐れがある。一方、D90が25μmより大きいものは、リチウム複合酸化物粒子の二次凝集粒を構成する一次粒子の数が多い傾向があるため、二次凝集粒の内部に保護被膜が行き渡らずに二次凝集粒の表面のみが保護被膜で覆われている状態にあるものが多い。このため、充放電サイクル中に保護被膜の剥離が起き易く、長い充放電サイクル寿命を得られない恐れがある。D90のより好ましい範囲は、10μm〜20μmである。 Since the content of the lithium composite oxide particles in the positive electrode active material particles is 50% by weight or more, the particle size distribution of the lithium composite oxide particles is largely reflected in the particle size distribution of the positive electrode active material particles. When the particle diameter (D90) of the positive electrode active material particles having a volume accumulation frequency of 90% is less than 10 μm, the number of primary particles constituting the secondary aggregated particles of the lithium composite oxide particles tends to be small. The contact area between the aggregated particles and the protective film is reduced, and the protective film is easily peeled. Therefore, there is a possibility that a long charge / discharge cycle life cannot be obtained. On the other hand, when the D90 is larger than 25 μm, the number of primary particles constituting the secondary aggregated particles of the lithium composite oxide particles tends to be large. In many cases, only the surface of the grains is covered with a protective coating. For this reason, peeling of the protective film easily occurs during the charge / discharge cycle, and a long charge / discharge cycle life may not be obtained. A more preferred range for D90 is from 10 μm to 20 μm.
正極活物質粒子中のリチウム複合酸化物粒子の含有量が多い方が、正極と保護被膜との密着性を向上することができる。従って、より長い充放電サイクル寿命を得るためには、正極活物質粒子中のリチウム複合酸化物粒子の含有量を60重量%以上にすることがより好ましく、70重量%以上にすることがさらに好ましい。 The larger the content of the lithium composite oxide particles in the positive electrode active material particles, the better the adhesion between the positive electrode and the protective coating. Therefore, in order to obtain a longer charge / discharge cycle life, the content of the lithium composite oxide particles in the positive electrode active material particles is more preferably 60% by weight or more, and further preferably 70% by weight or more. .
元素Mを含有するリチウム複合酸化物としては、例えば、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物などを挙げることができる。前記リチウム複合酸化物には、特性改善等の観点から、他の種類の元素を添加することができる。かかる元素としては、例えば、Mn、Al、Sn、Fe、Cu、Cr、Zn、Mg、Si、P、F、Cl、B等を挙げることができる。添加元素の種類は、1種類でも、2種類以上でも良い。 Examples of the lithium composite oxide containing the element M include a lithium nickel composite oxide, a lithium cobalt composite oxide, and a lithium nickel cobalt composite oxide. Other types of elements can be added to the lithium composite oxide from the viewpoint of improving characteristics and the like. Examples of such elements include Mn, Al, Sn, Fe, Cu, Cr, Zn, Mg, Si, P, F, Cl, and B. The type of the additive element may be one type or two or more types.
中でも、下記(E)式または(F)式で表わされる組成が好ましい。 Among them, a composition represented by the following formula (E) or (F) is preferable.
LiaCobM1cO2 (E)
但し、前記M1は、Ni、Mn、B、Al及びSnよりなる群から選択される1種類以上の元素であり、前記モル比a、b、cは、それぞれ、0.95≦a≦1.05、0.95≦b≦1.05、0≦c≦0.05、0.95≦b+c≦1.05を示す。モル比a,b,cのさらに好ましい範囲は、それぞれ、0.97≦a≦1.03、0.97≦b≦1.03、0.001≦c≦0.03である。
Li a Co b M1 c O 2 (E)
Here, M1 is at least one element selected from the group consisting of Ni, Mn, B, Al and Sn, and the molar ratios a, b and c are respectively 0.95 ≦ a ≦ 1. 05, 0.95 ≦ b ≦ 1.05, 0 ≦ c ≦ 0.05, 0.95 ≦ b + c ≦ 1.05. More preferable ranges of the molar ratios a, b, and c are 0.97 ≦ a ≦ 1.03, 0.97 ≦ b ≦ 1.03, and 0.001 ≦ c ≦ 0.03, respectively.
LixNiyCozM2wO2 (F)
但し、前記M2は、Mn、B、Al及びSnよりなる群から選択される1種類以上の元素であり、前記モル比x、y、z、wは、それぞれ、0.95≦x≦1.05、0.7≦y≦0.95、0.05≦z≦0.3、0≦w≦0.1、0.95≦y+z+w≦1.05を示す。モル比x,y,zのさらに好ましい範囲は、0.97≦x≦1.03、0.75≦y≦0.9、0.1≦z≦0.25である。モル比wのより好ましい範囲は0≦w≦0.07で、さらに好ましい範囲は0≦w≦0.05で、最も好ましい範囲は0≦w≦0.03である。元素M2の添加効果を十分に得るために、モル比wの下限値は0.001にすることが好ましい。
Li x Ni y Co z M2 w O 2 (F)
Here, M2 is at least one element selected from the group consisting of Mn, B, Al and Sn, and the molar ratios x, y, z and w are respectively 0.95 ≦ x ≦ 1. 05, 0.7 ≦ y ≦ 0.95, 0.05 ≦ z ≦ 0.3, 0 ≦ w ≦ 0.1, 0.95 ≦ y + z + w ≦ 1.05. More preferable ranges of the molar ratios x, y, and z are 0.97 ≦ x ≦ 1.03, 0.75 ≦ y ≦ 0.9, and 0.1 ≦ z ≦ 0.25. The more preferable range of the molar ratio w is 0 ≦ w ≦ 0.07, the further preferable range is 0 ≦ w ≦ 0.05, and the most preferable range is 0 ≦ w ≦ 0.03. In order to sufficiently obtain the effect of adding the element M2, the lower limit of the molar ratio w is preferably set to 0.001.
