JP2010146900A - Positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】プラグインハイブリッドや電気自動車用電源のような、極めて高い放電容量が求められる非水電解質二次電池に使用可能な正極活物質を提供する。
【解決手段】JIS Z 8729により規定される色空間であるL*a*b系表色系色座標が0<a<10、−1.2<b<20.0、及び0<L<30であり、かつ、組成式がLiwNixMnyCozO2+δで表される、非水電解質二次電池用正極活物質である。その際、1.1<w<1.5、0.1<x<0.4、0.4<y<0.9、0<z<0.2、w+x+y+z=2、−0.2<δ<0.2である。
【選択図】なしProvided is a positive electrode active material that can be used for a non-aqueous electrolyte secondary battery that requires a very high discharge capacity, such as a plug-in hybrid or a power source for an electric vehicle.
An L * a * b color system color coordinate which is a color space defined by JIS Z 8729 is 0 <a <10, −1.2 <b <20.0, and 0 <L <30. And a composition formula of Li w Ni x Mn y Co z O 2 + δ is a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery. In that case, 1.1 <w <1.5, 0.1 <x <0.4, 0.4 <y <0.9, 0 <z <0.2, w + x + y + z = 2, −0.2 <. δ <0.2.
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Description
本発明は、非水電解質二次電池用正極活物質に関する。より詳細には、本発明は、放電容量を一層向上させた非水電解質二次電池用正極活物質に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery. More specifically, the present invention relates to a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery having a further improved discharge capacity.
リチウムイオン二次電池は高いエネルギー密度を示し、高電圧でもあることから小型携帯機器端末や移動体通信装置の電源として広く使用されている。近年はハイブリッド電気自動車(HEV)、電気自動車(EV)や燃料電池車などのモーター駆動または補助電源として用いられており、更なる高容量、高出力及び高サイクル耐久性が求められている。 Lithium ion secondary batteries are widely used as power sources for small portable device terminals and mobile communication devices because of their high energy density and high voltage. In recent years, it has been used as a motor drive or auxiliary power source for hybrid electric vehicles (HEV), electric vehicles (EV), fuel cell vehicles, etc., and further high capacity, high output and high cycle durability are required.
リチウムイオン二次電池用正極活物質としては、高率充放電性能や充放電サイクル性能を目的にリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物が開発されている。特許文献1では、組成式がLi(1+a)[MnxNiyCozMb]O2で表されるリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物をリチウムイオン二次電池用正極活物質に用いることにより、さらに高い安全性を有する当該正極活物質が得られると開示している。なお、上記式において、Mは、Mn、Ni、Co及びLi以外の元素であり、また、0≦a≦0.1、−0.1≦x−y≦0.1、y≦x+z+b、0<z≦0.4、0.3≦x、0.3≦y、並びにx+y+z+b=1である。さらに、特許文献1では、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物の色相は、JIS標準色票Y05−30Bに比較し、赤方向の色度を低くすることが好ましい旨も開示されている。
しかしながら、上記特許文献に開示された正極活物質は、プラグインハイブリッドや電気自動車用電源に用いる上で、充放電容量が不十分であるという問題点があった。 However, the positive electrode active material disclosed in the above patent document has a problem in that charge / discharge capacity is insufficient when used for a plug-in hybrid or an electric vehicle power source.
そこで、本発明の目的は、プラグインハイブリッドや電気自動車用電源のような、極めて高い放電容量が求められる非水電解質二次電池に使用可能な正極活物質を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a positive electrode active material that can be used for a non-aqueous electrolyte secondary battery that requires a very high discharge capacity, such as a plug-in hybrid or a power source for an electric vehicle.
上記目的を達成するために、本発明は、JIS Z 8729により規定される色空間であるL*a*b系表色系色座標及び組成式が特定範囲内の非水電解質二次電池用正極活物質である。具体的には、前記L*a*b系表色系色座標は、0<a<10、−1.2<b<20.0、及び0<L<30である。さらに、前記組成式は、LiwNixMnyCozO2+δで表され、その際、各パラメーターは、1.1<w<1.5、0.1<x<0.4、0.4<y<0.9、0<z<0.2、w+x+y+z=2、及び、−0.2<δ<0.2である。 In order to achieve the above object, the present invention provides a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery in which L * a * b color coordinate system color coordinates and composition formulas are color spaces defined by JIS Z 8729. It is an active material. Specifically, the L * a * b color system color coordinates are 0 <a <10, −1.2 <b <20.0, and 0 <L <30. Further, the composition formula is represented by Li w Ni x Mn y Co z O 2 + δ , and in this case, the parameters are 1.1 <w <1.5, 0.1 <x <0.4, 0. 4 <y <0.9, 0 <z <0.2, w + x + y + z = 2, and −0.2 <δ <0.2.
本発明によれば、非水電解質二次電池用正極活物質を従来に比して簡便な操作で得ることができる。また、当該正極活物質を用いた非水電解質二次電池は、より高い放電容量を示し、極めて高い放電容量を要求するプラグインハイブリッドや電気自動車用電源にも使用可能であるため、工業上非常に有用である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary batteries can be obtained by simple operation compared with the past. In addition, the non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material exhibits a higher discharge capacity and can be used for a plug-in hybrid or an electric vehicle power supply that requires an extremely high discharge capacity. Useful for.
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態は、非水電解質二次電池用正極活物質に係る。該正極活物質は、JIS Z 8729により規定される色空間であるL*a*b系表色系色座標が0<a<10、−1.2<b<20.0、及び0<L<30であり、かつ、組成式がLiwNixMnyCozO2+δで表される。前記組成式における各パラメーターは、1.1<w<1.5、0.1<x<0.4、0.4<y<0.9、0<z<0.2、w+x+y+z=2、及び、−0.2<δ<0.2である。上記のような組成式は、本発明の属する分野において、Li過剰層状酸化物と称されることがある。なお、以下、本発明におけるLiwNixMnyCozO2+δを単に「Li系複合酸化物」ともいう。
<First Embodiment>
The first embodiment of the present invention relates to a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery. The positive electrode active material has an L * a * b color system color coordinate, which is a color space defined by JIS Z 8729, with 0 <a <10, −1.2 <b <20.0, and 0 <L. <30, and the composition formula is represented by Li w Ni x Mn y Co z O 2 + δ . Each parameter in the composition formula is 1.1 <w <1.5, 0.1 <x <0.4, 0.4 <y <0.9, 0 <z <0.2, w + x + y + z = 2, And -0.2 <δ <0.2. Such a composition formula is sometimes referred to as a Li-excess layered oxide in the field to which the present invention belongs. Hereinafter, Li w Ni x Mn y Co z O 2 + δ in the present invention is also simply referred to as “Li-based composite oxide”.
本発明に係る非水電解質二次電池用正極活物質は、上記2つの要素、すなわち、上記Li系複合酸化物における特定範囲のL*a*b系表色系色座標及び組成比(モル比)を一体不可分に有することを特徴とする。かかる2つの要素を一体不可分に有する場合であって、上記Li系複合酸化物を構成する遷移金属元素のうちマンガン(Mn)の平均価数が上記所望の範囲内の場合、特定の色座標をとる。前記特定の色座標とは、従来の非水電解質二次電池用正極活物質(黒色の外観)と比較して、青方向及び緑方向、並びに明度がより高い数値をとるような色座標(電極への使用前;茶色の外観)である。これにより、活物質の性能(充放電容量)を顕著に向上させることができることを本発明者らが見出したのである。なお、本発明におけるLi系複合酸化物をナノレベルで見ると、Li2MnO3とLip[NiqMnrCos]O2との複合体であって、Mnは3価及び4価の混合状態でありうる。そして、p、q、r及びsについては、0.9<p<1.1、0≦q≦0.3、0≦r≦0.3、及び0≦s≦0.2でありうる。 The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes the above two elements, that is, the L * a * b color system color coordinates and the composition ratio (molar ratio) in a specific range in the Li composite oxide. ) Inseparably. When the two elements are inseparably integral, and the average valence of manganese (Mn) among the transition metal elements constituting the Li-based composite oxide is within the desired range, a specific color coordinate is Take. The specific color coordinates are color coordinates (electrodes) that take values in the blue direction, the green direction, and higher brightness as compared with the conventional positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery (black appearance). Before use; brown appearance). Thus, the present inventors have found that the performance (charge / discharge capacity) of the active material can be remarkably improved. Note that the Li-based composite oxide in the present invention when viewed at the nano level, a complex with Li 2 MnO 3 and Li p [Ni q Mn r Co s] O 2, Mn is trivalent and tetravalent It can be in a mixed state. For p, q, r, and s, 0.9 <p <1.1, 0 ≦ q ≦ 0.3, 0 ≦ r ≦ 0.3, and 0 ≦ s ≦ 0.2.
より具体的に説明すると、Li系複合酸化物を生成するために仕込んだ各遷移金属元素のモル比の和に対して、過剰に添加したリチウム(Li)金属元素のうち、Li金属サイトに収まりきらない過剰分が結晶構造中の遷移金属元素サイトに過不足なく侵入する。これに加えて、Mnの平均価数が4価から3価に近づくことでLi2MnO3の影響が大きくなるために、一層高い放電容量を示す非水電解質二次電池用正極活物質が得られる。 More specifically, out of the lithium (Li) metal element added in excess with respect to the sum of the molar ratios of the respective transition metal elements charged to produce the Li-based composite oxide, the Li metal site fits in the Li metal site. Excessive excess enters the transition metal element site in the crystal structure without excess or deficiency. In addition, since the influence of Li 2 MnO 3 increases as the average valence of Mn approaches from tetravalent to trivalent, a positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery exhibiting a higher discharge capacity is obtained. It is done.
上記した要素のうち、L*a*b系表色系色座標中のa値、b値及びL値は、それぞれ0<a<10、−1.2<b<20.0、及び0<L<30であることが好ましい。より好ましくは、それぞれ1.6<a<8、−1.2<b<10.0、及び10<L<25であり、さらに好ましくは、それぞれ3<a<6、2.0<b<5.0、及び15<L<23である。上記した範囲内にある場合、上述のように、マンガン(Mn)の価数が所望の範囲内となり、かつ、青方向及び緑方向、並びに明度がより高い数値をとるような色座標(電極への使用前)をとることができる。 Among the elements described above, the a value, the b value, and the L value in the L * a * b color system color coordinates are 0 <a <10, −1.2 <b <20.0, and 0 <, respectively. L <30 is preferred. More preferably, 1.6 <a <8, −1.2 <b <10.0, and 10 <L <25, respectively, and more preferably 3 <a <6 and 2.0 <b <respectively. 5.0 and 15 <L <23. When it is within the above range, as described above, the color coordinates (to the electrode) such that the valence of manganese (Mn) is within the desired range, and the blue direction and the green direction, and the brightness is higher. Before use).
本発明に係る非水電解質二次電池用正極活物質を得るための合成方法としては、特に限定されることはないが、固相法、湿式混合、噴霧乾燥や共沈法などといった公知の方法が選択可能である。 The synthesis method for obtaining the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is not particularly limited, but known methods such as a solid phase method, wet mixing, spray drying, coprecipitation method, etc. Can be selected.
また、本発明に係る正極活物質に用いられる金属元素としては、上記した4種類の金属元素(Li、Ni、Mn及びCo)を必須に含むほか、その他の元素が含まれていてもよい。前記その他の元素としては、特に限定されることはないが、例えば、B、F、Na、Mg、Al、Si、P、S、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Ga、Ge、Se、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、In、Sn、Sb、Cs、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Tl、Pb、BiやRfなどが挙げられる。前記その他の元素は、1種単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なお、上記した4種類の必須に含まれる金属元素のうちNi、MnおよびCoの総和と、前記その他の元素とのモル比は、80〜99.9:0.1〜20であることが好ましく、95〜99.0:1〜5であることがより好ましい。 Moreover, as a metal element used for the positive electrode active material which concerns on this invention, other elements other than the above-mentioned 4 types of metal elements (Li, Ni, Mn, and Co) may be contained. The other elements are not particularly limited. For example, B, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ga, Ge, Se, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, In, Sn, Sb, Cs, Ba, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Tl, Pb, Bi, Rf, etc. are mentioned. The other elements may be used alone or in combination of two or more. The molar ratio of the sum of Ni, Mn, and Co to the other elements among the above four types of essential metal elements is preferably 80 to 99.9: 0.1 to 20. 95-99.0: 1-5 is more preferable.
