JP2004193139A - Non-aqueous 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.
リチウム金属、リチウム合金、リチウム化合物または炭素材料を負極に用いた非水電解質二次電池は、高エネルギー密度電池として期待され、盛んに研究開発が進められている。これまでに、活物質としてLiCoO2またはLiMn2O4を含む正極と、リチウムを吸蔵・放出する炭素材料を含む負極とを備えたリチウムイオン電池が広く実用化されている。また、負極において前記炭素材料の代わりに金属酸化物あるいは合金を使用することが検討されている。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries using a lithium metal, lithium alloy, lithium compound or carbon material for the negative electrode are expected as high energy density batteries, and are being actively researched and developed. Heretofore, lithium ion batteries including a positive electrode containing LiCoO 2 or LiMn 2 O 4 as an active material and a negative electrode containing a carbon material capable of inserting and extracting lithium have been widely put into practical use. Also, the use of metal oxides or alloys in the negative electrode instead of the carbon material has been studied.
ところで、これら負極の集電体は、現在、銅箔である。集電体として銅箔を含む負極を備えた二次電池を過放電状態にすると、負極の電位が上昇するため、銅箔が溶解し、放電容量が急激に低下して電池寿命が短くなる。このため、前記二次電池には、過放電状態になることを防止するための保護回路が装着されている。しかしながら、このような二次電池は、保護回路が装着されている分、エネルギー密度の点から不利であった。 By the way, the current collector of these negative electrodes is currently a copper foil. When a secondary battery including a negative electrode including a copper foil as a current collector is put into an overdischarge state, the potential of the negative electrode increases, so that the copper foil is melted, the discharge capacity is rapidly reduced, and the battery life is shortened. For this reason, the secondary battery is provided with a protection circuit for preventing an overdischarge state. However, such a secondary battery is disadvantageous in terms of energy density because the protection circuit is mounted.
本発明は、過放電サイクル性能が改善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 nonaqueous electrolyte secondary battery with improved overdischarge cycle performance.
本発明に係る非水電解質二次電池は、厚さが0.05〜0.25mmの金属板もしくは樹脂含有シートから形成された外装材と、
前記外装材内に収納される正極と、
前記外装材内に収納され、アルミニウムまたはアルミニウム合金から形成された集電体と、前記集電体に担持され、かつLiの電極電位に対して0.4V以上の電位でリチウムを吸蔵する負極活物質を含有する負極層とを含む負極と、
前記外装材内に収納され、γ−ブチロラクトンを含有する非水電解質と
を具備することを特徴とする。
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention has a thickness of 0.05 to 0.25 mm, and a packaging material formed from a metal plate or a resin-containing sheet,
A positive electrode housed in the exterior material,
A current collector formed of aluminum or an aluminum alloy and housed in the exterior material; and a negative electrode active supported on the current collector and absorbing lithium at a potential of 0.4 V or more with respect to the electrode potential of Li. A negative electrode including a negative electrode layer containing a substance,
And a non-aqueous electrolyte containing γ-butyrolactone, which is housed in the exterior material.
本発明によれば、高容量で、かつ過放電サイクルにおいても長寿命が得られる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, it is possible to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery having a high capacity and a long life even in an overdischarge cycle.
本発明に係る非水電解質二次電池は、外装材と、前記外装材内に収納される正極と、前記外装材内に収納される負極と、前記外装材内に収納される非水電解質とを具備する。 The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention has an exterior material, a positive electrode housed in the exterior material, a negative electrode housed in the exterior material, and a non-aqueous electrolyte housed in the exterior material. Is provided.
前記負極は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる集電体と、前記集電体に担持され、かつリチウムを吸蔵放出する金属、合金及び化合物よりなる群から選択される少なくとも1種類の負極活物質を含有する負極層とを備える。 The negative electrode contains a current collector made of aluminum or an aluminum alloy, and at least one type of negative electrode active material selected from the group consisting of a metal, an alloy, and a compound supported on the current collector and absorbing and releasing lithium. And a negative electrode layer.