前述したリチウム複合酸化物粒子においては、全ての粒子が同じ組成を有していなくても良く、ピーク強度比が2以上、5未満であれば、組成の異なる2種類以上の粒子から構成されていても良い。 In the lithium composite oxide particles described above, not all the particles need to have the same composition, and if the peak intensity ratio is 2 or more and less than 5, the particles are composed of two or more types of particles having different compositions. May be.
また、前記正極活物質粒子は、前述したリチウム複合酸化物粒子から形成されていても良いが、このリチウム複合酸化物粒子以外の他の粒子を含んでいても良い。 In addition, the positive electrode active material particles may be formed from the lithium composite oxide particles described above, but may include particles other than the lithium composite oxide particles.
他の粒子としては、例えば、ピーク強度比(I003/I104)が5より大きいリチウム含有複合酸化物粒子を挙げることができる。このリチウム含有複合酸化物粒子は、充電状態で高い活性を有するため、前記リチウム含有複合酸化物粒子を含む正極は、高温環境下にあると非水電解質中のスルトン化合物と速やかに反応することができる。その結果、充電状態で高温環境下に保管された際、正極表面にスルトン化合物による保護被膜を速やかに形成することができるため、非水電解質の酸化分解反応を抑えることが可能である。従って、二次電池が充電状態で高温環境下に保管された際のガス発生量を少なくすることができるため、電池の膨れを抑えることが可能になり、充放電サイクル寿命が長く、かつ充電高温貯蔵時の膨れが抑制された二次電池を実現することができる。ピーク強度比(I003/I104)のより好ましい範囲は、7以上である。また、ピーク強度比が500より大きいものと、(104)面に由来するピークが検出されないものは、リチウムを吸蔵しない結晶構造を有している可能性があることから、ピーク強度比の上限は500にすることが望ましい。 Examples of the other particles include lithium-containing composite oxide particles having a peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) of more than 5. Since the lithium-containing composite oxide particles have a high activity in a charged state, the positive electrode containing the lithium-containing composite oxide particles can quickly react with the sultone compound in the nonaqueous electrolyte in a high-temperature environment. it can. As a result, when the battery is stored in a high temperature environment in a charged state, a protective film made of a sultone compound can be quickly formed on the surface of the positive electrode, so that the oxidative decomposition reaction of the nonaqueous electrolyte can be suppressed. Accordingly, the amount of gas generated when the secondary battery is stored in a high temperature environment in a charged state can be reduced, so that the battery can be prevented from swelling, the charge / discharge cycle life is long, and the charge A secondary battery in which swelling during storage is suppressed can be realized. A more preferred range of the peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) is 7 or more. Further, those having a peak intensity ratio of more than 500 and those in which a peak derived from the (104) plane is not detected may have a crystal structure that does not occlude lithium. It is desirable to set it to 500.
充放電サイクル寿命と充電高温貯蔵特性の双方に優れる二次電池を実現するためには、ピーク強度比(I003/I104)が5より大きいリチウム含有複合酸化物粒子の正極活物質粒子中の割合を0.1重量%以上、50重量%未満の範囲にすることが好ましい。さらに好ましい範囲は、0.5〜48重量%である。 In order to realize a secondary battery excellent in both charge / discharge cycle life and charge / high-temperature storage characteristics, the lithium-containing composite oxide particles having a peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) of more than 5 in the positive electrode active material particles are required. It is preferable that the ratio be in the range of 0.1% by weight or more and less than 50% by weight. A more preferred range is from 0.5 to 48% by weight.
リチウム含有複合酸化物としては、例えば、リチウムコバルト複合酸化物などを挙げることができる。前記リチウム含有複合酸化物には、構成元素と異なる種類の元素を少なくとも1種類添加することができ、添加元素としては、例えば、Ni,Mn,Al,Sn,Fe,Cu,Cr,Zn,Mg,Si,P,F,Cl,Bなどを挙げることができる。また、前記リチウム含有複合酸化物の組成は、前述した(E)式または(F)式で表わされるものにしても良い。 Examples of the lithium-containing composite oxide include a lithium-cobalt composite oxide. At least one element different from the constituent elements can be added to the lithium-containing composite oxide. Examples of the additional elements include Ni, Mn, Al, Sn, Fe, Cu, Cr, Zn, and Mg. , Si, P, F, Cl, B and the like. Further, the composition of the lithium-containing composite oxide may be represented by the above-described formula (E) or (F).
このリチウム含有複合酸化物粒子においては、全ての粒子が同じ組成を有していなくても良く、ピーク強度比が5より大きければ、組成の異なる2種類以上の粒子から構成されていても良い。 In the lithium-containing composite oxide particles, not all the particles need to have the same composition, and if the peak intensity ratio is larger than 5, two or more particles having different compositions may be used.
前記導電剤、前記結着剤、前記集電体には、それぞれ、前述した第1の非水電解質二次電池において説明したのと同様なものを挙げることができる。 Examples of the conductive agent, the binder, and the current collector may be the same as those described in the first nonaqueous electrolyte secondary battery.
前記正極は、例えば、正極活物質に導電剤および結着剤を適当な溶媒に懸濁し、この懸濁物を集電体に塗布、乾燥して薄板状にすることにより作製される。 The positive electrode is manufactured, for example, by suspending a conductive agent and a binder in a suitable solvent in a positive electrode active material, applying the suspension to a current collector, and drying to form a thin plate.