Li系複合酸化物を構成する4種類の金属元素(原料)の仕込みの組成比は、モル比換算で、Li:Ni:Mn:Co=1.1〜1.5:0.1〜0.4:0.4〜0.9:0.0〜0.2であることが好ましい。すなわち、本明細書における組成比とは、モル比を意味する。なお、本明細書では、例えば、上記に示された「1.1〜1.5」は、1.1を超えて1.5未満であることを意味する。上記範囲内の場合、上記した2つの要素の1つである複合酸化物のモル比(価数)が所望のものとなり、有意に高い放電容量を示す非水電解質二次電池用正極活物質が得られる。より好ましくは、前記各金属元素(原料)のうち、Liのモル比を、Ni、Mn、Co、及び(前記その他の元素が含まれる場合には)前記その他の元素のモル比の総和で除した値が、1.1を超えて1.5未満である。 The composition ratio of the charging of the four types of metal elements (raw materials) constituting the Li-based composite oxide is Li: Ni: Mn: Co = 1.1 to 1.5: 0.1 to 0.00 in terms of molar ratio. 4: It is preferable that it is 0.4-0.9: 0.0-0.2. That is, the composition ratio in this specification means a molar ratio. In the present specification, for example, “1.1 to 1.5” shown above means that it exceeds 1.1 and is less than 1.5. In the above range, the molar ratio (valence) of the composite oxide which is one of the two elements described above is desired, and a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery exhibiting a significantly high discharge capacity is obtained. can get. More preferably, among the metal elements (raw materials), the molar ratio of Li is divided by the sum of the molar ratios of Ni, Mn, Co, and (if the other elements are included) the other elements. The value obtained is greater than 1.1 and less than 1.5.
また、上記のLi系複合酸化物を構成する4種類の必須な金属元素と酸素とのモル比は、前記金属元素間のモル比が上記した範囲内であって、かつ、w+x+y+z=2の場合に、−0.2<δ<0.2であることが好ましい。複合酸化物において、酸素の欠損は不可避的に生じる。しかし、δが上記範囲内の場合には、酸素の欠損がたとえ生じたとしても得られる正極活物質の性能(充放電容量)の低下を招くことは殆どない。なお、本発明における正極活物質としてのLi系複合酸化物は、組成の観点からいえば、1種単独であっても、2種以上の混合物であってもよい。 Further, the molar ratio of the four essential metal elements constituting the Li-based composite oxide to oxygen is such that the molar ratio between the metal elements is in the above-described range and w + x + y + z = 2. Furthermore, it is preferable that −0.2 <δ <0.2. In the composite oxide, oxygen deficiency inevitably occurs. However, when δ is within the above range, the performance (charge / discharge capacity) of the obtained positive electrode active material is hardly lowered even if oxygen deficiency occurs. The Li-based composite oxide as the positive electrode active material in the present invention may be a single type or a mixture of two or more types from the viewpoint of composition.
このように、上記のLi系複合酸化物の組成は、本発明において一体不可分の2つの要素のうちの1つであるが、なかでもMnの平均価数が非常に重要である。この値を上記した好ましい範囲内とすることにより、特に充放電容量の高い正極活物質が得られる。 As described above, the composition of the Li-based composite oxide is one of the two elements that are inseparable in the present invention, and the average valence of Mn is very important. By setting this value within the above-described preferred range, a positive electrode active material having a particularly high charge / discharge capacity can be obtained.
本発明に係る正極活物質を用いた非水電解質二次電池は、上記した従来技術、例えば、上記特許文献1に記載の発明が抱える問題を解決しうるのである。さらに、上記特許文献1に記載の発明は、上記以外の更なる問題をも有している。かかる問題点とは、上記特許文献に開示された正極活物質では、50℃以上の高温環境下でリチウムイオン二次電池を動作させる際に、当該二次電池の正極表面から電解質中に遷移金属元素成分が溶出し、充放電容量が低下しうる点である。特に、プラグインハイブリッドや電気自動車用電源で実際に使用できるエネルギーである放電容量の低下は、実用上、本質的な問題となりうる。これに対し、本発明に係る正極活物質を用いた非水電解質二次電池は、上述した通り、Li系複合酸化物の組成、及びその色合い(上記の色座標の値)が上記した好ましい範囲内であることに起因して、遷移金属元素成分の溶出を効果的に抑制できる。 The nonaqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material according to the present invention can solve the problems of the above-described conventional technology, for example, the invention described in Patent Document 1. Furthermore, the invention described in Patent Document 1 has further problems other than those described above. Such a problem is that in the positive electrode active material disclosed in the above patent document, when a lithium ion secondary battery is operated in a high temperature environment of 50 ° C. or higher, a transition metal is introduced into the electrolyte from the positive electrode surface of the secondary battery. The element component is eluted, and the charge / discharge capacity can be reduced. In particular, a reduction in discharge capacity, which is energy that can actually be used in a plug-in hybrid or an electric vehicle power supply, can be an essential problem in practice. On the other hand, in the nonaqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material according to the present invention, as described above, the composition of the Li-based composite oxide and the hue thereof (the values of the above color coordinates) are in the preferred range described above. Due to being within, elution of the transition metal element component can be effectively suppressed.
また、本発明の非水電解質二次電池用正極活物質は、700℃以上1000℃未満で焼成されてなることが好ましい。より好ましくは750℃以上950℃以下である。焼成温度が700℃以上の場合、該正極活物質を得るための反応が確実に進行し、かつ、工業上、現実的な程度の反応時間に留めることができるため、好適である。また、焼成温度が1000℃未満の場合、反応の急速な進行を抑制し、遷移金属元素の価数制御を容易に実現することができる。さらに、焼成温度によっては、仕込んだ原料である金属元素(その他の元素も含みうる)がLi系複合酸化物となる反応の過程で、当該金属元素の中で、一部揮発しうるもの(例えば、Li)もある。しかし、焼成温度が1000℃未満の場合には、かような金属元素の一部揮発によるモル比の変化(ズレ)が生じにくくなるため、所望のモル比を有する非水電解質二次電池用正極活物質を容易に得ることができる。そして、かようなモル比の変化(ズレ)が生じにくいということは常に一定の品質の正極活物質を安定的に得ることができるため、非常に好適である。さらに、上記した範囲内の場合、上記した青方向及び緑方向、並びに明度がより高い数値をとるような色座標(電極への使用前;茶色の外観)を確実に得ることができるため、好適である。かかる意味において、本発明に係る正極活物質を用いた非水電解質二次電池は、複合酸化物(Li系複合酸化物)の組成、及びその色合い(色座標の値)が上記した好ましい範囲内であることに併せて、焼成温度が上記した範囲内にあることが好ましい。すなわち、前記組成、色合い(本発明における色座標の値)及び前記焼成温度という3つの要素の相間関係に着目し、各々上記した範囲内の値をとるように設計することによって、充放電容量の極めて高値な正極活物質を得ることが可能となる。 Moreover, it is preferable that the positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary batteries of this invention is baked at 700 degreeC or more and less than 1000 degreeC. More preferably, they are 750 degreeC or more and 950 degrees C or less. When the firing temperature is 700 ° C. or higher, the reaction for obtaining the positive electrode active material surely proceeds and the reaction time can be kept to a practically practical level, which is preferable. Moreover, when a calcination temperature is less than 1000 degreeC, the rapid progress of reaction can be suppressed and the valence control of a transition metal element can be implement | achieved easily. Furthermore, depending on the firing temperature, a metal element (which may also include other elements) that is a raw material that has been charged may be partially volatilized in the process of becoming a Li-based composite oxide (for example, Li). However, when the firing temperature is lower than 1000 ° C., the change in the molar ratio due to the partial volatilization of the metal element is less likely to occur. Therefore, the positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery having a desired molar ratio An active material can be obtained easily. And, it is very preferable that such a change (deviation) in the molar ratio hardly occurs because a positive electrode active material having a constant quality can be obtained stably at all times. Furthermore, in the above-described range, it is possible to reliably obtain the above-described blue direction and green direction, and color coordinates (before use for an electrode; brown appearance) that take higher numerical values. It is. In this sense, the non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material according to the present invention has a composition of complex oxide (Li-based complex oxide) and a color tone (color coordinate value) within the above-described preferable range. In addition, it is preferable that the firing temperature is within the above-described range. That is, paying attention to the interrelationship between the three elements of the composition, hue (color coordinate value in the present invention), and the firing temperature, and designing each to take a value within the above-described range, An extremely high positive electrode active material can be obtained.
<第2実施形態>
本発明の第2実施形態は、上記第1実施形態により得られる非水電解質二次電池用正極活物質を含む非水電解質二次電池用正極である。上記の非水電解質二次電池としては、特に限定されることはないが、例えば、以下に示すリチウムイオン二次電池などが挙げられる。なお、以下では、上記正極、及び負極を共に含む、リチウムイオン二次電池用電極について説明する。
<Second Embodiment>
2nd Embodiment of this invention is a positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries containing the positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary batteries obtained by the said 1st Embodiment. Although it does not specifically limit as said nonaqueous electrolyte secondary battery, For example, the lithium ion secondary battery etc. which are shown below are mentioned. Hereinafter, the electrode for a lithium ion secondary battery including both the positive electrode and the negative electrode will be described.
非水電解質二次電池用電極は、正極集電体及び前記正極集電体上に形成されてなる正極合剤を含む正極と、負極集電体及び前記負極集電体上に形成されてなる負極合剤を含む負極と、を含有する。なお、前記正極合剤は、正極活物質、導電助剤及びバインダを含み、前記負極合剤は、負極活物質、導電助剤及びバインダを含む。なかでも、本発明の特徴は、上記第1実施形態において詳述した正極活物質、及びこれを用いてなる正極にある。なお、以下で、単に「合剤」というときは、正極合剤及び負極合剤の両方を意味する。 The electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery is formed on a positive electrode current collector and a positive electrode including a positive electrode mixture formed on the positive electrode current collector, a negative electrode current collector, and the negative electrode current collector. And a negative electrode including a negative electrode mixture. In addition, the said positive electrode mixture contains a positive electrode active material, a conductive support agent, and a binder, and the said negative electrode mixture contains a negative electrode active material, a conductive support agent, and a binder. Among these, the feature of the present invention resides in the positive electrode active material described in detail in the first embodiment and a positive electrode using the positive electrode active material. Hereinafter, the term “mixture” means both a positive electrode mixture and a negative electrode mixture.
以下、適宜図面を参照しながら、上記した電極に関する好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面は説明の便宜上誇張されて表現されており、各図面における各構成要素の寸法比率が実際とは異なる場合がある。 Hereinafter, preferred embodiments relating to the above-described electrodes will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. Each drawing is exaggerated for convenience of explanation, and the dimensional ratio of each component in each drawing may be different from the actual one.
[正極集電体及び負極集電体]
正極集電体及び負極集電体としては、いずれも電池用の集電体材料として従来用いられている部材が適宜採用されうる。一例を挙げると、正極集電体及び負極集電体としては、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、ステンレス(SUS)、チタン(Ti)または銅(Cu)が挙げられる。なかでも、薄膜に加工しやすく、安価であるという点で、正極集電体としてはAlを用いることが好ましく、負極集電体としてはCuを用いることが好ましい。さらに、これらの好ましい集電体を用いた場合、電子伝導性や電池作動電位という観点からも優れた電極が得られる。
[Positive electrode current collector and negative electrode current collector]
As the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, members conventionally used as a current collector material for batteries can be appropriately employed. For example, examples of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector include aluminum (Al), nickel (Ni), iron (Fe), stainless steel (SUS), titanium (Ti), and copper (Cu). Among these, Al is preferably used as the positive electrode current collector and Cu is preferably used as the negative electrode current collector in that it is easily processed into a thin film and is inexpensive. Furthermore, when these preferable current collectors are used, an electrode excellent in terms of electron conductivity and battery operating potential can be obtained.
集電体の一般的な厚さは、10μm以上20μm以下である。ただし、この範囲を外れる厚さの集電体を用いてもよい。集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。大型の電池に用いられる大型の電極を作製するのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。一方、小型の電極を作製するのであれば、面積の小さな集電体が用いられる。 The general thickness of the current collector is 10 μm or more and 20 μm or less. However, a current collector having a thickness outside this range may be used. The size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. If a large electrode used for a large battery is manufactured, a current collector having a large area is used. On the other hand, if a small electrode is produced, a current collector with a small area is used.
なお、後述する第3実施形態では、双極型でない積層型のリチウムイオン二次電池について詳説している。しかし、本発明における正極活物質及び負極活物質は、双極型リチウムイオン二次電池に用いられてもよい。その場合、集電体として、正極集電体および負極集電体を張り合わせて、その集電体の両面に、本発明における正極活物質層及び負極活物質層を形成してもよい。あるいは、正極集電体及び負極集電体に対して兼用可能なSUSやTi等を、正極集電体及び負極集電体として用いることにより、本発明における正極活物質層及び負極活物質層を形成してもよい。 In the third embodiment described later, a stacked lithium ion secondary battery that is not a bipolar type is described in detail. However, the positive electrode active material and the negative electrode active material in the present invention may be used for a bipolar lithium ion secondary battery. In that case, as the current collector, the positive electrode current collector and the negative electrode current collector may be bonded together, and the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer in the present invention may be formed on both surfaces of the current collector. Alternatively, the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer in the present invention can be obtained by using SUS, Ti, or the like that can be used for the positive electrode current collector and the negative electrode current collector as the positive electrode current collector and the negative electrode current collector. It may be formed.