前記非水電解質には、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非水電解質、前記液状非水電解質と高分子材料を複合化したゲル状電解質、または電解質と高分子材料を複合化した固体電解質を使用することができる。前記電解質及び前記有機溶媒には、後述する液状非水電解質の欄で説明するものを使用することができる。また、前記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)等を挙げることができる。 In the non-aqueous electrolyte, a liquid non-aqueous electrolyte prepared by dissolving an electrolyte in an organic solvent, a gel electrolyte in which the liquid non-aqueous electrolyte and a polymer material are combined, or a composite of an electrolyte and a polymer material Solid electrolytes that have been used can be used. As the electrolyte and the organic solvent, those described in the section of liquid non-aqueous electrolyte described later can be used. Examples of the polymer material include polyvinylidene fluoride (PVdF), polyacrylonitrile (PAN), and polyethylene oxide (PEO).
以下、本発明に係る非水電解質二次電池の一例を詳細に説明する。 Hereinafter, an example of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention will be described in detail.
この非水電解質二次電池は、正極と負極の間にセパレータを介在した電極群と、前記電極群に含浸される液状非水電解質と、前記電極群が収納される外装材とを具備する。 This non-aqueous electrolyte secondary battery includes an electrode group having a separator interposed between a positive electrode and a negative electrode, a liquid non-aqueous electrolyte impregnated in the electrode group, and a packaging material in which the electrode group is housed.
以下、正極、負極、セパレータ、液状非水電解質及び外装材について説明する。 Hereinafter, the positive electrode, the negative electrode, the separator, the liquid nonaqueous electrolyte, and the exterior material will be described.
1)正極
この正極は、正極集電体と、前記正極集電体の片面もしくは両面に担持され、活物質及び結着剤を含む正極層とを有する。
1) Positive electrode This positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode layer supported on one or both surfaces of the positive electrode current collector and containing an active material and a binder.
前記正極活物質としては、種々の酸化物、例えば二酸化マンガン(MnO2)、リチウムマンガン複合酸化物(例えば、LiMn2O4、LiMnO2)、リチウムニッケル複合酸化物(例えば、LiNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(例えば、LiCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えば、LiNi1-xCoxO2、但し、モル比xは0<x<1)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えば、LiMnxCo1-xO2、但し、モル比xは0<x<1)、バナジウム酸化物(例えば、V2O5)などが挙げられる。また、前記正極活物質として、導電性ポリマー材料、ジスルフィド系ポリマー材料などの有機材料を使用しても良い。正極活物質のうちより好ましいのは、高い電池電圧が得られるリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)、リチウムニッケル複合酸化物(例えば、LiNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(例えば、LiCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えば、LiNi0.8Co0.2O2)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えば、LiMnxCo1-xO2)である。 As the positive electrode active material, various oxides, for example, manganese dioxide (MnO 2 ), lithium manganese composite oxide (for example, LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 ), lithium nickel composite oxide (for example, LiNiO 2 ), lithium Cobalt composite oxide (for example, LiCoO 2 ), lithium nickel cobalt composite oxide (for example, LiNi 1-x Co x O 2 , where the molar ratio x is 0 <x <1), and lithium manganese cobalt composite oxide (for example, , LiMn x Co 1-x O 2 , where the molar ratio x is 0 <x <1), vanadium oxide (for example, V 2 O 5 ), and the like. Further, an organic material such as a conductive polymer material or a disulfide-based polymer material may be used as the positive electrode active material. Among the positive electrode active materials, more preferred are lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 ), lithium nickel composite oxide (eg, LiNiO 2 ), and lithium cobalt composite oxide (eg, LiCoO 2 ) that can provide a high battery voltage. ), lithium nickel cobalt composite oxide (e.g., LiNi 0.8 Co 0.2 O 2) , lithium manganese cobalt composite oxides (for example, LiMn x Co 1-x O 2).
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)、フッ素系ゴム等を用いることができる。 As the binder, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-based rubber, or the like can be used.
前記正極層は、さらに導電剤を含んでいてもよい。かかる導電剤としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等を挙げることができる。 The positive electrode layer may further include a conductive agent. Examples of such a conductive agent include acetylene black, carbon black, and graphite.
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.
前記正極は、例えば、正極活物質、導電剤及び結着剤を適当な溶媒に懸濁し、この懸濁物をアルミニウム箔などの集電体に塗布し、乾燥し、プレスを施すことにより作製される。 The positive electrode is produced by, for example, suspending a positive electrode active material, a conductive agent and a binder in a suitable solvent, applying the suspension to a current collector such as an aluminum foil, drying, and pressing. You.