以上説明した本発明に係る第2の非水電解質二次電池に用いられる正極活物質粒子は、元素Mを含有するリチウム複合酸化物粒子を50重量%以上含み、前記リチウム複合酸化物粒子はピーク強度比(I003/I104)が2以上、5未満であると共に二次凝集粒を含む粒子形態を有し、前記正極活物質粒子のモル比(YLi/YM)は0.95〜1.02の範囲で、かつ前記正極活物質粒子の体積累積頻度90%の粒径(D90)が10μm〜25μmの範囲内であるため、スルトン化合物と反応して正極表面にリチウムイオン透過性の保護被膜を形成することができる。この保護被膜は、二次凝集粒の表面だけでなく一次粒子間の間隙にも形成されるため、複雑なネットワーク構造を持つことができる。その結果、充放電サイクル中に正極から保護被膜が剥離するのを抑制することができるため、非水電解質の酸化分解反応を抑えることができ、二次電池の充放電サイクル寿命を向上することができる。 The positive electrode active material particles used in the second non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention described above contain lithium composite oxide particles containing the element M in an amount of 50% by weight or more, and the lithium composite oxide particles have a peak. The strength ratio (I 003 / I 104 ) is 2 or more and less than 5, and has a particle form including secondary aggregated particles, and the molar ratio (Y Li / Y M ) of the positive electrode active material particles is 0.95 to 0.95. Since the particle diameter (D90) of the positive electrode active material particles having a volume accumulation frequency of 90% is within the range of 10 μm to 25 μm in the range of 1.02 and the positive electrode active material particles react with the sultone compound and have a lithium ion permeable A protective coating can be formed. Since this protective coating is formed not only on the surface of the secondary aggregated particles but also on the gap between the primary particles, it can have a complicated network structure. As a result, since the protective film can be prevented from peeling off from the positive electrode during the charge / discharge cycle, the oxidative decomposition reaction of the nonaqueous electrolyte can be suppressed, and the charge / discharge cycle life of the secondary battery can be improved. it can.
本発明に係る非水電解質二次電池の一例である薄型、角形、円筒形非水電解質二次電池を図1〜図4を参照して詳細に説明する。 A thin, square, cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery as an example of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
図1は、本発明に係わる非水電解質二次電池の一例である薄型非水電解質二次電池を示す斜視図、図2は図1の薄型非水電解質二次電池を短辺方向に沿って切断した部分断面図で、図3は本発明に係る非水電解質二次電池の一例である角形非水電解質二次電池を示す部分切欠斜視図、図4は本発明に係る非水電解質二次電池の一例である円筒形非水電解質二次電池を示す部分断面図である。 FIG. 1 is a perspective view showing a thin non-aqueous electrolyte secondary battery which is an example of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention. FIG. 2 shows the thin non-aqueous electrolyte secondary battery of FIG. FIG. 3 is a partially cutaway perspective view showing a rectangular non-aqueous electrolyte secondary battery which is an example of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, and FIG. 4 is a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention. FIG. 2 is a partial cross-sectional view illustrating a cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery as an example of a battery.
まず、薄型非水電解質二次電池について説明する。 First, a thin nonaqueous electrolyte secondary battery will be described.
図1に示すように、矩形のカップ状をなす容器本体1内には、電極群2が収納されている。電極群2は、正極3と、負極4と、正極3と負極4の間に配置されるセパレータ5を含む積層物が偏平形状に捲回された構造を有する。非水電解質は、電極群2に保持されている。容器本体1の縁の一部は幅広になっており、蓋板6として機能する。容器本体1と蓋板6は、それぞれ、ラミネートフィルムから構成される。このラミネートフィルムは、外部保護層7と、熱可塑性樹脂を含有する内部保護層8と、外部保護層7と内部保護層8の間に配置される金属層9とを含む。容器本体1には蓋体6が内部保護層8の熱可塑性樹脂を用いてヒートシールによって固定され、それにより容器内に電極群2が密封される。正極3には正極タブ10が接続され、負極4には負極タブ11が接続され、それぞれ容器の外部に引き出されて、正極端子及び負極端子の役割を果たす。
As shown in FIG. 1, an
次いで、角形非水電解質二次電池について説明する。 Next, the prismatic nonaqueous electrolyte secondary battery will be described.
図3に示すように、例えばアルミニウムのような金属製の有底矩形筒状容器12内には、電極群13が収納されている。電極群13は、正極14、セパレータ15及び負極16がこの順序で積層され、扁平状に捲回されたものである。中央付近に開口部を有するスペーサ17は、電極群13の上方に配置されている。
As shown in FIG. 3, an
非水電解質は、電極群13に保持されている。防爆機構18aを備え、かつ中央付近に円形孔が開口されている封口板18bは、容器12の開口部にレーザ溶接されている。負極端子19は、封口板18bの円形孔にハーメチックシールを介して配置されている。負極16から引き出された負極タブ20は、負極端子19の下端に溶接されている。一方、正極タブ(図示しない)は、正極端子を兼ねる容器12に接続されている。
The non-aqueous electrolyte is held by the
次いで、円筒形非水電解質二次電池について説明する。 Next, the cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery will be described.
ステンレスからなる有底円筒状の容器21は、底部に絶縁体22が配置されている。電極群23は、前記容器21に収納されている。前記電極群23は、正極24、セパレータ25、負極26及びセパレータ25を積層した帯状物を前記セパレータ25が外側に位置するように渦巻き状に捲回した構造になっている。
A
前記容器21内には、非水電解質が収容されている。中央部が開口された絶縁紙27は、前記容器21内の前記電極群23の上方に配置されている。絶縁封口板28は、前記容器21の上部開口部に配置され、かつ前記上部開口部付近を内側にかしめ加工することにより前記封口板28は前記容器21に固定されている。正極端子29は、前記絶縁封口板28の中央に嵌合されている。正極リード30の一端は、前記正極24に、他端は前記正極端子29にそれぞれ接続されている。前記負極26は、図示しない負極リードを介して負極端子である前記容器21に接続されている。
The
以下、本発明の実施例を前述した図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings described above.
(実施例1)
<正極の作製>
下記表1に示す組成を有し、かつ体積累積頻度90%粒径D90とピーク強度比(I003/I104)が下記表1に示す値であるリチウム複合酸化物粒子を用意した。走査型電子顕微鏡(SEM)観察の結果、このリチウム複合酸化物粒子に二次凝集粒が含まれていることを確認することができた。なお、体積累積頻度90%粒径D90とピーク強度比(I003/I104)は、下記に説明する方法で測定した。
(Example 1)
<Preparation of positive electrode>
Lithium composite oxide particles having the composition shown in Table 1 below and having a volume cumulative frequency 90% particle size D90 and a peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) shown in Table 1 below were prepared. As a result of observation with a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that the lithium composite oxide particles contained secondary aggregated particles. The volume cumulative frequency 90% particle size D90 and the peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) were measured by the method described below.