[正極活物質]
正極合剤のうちの正極活物質としては、上記第1実施形態において詳述したものを好適に使用できる。
[Positive electrode active material]
As the positive electrode active material in the positive electrode mixture, those described in detail in the first embodiment can be suitably used.
[負極活物質]
負極合剤のうちの負極活物質としては、特に限定されることはないが、リチウム金属、リチウム合金、リチウム遷移金属−複合酸化物、カーボン、あるいは、リチウムをドープまたは脱ドープできる材料が挙げられる。カーボンとしては、特に限定されることはないが、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛系炭素材料、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、ハードカーボン等が挙げられる。天然黒鉛としては、鱗片状黒鉛などが挙げられる。人造黒鉛としては、MCMB(メソカーボンマイクロビーズ)、MCF(メソフェーズカーボンファイバー)などが挙げられる。なかでも好ましくは、MCMBである。MCMBは、コールタールや石油系重質油を400℃前後で溶融すると小球体が生じ、この小球体を不活性雰囲気で熱処理して得られる。このとき、黒鉛構造の炭素六角形網目構造が一方向に積層した層状配向となっているため、リチウムイオンを取り込みやすく、負極材として好適に用いられうる。MCFにおけるメソフェーズとは、重質油を加熱処理して得られる液晶状の物質で、これを紡糸、熱処理するプロセスをコントロールすることにより黒鉛結晶配列を制御した炭素繊維が得られる。負極活物質は、1種単独からなっても2種以上の材料が併用されてなってもよい。
[Negative electrode active material]
The negative electrode active material in the negative electrode mixture is not particularly limited, and examples thereof include lithium metal, lithium alloy, lithium transition metal-composite oxide, carbon, and materials that can be doped or dedoped with lithium. . The carbon is not particularly limited, and examples thereof include graphite-based carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, and expanded graphite, carbon black, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon, and hard carbon. Examples of natural graphite include scaly graphite. Examples of the artificial graphite include MCMB (mesocarbon microbeads), MCF (mesophase carbon fiber), and the like. Of these, MCMB is preferable. MCMB is obtained when coal tar or petroleum heavy oil is melted at around 400 ° C. to form small spheres, which are obtained by heat treatment in an inert atmosphere. At this time, since the carbon hexagonal network structure of the graphite structure has a laminar orientation laminated in one direction, it is easy to take in lithium ions and can be suitably used as a negative electrode material. The mesophase in the MCF is a liquid crystal substance obtained by heat-treating heavy oil. By controlling the process of spinning and heat-treating this, carbon fibers with controlled graphite crystal arrangement can be obtained. The negative electrode active material may be a single type or a combination of two or more types of materials.
活物質(正極活物質及び負極活物質)の平均粒子径は特に制限されない。ただし、この平均粒子径が大きすぎると、活物質の反応表面積が小さくなるか、または活物質の粒子の内部におけるリチウムイオン伝導が活物質層におけるリチウムイオン伝導を律速してしまうことになり、本発明の作用効果が充分に得られない虞がある。かような観点から、活物質の平均粒子径は、好ましくは0.1μm以上20μm以下である。ただし、これらの範囲外のものも使用可能である。なお、本明細書における平均粒子径は、レーザ回折散乱式粒度分布測定法により測定された値を採用するものとする。 The average particle diameter of the active material (positive electrode active material and negative electrode active material) is not particularly limited. However, if this average particle size is too large, the reaction surface area of the active material will be reduced, or lithium ion conduction inside the active material particles will limit the lithium ion conduction in the active material layer. There is a possibility that the effects of the invention cannot be sufficiently obtained. From such a viewpoint, the average particle diameter of the active material is preferably 0.1 μm or more and 20 μm or less. However, those outside these ranges can also be used. In addition, the value measured by the laser diffraction scattering type particle size distribution measuring method shall be employ | adopted for the average particle diameter in this specification.
[導電助剤]
上記合剤のうちの導電助剤として、特に限定されることはないが、炭素質材料が挙げられる。そして、前記炭素質材料としては、特に限定されることはないが、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類やカーボンブラックなどが挙げられる。導電助剤は、1種単独からなってもよいし、2種以上、例えば、人造黒鉛及びカーボンブラックを混合してなってもよい。上記電極が導電助剤を含む場合、電極内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうるため、好適である。
[Conductive aid]
Although it does not specifically limit as a conductive support agent in the said mixture, A carbonaceous material is mentioned. The carbonaceous material is not particularly limited, and examples thereof include natural graphite, artificial graphite, cokes, and carbon black. The conductive auxiliary agent may be composed of one kind alone, or may be a mixture of two or more kinds, for example, artificial graphite and carbon black. When the electrode contains a conductive additive, an electronic network inside the electrode is effectively formed, which can contribute to improving the output characteristics of the battery.
[バインダ]
上記合剤のうちのバインダとして、特に限定されることはないが、熱可塑性樹脂が挙げられる。前記可塑性樹脂としては、特に限定されることはないが、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル系共重合体、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)、アクリロニトリル、ポリイミドや合成ゴム系バインダなどが挙げられる。これらは1種単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。なお、これらのバインダは、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)など、バインダが可溶な有機溶媒に溶解させたものを用いることもできる。
[Binder]
Although it does not specifically limit as a binder of the said mixture, A thermoplastic resin is mentioned. The plastic resin is not particularly limited, but may be polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene / vinylidene fluoride copolymer, hexafluoride. Examples thereof include propylene fluoride / vinylidene fluoride copolymer, tetrafluoroethylene / perfluorovinyl ether copolymer, styrene butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose (CMC), acrylonitrile, polyimide, and a synthetic rubber binder. These may be used alone or in combination of two or more. In addition, what was melt | dissolved in the organic solvent in which binders are soluble, such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), can also be used for these binders.
また、フッ素樹脂とポリオレフィン樹脂とを、前記合剤中の前記フッ素樹脂の割合が1質量%以上10質量%以下となり、前記ポリオレフィン樹脂の割合が0.1質量%以上2質量%以下となるように調整してなるバインダが好ましい。かかる場合、集電体と、合剤中の活物質との結着性に優れ、また、加熱試験に代表されるような外部加熱に対するリチウム二次電池の安全性をさらに向上できるので好ましい。 Moreover, the ratio of the said fluororesin in the said mixture will be 1 mass% or more and 10 mass% or less, and the ratio of the said polyolefin resin will be 0.1 mass% or more and 2 mass% or less. A binder prepared by adjusting to is preferable. In such a case, it is preferable because the binding property between the current collector and the active material in the mixture is excellent, and the safety of the lithium secondary battery against external heating as represented by the heating test can be further improved.
ここで、集電体上に前記合剤を担持させる方法としては、従来公知の方法が使用可能であるため、特に制限されることはない。例えば、加圧成型する方法、または、溶媒などを用いてペースト化し、集電体上に塗布乾燥後プレスするなどして固着する方法が挙げられる。 Here, the method for supporting the mixture on the current collector is not particularly limited since a conventionally known method can be used. For example, a method of pressure molding or a method of pasting using a solvent or the like, and applying and drying on a current collector followed by pressing or the like can be mentioned.
<第3実施形態>
本発明の第3実施形態は、上記第2実施形態で得られる非水電解質二次電池用電極を有する、非水電解質二次電池である。
<Third Embodiment>
3rd Embodiment of this invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery which has an electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries obtained by the said 2nd Embodiment.
本発明により得られる正極活物質及び負極活物質は、それぞれ、正極集電体及び負極集電体の表面に形成され、双極型でない積層型(内部並列接続タイプ)の非水電解質二次電池に用いることができる。以下、双極型でない積層型のリチウムイオン二次電池について、図面を用いて概説するが、これらに制限されることはない。 The positive electrode active material and the negative electrode active material obtained by the present invention are formed on the surfaces of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector, respectively, and are not a bipolar type laminated (internal parallel connection type) non-aqueous electrolyte secondary battery. Can be used. Hereinafter, a laminated lithium ion secondary battery that is not a bipolar type will be outlined with reference to the drawings, but is not limited thereto.
図1は、本発明のリチウムイオン電池の代表的な一実施形態である、双極型でない積層型のリチウムイオン二次電池(以下、単にリチウムイオン電池ともいう)の全体構造を模式的に表した断面概略図である。なお、積層の数についても特に制限はないが、好ましくは5層以上30層以下、より好ましくは10層以上25層以下である。 FIG. 1 schematically shows the overall structure of a laminated lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as a lithium ion battery) which is a typical embodiment of the lithium ion battery of the present invention. FIG. The number of laminated layers is not particularly limited, but is preferably 5 or more and 30 or less, more preferably 10 or more and 25 or less.
図1に示すように、本実施形態のリチウムイオン電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素(電池要素)21が、外装であるラミネートシート29の内部に封止された構造を有する。詳しくは、高分子−金属複合ラミネートシートを電池の外装として用いて、その周辺部の全部を熱融着にて接合することにより、発電要素21を収納し密封した構成を有している。 As shown in FIG. 1, in the lithium ion battery 10 of this embodiment, a substantially rectangular power generation element (battery element) 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a laminate sheet 29 that is an exterior. It has a structure. Specifically, the power generation element 21 is housed and sealed by using a polymer-metal composite laminate sheet as the battery exterior and joining all of its peripheral parts by thermal fusion.
発電要素21は、正極集電体11の両面に正極活物質層13が配置された正極と、電解質層17と、負極集電体12の両面に負極活物質層15が配置された負極とを積層した構成を有している。具体的には、1つの正極活物質層13とこれに隣接する負極活物質層15とが、電解質層17を介して対向するようにして、正極、電解質層および負極がこの順に積層されている。 The power generation element 21 includes a positive electrode in which the positive electrode active material layer 13 is disposed on both surfaces of the positive electrode current collector 11, an electrolyte layer 17, and a negative electrode in which the negative electrode active material layer 15 is disposed on both surfaces of the negative electrode current collector 12. It has a stacked configuration. Specifically, the positive electrode, the electrolyte layer, and the negative electrode are laminated in this order so that one positive electrode active material layer 13 and the negative electrode active material layer 15 adjacent thereto face each other with the electrolyte layer 17 therebetween. .
これにより、隣接する正極、電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。従って、本実施形態のリチウムイオン電池10は、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。また、単電池層19の外周には、隣接する正極集電体11と負極集電体12との間を絶縁するためのシール部(絶縁層)(図示せず;後述する図4の符号31を参照)が設けられていてもよい。発電要素21の両最外層に位置する最外層正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。なお、図2とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層負極集電体が位置するようにし、該最外層負極集電体の片面のみに負極活物質層が配置されているようにしてもよい。 Thereby, the adjacent positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode constitute one unit cell layer 19. Therefore, it can be said that the lithium ion battery 10 of the present embodiment has a configuration in which a plurality of single battery layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. Further, on the outer periphery of the unit cell layer 19, a seal portion (insulating layer) for insulating between the adjacent positive electrode current collector 11 and negative electrode current collector 12 (not shown; reference numeral 31 in FIG. 4 described later) May be provided. Although the positive electrode active material layer 13 is disposed on only one side of the outermost layer positive electrode current collector located on both outermost layers of the power generation element 21, active material layers may be provided on both sides. 2, the arrangement of the positive electrode and the negative electrode is reversed so that the outermost layer negative electrode current collector is positioned in both outermost layers of the power generation element 21, and the negative electrode is formed only on one side of the outermost layer negative electrode current collector. An active material layer may be arranged.
正極集電体11および負極集電体12は、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板25および負極集電板27がそれぞれ取り付けられ、ラミネートシート29の端部に挟まれるようにしてラミネートシート29の外部に導出される構造を有している。正極集電板25および負極集電板27はそれぞれ、必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11および負極集電体12に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。 The positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 12 are attached to a positive electrode current collector plate 25 and a negative electrode current collector plate 27 that are electrically connected to the respective electrodes (positive electrode and negative electrode), and are sandwiched between end portions of the laminate sheet 29. Thus, it has a structure led out of the laminate sheet 29. The positive electrode current collector plate 25 and the negative electrode current collector plate 27 are ultrasonically welded to the positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 12 of each electrode, respectively, via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown) as necessary. Or resistance welding or the like.
[活物質層]
活物質層は活物質、導電助剤及びバインダを含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含みうる。
[Active material layer]
The active material layer includes an active material, a conductive additive, and a binder, and may further include other additives as necessary.