2)負極
この負極の集電体は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。前記アルミニウム合金としては、Mg、Mn、Cr、Zn、Si、Fe及びNiよりなる群から選ばれる少なくとも一種以上の金属成分を含有するものが好ましい。かかるアルミニウム合金からなる集電体は、強度を向上することができるため、厚さを薄くすることが可能になる。
2) Negative electrode The current collector of this negative electrode is aluminum or an aluminum alloy. The aluminum alloy preferably contains at least one or more metal components selected from the group consisting of Mg, Mn, Cr, Zn, Si, Fe and Ni. The current collector made of such an aluminum alloy can be improved in strength and can be reduced in thickness.
前記集電体は、多孔質構造(例えばメッシュ)にしても良いし、無孔(例えば、箔)でも良い。 The current collector may have a porous structure (for example, a mesh) or a non-porous (for example, a foil).
前記集電体の厚さは、5〜50μmの範囲内にすることが好ましい。 The thickness of the current collector is preferably in the range of 5 to 50 μm.
前記集電体の片面もしくは両面に、リチウムを吸蔵放出する金属または合金と、リチウムを吸蔵放出する化合物よりなる群から選択される少なくとも1種類の負極活物質を含有する負極層が担持される。 On one or both surfaces of the current collector, a negative electrode layer containing at least one type of negative electrode active material selected from the group consisting of a metal or an alloy that stores and releases lithium and a compound that stores and releases lithium is supported.
前記金属または合金としては、例えば、Sb、Ti、Fe、V、W、Nb、Mo、Mn、Bi、Sn、Co、Si及びSeよりなる群から選択される1種以上の元素を含有するものを挙げることができる。中でも、Sb、Bi、SnSb、CoSbx(但し、モル比xは0<x<3)、NiSbx(但し、モル比xは0<x<3)、FeSbx(但し、モル比xは0<x<3)が好ましい。 The metal or alloy contains, for example, one or more elements selected from the group consisting of Sb, Ti, Fe, V, W, Nb, Mo, Mn, Bi, Sn, Co, Si and Se. Can be mentioned. Above all, Sb, Bi, SnSb, CoSb x (where the molar ratio x is 0 <x <3), NiSb x (where the molar ratio x is 0 <x <3), and FeSb x (where the molar ratio x is 0 <X <3) is preferred.
前記化合物としては、Sb、Ti、Fe、V、W、Nb、Mo、Mn、Bi、Sn、Co、Si、Se、B、S、C及びNよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含有するものを挙げることができる。かかる化合物としては、例えば、Sb、Ti、Fe、V、W、Nb、Mo、Mn、Bi、Sn、Co及びSiよりなる群から選択される少なくとも1種類の金属の酸化物、前記少なくとも1種類の金属の硫化物、前記少なくとも1種類の金属の窒化物、前記少なくとも1種類の金属の硫化物、Sb、Ti、Fe、V、W、Nb、Mo、Mn、Bi、Sn、Co、Si、Se、B、S及びNよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素の炭素化物、Sb、Ti、Fe、V、W、Nb、Mo、Mn、Bi、Sn、Co、Si、B、S及びNよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素のセレン化合物等を挙げることができる。前記金属酸化物としては、SnO、CoO、TiO2、Li4/3Ti5/3O4、WO2、Fe2O3、MoO2が好ましい。前記金属硫化物としては、MoS2、TiS2、Li2-yFeS2、FeS2、FeS、SiS2、CoS2、VS2、MnS2が好ましい。前記金属窒化物としては、Li3-xCoxN(但し、モル比xは0<x<3)、Li7MnN4が好ましい。前記炭素化物としては、BCN、B1-yCy(但し、モル比yは0<y<1)が好ましい。前記セレン化合物としては、VSe2が好ましい。
As the compound, at least one element selected from the group consisting of Sb, Ti, Fe, V, W, Nb, Mo, Mn, Bi, Sn, Co, Si, Se, B, S, C and N And the like. Examples of such compounds include oxides of at least one metal selected from the group consisting of Sb, Ti, Fe, V, W, Nb, Mo, Mn, Bi, Sn, Co, and Si; , A sulfide of the at least one metal, a sulfide of the at least one metal, Sb, Ti, Fe, V, W, Nb, Mo, Mn, Bi, Sn, Co, Si, At least one element selected from the group consisting of Se, B, S, and N; Sb, Ti, Fe, V, W, Nb, Mo, Mn, Bi, Sn, Co, Si, B, S And selenium compounds of at least one element selected from the group consisting of N. The metal oxide, SnO, CoO, TiO 2, Li 4/3 Ti 5/3 O 4,
前記負極活物質は、Liの電極電位に対して0.4V以上の電位でリチウムを吸蔵することが好ましい。リチウム吸蔵電位が0.4Vより低くなると、リチウムアルミニウム合金の形成反応が進行し易くなって集電体の微粉化を生じる恐れがある。負極活物質のリチウム吸蔵電位(Liの電極電位に対する)は、0.4V〜3Vの範囲内にすることが好ましく、さらに好ましい範囲は0.4V〜2Vである。 It is preferable that the negative electrode active material absorbs lithium at a potential of 0.4 V or more with respect to the electrode potential of Li. If the lithium storage potential is lower than 0.4 V, the formation reaction of the lithium-aluminum alloy is likely to proceed, and the current collector may be pulverized. The lithium storage potential (relative to the electrode potential of Li) of the negative electrode active material is preferably in the range of 0.4 V to 3 V, and more preferably 0.4 V to 2 V.