<D90の測定>
すなわち、レーザー回折・散乱法によりリチウム複合酸化物粒子の粒径と各粒度区間での粒子の占有体積を測定する。粒度区間の体積を累積して全体の90%となった時の粒径を体積累積頻度90%粒径とした。
<Measurement of D90>
That is, the particle size of the lithium composite oxide particles and the volume occupied by the particles in each particle size section are measured by a laser diffraction / scattering method. The particle size when the volume of the particle size section was accumulated to 90% of the total was defined as the volume cumulative frequency 90% particle size.
<ピーク強度比の測定>
X線回折測定は、理学電気(株)製のRINT2000を用いた。X線線源にCu−Kα1(波長1.5405Å)を用いて以下の機器条件で行った。管電圧は40kV、電流は40mA、発散スリットは0.5°、散乱スリットは0.5°、受光スリット幅は0.15mmであった。さらに、モノクロメーターを使用した。測定は、走査速度が2°/分、走査ステップが0.01°で、走査軸が2θ/θの条件で行った。2θ=45.0°±0.5°のピークを(104)面のピークとし、2θ=18.8°±0.2°のピークを(003)面のピークとした。また、ピーク強度(cps)は、2θ軸で表記した回折模様の測定値からバックグラウンドを引いたものとした。
<Measurement of peak intensity ratio>
For the X-ray diffraction measurement, RINT2000 manufactured by Rigaku Corporation was used. The measurement was performed under the following instrument conditions using Cu-Kα1 (wavelength: 1.5405 °) as an X-ray source. The tube voltage was 40 kV, the current was 40 mA, the divergence slit was 0.5 °, the scattering slit was 0.5 °, and the light receiving slit width was 0.15 mm. In addition, a monochromator was used. The measurement was performed at a scanning speed of 2 ° / min, a scanning step of 0.01 °, and a scanning axis of 2θ / θ. The peak at 2θ = 45.0 ° ± 0.5 ° was the peak on the (104) plane, and the peak at 2θ = 18.8 ° ± 0.2 ° was the peak on the (003) plane. The peak intensity (cps) was obtained by subtracting the background from the measured value of the diffraction pattern represented by the 2θ axis.
上記リチウム複合酸化物粉末90重量%に、アセチレンブラック5重量%と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)5重量%のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液とを加えて混合し、スラリーを調製した。前記スラリーを厚さが15μmのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布した後、乾燥し、プレスすることにより、正極層が集電体の両面に担持された構造の正極を作製した。なお、正極層の厚さは、片面当り60μmであった。 To 90% by weight of the lithium composite oxide powder, 5% by weight of acetylene black and a solution of 5% by weight of polyvinylidene fluoride (PVdF) in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) were added and mixed to prepare a slurry. . The slurry was applied to both sides of a current collector made of aluminum foil having a thickness of 15 μm, dried, and pressed to produce a positive electrode having a structure in which a positive electrode layer was supported on both sides of the current collector. In addition, the thickness of the positive electrode layer was 60 μm per side.
<負極の作製>
炭素質材料として3000℃で熱処理したメソフェーズピッチ系炭素繊維(粉末X線回折により求められる(002)面の面間隔(d002 )が0.336nm)の粉末を95重量%と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)5重量%のジメチルフォルムアミド(DMF)溶液とを混合し、スラリーを調製した。前記スラリーを厚さが12μmの銅箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥し、プレスすることにより、負極層が集電体に担持された構造の負極を作製した。なお、負極層の厚さは、片面当り55μmであった。
<Preparation of negative electrode>
As a carbonaceous material, 95% by weight of a powder having a mesophase pitch-based carbon fiber heat-treated at 3000 ° C. (having a (002) plane spacing (d 002 ) of 0.336 nm as determined by powder X-ray diffraction), and polyvinylidene fluoride ( (PVdF) was mixed with 5% by weight of a dimethylformamide (DMF) solution to prepare a slurry. The slurry was applied on both sides of a current collector made of a copper foil having a thickness of 12 μm, dried, and pressed to produce a negative electrode having a structure in which a negative electrode layer was supported on the current collector. The thickness of the negative electrode layer was 55 μm per one side.
なお、炭素質物の(002)面の面間隔d002は、粉末X線回折スペクトルから半値幅中点法によりそれぞれ求めた。この際、ローレンツ散乱等の散乱補正は、行わなかった。 The plane distance d 002 of the (002) plane of the carbonaceous material was determined from the powder X-ray diffraction spectrum by the half-width half-point method. At this time, scattering correction such as Lorentz scattering was not performed.
<セパレータ>
厚さが25μmの微多孔性ポリエチレン膜からなるセパレータを用意した。
<Separator>
A separator made of a microporous polyethylene membrane having a thickness of 25 μm was prepared.
<非水電解液の調製>
エチレンカーボネート(EC)、γ−ブチロラクトン(GBL)および1,3−プロペンスルトン(PRS)を体積比率(EC:GBL:PRS)が33:66:1になるように混合して非水溶媒を調製した。得られた非水溶媒に四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )をその濃度が1.5モル/Lになるように溶解させて、液状非水電解質を調製した。
<Preparation of non-aqueous electrolyte>
A non-aqueous solvent is prepared by mixing ethylene carbonate (EC), γ-butyrolactone (GBL) and 1,3-propene sultone (PRS) such that the volume ratio (EC: GBL: PRS) is 33: 66: 1. did. A liquid non-aqueous electrolyte was prepared by dissolving lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) in the obtained non-aqueous solvent so as to have a concentration of 1.5 mol / L.