正極活物質層12は、本発明に係る正極活物質を含む。ここで、前記正極活物質の具体的な説明は、上記第1実施形態において行ったため、ここでは省略する。なお、正極活物質層12の厚み方向の厚さは、好ましくは10μm以上500μm以下、より好ましくは20μm以上250μm以下である。 The positive electrode active material layer 12 includes a positive electrode active material according to the present invention. Here, since the specific description of the positive electrode active material was performed in the first embodiment, the description thereof is omitted here. The thickness of the positive electrode active material layer 12 in the thickness direction is preferably 10 μm or more and 500 μm or less, and more preferably 20 μm or more and 250 μm or less.
負極活物質層15に含まれる負極活物質の具体的な説明は、上記にて行ったため、ここでは割愛する。なお、負極活物質層15の厚み方向の厚さは、好ましくは10μm以上500μm以下、より好ましくは、20μm以上250μm以下である。 Since the specific description of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer 15 has been made above, it is omitted here. The thickness of the negative electrode active material layer 15 in the thickness direction is preferably 10 μm or more and 500 μm or less, and more preferably 20 μm or more and 250 μm or less.
活物質以外に、前記活物質層には導電助剤及びバインダも含まれる。さらに、活物質層に含まれうるその他の添加剤として、特に限定されることはないが、例えば、電解質塩(リチウム塩)やイオン伝導性ポリマー等が挙げられる。導電助剤及びバインダについては、上記で詳述したため、ここでは説明を省略する。 In addition to the active material, the active material layer includes a conductive additive and a binder. Furthermore, the other additive that can be contained in the active material layer is not particularly limited, and examples thereof include an electrolyte salt (lithium salt) and an ion conductive polymer. Since the conductive auxiliary agent and the binder have been described in detail above, description thereof is omitted here.
電解質塩(リチウム塩)としては、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。 Examples of the electrolyte salt (lithium salt) include Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like.
イオン伝導性ポリマーとしては、特に限定されることはないが、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系やポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーなどが挙げられる。 The ion conductive polymer is not particularly limited, and examples thereof include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers.
正極活物質層12および負極活物質層15中に含まれるこれら成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、リチウムイオン二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。 The compounding ratio of these components contained in the positive electrode active material layer 12 and the negative electrode active material layer 15 is not particularly limited. The blending ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about lithium ion secondary batteries.
[電解質層]
電解質層は、液体、ゲル、固体のいずれであってもよい。電解質層として固体電解質(詳しくは後述するが、高分子ゲル電解質、固体高分子型電解質及び無機固体型電解質の全てを含むものとする)を用いることにより漏液を防止することが可能となる。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer may be liquid, gel, or solid. By using a solid electrolyte (which will be described later in detail, including a polymer gel electrolyte, a solid polymer electrolyte, and an inorganic solid electrolyte) as the electrolyte layer, it is possible to prevent leakage.
電解質層としてゲルポリマー電解質層(高分子ゲル電解質)を用いることで、電解質の流動性がなくなり、集電体への電解質の流出を抑え、各層間のイオン伝導性を遮断することが可能になる。ゲル電解質のホストポリマーとしては、PEO、PPO、PVdF、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(PVdF−HFP)、PAN、PMAやPMMA等が挙げられる。また、可塑剤としては、通常リチウムイオン電池に用いられる電解液を用いることが可能である。 By using a gel polymer electrolyte layer (polymer gel electrolyte) as the electrolyte layer, the fluidity of the electrolyte is lost, it is possible to suppress the outflow of the electrolyte to the current collector, and to block the ionic conductivity between the layers. . Examples of the gel electrolyte host polymer include PEO, PPO, PVdF, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVdF-HFP), PAN, PMA, and PMMA. Moreover, as a plasticizer, it is possible to use the electrolyte solution normally used for a lithium ion battery.
上記ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)は、PEO、PPOなどの全固体型高分子電解質に、通常リチウムイオン電池で用いられる電解液を含ませることにより作製される。PVdF、PAN、PMMAなど、リチウムイオン伝導性のない高分子の骨格中に、電解液を保持させたものも、ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)に含まれる。ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)を構成するポリマーと電解液との比率は、特に限定されない。ポリマー100%を全固体高分子電解質、電解液100%を液体電解質とすると、その中間体はすべてゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)の概念に含まれる。また、セラミックなどの無機固体などイオン伝導性を有する無機固体型電解質も全固体型電解質に含まれる。よって、上記したように、本発明における固体電解質は、高分子ゲル電解質、固体高分子型電解質及び無機固体型電解質の全てを含む。 The gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte) is produced by including an electrolyte solution usually used in a lithium ion battery in an all solid polymer electrolyte such as PEO or PPO. The gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte) includes a polymer skeleton having no lithium ion conductivity, such as PVdF, PAN, and PMMA. The ratio of the polymer constituting the gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte) and the electrolytic solution is not particularly limited. When 100% of the polymer is an all solid polymer electrolyte and 100% of the electrolyte is a liquid electrolyte, all of the intermediates are included in the concept of gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte). In addition, an inorganic solid electrolyte having ion conductivity such as an inorganic solid such as ceramic is also included in the all solid electrolyte. Therefore, as described above, the solid electrolyte in the present invention includes all of polymer gel electrolyte, solid polymer electrolyte, and inorganic solid electrolyte.
電解質層としては、具体的には、従来公知の材料として、(a)高分子ゲル電解質(ゲルポリマー電解質)、(b)全固体高分子電解質(高分子固体電解質、無機固体型電解質)、(c)液体電解質(電解液)を用いることができる。また、(d)前記(a)〜(c)に挙げた電解質を含浸させたセパレータ(不織布セパレータを含む)を電解質層として用いることもできる。 Specifically, as the electrolyte layer, conventionally known materials include (a) polymer gel electrolyte (gel polymer electrolyte), (b) all solid polymer electrolyte (polymer solid electrolyte, inorganic solid electrolyte), ( c) A liquid electrolyte (electrolytic solution) can be used. In addition, (d) separators (including non-woven fabric separators) impregnated with the electrolytes listed in (a) to (c) can be used as the electrolyte layer.
(a)ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)
ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)とは、ポリマーマトリックス中に電解液を保持させたものをいう。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、導電性高分子膜などの集電体層への電解質の流出を抑え、各層間のイオン伝導性を遮断することが容易になる点で優れている。
(A) Gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte)
The gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte) refers to an electrolyte solution held in a polymer matrix. By using a gel polymer electrolyte as the electrolyte, the fluidity of the electrolyte is lost, and it is easy to suppress the outflow of the electrolyte to the current collector layer such as a conductive polymer film and to block the ionic conductivity between the layers. Is excellent.
高分子ゲル電解質として用いるポリマーマトリックス(高分子)またはゲル電解質のホストポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシドを主鎖または側鎖に持つポリマー(PEO)、ポリプロピレンオキシドを主鎖または側鎖に持つポリマー(PPO)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメタクリル酸エステル、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体(PVdF−HFP)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)及びそれらの共重合体が好ましい。なかでも、PEO、PPO及びそれらの共重合体、あるいは、PVdF−HFPを用いることがより好ましい。また、可塑剤としては通常リチウムイオン電池に用いられる電解液を用いることが可能である。かかる電解液とは、電解質塩を溶媒に溶かしたものであり、電解質としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li2B10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N等の有機酸陰イオン塩から選択される1種以上が好ましい。また、溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(GBL)、ジメチルカーボネート(DMC)及びジエチルカーボネート(DEC)から選択される1種以上が好ましい。 Examples of the polymer matrix (polymer) or the gel electrolyte host polymer used as the polymer gel electrolyte include polymers having polyethylene oxide in the main chain or side chain (PEO), polymers having polypropylene oxide in the main chain or side chain ( PPO), polyethylene glycol (PEG), polyacrylonitrile (PAN), polymethacrylic acid ester, polyvinylidene fluoride (PVdF), a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVdF-HFP), poly (methyl methacrylate) ( PMMA) and copolymers thereof are preferred. Among these, it is more preferable to use PEO, PPO and a copolymer thereof, or PVdF-HFP. Moreover, as a plasticizer, it is possible to use the electrolyte solution normally used for a lithium ion battery. And such electrolyte, which electrolyte salt dissolved in a solvent, as the electrolyte, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, Li 2 B 10 Cl 10 inorganic acid anions such as One or more selected from organic acid anion salts such as ionic salt, LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, and Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N are preferable. Moreover, as a solvent, 1 or more types selected from ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), (gamma) -butyrolactone (GBL), dimethyl carbonate (DMC), and diethyl carbonate (DEC) are preferable.
本発明におけるゲル電解質中の電解液の割合としては、特に制限されるべきものではないが、イオン伝導度などの観点から、数質量%以上98質量%以下程度とするのが好ましい。なかでも、電解液の割合が70質量%以上(かつ98質量%以下)であるような電解液の多いゲル電解質の場合、特に本願所望の効果が得られるため、より好ましい。 The ratio of the electrolytic solution in the gel electrolyte in the present invention is not particularly limited, but is preferably about several mass% or more and 98 mass% or less from the viewpoint of ion conductivity and the like. In particular, a gel electrolyte with a large amount of electrolytic solution in which the proportion of the electrolytic solution is 70% by mass or more (and 98% by mass or less) is more preferable because the desired effect of the present application can be obtained.
(b)全固体型電解質(全固体高分子電解質、高分子固体電解質、無機固体型電解質)
電解質として全固体型電解質(真性ポリマー電解質)を用いることで電解質の流動性がなくなり、集電体層への電解質の流出がなくなり各層間のイオン伝導性を遮断することが可能になる点で優れている。すなわち、前記真性ポリマー電解質は、上記のイオン伝導性を有する固体高分子電解質であるマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。従って、電解質層が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。
(B) All solid electrolyte (all solid polymer electrolyte, polymer solid electrolyte, inorganic solid electrolyte)
By using an all-solid electrolyte (intrinsic polymer electrolyte) as the electrolyte, it is superior in that the fluidity of the electrolyte is lost and the electrolyte does not flow out to the current collector layer, and the ion conductivity between each layer can be blocked. ing. That is, the intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in a matrix polymer that is a solid polymer electrolyte having ion conductivity, and does not include an organic solvent that is a plasticizer. Therefore, when the electrolyte layer is composed of an intrinsic polymer electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the battery reliability can be improved.
全固体高分子電解質としては、例えば、PEO、PPO、これらの共重合体などの公知の固体高分子電解質、セラミックなどのイオン伝導性を持つ無機固体型電解質が挙げられる。固体高分子電解質中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。リチウム塩としては、LiBF4、LiPF6、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、またはこれらの混合物などが使用できる。 Examples of the all solid polymer electrolyte include known solid polymer electrolytes such as PEO, PPO, and copolymers thereof, and inorganic solid electrolytes having ion conductivity such as ceramics. The solid polymer electrolyte contains a lithium salt in order to ensure ionic conductivity. As the lithium salt, LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , or a mixture thereof can be used.
(c)液体電解質(電解液)
液体電解質とは、電解質塩を有機溶媒(可塑剤)に溶かしたものが挙げられ、特に制限されるべきものではなく、従来公知の各種液体電解質を適宜使用することができる。前記電解質塩は、無機酸陰イオン塩及び有機酸陰イオン塩から選択される1種以上を含みうる。前記無機酸陰イオン塩として、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiAlCl4、Li2B10Cl10等が挙げられる。一方、前記有機酸陰イオン塩として、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N等が挙げられる。
(C) Liquid electrolyte (electrolyte)
Examples of the liquid electrolyte include those obtained by dissolving an electrolyte salt in an organic solvent (plasticizer). The liquid electrolyte is not particularly limited, and various conventionally known liquid electrolytes can be appropriately used. The electrolyte salt may include one or more selected from inorganic acid anion salts and organic acid anion salts. The inorganic acid anion salts, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, Li 2 B 10 Cl 10 and the like. On the other hand, examples of the organic acid anion salt include LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, and the like.
前記溶媒としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)等の環状カーボネート類;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)等の鎖状カーボネート類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等のエーテル類;γ−ブチロラクトン(GBL)等のラクトン類;アセトニトリル等のニトリル類;プロピオン酸メチル等のエステル類;ジメチルホルムアミド等のアミド類;酢酸メチル、蟻酸メチルが挙げられる。そして、これら成分を1種単独、または2種以上混合してなる、非プロトン性溶媒等の可塑剤(有機溶媒)を用いたもの等が使用できる。 Examples of the solvent include cyclic carbonates such as propylene carbonate (PC) and ethylene carbonate (EC); chain carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), and diethyl carbonate (DEC); tetrahydrofuran, 2 -Ethers such as methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane; Lactones such as γ-butyrolactone (GBL); Nitriles such as acetonitrile; Methyl propionate, etc. Esters such as dimethylformamide; methyl acetate and methyl formate. And what uses plasticizers (organic solvent), such as an aprotic solvent, formed by mixing these components individually by 1 type or 2 types or more can be used.