前記負極は、例えば、負極活物質、導電材及び結着剤を溶媒の存在下で混合し、得られたスラリーを集電体に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより作製される。 The negative electrode is produced, for example, by mixing a negative electrode active material, a conductive material, and a binder in the presence of a solvent, applying the obtained slurry to a current collector, drying, and then pressing.
前記導電材としては、例えば、黒鉛、カーボンブラックなどの炭素材料を挙げることができ、集電体とリチウムとの反応に与える影響はほとんどない。前記導電材の配合割合は、前記負極活物質100重量部に対して3〜20重量部の範囲内にすることが好ましい。 Examples of the conductive material include carbon materials such as graphite and carbon black, and have little effect on the reaction between the current collector and lithium. It is preferable that the compounding ratio of the conductive material is in the range of 3 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the negative electrode active material.
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)、フッ素系ゴム等を用いることができる。 As the binder, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-based rubber, or the like can be used.
3)セパレータ
セパレータには多孔質セパレータを用いる。
3) Separator A porous separator is used as the separator.
多孔質セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、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、合成樹脂製不織布等を挙げることができる。中でも、ポリエチレンか、あるいはポリプロピレン、または両者からなる多孔質フィルムは、二次電池の安全性を向上できるため、好ましい。 Examples of the porous separator include a porous film containing polyethylene, polypropylene, cellulose, or polyvinylidene fluoride (PVdF), and a synthetic resin nonwoven fabric. Among them, a porous film made of polyethylene, polypropylene, or both is preferable because the safety of the secondary battery can be improved.
4)液状非水電解質
この液状非水電解質は、電解質を有機溶媒に溶解することにより調製される。
4) Liquid non-aqueous electrolyte This liquid non-aqueous electrolyte is prepared by dissolving the electrolyte in an organic solvent.
前記電解質としては、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(LiCF3SO3)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミトリチウム[LiN(CF3SO2)2]などのリチウム塩が挙げられる。 Examples of the electrolyte include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), lithium arsenic hexafluoride (LiAsF 6 ), and trifluoroelectrolyte. Lithium salts such as lithium metasulfonate (LiCF 3 SO 3 ) and bistrifluoromethylsulfonylimitolithium [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ] are exemplified.
前記有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ビニレンカーボネート(VC)などの環状カーボネート、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)など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(2MeTHF)などの環状エーテル、ジメトキシエタン(DME)などの鎖状エーテル、γ−ブチロラクトン(BL)等を挙げることができる。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 ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), and vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), and diethyl carbonate (DEC). Examples thereof include chain carbonates, cyclic ethers such as tetrahydrofuran (THF) and 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), chain ethers such as dimethoxyethane (DME), and γ-butyrolactone (BL). These organic solvents can be used alone or in the form of a mixture of two or more.