<電極群の作製>
前記正極の集電体に帯状アルミニウム箔(厚さ100μm)からなる正極リードを超音波溶接し、前記負極の集電体に帯状ニッケル箔(厚さ100μm)からなる負極リードを超音波溶接した後、前記正極及び前記負極をその間に前記セパレータを介して渦巻き状に捲回した後、偏平状に成形し、電極群を作製した。
<Preparation of electrode group>
The positive electrode current collector of the positive electrode is ultrasonically welded to a positive electrode lead made of a band-shaped aluminum foil (thickness: 100 μm), and the negative electrode current collector is ultrasonically welded to a negative electrode lead made of a band-shaped nickel foil (thickness: 100 μm). After the positive electrode and the negative electrode were spirally wound between the positive electrode and the negative electrode with the separator interposed therebetween, the positive electrode and the negative electrode were formed into a flat shape to form an electrode group.
アルミニウム箔の両面をポリエチレンで覆った厚さ100μmのラミネートフィルムを、プレス機により矩形のカップ状に成形し、得られた容器内に前記電極群を収納した。 A 100 μm-thick laminated film in which both surfaces of an aluminum foil were covered with polyethylene was formed into a rectangular cup shape by a press machine, and the electrode group was housed in the obtained container.
次いで、容器内の電極群に80℃で真空乾燥を12時間施すことにより電極群及びラミネートフィルムに含まれる水分を除去した。 Next, moisture contained in the electrode group and the laminated film was removed by subjecting the electrode group in the container to vacuum drying at 80 ° C. for 12 hours.
引き続き、容器内の電極群に液状非水電解質を電池容量1Ah当たりの量が4.8gとなるように注入し、ヒートシールにより封止することによって、前述した図1、2に示す構造を有し、厚さが3.6mm、幅が35mm、高さが62mmの薄型非水電解質二次電池を組み立てた。 Subsequently, the liquid non-aqueous electrolyte was injected into the electrode group in the container so that the amount per 1 Ah of the battery capacity became 4.8 g, and sealed by heat sealing to obtain the structure shown in FIGS. Then, a thin nonaqueous electrolyte secondary battery having a thickness of 3.6 mm, a width of 35 mm, and a height of 62 mm was assembled.
(実施例2〜8)
非水電解質の組成を下記表2に示すように変更すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして薄型非水電解質二次電池を組み立てた。
(Examples 2 to 8)
A thin non-aqueous electrolyte secondary battery was assembled in the same manner as described in Example 1 except that the composition of the non-aqueous electrolyte was changed as shown in Table 2 below.
なお、表2において、DECはジエチルカーボネート、MECはメチルエチルカーボネート、PCはプロピレンカーボネート、BTSは1,4−ブチレンスルトンを示す。 In Table 2, DEC indicates diethyl carbonate, MEC indicates methyl ethyl carbonate, PC indicates propylene carbonate, and BTS indicates 1,4-butylene sultone.
(実施例9〜17)
Liと元素Mのモル比(XLi/XM)、ピーク強度比(I003/I104)および体積累積頻度90%粒径D90を下記表1に示すように変更すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして薄型非水電解質二次電池を組み立てた。
(Examples 9 to 17)
Except that the molar ratio of Li and the element M (X Li / X M ), the peak intensity ratio (I 003 / I 104 ), and the volume cumulative frequency 90% particle size D90 are changed as shown in Table 1 below, are as described above. A thin non-aqueous electrolyte secondary battery was assembled in the same manner as described in Example 1.
(比較例1〜5)
非水電解質の組成を下記表4に示すように変更すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして薄型非水電解質二次電池を組み立てた。
(Comparative Examples 1 to 5)
A thin non-aqueous electrolyte secondary battery was assembled in the same manner as described in Example 1 except that the composition of the non-aqueous electrolyte was changed as shown in Table 4 below.
なお、表4において、ECはエチレンカーボネート、MECはメチルエチルカーボネート、PRSは1,3−プロペンスルトン、DECはジエチルカーボネート、GBLはγ−ブチロラクトン、PCはプロピレンカーボネート、PSはプロパンスルトンを示す。 In Table 4, EC indicates ethylene carbonate, MEC indicates methyl ethyl carbonate, PRS indicates 1,3-propene sultone, DEC indicates diethyl carbonate, GBL indicates γ-butyrolactone, PC indicates propylene carbonate, and PS indicates propane sultone.
(比較例6〜10)
Liと元素Mのモル比(XLi/XM)、ピーク強度比(I003/I104)および体積累積頻度90%粒径D90を下記表3に示すように変更すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして薄型非水電解質二次電池を組み立てた。
(Comparative Examples 6 to 10)
Except that the molar ratio of Li to the element M (X Li / X M ), the peak intensity ratio (I 003 / I 104 ), and the volume cumulative frequency 90% particle size D90 are changed as shown in Table 3 below, are as described above. A thin non-aqueous electrolyte secondary battery was assembled in the same manner as described in Example 1.
得られた実施例1〜17および比較例1〜10の二次電池について、充放電サイクル特性を下記に説明する条件で評価し、その結果を下記表2、表4に示す。 The charge and discharge cycle characteristics of the obtained secondary batteries of Examples 1 to 17 and Comparative Examples 1 to 10 were evaluated under the conditions described below, and the results are shown in Tables 2 and 4 below.
(充放電サイクル特性)
各二次電池について、初充放電工程として、室温で0.2C(130mA)で4.2Vまで定電流・定電圧充電を15時間行い、その後、室温で0.2Cで3.0Vまで放電した。
(Charge / discharge cycle characteristics)
For each secondary battery, as a first charge / discharge step, constant-current / constant-voltage charging was performed at room temperature at 0.2 C (130 mA) to 4.2 V for 15 hours, and then discharged at room temperature to 0.2 V at 3.0 V. .