(d)上記電解質を含浸させたセパレータ(不織布セパレータを含む)
セパレータに含浸させることのできる電解質としては、既に説明した(a)〜(c)と同様のものを用いることができる。
(D) Separator impregnated with the electrolyte (including non-woven separator)
As the electrolyte that can be impregnated in the separator, the same electrolytes as those already described (a) to (c) can be used.
上記セパレータとしては、例えば、上記電解質を吸収保持するポリマーからなる多孔性シート及び不織布を挙げることができる。 Examples of the separator include a porous sheet and a nonwoven fabric made of a polymer that absorbs and holds the electrolyte.
多孔性シートとしては、例えば、微多孔質セパレータを用いることができる。該ポリマーとしては、例えば、フッ素樹脂;ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン;PP/PE/PPの3層構造をした積層体、ポリイミド、ナイロン、(芳香族)アラミドが挙げられる。そして、セパレータの具体的な形態としては、上記した材料からなる微多孔膜、不織布や織布などの形態が挙げられる。また、前記セパレータの厚みは、電池としての体積エネルギー密度が上がり、内部抵抗が小さくなるという観点から、機械的かつ化学的な強度が保たれる限り、薄いほどよい。数値で表すと、5μm以上200μm以下が好ましい。電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)、燃料電池自動車(FCV)などのモータ駆動用二次電池などの用途においては、単層あるいは多層で4μm以上60μm以下であることが好ましい。上記セパレータの微細孔径は、最大で1μm以下(通常、数十nm程度の孔径である)、その空孔率は20%以上80%以下であることが好ましい。 As the porous sheet, for example, a microporous separator can be used. Examples of the polymer include fluororesins; polyolefins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); laminates having a three-layer structure of PP / PE / PP, polyimide, nylon, and (aromatic) aramid. And as a specific form of a separator, forms, such as a microporous film which consists of an above-mentioned material, a nonwoven fabric, and a woven fabric, are mentioned. Further, the thickness of the separator is preferably as thin as possible as long as the mechanical and chemical strength is maintained from the viewpoint that the volume energy density of the battery is increased and the internal resistance is reduced. In terms of numerical values, it is preferably 5 μm or more and 200 μm or less. In applications such as secondary batteries for driving motors such as electric vehicles (EV), hybrid electric vehicles (HEV), and fuel cell vehicles (FCV), the thickness is preferably 4 μm or more and 60 μm or less in a single layer or multiple layers. The separator preferably has a fine pore size of 1 μm or less (usually a pore size of about several tens of nanometers) and a porosity of 20% or more and 80% or less.
不織布としては、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル;PP、PEなどのポリオレフィン;ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを、単独または混合して用いることができる。また、不織布の嵩密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性が得られるものであればよく、特に制限されることはない。不織布セパレータの空孔率は50%以上90%以下であることが好ましい。さらに、不織布セパレータの厚さは、電解質層と同じであればよく、好ましくは5μm以上200μm以下であり、より好ましくは10μm以上100μm以下である。厚さが5μm以上の場合には電解質の保持性を向上させることができる。また、200μm以下の場合には抵抗の増大を防止することができる。 As the nonwoven fabric, cotton, rayon, acetate, nylon, polyester; polyolefins such as PP and PE; conventionally known materials such as polyimide and aramid can be used alone or in combination. The bulk density of the nonwoven fabric is not particularly limited as long as sufficient battery characteristics can be obtained by the impregnated polymer gel electrolyte. The porosity of the nonwoven fabric separator is preferably 50% or more and 90% or less. Furthermore, the thickness of the nonwoven fabric separator may be the same as that of the electrolyte layer, and is preferably 5 μm or more and 200 μm or less, more preferably 10 μm or more and 100 μm or less. When the thickness is 5 μm or more, the electrolyte retention can be improved. Further, when the thickness is 200 μm or less, an increase in resistance can be prevented.
なお、本発明の非水電解質二次電池の形状は特に限定されず、上記した双極型でない積層型の電池、双極型電池のいずれであってもよい。なかでも、高エネルギー密度及び高出力密度を共に実現可能な観点より、双極型非水電解質二次電池が好ましい。また、別の観点から見た該二次電池の形状として、特に制限されることはないが、ペーパー型、コイン型、円筒型、角型やアルミニウムラミネート型などがありうる。 In addition, the shape of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited, and may be any of a stacked battery or a bipolar battery that is not a bipolar battery. Among these, a bipolar nonaqueous electrolyte secondary battery is preferable from the viewpoint of realizing both high energy density and high output density. Further, the shape of the secondary battery viewed from another viewpoint is not particularly limited, but may be a paper type, a coin type, a cylindrical type, a square type, an aluminum laminate type, or the like.
[シール部]
シール部(周辺絶縁層とも称されている)は、電池内で隣り合う集電体同士が接触したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こったりするのを防止するために単電池層の周辺部に配置されている(図1では、図示せず)。シール部としては、例えば、PE、PPなどのポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ゴム、ポリイミドなどが使用でき、耐蝕性、耐薬品性、製膜性、経済性などの観点からは、ポリオレフィン樹脂が好ましい。ただし、これらに何ら制限されるものではない。
[Seal part]
The seal (also referred to as the peripheral insulating layer) is used to prevent the adjacent current collectors in the battery from contacting each other and short-circuiting due to slight unevenness at the end of the laminated electrode. It arrange | positions in the peripheral part of the cell layer (it is not shown in FIG. 1). As the seal portion, for example, polyolefin resin such as PE and PP, epoxy resin, rubber, polyimide and the like can be used, and polyolefin resin is preferable from the viewpoint of corrosion resistance, chemical resistance, film forming property, economy and the like. However, it is not limited to these.
[タブ(正極タブ及び負極タブ)]
電池外部に電流を取り出す目的で、各集電体に電気的に接続されたタブ(正極タブ(図示せず、以下同じ)及び負極タブ(図示せず、以下同じ))が電池外装材の外部に取り出されている。具体的には、図1に示すように各正極集電体11に電気的に接続された正極タブと、各負極集電体12に電気的に接続された負極タブとが、電池外装材(図示せず)であるラミネートシート29の外部に取り出される。
[Tab (positive tab and negative tab)]
For the purpose of extracting current outside the battery, a tab (a positive tab (not shown, the same below) and a negative tab (not shown, the same below)) electrically connected to each current collector are external to the battery exterior material. Has been taken out. Specifically, as shown in FIG. 1, a positive electrode tab electrically connected to each positive electrode current collector 11 and a negative electrode tab electrically connected to each negative electrode current collector 12 include battery exterior materials ( It is taken out of the laminate sheet 29 (not shown).
タブ(正極タブ及び負極タブ)を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン電池用のタブとして従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。タブの構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましく、より好ましくは軽量、耐食性、高導電性の観点からアルミニウム、銅などが好ましい。なお、正極タブと負極タブとの関係においては、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。また、各集電体11、12を延長することにより正極タブ及び負極タブとしてもよいし、別途準備した正極タブ及び負極タブを各集電体11、12に接続してもよい。 The material which comprises a tab (a positive electrode tab and a negative electrode tab) in particular is not restrict | limited, The well-known highly electroconductive material conventionally used as a tab for lithium ion batteries can be used. As a constituent material of the tab, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable, and aluminum, copper, and the like are more preferable from the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity. Is preferred. In the relationship between the positive electrode tab and the negative electrode tab, the same material may be used, or different materials may be used. Moreover, it is good also as a positive electrode tab and a negative electrode tab by extending each collector 11 and 12, and the positive electrode tab and negative electrode tab which were prepared separately may be connected to each collector 11 and 12. FIG.
[正極及び負極の端子リード]
正極端子リード(図示せず、以下同じ)及び負極端子リード(図示せず、以下同じ)に関しても、必要に応じて使用する。例えば、各集電体11、12から出力電極端子となる正極タブ及び負極タブを直接取り出す場合には、正極端子リード及び負極端子リードは用いなくてもよい。
[Positive and negative terminal leads]
A positive terminal lead (not shown, the same below) and a negative terminal lead (not shown, the same below) are also used as necessary. For example, when the positive electrode tab and the negative electrode tab that are output electrode terminals are directly taken out from the current collectors 11 and 12, the positive electrode terminal lead and the negative electrode terminal lead may not be used.
正極端子リード及び負極端子リードの材料は、公知のリチウムイオン二次電池で用いられる端子リードを用いることができる。なお、電池外装材(図示せず)から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。 As a material for the positive electrode terminal lead and the negative electrode terminal lead, a terminal lead used in a known lithium ion secondary battery can be used. It should be noted that the part taken out from the battery exterior material (not shown) does not affect products (for example, automobile parts, particularly electronic devices) by contacting with peripheral devices or wiring and causing electric leakage. It is preferable to coat with a heat-shrinkable heat-shrinkable tube.
[電池外装材]
電池外装材22としては、従来公知の金属缶ケースを用いることができるほか、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた発電要素(電池要素)を覆うことができる袋状のケースを用いることができる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。
[Battery exterior materials]
As the battery exterior member 22, a conventionally known metal can case can be used, and a bag-like case that can cover a power generation element (battery element) using a laminate film containing aluminum can be used. For example, a laminate film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order can be used as the laminate film, but the laminate film is not limited thereto.
[リチウムイオン電池の外観構成]
図2は、本発明に係るリチウムイオン電池の代表的な実施形態である積層型の扁平な非双極型あるいは双極型のリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
[External structure of lithium-ion battery]
FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of a stacked flat non-bipolar or bipolar lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of the lithium ion battery according to the present invention.
図2に示すように、積層状の扁平なリチウムイオン電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ58、負極タブ59が引き出されている。発電要素(電池要素)57は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれる。その周囲は熱融着されており、発電要素(電池要素)57は、正極タブ58及び負極タブ59を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素(電池要素)57は、上述の図1に示した双極型でない積層型のリチウムイオン電池50の発電要素(電池要素)21に相当する。すなわち、かかる発電要素(電池要素)21は、正極(正極活物質層)13、電解質層17、及び負極(負極活物質層)15で構成される単電池層(=電池単位ないし単セル)19が複数積層されたものである。 As shown in FIG. 2, the laminated flat lithium ion battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59 for taking out electric power are drawn out from both sides thereof. ing. The power generation element (battery element) 57 is encased in the battery exterior material 52 of the lithium ion secondary battery 50. The surroundings are heat-sealed, and the power generation element (battery element) 57 is sealed with the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 pulled out to the outside. Here, the power generation element (battery element) 57 corresponds to the power generation element (battery element) 21 of the stacked lithium ion battery 50 which is not the bipolar type shown in FIG. That is, the power generation element (battery element) 21 includes a single battery layer (= battery unit or single cell) 19 including a positive electrode (positive electrode active material layer) 13, an electrolyte layer 17, and a negative electrode (negative electrode active material layer) 15. Are stacked.
なお、本発明のリチウムイオン電池は、図2に示すような積層状の扁平な形状のものに制限されるものではない。例えば、巻回型のリチウムイオン電池では、円筒型形状のものであってもよい。また、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよい。上記円筒型形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来公知の円筒缶(金属缶)を用いてもよく、特に制限されるものではない。 The lithium ion battery of the present invention is not limited to a laminated flat shape as shown in FIG. For example, a wound lithium ion battery may have a cylindrical shape. Further, such a cylindrical shape may be deformed to form a rectangular flat shape. In the said cylindrical shape thing, a laminate film may be used for the exterior material, and a conventionally well-known cylindrical can (metal can) may be used, and it does not restrict | limit in particular.
また、図2に示すタブ58、59の取り出しに関しても、特に制限されるものではなく、正極タブ58と負極タブ59とを同じ辺から引き出すようにしてもよい。その一方、正極タブ58と負極タブ59をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよく、図2に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 Further, the tabs 58 and 59 shown in FIG. 2 are not particularly limited, and the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be pulled out from the same side. On the other hand, the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side, and are not limited to those shown in FIG. Further, in a wound type lithium ion battery, instead of a tab, for example, a terminal may be formed using a cylindrical can (metal can).
また、上述の通り、本発明により得られるリチウムイオン二次電池用電極は、双極型の非水電解質二次電池(以下、「双極型電池」ともいう)にも用いることができる。 Further, as described above, the electrode for a lithium ion secondary battery obtained by the present invention can also be used for a bipolar nonaqueous electrolyte secondary battery (hereinafter also referred to as “bipolar battery”).
図3は、本発明のリチウムイオン電池の他の代表的な他の一実施形態である双極型の積層型リチウムイオン二次電池(以下、単に双極型リチウムイオン電池とも称する)の全体構造を模式的に表わした概略断面図である。しかし、本発明の技術的範囲はかような形態のみに制限されない。 FIG. 3 schematically shows the overall structure of a bipolar stacked lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as a bipolar lithium ion battery), which is another typical embodiment of the lithium ion battery of the present invention. FIG. However, the technical scope of the present invention is not limited to such a form.