前記有機溶媒のうち好ましい混合溶媒としては、ECとPC、ECとBL、ECとPCとVC、ECとBLとVC、ECとPCとBL、ECとPCとBLとVCを挙げることができる。中でも、ECとBLとVC、ECとPCとBLとVCが好ましく、この場合、有機溶媒中のBLの体積比率を50体積%以上にし、かつVCの体積比率を0.1〜10体積%とすることが望ましい。VCの体積比率のより好ましい範囲は、0.1〜2体積%である。 Preferable mixed solvents among the organic solvents include EC and PC, EC and BL, EC and PC and VC, EC and BL and VC, EC and PC and BL, EC and PC and BL and VC. Among them, EC, BL and VC, and EC, PC, BL and VC are preferable. In this case, the volume ratio of BL in the organic solvent is 50% by volume or more, and the volume ratio of VC is 0.1 to 10% by volume. It is desirable to do. A more preferable range of the volume ratio of VC is 0.1 to 2% by volume.
5)外装材
この外装材は、例えば、金属板、樹脂層を有するシート等から形成することができる。
5) Exterior material This exterior material can be formed from, for example, a metal plate, a sheet having a resin layer, or the like.
前記金属板は、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。前記金属板の厚さは、0.05〜0.25mmの範囲内にすることが好ましく、さらに好ましい範囲は0.05〜0.2mmである。 The metal plate can be formed from, for example, iron, stainless steel, or aluminum. The thickness of the metal plate is preferably in the range of 0.05 to 0.25 mm, and more preferably 0.05 to 0.2 mm.
前記シートとしては、金属層と、前記金属層を被覆する樹脂層とから構成されることが好ましい。前記シートの厚さは、0.05〜0.25mmの範囲内にすることが好ましく、さらに好ましい範囲は0.05〜0.2mmである。前記金属層は、厚さが0.01〜0.15mmのアルミニウム箔から形成することが好ましい。一方、前記樹脂層は、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂から形成することができる。前記樹脂層は、単層もしくは多層構造にすることができる。 The sheet is preferably composed of a metal layer and a resin layer covering the metal layer. The thickness of the sheet is preferably in the range of 0.05 to 0.25 mm, and more preferably 0.05 to 0.2 mm. The metal layer is preferably formed from an aluminum foil having a thickness of 0.01 to 0.15 mm. Meanwhile, the resin layer can be formed from a thermoplastic resin such as polyethylene or polypropylene. The resin layer may have a single layer or a multilayer structure.
本発明に係る非水電解質二次電池の一例を図1に示す。 FIG. 1 shows an example of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention.
図1は本発明に係るリチウムイオン二次電池の一例を示す断面図である。 FIG. 1 is a sectional view showing an example of a lithium ion secondary battery according to the present invention.
電極群1は、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した構造を有する。前記電極群1は、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した後、加熱プレスを施すことにより作製される。液状非水電解質は、前記電極群1に含浸されている。このような電極群1は、例えば樹脂層を含むシート製の袋形状をなす外装材2内に収納されている。帯状の正極リード3は、一端が電極群1の正極に接続され、かつ他端が外装材1から延出されている。一方、帯状の負極リード4は、一端が電極群1の負極に接続され、かつ他端が外装材1から延出されている。
The electrode group 1 has a structure in which a positive electrode and a negative electrode are wound in a flat shape with a separator interposed therebetween. The electrode group 1 is manufactured by winding a positive electrode and a negative electrode into a flat shape with a separator interposed therebetween, and then applying a hot press. A liquid non-aqueous electrolyte is impregnated in the electrode group 1. Such an electrode group 1 is housed in an
なお、前述した図1においては、電極群における正極、負極及びセパレータの一体化を加熱プレスにより行ったが、接着性を有する高分子により正極、負極及びセパレータを一体化させることができる。 In FIG. 1 described above, the positive electrode, the negative electrode, and the separator in the electrode group are integrated by hot pressing. However, the positive electrode, the negative electrode, and the separator can be integrated using an adhesive polymer.
本発明に係る非水電解質二次電池は、外装材と、前記外装材内に収納される正極と、前記外装材内に収納される負極と、前記外装材内に収納される非水電解質とを具備する。前記負極は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる集電体と、前記集電体に担持され、かつリチウムを吸蔵放出する金属、リチウムを吸蔵放出する合金及びリチウムを吸蔵放出する化合物よりなる群から選択される少なくとも1種類の負極活物質を含有する負極層とを含む。 The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention has an exterior material, a positive electrode housed in the exterior material, a negative electrode housed in the exterior material, and a non-aqueous electrolyte housed in the exterior material. Is provided. The negative electrode is selected from the group consisting of a current collector made of aluminum or an aluminum alloy, a metal supported on the current collector and absorbing and releasing lithium, an alloy absorbing and releasing lithium, and a compound absorbing and releasing lithium. And a negative electrode layer containing at least one type of negative electrode active material.