次に、充放電サイクル特性として、充放電レート1C、充電終止電圧4.2V、放電終止電圧3.0Vの充放電試験を行い、温度20℃の環境中において充放電を500回繰り返した後の放電容量維持率(1回目の放電の容量を100%とする)を求めた。 Next, as charge / discharge cycle characteristics, a charge / discharge test was performed at a charge / discharge rate of 1 C, a charge end voltage of 4.2 V, and a discharge end voltage of 3.0 V, and after charge / discharge was repeated 500 times in an environment at a temperature of 20 ° C. The discharge capacity retention ratio (the capacity of the first discharge was defined as 100%) was determined.
表1〜表4から明らかなように、モル比(XLi/XM)が0.95〜1.02の範囲内で、ピーク強度比(I003/I104)が2以上、5未満で、かつD90が10μm〜25μmの範囲内であるリチウム複合酸化物と、環内に少なくとも一つの二重結合を有するスルトン化合物とを含む実施例1〜17の二次電池は、比較例1〜10の二次電池に比較して500サイクル時の容量維持率が高いことが理解できる。中でも、実施例1〜12、14〜17の二次電池は、D90が20μmを超えている実施例13の二次電池に比較して500サイクル時の容量維持率が高くなった。 As is clear from Tables 1 to 4, when the molar ratio (X Li / X M ) is in the range of 0.95 to 1.02 and the peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) is 2 or more and less than 5, , And the secondary batteries of Examples 1 to 17 containing a lithium composite oxide having a D90 in the range of 10 μm to 25 μm and a sultone compound having at least one double bond in the ring were prepared in Comparative Examples 1 to 10. It can be understood that the capacity retention rate at the time of 500 cycles is higher than that of the secondary battery. Above all, the secondary batteries of Examples 1 to 12 and 14 to 17 had a higher capacity retention rate at 500 cycles than the secondary batteries of Example 13 in which D90 exceeded 20 μm.
なお、スルトン化合物が無添加の比較例1〜4の二次電池と、二重結合を持たないPSを添加剤として用いる比較例5の二次電池と、ピーク強度比が5より大きく、かつD90が10μm未満である比較例6,10の二次電池と、モル比が1.02より大きく、ピーク強度比が5より大きい比較例7の二次電池と、モル比が1.02より大きく、ピーク強度比が5より大きく、かつD90が10μm未満の比較例8の二次電池と、D90が25μmを超える比較例9の二次電池は、いずれも500サイクル時の容量維持率が70%に満たなかった。 The secondary batteries of Comparative Examples 1 to 4 to which no sultone compound was added and the secondary battery of Comparative Example 5 using PS having no double bond as an additive had a peak intensity ratio larger than 5 and D90. And the secondary batteries of Comparative Examples 7 and 10 having a molar ratio of greater than 1.02 and a peak intensity ratio of greater than 5 and a secondary battery of Comparative Example 7 having a molar ratio of greater than 1.02, The secondary battery of Comparative Example 8 in which the peak intensity ratio is greater than 5 and D90 is less than 10 μm, and the secondary battery of Comparative Example 9 in which D90 is greater than 25 μm both have a capacity retention rate at 500 cycles of 70%. Did not meet.
(実施例18)
D90が15.25μmで、ピーク強度比(I003/I104)が3.4のLiCoO2粒子(第1の活物質粒子)を70重量%と、D90が14.93μmで、ピーク強度比(I003/I104)が3.8のLiNi0.8Co0.2Mn0.06O2粒子(第2の活物質粒子)を30重量%とを混合することにより、正極活物質粒子を得た。走査型電子顕微鏡(SEM)観察の結果、第1の活物質粒子の一部が二次凝集粒の形態を取っていることを確認することができた。
(Example 18)
70% by weight of LiCoO 2 particles (first active material particles) having a D90 of 15.25 μm and a peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) of 3.4, and a peak intensity ratio of D90 of 14.93 μm ( Positive electrode active material particles were obtained by mixing 30% by weight of LiNi 0.8 Co 0.2 Mn 0.06 O 2 particles (I 003 / I 104 ) of 3.8 (second active material particles). As a result of observation by a scanning electron microscope (SEM), it was confirmed that some of the first active material particles were in the form of secondary aggregated particles.
得られた正極活物質粒子のD90と、モル比(YLi/YM)を下記表5に示す。 Table 5 below shows D90 of the obtained positive electrode active material particles and the molar ratio (Y Li / Y M ).
得られた正極活物質粒子を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成の薄型非水電解質二次電池を得た。 A thin non-aqueous electrolyte secondary battery having the same configuration as that described in Example 1 was obtained except that the obtained positive electrode active material particles were used.
(実施例19〜24)
第1の活物質並びに第2の活物質における組成、ピーク強度比(I003/I104)及びD90と、正極活物質粒子中の第1の活物質の配合比と、正極活物質粒子のD90並びにモル比(YLi/YM)が下記表5に示す通りである正極活物質粒子を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成の薄型非水電解質二次電池を得た。
(Examples 19 to 24)
The composition, peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) and D90 of the first active material and the second active material, the compounding ratio of the first active material in the positive electrode active material particles, and D90 of the positive electrode active material particles And a thin non-aqueous electrolyte secondary battery having the same configuration as that described in Example 1 except that positive electrode active material particles having a molar ratio (Y Li / Y M ) as shown in Table 5 below are used. Got.
得られた実施例18〜24の二次電池について、前述した実施例1で説明したのと同様にして500サイクル時の容量維持率を測定し、その結果を下記表6に示す。また、実施例18〜24及び前述した実施例1の二次電池について、充電高温保存特性を下記に説明する条件で評価し、その結果を下記表6に示す。 With respect to the obtained secondary batteries of Examples 18 to 24, the capacity retention at 500 cycles was measured in the same manner as described in Example 1 described above, and the results are shown in Table 6 below. For the secondary batteries of Examples 18 to 24 and Example 1 described above, the charging / high-temperature storage characteristics were evaluated under the conditions described below, and the results are shown in Table 6 below.