図3に示す本実施形態の双極型電池10’は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素(電池要素;積層体)21が、電池外装材であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。 In the bipolar battery 10 ′ of the present embodiment shown in FIG. 3, a substantially rectangular power generation element (battery element; laminate) 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a laminate film 29 which is a battery exterior material. It has a stopped structure.
図3に示すように、本実施形態の双極型電池10’の発電要素21は、集電体11の一方の面に電気的に結合した正極活物質層13が形成され、前記集電体11の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層15が形成された複数の双極型電極を有する。各双極型電極は、電解質層17を介して積層されて発電要素21を形成する。なお、電解質層17は、基材としてのセパレータの面方向中央部に電解質が保持されてなる構成を有する。この際、一の双極型電極の正極活物質層13と前記一の双極型電極に隣接する他の双極型電極の負極活物質層15とが電解質層17を介して向き合うように、各双極型電極および電解質層17が交互に積層されている。すなわち、一の双極型電極の正極活物質層13と前記一の双極型電極に隣接する他の双極型電極の負極活物質層15との間に電解質層17が挟まれて配置されている。 As shown in FIG. 3, the power generation element 21 of the bipolar battery 10 ′ of the present embodiment is formed with a positive electrode active material layer 13 electrically coupled to one surface of the current collector 11, and the current collector 11. And a plurality of bipolar electrodes having a negative electrode active material layer 15 electrically coupled to the opposite surface. Each bipolar electrode is stacked via the electrolyte layer 17 to form the power generation element 21. The electrolyte layer 17 has a configuration in which an electrolyte is held at the center in the surface direction of a separator as a base material. At this time, each bipolar type is formed such that the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode and the negative electrode active material layer 15 of another bipolar electrode adjacent to the one bipolar electrode face each other through the electrolyte layer 17. Electrodes and electrolyte layers 17 are alternately stacked. That is, the electrolyte layer 17 is disposed between the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode and the negative electrode active material layer 15 of another bipolar electrode adjacent to the one bipolar electrode.
隣接する正極活物質層13、電解質層17、および負極活物質層15は、一つの単電池層(=電池単位ないし単セル)19を構成する。したがって、双極型電池10’は、単電池層19が積層されてなる構成を有するともいえる。また、電解質層17からの電解液の漏れによる液絡を防止する目的で、単電池層19の外周部にはシール部31が配置されている。該シール部31を設けることで、隣接する集電体11間を絶縁し、隣接する電極間の接触による短絡を防止することもできる。なお、発電要素21の最外層に位置する正極側の最外層集電体11aには、片面のみに正極活物質層13が形成されている。また、発電要素21の最外層に位置する負極側の最外層集電体11bには、片面のみに負極活物質層15が形成されている。ただし、正極側の最外層集電体11aの両面に正極活物質層13が形成されてもよい。同様に、負極側の最外層集電体11bの両面に負極活物質層15が形成されてもよい。 The adjacent positive electrode active material layer 13, electrolyte layer 17, and negative electrode active material layer 15 constitute one single battery layer (= battery unit or single cell) 19. Therefore, it can be said that the bipolar battery 10 ′ has a configuration in which the single battery layers 19 are stacked. Further, for the purpose of preventing liquid junction due to leakage of the electrolytic solution from the electrolyte layer 17, a seal portion 31 is disposed on the outer peripheral portion of the unit cell layer 19. By providing the seal portion 31, it is possible to insulate between the adjacent current collectors 11 and prevent a short circuit due to contact between adjacent electrodes. A positive electrode active material layer 13 is formed only on one side of the positive electrode outermost layer current collector 11 a located in the outermost layer of the power generation element 21. The negative electrode active material layer 15 is formed only on one surface of the outermost current collector 11b on the negative electrode side located in the outermost layer of the power generation element 21. However, the positive electrode active material layer 13 may be formed on both surfaces of the outermost layer current collector 11a on the positive electrode side. Similarly, the negative electrode active material layer 15 may be formed on both surfaces of the outermost layer current collector 11b on the negative electrode side.
さらに、図3に示す双極型電池10’では、正極側最外層集電体11aに隣接するように正極集電板25が配置され、これが延長されて電池外装材であるラミネートシート29から導出している。一方、負極側の最外層集電体11bに隣接するように負極集電板27が配置され、同様にこれが延長されて電池の外装であるラミネートシート29から導出している。 Further, in the bipolar battery 10 ′ shown in FIG. 3, the positive electrode current collector plate 25 is disposed so as to be adjacent to the positive electrode side outermost layer current collector 11a, and this is extended and led out from the laminate sheet 29 which is a battery exterior material. ing. On the other hand, a negative electrode current collector plate 27 is disposed so as to be adjacent to the outermost layer current collector 11b on the negative electrode side, and this is similarly extended and led out from a laminate sheet 29 which is an exterior of the battery.
図3に示す双極型電池10’においては、通常、各単電池層19の周囲にシール部31が設けられる。このシール部31は、電池内で隣り合う集電体11どうしが接触したり、発電要素21における単電池層19の端部の僅かな不揃いなどに起因する短絡が起こったりするのを防止する目的で設けられる。かようなシール部31の設置により、長期間の信頼性および安全性が確保され、高品質の双極型電池10’が提供されうる。 In the bipolar battery 10 ′ shown in FIG. 3, a seal portion 31 is usually provided around each single cell layer 19. The purpose of the seal portion 31 is to prevent the adjacent current collectors 11 in the battery from coming into contact with each other and a short circuit caused by a slight irregularity at the end of the unit cell layer 19 in the power generation element 21. Is provided. By installing such a seal portion 31, long-term reliability and safety can be ensured, and a high-quality bipolar battery 10 'can be provided.
なお、単電池層19の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。また、双極型電池10’では、電池の厚みを極力薄くしても十分な出力が確保できれば、単電池層19の積層回数を少なくしてもよい。双極型電池10’でも、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、発電要素21を電池外装材であるラミネートシート29に減圧封入し、正極集電板25及び負極集電板27をラミネートシート29の外部に取り出した構造とするのがよい。 Note that the number of stacks of the unit cell layers 19 is adjusted according to a desired voltage. In the bipolar battery 10 ′, the number of times the single battery layer 19 is stacked may be reduced if a sufficient output can be secured even if the battery is made as thin as possible. Even in the bipolar battery 10 ′, in order to prevent external impact and environmental degradation during use, the power generation element 21 is sealed under reduced pressure in a laminate sheet 29 that is a battery exterior material, and the positive current collector plate 25 and the negative current collector. It is preferable that the plate 27 be taken out of the laminate sheet 29.
リチウムイオン電池10と双極型電池10’の各構成要件および製造方法に関しては、双方の電池内の電気的な接続形態(電極構造)が異なることを除いては、基本的には同様である。そして、双極型電池10’の各構成要件および製造方法に関しても、同様の構成要件及び製造方法を適宜利用して構成ないし製造することができることは言うまでもない。また、本発明のリチウムイオン電池10および/または双極型電池10’を用いて、組電池や車両を構成することもできる。 The constituent elements and the manufacturing method of the lithium ion battery 10 and the bipolar battery 10 'are basically the same except that the electrical connection form (electrode structure) in both batteries is different. And it cannot be overemphasized that it can be comprised thru | or manufactured using the same structural requirements and manufacturing method suitably also regarding each structural requirements and manufacturing method of bipolar battery 10 '. Moreover, an assembled battery and a vehicle can also be comprised using the lithium ion battery 10 and / or bipolar battery 10 'of this invention.
[非水電解質二次電池の製造方法]
以下では、上記した第1〜第3実施形態で得られる物の製造方法の一例を説明する。非水電解質二次電池としては、特に限定されることはないが、例えば、リチウムイオン二次電池などが挙げられる。なお、以下では、リチウムイオン二次電池の製造方法について説明する。
[Method for producing non-aqueous electrolyte secondary battery]
Below, an example of the manufacturing method of the thing obtained by the above-mentioned 1st-3rd embodiment is explained. Although it does not specifically limit as a nonaqueous electrolyte secondary battery, For example, a lithium ion secondary battery etc. are mentioned. Hereinafter, a method for manufacturing a lithium ion secondary battery will be described.
(活物質スラリー調製工程)
本工程においては、本発明の特徴である正極活物質、及び負極活物質、並びに必要に応じて他の成分(例えば、バインダ、導電助剤、電解質、重合開始剤など)を、溶媒中で混合して、活物質スラリーを調製する。前記活物質スラリー中に配合される各成分の具体的な形態については、上記の本発明の電極の構成の欄において説明した通りであるため、ここでは詳細な説明を省略する。
(Active material slurry preparation process)
In this step, the positive electrode active material and the negative electrode active material, which are the characteristics of the present invention, and other components (for example, a binder, a conductive additive, an electrolyte, a polymerization initiator) as necessary are mixed in a solvent. Then, an active material slurry is prepared. The specific form of each component blended in the active material slurry is as described in the column of the configuration of the electrode of the present invention, and a detailed description thereof will be omitted here.
本発明に係る非水電解質二次電池用正極活物質を製造する際に、複数の工程が焼成工程であってもよい。なお、上記した焼成の温度は、いわゆる「本焼成」の条件を示し、仮焼成については上記の温度範囲に限定されることはない。特に限定されることはないものの、任意工程である仮焼成を行う場合には、一例として、その焼成温度は500℃以上700℃以下、焼成時間は1時間以上20時間以下が好ましい。また、本焼成や仮焼成は、酸化性雰囲気下で焼成されることが好ましい。 When manufacturing the positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, the plurality of steps may be firing steps. Note that the firing temperature described above indicates a so-called “main firing” condition, and the temporary firing is not limited to the above temperature range. Although not particularly limited, in the case of performing preliminary firing which is an optional step, as an example, the firing temperature is preferably 500 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, and the firing time is preferably 1 hour or longer and 20 hours or shorter. Further, it is preferable that the main firing or the temporary firing is performed in an oxidizing atmosphere.
溶媒の種類や混合手段は特に制限されず、電極製造について従来公知の知見が適宜参照されうる。溶媒の一例としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミド等が挙げられる。バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を採用する場合には、NMPを溶媒として用いるとよい。 The kind of solvent and the mixing means are not particularly limited, and conventionally known knowledge about electrode production can be appropriately referred to. Examples of the solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methylformamide and the like. When adopting polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder, NMP is preferably used as a solvent.
(塗膜形成工程)
続いて、各集電体を準備し、上記で調製した活物質スラリーを当該集電体の表面に塗布し、乾燥させる。これにより、集電体の表面に本発明に係る正極活物質スラリーからなる塗膜が形成される。この塗膜は、後述するプレス工程を経て、活物質層となる。
(Coating film formation process)
Subsequently, each current collector is prepared, and the active material slurry prepared above is applied to the surface of the current collector and dried. Thereby, the coating film consisting of the positive electrode active material slurry according to the present invention is formed on the surface of the current collector. This coating film becomes an active material layer through a pressing step described later.
準備する集電体の具体的な形態については、上記の本発明の電極の構成の欄において説明した通りであるため、ここでは詳細な説明を省略する。 The specific form of the current collector to be prepared is as described in the column of the configuration of the electrode of the present invention, and thus detailed description thereof is omitted here.
活物質スラリーを塗布するための塗布手段も特に限定されないが、例えば、自走型コータなどの一般的に用いられている手段が採用されうる。 The application means for applying the active material slurry is not particularly limited, but generally used means such as a self-propelled coater may be employed.
塗膜は、製造される電極における各集電体と活物質層との所望の配置形態に応じて、形成される。例えば、製造される電極が双極型電極の場合、集電体の一方の面に本発明に係る正極活物質を含む塗膜が形成される。なお、他方の面には本発明に係る負極活物質を含む塗膜が形成される。これに対し、双極型でない電極を製造する場合には、本発明に係る正極活物質または本発明に係る負極活物質のいずれか一方を含む塗膜が1枚の集電体の両面に形成される。 A coating film is formed according to the desired arrangement | positioning form of each collector and active material layer in the electrode manufactured. For example, when the manufactured electrode is a bipolar electrode, a coating film containing the positive electrode active material according to the present invention is formed on one surface of the current collector. In addition, the coating film containing the negative electrode active material which concerns on this invention is formed in the other surface. On the other hand, when manufacturing a non-bipolar electrode, a coating film containing either the positive electrode active material according to the present invention or the negative electrode active material according to the present invention is formed on both surfaces of one current collector. The
その後、集電体の表面に形成された塗膜を乾燥させる。これにより、塗膜中の溶媒が除去される。 Thereafter, the coating film formed on the surface of the current collector is dried. Thereby, the solvent in a coating film is removed.
塗膜を乾燥させるための乾燥手段も特に制限されず、電極製造について従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、加熱処理が例示される。乾燥条件(乾燥時間、乾燥温度など)は、本発明に係る活物質スラリーの塗布量やスラリーの溶媒の揮発速度に応じて適宜設定されうる。 The drying means for drying the coating film is not particularly limited, and conventionally known knowledge about electrode production can be appropriately referred to. For example, heat treatment is exemplified. Drying conditions (drying time, drying temperature, etc.) can be appropriately set according to the application amount of the active material slurry and the volatilization rate of the solvent of the slurry according to the present invention.