本発明に係る二次電池によれば、高容量を得ることができると共に、過放電サイクルにおいても長寿命を維持することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the secondary battery which concerns on this invention, while being able to obtain high capacity | capacitance, long life can be maintained also in an overdischarge cycle.
すなわち、負極の集電体としてアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるものを用いると、過放電状態におかれても前記集電体が溶解しないため、0Vまでの過放電が繰り返されても良好なサイクル特性を得ることができる。前記集電体を用いる際、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵放出する炭素質物を使用すると、前記炭素質物のリチウム吸蔵電位(Li電極に対する)がリチウムアルミニウム合金形成電位よりも低いため、集電体のAl成分とリチウムとが反応してリチウムアルミニウム合金形成反応が進行し、集電体の微粉化が生じる。 That is, when a current collector of aluminum or an aluminum alloy is used as the current collector of the negative electrode, the current collector does not dissolve even in an overdischarged state, so that good cycle characteristics can be obtained even if overdischarge to 0 V is repeated. Can be obtained. When the current collector is used, if a carbonaceous material that absorbs and releases lithium ions is used as the negative electrode active material, the lithium occlusion potential (relative to the Li electrode) of the carbonaceous material is lower than the lithium aluminum alloy formation potential, Reacts with lithium to cause a lithium-aluminum alloy forming reaction to proceed, and the current collector is pulverized.
本願発明のように、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる集電体を用いる際、負極活物質としてリチウムを吸蔵放出する金属、合金または化合物を使用することによって、これら負極活物質のリチウム吸蔵電位(Li電極に対する)がリチウムアルミニウム合金形成電位よりも高いため、集電体とリチウムとの反応を抑制することができ、負極集電体の微粉化を抑制することができる。従って、高容量で、かつ過放電サイクルにおいても長寿命が維持された非水電解質二次電池を実現することができる。 When a current collector made of aluminum or an aluminum alloy is used as in the present invention, by using a metal, an alloy or a compound that absorbs and releases lithium as a negative electrode active material, the lithium storage potential (Li electrode ) Is higher than the lithium aluminum alloy forming potential, so that the reaction between the current collector and lithium can be suppressed, and the pulverization of the negative electrode current collector can be suppressed. Therefore, it is possible to realize a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high capacity and a long life maintained even in an overdischarge cycle.
本発明に係る二次電池において、Sb、Ti、Fe、V、W、Nb、Mo、Mn、Bi、Sn、Co、Si及びSeよりなる群から選択される1種以上を含有する金属または合金と、Sb、Ti、Fe、V、W、Nb、Mo、Mn、Bi、Sn、Co、Si、Se、B、S、C及びNよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含有する化合物とからなる群より選択される少なくとも1種類を負極活物質として用いることにより、集電体の微粉化をさらに抑制することができる。 In the secondary battery according to the present invention, a metal or alloy containing at least one selected from the group consisting of Sb, Ti, Fe, V, W, Nb, Mo, Mn, Bi, Sn, Co, Si, and Se And at least one element selected from the group consisting of Sb, Ti, Fe, V, W, Nb, Mo, Mn, Bi, Sn, Co, Si, Se, B, S, C and N. By using at least one selected from the group consisting of compounds as the negative electrode active material, pulverization of the current collector can be further suppressed.
また、本発明に係る二次電池において、前記外装材として樹脂層を含むシートを用いることによって、前記負極の集電体が軽量なアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されていることに併せ、外装材を軽量にすることができるため、二次電池を軽量にすることができ、重量エネルギー密度を向上することができる。特に、前記シートを、厚さが0.01〜0.15mmのアルミニウム箔と前記アルミニウム箔の片面もしくは両面に形成される樹脂層とから構成することによって、二次電池をより軽量にすることができると共に、過放電サイクルにおける外装材の溶解や腐食を防止することができる。 Further, in the secondary battery according to the present invention, by using a sheet including a resin layer as the exterior material, in addition to the fact that the current collector of the negative electrode is formed of lightweight aluminum or aluminum alloy, Since the weight can be reduced, the weight of the secondary battery can be reduced, and the energy density by weight can be improved. In particular, by forming the sheet from an aluminum foil having a thickness of 0.01 to 0.15 mm and a resin layer formed on one or both sides of the aluminum foil, the weight of the secondary battery can be reduced. In addition, it is possible to prevent dissolution and corrosion of the exterior material in the overdischarge cycle.