(充電高温貯蔵特性)
各二次電池について、充電レート1C、充電終止電圧4.2Vで充電し、温度80℃の環境中において120時間保存した後の電池容器の厚みを測定し、(I)式より保存中の電池容器の厚み変化率を求めた。
(Charge high temperature storage characteristics)
Each secondary battery was charged at a charge rate of 1 C and a charge end voltage of 4.2 V, and after being stored in an environment at a temperature of 80 ° C. for 120 hours, the thickness of the battery container was measured. The thickness change rate of the container was determined.
{(t1−t0)/t0}×100(%) (I)
但し、前記t0は、保存直前の電池容器厚さで、前記t1は、保存120時間後の電池容器厚さを示す。
Here, t 0 is the thickness of the battery container immediately before storage, and t 1 is the thickness of the battery container 120 hours after storage.
表5,表6から明らかなように、ピーク強度比が(I003/I104)が2以上、5未満の2種類のリチウムコバルト含有複合酸化物からなる正極活物質を含む正極を備えた実施例18〜19の電池は実施例1に比べてサイクル維持率が良くなり、厚み変化率も多少良くなっている。 As is clear from Tables 5 and 6, an implementation was provided with a positive electrode including a positive electrode active material composed of two types of lithium cobalt-containing composite oxides having a peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) of 2 or more and less than 5. The batteries of Examples 18 and 19 had a higher cycle maintenance ratio and a slightly better thickness change ratio than Example 1.
また、ピーク強度比が(I003/I104)が2以上、5未満のリチウム元素M含有複合酸化物と、ピーク強度比が(I003/I104)が5より大きいリチウム含有複合酸化物とを含む正極を備えた実施例20〜24の二次電池は、500サイクル時の容量維持率を高い値としつつ、充電高温貯蔵時の膨れを実施例1に比較して小さくすることができた。 Further, a lithium element M-containing composite oxide having a peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) of 2 or more and less than 5 and a lithium-containing composite oxide having a peak intensity ratio (I 003 / I 104 ) of more than 5 In the secondary batteries of Examples 20 to 24 including the positive electrode containing, the swelling at the time of high-temperature charging storage was able to be reduced as compared with Example 1 while setting the capacity retention rate at the time of 500 cycles to a high value. .
なお、前述した実施例において、正極活物質粒子中の元素Mのモル数は、正極活物質粒子中にNiまたはCoが含有されている場合には含有されている方の元素のモル数であり、正極活物質粒子中にNi及びCoが含有されている場合にはNiとCoの合計モル数である。 In the above-described examples, the mole number of the element M in the positive electrode active material particles is the mole number of the contained element when Ni or Co is included in the positive electrode active material particles. When Ni and Co are contained in the positive electrode active material particles, it is the total number of moles of Ni and Co.
(PRSの検出方法)
また、実施例1の二次電池について、前記初充放電工程後、5時間以上回路を開放して十分に電位を落ち着かせた後、Ar濃度が99.9%以上、かつ露点が−50℃以下のグローブボックス内で分解し、電極群を取り出した。前記電極群を遠沈管につめ、ジメチルスルホキシド(DMSO)−d6を加えて密封し、前記グローブボックスより取り出し、遠心分離を行った。その後、前記グローブボックス内で、前記遠沈管から前記電解液と前記DMSO−d6の混合溶液を採取した。前記混合溶媒を5mmφのNMR用試料管に0.5ml程度入れ、NMR測定を行った。前記NMR測定に用いた装置は日本電子株式会社製JNM−LA400WBであり、観測核は1H、観測周波数は400MHz、ジメチルスルホキシド(DMSO)−d6中に僅かに含まれる残余プロトン信号を内部基準として利用した(2.5ppm)。測定温度は25℃とした。1HNMRスペクトルではECに対応するピークが4.5ppm付近、PRSに対応するピークが、図5に示すスペクトルのように5.1ppm付近(P1)、7.05ppm付近(P2)及び7.2ppm付近(P3)に観測された。これらの結果から、初充放電工程後の実施例1の二次電池に存在する非水溶媒中にPRSが含まれていることを確認できた。
(Method of detecting PRS)
Further, with respect to the secondary battery of Example 1, after the initial charge / discharge step, the circuit was opened for 5 hours or more to sufficiently settle the potential, and then the Ar concentration was 99.9% or more and the dew point was −50 ° C. It was disassembled in the following glove box, and the electrode group was taken out. Claw said electrode group into a centrifuge tube, and sealed by the addition of dimethyl sulfoxide (DMSO) -d 6, taken out from the glove box and centrifuged. Then, in the glove box were taken mixed solution of the said electrolyte DMSO-d 6 from the centrifuge tube. About 0.5 ml of the mixed solvent was placed in a 5 mmφ NMR sample tube, and NMR measurement was performed. The apparatus used for NMR measurement was JNM-LA400WB manufactured by JEOL Ltd., an observing nucleus is 1 H, observation frequency is 400MHz, dimethyl sulfoxide (DMSO) internal reference residual proton signals included slightly in -d 6 (2.5 ppm). The measurement temperature was 25 ° C. In the 1 H NMR spectrum, the peak corresponding to EC is around 4.5 ppm, and the peak corresponding to PRS is around 5.1 ppm (P 1 ), around 7.05 ppm (P 2 ), and 7.0 as shown in the spectrum shown in FIG. It was observed at around 2 ppm (P 3 ). From these results, it was confirmed that PRS was contained in the nonaqueous solvent present in the secondary battery of Example 1 after the initial charge / discharge step.