塗膜が重合開始剤を含む場合には、さらに重合工程を行うことで、塗膜中のイオン伝導性ポリマーが架橋性基によって架橋される。 When a coating film contains a polymerization initiator, the ion conductive polymer in a coating film is bridge | crosslinked by a crosslinkable group by performing a superposition | polymerization process further.
重合工程における重合処理も特に制限されることはなく、従来公知の知見を適宜参照すればよい。例えば、塗膜が熱重合開始剤(AIBNなど)を含む場合には、塗膜に熱処理を施す。また、塗膜が光重合開始剤(BDKなど)を含む場合には、紫外光などの光を照射する。なお、熱重合のための熱処理は、上記の乾燥工程と同時に行われてもよいし、当該乾燥工程の前または後に行われてもよい。 The polymerization treatment in the polymerization step is not particularly limited, and conventionally known knowledge may be referred to as appropriate. For example, when the coating film contains a thermal polymerization initiator (AIBN or the like), the coating film is subjected to heat treatment. Moreover, when a coating film contains a photoinitiator (BDK etc.), light, such as an ultraviolet light, is irradiated. In addition, the heat processing for thermal polymerization may be performed simultaneously with said drying process, and may be performed before or after the said drying process.
(プレス工程)
続いて、前記塗膜形成工程を経て作製された積層体を積層方向にプレスする。これにより、本発明に係る電池用電極が完成する。この際、プレス条件を調節することにより、活物質層の空隙率が制御されうる。
(Pressing process)
Then, the laminated body produced through the said coating-film formation process is pressed to the lamination direction. Thereby, the battery electrode according to the present invention is completed. At this time, the porosity of the active material layer can be controlled by adjusting the pressing conditions.
プレス処理の具体的な手段やプレス条件は特に制限されず、プレス処理後の活物質層の空隙率が所望の値となるように、適宜調節されうる。プレス処理の具体的な形態としては、例えば、ホットプレス機やカレンダーロールプレス機などが挙げられる。また、プレス条件(温度、圧力など)も特に制限されず、従来公知の知見が適宜参照されうる。 Specific means and pressing conditions for the press treatment are not particularly limited, and can be appropriately adjusted so that the porosity of the active material layer after the press treatment becomes a desired value. Specific examples of the press process include a hot press machine and a calendar roll press machine. Also, the pressing conditions (temperature, pressure, etc.) are not particularly limited, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate.
<第4実施形態>
[組電池]
本発明の第4実施形態は、上記第3実施形態で得られる非水電解質二次電池を有する、組電池である。
<Fourth embodiment>
[Battery]
4th Embodiment of this invention is an assembled battery which has a nonaqueous electrolyte secondary battery obtained by the said 3rd Embodiment.
本発明の組電池は、本発明のリチウムイオン電池を複数個接続して構成したものである。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。なお、本発明の組電池では、本発明の双極型でない積層型のリチウムイオン電池と双極型リチウムイオン電池を用いて、これらを直列に、並列に、または直列と並列とに、複数個組み合わせて、組電池を構成することもできる。 The assembled battery of the present invention is constituted by connecting a plurality of lithium ion batteries of the present invention. Specifically, at least two or more are used, and are configured by serialization, parallelization, or both. Capacitance and voltage can be freely adjusted by paralleling in series. In the assembled battery of the present invention, a non-bipolar stacked lithium ion battery and bipolar lithium ion battery of the present invention are used, and a plurality of these are combined in series, in parallel, or in series and in parallel. An assembled battery can also be configured.
また、図4(4A〜4C)は、本発明に係る組電池の代表的な一実施形態の外観図である。このうち、図4Aは組電池の平面図であり、図4Bは組電池の正面図であり、図4Cは組電池の側面図である。 4 (4A to 4C) is an external view of a typical embodiment of the assembled battery according to the present invention. 4A is a plan view of the assembled battery, FIG. 4B is a front view of the assembled battery, and FIG. 4C is a side view of the assembled battery.
図4A〜図4Cに示すように、本発明に係る組電池300は、本発明のリチウムイオン電池が複数、直列に又は並列に接続して装脱着可能な小型の組電池250を形成している。この装脱着可能な小型の組電池250をさらに複数、直列に又は並列に接続している。これにより、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池300を形成することもできる。図4Aは、組電池の平面図、図4Aは正面図、図4Cは側面図を示している。作成した装脱着可能な小型の組電池250は、バスバーのような電気的な接続手段を用いて相互に接続し、この組電池250は接続治具310を用いて複数段積層される。何個の双極型でない積層型ないし双極型のリチウムイオン電池を接続して組電池250を作成するか、また、何段の組電池250を積層して組電池300を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 As shown in FIGS. 4A to 4C, the assembled battery 300 according to the present invention forms a small assembled battery 250 that can be attached and detached by connecting a plurality of lithium ion batteries of the present invention in series or in parallel. . A plurality of the detachable small assembled batteries 250 are further connected in series or in parallel. Thereby, the assembled battery 300 having a large capacity and a large output suitable for a power source for driving a vehicle and an auxiliary power source that require a high volume energy density and a high volume output density can be formed. 4A is a plan view of the assembled battery, FIG. 4A is a front view, and FIG. 4C is a side view. The small assembled battery 250 that can be attached and detached is connected to each other using an electrical connection means such as a bus bar, and the assembled battery 250 is stacked in a plurality of stages using a connection jig 310. How many non-bipolar stacked or bipolar lithium ion batteries are connected to form the assembled battery 250, and how many assembled batteries 250 are stacked to form the assembled battery 300 are mounted. What is necessary is just to determine according to the battery capacity and output of the vehicle (electric vehicle) to be.
<第5実施形態>
[車両]
第5実施形態は、上記第3実施形態で得られる非水電解質二次電池、または上記第4実施形態で得られる組電池を搭載してなる車両である。本発明に係る車両は、本発明の非水電解質二次電池またはそれらを複数個組み合わせてなる組電池を搭載したことを特徴とするものである。
<Fifth Embodiment>
[vehicle]
The fifth embodiment is a vehicle on which the nonaqueous electrolyte secondary battery obtained in the third embodiment or the assembled battery obtained in the fourth embodiment is mounted. The vehicle according to the present invention is characterized in that the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention or an assembled battery formed by combining a plurality of them is mounted.
かような電池を搭載すると、EV走行距離のより長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一回の充電による走行距離のより長い電気自動車を構成できる。言い換えれば、本発明の非水電解質二次電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池は、車両の駆動用電源として用いられうる。 When such a battery is mounted, a plug-in hybrid electric vehicle having a longer EV mileage or an electric vehicle having a longer mileage by one charge can be configured. In other words, the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention or the assembled battery formed by combining a plurality of these can be used as a power source for driving a vehicle.
本発明の非水電解質二次電池用電極を用いた非水電解質二次電池またはそれらを複数個組み合わせてなる組電池を、車両に用いることにより、上記に記載の効果を発揮する車両となりうる。 By using a non-aqueous electrolyte secondary battery using the non-aqueous electrolyte secondary battery electrode of the present invention or an assembled battery formed by combining a plurality of them in a vehicle, a vehicle that exhibits the effects described above can be obtained.
車両としては、特に制限されないが、例えば、自動車ならばハイブリット車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)が挙げられる。また、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。 The vehicle is not particularly limited. For example, in the case of a car, a hybrid car, a fuel cell car, an electric car (all are four-wheeled vehicles (passenger cars, commercial vehicles such as trucks and buses, light vehicles, etc.), and motorcycles (motorcycles). ) And tricycles). Further, it can be applied to various power sources for other vehicles such as a moving body such as a train, and can also be used as a mounting power source for an uninterruptible power supply.
図5は、本発明の組電池を搭載した車両の概念図である。 FIG. 5 is a conceptual diagram of a vehicle equipped with the assembled battery of the present invention.
図5に示したように、組電池300を電気自動車400のような車両に搭載するには、電気自動車400の車体中央部の座席下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、組電池300を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。以上のような組電池300を用いた電気自動車400は高い耐久性を有し、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。さらに、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。本発明の組電池を搭載した車両としては、図5に示すような電気自動車のほか、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車などに幅広く適用できるものである。 As shown in FIG. 5, in order to mount the assembled battery 300 on a vehicle such as the electric vehicle 400, the battery pack 300 is mounted under the seat at the center of the vehicle body of the electric vehicle 400. This is because if it is installed under the seat, the interior space and the trunk room can be widened. The place where the assembled battery 300 is mounted is not limited to the position under the seat, but may be a lower part of the rear trunk room or an engine room in front of the vehicle. The electric vehicle 400 using the assembled battery 300 as described above has high durability and can provide sufficient output even when used for a long period of time. Furthermore, it is possible to provide electric vehicles and hybrid vehicles that are excellent in fuel efficiency and running performance. A vehicle equipped with the assembled battery of the present invention can be widely applied to a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle and the like in addition to an electric vehicle as shown in FIG.
本発明の効果を、以下の実施例及び比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例に示す形態のみに制限されるわけではない。 The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to only the forms shown in the following examples.
<実施例1>
(1)リチウムイオン二次電池用正極活物質E−1の作製
硫酸ニッケル(II)六水和物、硫酸マンガン(II)四水和物、硫酸コバルト(II)七水和物を各遷移金属元素のモル比がNi:Mn:Co=17:56:7となるように秤量し、イオン交換水に添加して、2mol/Lの硫酸塩水溶液を調整した。この硫酸塩水溶液の温度を25℃に制御して一定速度で攪拌した。この硫酸塩水溶液に、0.2mol/Lの水酸化アンモニウム水溶液を一定速度で滴下して、pHの値を7.5に調整した。その後、0.2mol/Lの水酸化アンモニウム水溶液と2mol/Lの炭酸ナトリウム水溶液とを、pH7.5で保持しながら一定速度で滴下して、沈殿物A−1を得た。沈殿物A−1を、イオン交換水により洗浄、吸引ろ過して、剰余の水分を除去した。さらに、120℃に保持した乾燥機内で、微量の水分を蒸発させて除去し、複合水酸化物B−1を得た。複合水酸化物B−1を大気雰囲気中、500℃に保持しつつ、5時間でかけて仮焼成し、複合酸化物C−1を得た。複合酸化物C−1のうち、Ni、Mn及びCoについて、ICP発光分光分析装置(型番:SPS1500VR、セイコーインスツルメンツ社製)を用いて、組成分析を行った。その結果、複合酸化物C−1における組成と仕込み組成とが一致することを確認した。その後、複合酸化物C−1と水酸化リチウム一水和物とを、各金属元素のモル比がLi:Ni:Mn:Co=125:17:56:7となるように混合・粉砕して、混合原料粉末D−1を得た。混合原料粉末D−1を、大気雰囲気中、900℃、12時間の条件で保持、焼成し、リチウムイオン二次電池用正極活物質粒子E−1を得た。E−1を目視観察したところ、茶色であった。
<Example 1>
(1) Preparation of positive electrode active material E-1 for lithium ion secondary battery Nickel (II) sulfate hexahydrate, manganese (II) sulfate tetrahydrate, and cobalt (II) sulfate heptahydrate are transition metals. Weighed so that the molar ratio of the elements was Ni: Mn: Co = 17: 56: 7, and added to ion-exchanged water to prepare a 2 mol / L sulfate aqueous solution. The temperature of the aqueous sulfate solution was controlled at 25 ° C. and stirred at a constant rate. To this sulfate aqueous solution, a 0.2 mol / L ammonium hydroxide aqueous solution was dropped at a constant rate to adjust the pH value to 7.5. Thereafter, a 0.2 mol / L ammonium hydroxide aqueous solution and a 2 mol / L sodium carbonate aqueous solution were dropped at a constant rate while maintaining the pH at 7.5 to obtain a precipitate A-1. Precipitate A-1 was washed with ion exchange water and suction filtered to remove excess water. Furthermore, in a drier kept at 120 ° C., a small amount of water was evaporated and removed to obtain a composite hydroxide B-1. While maintaining the composite hydroxide B-1 in an air atmosphere at 500 ° C., the composite hydroxide B-1 was calcined over 5 hours to obtain a composite oxide C-1. Among the complex oxides C-1, Ni, Mn, and Co were subjected to composition analysis using an ICP emission spectroscopic analyzer (model number: SPS1500VR, manufactured by Seiko Instruments Inc.). As a result, it was confirmed that the composition and the charged composition in the composite oxide C-1 were matched. Thereafter, the composite oxide C-1 and lithium hydroxide monohydrate were mixed and pulverized so that the molar ratio of each metal element was Li: Ni: Mn: Co = 125: 17: 56: 7. The mixed raw material powder D-1 was obtained. The mixed raw material powder D-1 was held and fired in the air at 900 ° C. for 12 hours to obtain positive electrode active material particles E-1 for a lithium ion secondary battery. When E-1 was visually observed, it was brown.