[実施例]
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。
[Example]
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>
まず、正極活物質としてリチウムコバルト酸化物(LiCoO2)粉末91重量%、アセチレンブラック2.5重量%、グラファイト3重量%及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)4重量%をN−メチルピロリドン(NMP)に加えて混合してスラリーとし、このスラリーを15μmのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布し後、乾燥し、プレスすることにより電極密度が3.0g/cm3の正極を作製した。
(Example 1)
<Preparation of positive electrode>
First, 91% by weight of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) powder, 2.5% by weight of acetylene black, 3% by weight of graphite and 4% by weight of polyvinylidene fluoride (PVdF) as a positive electrode active material were added to N-methylpyrrolidone (NMP). The slurry was further mixed to form a slurry. The slurry was applied to both sides of a current collector made of aluminum foil of 15 μm, dried, and pressed to produce a positive electrode having an electrode density of 3.0 g / cm 3 .
<負極の作製>
負極活物質としてLi4/3Ti5/3O4と、導電材として黒鉛と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを重量比90:5:5になるようにN−メチルピロリドン(NMP)溶液に加えて混合し、得られたスラリーを厚さが15μmのアルミニウム箔に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより負極を作製した。
<Preparation of negative electrode>
Li 4/3 Ti 5/3 O 4 as a negative electrode active material, graphite as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) in a N-methylpyrrolidone (NMP) solution in a weight ratio of 90: 5: 5. The resulting slurry was applied to an aluminum foil having a thickness of 15 μm, dried, and then pressed to produce a negative electrode.
<電極群の作製>
前記正極、厚さ25μmのポリエチレン製の多孔質フィルムからなるセパレータ、前記負極、前記セパレータの順番に積層した後、渦巻き状に捲回した。次いで、これを90℃で加熱プレスすることにより、幅が30mmで、厚さが3.0mmの偏平状電極群を作製した。得られた電極群を、厚さが40μmのアルミニウム箔と前記アルミニウム箔の両面に形成されたポリプロピレン層とから構成された厚さが0.1mmのラミネートフィルムからなるパックに収納し、80℃で24時間真空乾燥を施した。
<Preparation of electrode group>
The positive electrode, a separator made of a porous film made of polyethylene having a thickness of 25 μm, the negative electrode, and the separator were laminated in this order, and then spirally wound. Next, this was hot-pressed at 90 ° C. to produce a flat electrode group having a width of 30 mm and a thickness of 3.0 mm. The obtained electrode group was housed in a pack made of a laminated film having a thickness of 0.1 mm and composed of an aluminum foil having a thickness of 40 μm and polypropylene layers formed on both surfaces of the aluminum foil. Vacuum drying was performed for 24 hours.
<液状非水電解質の調製>
エチレンカーボネート(EC)、γ−ブチロラクトン(BL)及びビニレンカーボネート(VC)の混合溶媒(体積比率24:75:1)に電解質としての四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)を1.5mol/L溶解することにより液状非水電解質(非水電解液)を調製した。
<Preparation of liquid non-aqueous electrolyte>
1.5 mol / L lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ) as an electrolyte in a mixed solvent (volume ratio 24: 75: 1) of ethylene carbonate (EC), γ-butyrolactone (BL) and vinylene carbonate (VC) By dissolving, a liquid non-aqueous electrolyte (non-aqueous electrolyte) was prepared.
前記電極群を収納したラミネートフィルムパック内に前記液状非水電解質を注入した後、前記パックをヒートシールにより完全密閉し、前述した図1に示す構造を有し、幅が35mmで、厚さが3.2mm、かつ高さが65mmの非水電解質二次電池を製造した。 After injecting the liquid non-aqueous electrolyte into the laminate film pack containing the electrode group, the pack was completely sealed by heat sealing, and had the structure shown in FIG. 1 described above, a width of 35 mm, and a thickness of 35 mm. A non-aqueous electrolyte secondary battery having a size of 3.2 mm and a height of 65 mm was manufactured.
(実施例2〜14)
下記表1に示す負極活物質を用いること以外は、前述した実施例1と同様な構成の非水電解質二次電池を製造した。
(Examples 2 to 14)
A non-aqueous electrolyte secondary battery having the same configuration as in Example 1 described above was manufactured except that the negative electrode active materials shown in Table 1 below were used.