また、観測周波数を100MHzとし、ジメチルスルホキシド(DMSO)−d6(39.5ppm)を内部基準物質として13CNMR測定を行ったところ、ECに対応するピークが66ppm付近、PRSに対応するピークが74ppm付近と124ppm付近と140ppm付近に観測され、この結果からも、初充放電工程後の実施例1の二次電池に存在する非水溶媒中にPRSが含まれていることを確認できた。 Further, when the observation frequency was set to 100 MHz and 13 C NMR measurement was performed using dimethyl sulfoxide (DMSO) -d 6 (39.5 ppm) as an internal reference substance, the peak corresponding to EC was around 66 ppm, and the peak corresponding to PRS was 74 ppm. In the vicinity, at around 124 ppm, and at around 140 ppm, it was also confirmed from the results that PRS was contained in the non-aqueous solvent present in the secondary battery of Example 1 after the initial charge / discharge step.
さらに、1HNMRスペクトルにおいて、ECのNMR積分強度に対するPRSのNMR積分強度の比を求めたところ、非水溶媒全体に対するPRSの割合が二次電池組立て前より減少していることを確認することができた。 Further, when the ratio of the PRS NMR integrated intensity to the EC NMR integrated intensity in the 1 H NMR spectrum was determined, it was confirmed that the ratio of PRS to the entire non-aqueous solvent was smaller than before the secondary battery was assembled. did it.
なお、本発明は、上記の実施例に限るものではなく、他の種類の正極・負極・セパレータ・容器の組合わせにおいても同様に適用可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and is similarly applicable to combinations of other types of positive electrodes, negative electrodes, separators, and containers.
また、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Further, the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the gist thereof at the stage of implementation. Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Further, components of different embodiments may be appropriately combined.
1…容器本体、2…電極群、3…正極、4…負極、5…セパレータ、6…蓋板、7…外部保護層、8…内部保護層、9…金属層、10…正極端子、11…負極端子。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記リチウム複合酸化物粉末は、二次凝集粒を含むもので、Liと元素M(前記元素MはNi及びCoよりなる群から選択される少なくとも1種類である)をモル比(XLi/XM)が0.95〜1.02の範囲内で含有する組成を有し、粉末X線回折における(003)面のピーク強度I003と(104)面のピーク強度I104との比(I003/I104)が2以上、5未満で、かつ体積累積頻度90%の粒径(D90)が10μm〜25μmの範囲内であり、
前記非水電解質は、環内に少なくとも一つの二重結合を有するスルトン化合物を含むことを特徴とする非水電解質二次電池。 In a nonaqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode including a positive electrode active material containing a lithium composite oxide powder, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte,
The lithium composite oxide powder contains secondary aggregated particles, and has a molar ratio of Li and the element M (the element M is at least one selected from the group consisting of Ni and Co) (X Li / X M ) in the range of 0.95 to 1.02, and the ratio (I) of the peak intensity I 003 on the ( 003 ) plane to the peak intensity I 104 on the (104) plane in powder X-ray diffraction. 003 / I 104 ) is 2 or more and less than 5, and the particle diameter (D90) at a volume cumulative frequency of 90% is in the range of 10 μm to 25 μm;
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the non-aqueous electrolyte includes a sultone compound having at least one double bond in a ring.
前記リチウム複合酸化物粒子は、Ni及びCoよりなる群から選択される少なくとも1種類からなる元素Mを含む組成を有し、二次凝集粒を含む粒子形態を持ち、かつピーク強度比が下記(1)式を満足し、
前記正極活物質粒子中の前記リチウム複合酸化物粒子の含有量は50重量%以上であり、
前記正極活物質粒子のモル比は下記(2)式を満たし、前記正極活物質粒子における体積累積頻度90%の粒径(D90)が10μm〜25μmの範囲内であり、
前記非水電解質は、環内に少なくとも一つの二重結合を有するスルトン化合物を含むことを特徴とする非水電解質二次電池。
2≦(I003/I104)<5 (1)
0.95≦(YLi/YM)≦1.02 (2)
但し、I003は前記リチウム複合酸化物粒子の粉末X線回折における(003)面のピーク強度(cps)で、I104は前記粉末X線回折における(104)面のピーク強度(cps)であり、YLiは前記正極活物質粒子中のリチウムのモル数で、YMは前記正極活物質粒子中の元素Mのモル数で、前記元素MはNi及びCoよりなる群から選択される少なくとも1種類である。 A positive electrode including positive electrode active material particles containing lithium composite oxide particles, a negative electrode, a non-aqueous electrolyte secondary battery including a non-aqueous electrolyte,
The lithium composite oxide particles have a composition including at least one element M selected from the group consisting of Ni and Co, have a particle form including secondary aggregated particles, and have a peak intensity ratio of the following ( 1) satisfying the equation,
The content of the lithium composite oxide particles in the positive electrode active material particles is 50% by weight or more,
The molar ratio of the positive electrode active material particles satisfies the following equation (2), and the particle diameter (D90) of the positive electrode active material particles at a volume accumulation frequency of 90% is in the range of 10 μm to 25 μm;
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the non-aqueous electrolyte includes a sultone compound having at least one double bond in a ring.
2 ≦ (I 003 / I 104 ) <5 (1)
0.95 ≦ (Y Li / Y M ) ≦ 1.02 (2)
Here, I 003 is the peak intensity (cps) of the (003) plane in the powder X-ray diffraction of the lithium composite oxide particles, and I 104 is the peak intensity (cps) of the (104) plane in the powder X-ray diffraction. , Y Li is the number of moles of lithium in the positive electrode active material particles, Y M is the number of moles of element M in the positive electrode active material particles, and the element M is at least one selected from the group consisting of Ni and Co. Kind.
(I003/I104)>5 (3)
但し、I003は前記リチウム含有複合酸化物粒子の粉末X線回折における(003)面のピーク強度(cps)で、I104は前記粉末X線回折における(104)面のピーク強度(cps)である。 The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 2, wherein the positive electrode active material particles further include lithium-containing composite oxide particles having a peak intensity ratio satisfying the following expression (3).
(I 003 / I 104 )> 5 (3)
Here, I 003 is the peak intensity (cps) of the (003) plane in the powder X-ray diffraction of the lithium-containing composite oxide particles, and I 104 is the peak intensity (cps) of the (104) plane in the powder X-ray diffraction. is there.
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