(実施例15〜16)
負極集電体として下記表1に示す組成のアルミニウム合金を用いること以外は、前述した実施例1と同様な構成の非水電解質二次電池を製造した。
(Examples 15 and 16)
A non-aqueous electrolyte secondary battery having the same configuration as in Example 1 described above was manufactured except that an aluminum alloy having a composition shown in Table 1 below was used as the negative electrode current collector.
(比較例1〜5)
下記表1に示す負極活物質及び負極集電体を用いること以外は、前述した実施例1と同様な構成の非水電解質二次電池を製造した。
(Comparative Examples 1 to 5)
A non-aqueous electrolyte secondary battery having the same configuration as in Example 1 described above was manufactured except that the negative electrode active material and the negative electrode current collector shown in Table 1 below were used.
得られた実施例1〜16及び比較例3〜5の二次電池について、500mAで3.8Vの定電圧充電を3時間行った後、500mAで0Vまで放電する過放電サイクル試験を施した。また、比較例1〜2の二次電池について、500mAで4.2Vの定電圧充電を3時間行った後、500mAで0Vまで放電する過放電サイクル試験を施した。前記過放電サイクル試験における1サイクル目の容量(初期容量)とサイクル寿命を測定し、その結果を下記表1に示す。なお、サイクル寿命は、1サイクル目の容量を基準にして80%の容量になるサイクル数とした。
表1から明らかなように、リチウムを吸蔵放出する金属、合金または化合物からなる負極活物質と、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる負極集電体とを含む負極を備えた実施例1〜16の二次電池は、電池容量が高く、かつ比較例1〜5に比べて過放電サイクル寿命が長いことがわかる。 As is apparent from Table 1, the secondary batteries of Examples 1 to 16 each including a negative electrode including a negative electrode active material made of a metal, an alloy or a compound capable of inserting and extracting lithium, and a negative electrode current collector made of aluminum or an aluminum alloy. It can be seen that the battery has a high battery capacity and a longer overdischarge cycle life than Comparative Examples 1 to 5.
これに対し、銅製集電体を含む負極を備えた比較例1、3〜5の二次電池と、リチウムイオンを吸蔵放出する炭素質物からなる負極活物質及びアルミニウム製集電体を含む負極を備えた比較例2の二次電池は、過放電サイクル寿命が短いことがわかる。 On the other hand, the secondary batteries of Comparative Examples 1 and 3 to 5 including the negative electrode including the copper current collector, and the negative electrode including the negative electrode active material including a carbonaceous material that absorbs and releases lithium ions and the negative electrode including the aluminum current collector were used. It can be seen that the secondary battery of Comparative Example 2 provided had a short overdischarge cycle life.
なお、前述した実施例においては、薄型非水電解質二次電池に適用した例を説明したが、本発明に係わる非水電解質二次電池の形態は薄型に限定されるものではなく、薄型の他に角型、円筒型、ボタン型などにすることができる。 In the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to a thin non-aqueous electrolyte secondary battery has been described. However, the form of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is not limited to a thin type. It can be square, cylindrical, button-shaped or the like.
1…電極群、2…外装材、3…正極端子、4…負極端子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... electrode group, 2 ... exterior material, 3 ... positive electrode terminal, 4 ... negative electrode terminal.
Claims (3)
前記外装材内に収納される正極と、
前記外装材内に収納され、アルミニウムまたはアルミニウム合金から形成された集電体と、前記集電体に担持され、かつLiの電極電位に対して0.4V以上の電位でリチウムを吸蔵する負極活物質を含有する負極層とを含む負極と、
前記外装材内に収納され、γ−ブチロラクトンを含有する非水電解質と
を具備することを特徴とする非水電解質二次電池。 An exterior material formed from a metal plate or a resin-containing sheet having a thickness of 0.05 to 0.25 mm;
A positive electrode housed in the exterior material,
A current collector formed of aluminum or an aluminum alloy and housed in the exterior material; and a negative electrode active supported on the current collector and absorbing lithium at a potential of 0.4 V or more with respect to the electrode potential of Li. A negative electrode including a negative electrode layer containing a substance,
A non-aqueous electrolyte secondary battery which is housed in the exterior material and contains γ-butyrolactone.
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