(2)粉末X線回折の測定
上記(1)で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子E−1について、粉末X線回折の測定をした。測定には理学電機株式会社製のRU−200(回転対陰極型)を使用し、以下の条件で行った。
(2) Measurement of powder X-ray diffraction About the positive electrode active material particle E-1 for lithium ion secondary batteries obtained by said (1), the powder X-ray diffraction was measured. For the measurement, RU-200 (rotary counter cathode type) manufactured by Rigaku Corporation was used, and the measurement was performed under the following conditions.
リチウムイオン二次電池用正極活物質粒子E−1の粉末X線回折測定の結果を図6に示す。そして、図中の最上段に示されたピークと、2段目〜4段目(最下段)に示されたピークとを対比した。結果として、観測されたピーク(図中の最上段に示されたピークに相当)は、Li2MnO3(単斜晶系構造)またはLiNiO2(α−NaFeO2型構造)に属するものであった。 The result of the powder X-ray-diffraction measurement of the positive electrode active material particle E-1 for lithium ion secondary batteries is shown in FIG. And the peak shown by the uppermost stage in a figure was contrasted with the peak shown by the 2nd stage-the 4th stage (bottom stage). As a result, the observed peak (corresponding to the peak shown at the top in the figure) belongs to Li 2 MnO 3 (monoclinic structure) or LiNiO 2 (α-NaFeO 2 type structure). It was.
(3)色差計の測定
上記(1)で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質E−1を色差計にて測定したところ、JIS Z 8729により規定される色空間であるL*a*b系表色系色座標はそれぞれ、a=4.36、b=2.09、及び、L=17.89であった。
(3) Measurement of color difference meter When the positive electrode active material E-1 for a lithium ion secondary battery obtained in (1) above was measured with a color difference meter, L * a, which is a color space defined by JIS Z 8729 * B color coordinate system color coordinates were a = 4.36, b = 2.09, and L = 17.89, respectively.
なお、参考までに、Li2MnO3からなるリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子について、L*a*b系表色系色座標を上記条件で測定したところ、それぞれ、a=30.46、b=26.14、及び、L=39.44であった。 For reference, the positive electrode active material particles for a lithium ion secondary battery made of Li 2 MnO 3 were measured under the above conditions for L * a * b color system color coordinates, and a = 30.46, respectively. B = 26.14 and L = 39.44.
(4)リチウムイオン二次電池の作製
リチウムイオン二次電池用正極活物質E−1 20mgと、導電剤且つバインダであるTAB−2 12mgとを、混練後にペレット成形してリチウムイオン二次電池用正極を得た。
(4) Production of lithium ion secondary battery 20 mg of positive electrode active material E-1 for lithium ion secondary battery and 12 mg of TAB-2 which is a conductive agent and binder are kneaded and pellet-molded for lithium ion secondary battery A positive electrode was obtained.
上記で作製したリチウムイオン二次電池用正極、対極(負極)としてLi金属、セパレータとしてガラス濾紙、及び、電解液として、1.0MのLiPF6を含有するエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DMC)との混合溶液(1:2のモル比)を用いて、コイン型2極式セルを作製した。 The positive electrode for the lithium ion secondary battery produced above, Li metal as the counter electrode (negative electrode), glass filter paper as the separator, and ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DMC) containing 1.0 M LiPF 6 as the electrolyte ) And a mixed solution (1: 2 molar ratio) was used to produce a coin-type bipolar cell.
(5)充放電容量の測定
上記のコイン型2極式セルを作製して24時間経過後に、以下の条件で、定電流定電圧充電及び定電流放電による充放電試験を開始した。
(5) Measurement of charge / discharge capacity After the above-described coin-type bipolar battery was prepared and 24 hours passed, a charge / discharge test by constant current / constant voltage charge and constant current discharge was started under the following conditions.
充電:充電電圧4.8V、充電時間8時間、充電電流密度0.2mA/cm2
放電:放電電圧2.0V、放電電流密度0.2mA/cm2
ただし、フォーメーションとして上限電圧を4.5V、4.6V及び4.7Vと、2サイクル毎に順次変化させた(計6サイクル)後に、上記の充放電条件により試験を実施した。得られた放電容量は275mAh/gであった。
Charging: Charging voltage 4.8V, charging time 8 hours, charging current density 0.2 mA / cm 2
Discharge: discharge voltage 2.0 V, discharge current density 0.2 mA / cm 2
However, the upper limit voltage was changed to 4.5V, 4.6V, and 4.7V as the formation in order every 2 cycles (6 cycles in total), and then the test was performed under the above charge / discharge conditions. The obtained discharge capacity was 275 mAh / g.
なお、参考までに、リチウムイオン二次電池用正極活物質粒子がLi2MnO3からなるものを用いた点以外は、上記と同様にして放電容量を測定したところ、得られた放電容量は21mAh/gであった。 For reference, the discharge capacity was measured in the same manner as described above except that the cathode active material particles for lithium ion secondary batteries were made of Li 2 MnO 3. The obtained discharge capacity was 21 mAh. / G.
<実施例2>
(1)リチウムイオン二次電池用正極活物質E−2の作製
実施例1中の複合酸化物C−1と水酸化リチウム一水和物とを、各元素のモル比がLi:Ni:Mn:Co=135:17:56:7となるように混合・粉砕した点以外は、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極活物質粒子E−2を得た。E−2を目視観察したところ、茶色であった。
<Example 2>
(1) Preparation of positive electrode active material E-2 for lithium ion secondary battery The molar ratio of each element of the composite oxide C-1 and lithium hydroxide monohydrate in Example 1 was Li: Ni: Mn. : Positive electrode active material particles E-2 for a lithium ion secondary battery were obtained in the same manner as in Example 1, except that mixing and pulverization were performed so that Co: 135: 17: 56: 7. When E-2 was visually observed, it was brown.
(2)色差計の測定
上記(1)で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質E−2を色差計にて測定したところ、JIS Z 8729により規定される色空間であるL*a*b系表色系色座標はa=2.11、b=−1.10、及び、L=19.52であった。
(2) Measurement of color difference meter When the positive electrode active material E-2 for lithium ion secondary battery obtained in (1) above was measured with a color difference meter, L * a, which is a color space defined by JIS Z 8729 * B color coordinate system color coordinates were a = 2.11, b = −1.10, and L = 19.52.
(3)リチウムイオン二次電池の作製
リチウムイオン二次電池用正極活物質としてE−2を用いた点以外は、実施例1と同様の方法・条件により、リチウムイオン二次電池を作製した。
(3) Production of Lithium Ion Secondary Battery A lithium ion secondary battery was produced by the same method and conditions as in Example 1 except that E-2 was used as the positive electrode active material for the lithium ion secondary battery.
(4)充放電容量の測定
実施例1と同様の方法・条件で測定したところ、得られた放電容量は256mAh/gであった。
(4) Measurement of charge / discharge capacity When measured by the same method and conditions as in Example 1, the obtained discharge capacity was 256 mAh / g.
<実施例3>
(1)リチウムイオン二次電池用正極活物質E−3の作製
実施例1中の複合酸化物C−1と水酸化リチウム一水和物とを、各元素のモル比がLi:Ni:Mn:Co=140:17:56:7となるように混合・粉砕した点以外は、実施例1にして、リチウムイオン二次電池用正極活物質粒子E−3を得た。E−3を目視観察したところ、茶色であった。
<Example 3>
(1) Production of positive electrode active material E-3 for lithium ion secondary battery The composite oxide C-1 and lithium hydroxide monohydrate in Example 1 were mixed at a molar ratio of each element of Li: Ni: Mn. : Positive electrode active material particles E-3 for a lithium ion secondary battery were obtained in the same manner as in Example 1 except that mixing and pulverization were performed so that Co = 140: 17: 56: 7. When E-3 was visually observed, it was brown.
(2)色差計の測定
上記(1)で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質E−3を色差計にて測定したところ、JIS Z 8729により規定される色空間であるL*a*b系表色系色座標はそれぞれ、a=1.68、b=−0.95、及び、L=19.18であった。
(2) Measurement of color difference meter When the positive electrode active material E-3 for lithium ion secondary battery obtained in the above (1) was measured with a color difference meter, L * a which is a color space defined by JIS Z 8729 * B color coordinate system color coordinates were a = 1.68, b = −0.95, and L = 19.18, respectively.
(3)リチウムイオン二次電池の作製
リチウムイオン二次電池用正極活物質としてE−3を用いた他は、実施例1と同様の方法・条件によりリチウムイオン二次電池を作製した。
(3) Production of Lithium Ion Secondary Battery A lithium ion secondary battery was produced by the same method and conditions as in Example 1 except that E-3 was used as the positive electrode active material for the lithium ion secondary battery.
(4)充放電容量の測定
実施例1と同様の手順で測定したところ、得られた放電容量は245mAh/gであった。
(4) Measurement of charge / discharge capacity When measured in the same procedure as in Example 1, the obtained discharge capacity was 245 mAh / g.
<実施例4>
(1)リチウムイオン二次電池用正極活物質E−4の作製
実施例1中の複合酸化物C−1と水酸化リチウム一水和物とを、各元素のモル比がLi:Ni:Mn:Co=145:17:56:7となるように混合・粉砕した点以外は、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極活物質粒子E−4を得た。E−4を目視観察したところ、茶色であった。
<Example 4>
(1) Production of positive electrode active material E-4 for lithium ion secondary battery The composite oxide C-1 and lithium hydroxide monohydrate in Example 1 were mixed at a molar ratio of each element of Li: Ni: Mn. : Positive electrode active material particles E-4 for a lithium ion secondary battery were obtained in the same manner as in Example 1 except that the mixture was mixed and pulverized so that Co = 145: 17: 56: 7. When E-4 was visually observed, it was brown.
(2)色差計の測定
上記(1)で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質E−4を色差計にて測定したところ、JIS Z 8729により規定される色空間であるL*a*b系表色系色座標はそれぞれ、a=1.60、b=−0.92、及び、L=19.98であった。
(2) Measurement of color difference meter When the positive electrode active material E-4 for lithium ion secondary battery obtained in (1) above was measured with a color difference meter, L * a which is a color space defined by JIS Z 8729 * B color coordinate system color coordinates were a = 1.60, b = −0.92, and L = 19.98, respectively.
(3)リチウムイオン二次電池の作製
リチウムイオン二次電池用正極活物質としてE−4を用いた点以外は、実施例1と同様の方法・条件により作製した。
(3) Production of Lithium Ion Secondary Battery A lithium ion secondary battery was produced by the same method and conditions as in Example 1 except that E-4 was used as the positive electrode active material for the lithium ion secondary battery.
(4)充放電容量の測定
実施例1と同様の手順で測定したところ、得られた放電容量は220mAh/gであった。
(4) Measurement of charge / discharge capacity When measured in the same procedure as in Example 1, the obtained discharge capacity was 220 mAh / g.
<実施例5>
(1)リチウムイオン二次電池用正極活物質E−5の作製
上記実施例1中の混合原料粉末D−1を700℃で焼成した点以外は、実施例1と同様の手順にて合成して、リチウムイオン二次電池用正極活物質粒子E−5を得た。E−5を目視観察したところ、茶色であった。
<Example 5>
(1) Preparation of positive electrode active material E-5 for lithium ion secondary battery Synthesize | combined in the same procedure as Example 1 except the point which baked mixed raw material powder D-1 in the said Example 1 at 700 degreeC. Thus, positive electrode active material particles E-5 for a lithium ion secondary battery were obtained. When E-5 was visually observed, it was brown.
(2)色差計の測定
上記(1)で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質E−5を色差計にて測定したところ、JIS Z 8729により規定される色空間であるL*a*b系表色系色座標はそれぞれ、a=5.70、b=5.81、及び、L=18.51であった。
(2) Measurement of color difference meter When the positive electrode active material E-5 for lithium ion secondary battery obtained in (1) above was measured with a color difference meter, L * a, which is a color space defined by JIS Z 8729 * B color coordinate system color coordinates were a = 5.70, b = 5.81, and L = 18.51 respectively.
(3)リチウムイオン二次電池の作製
リチウムイオン二次電池用正極活物質としてE−5を用いた点以外は、実施例1と同様の方法・条件により作製した。
(3) Production of Lithium Ion Secondary Battery A lithium ion secondary battery was produced by the same method and conditions as Example 1 except that E-5 was used as the positive electrode active material for the lithium ion secondary battery.
(4)充放電容量の測定
実施例1と同様の手順で測定したところ、得られた放電容量は245mAh/gであった。
(4) Measurement of charge / discharge capacity When measured in the same procedure as in Example 1, the obtained discharge capacity was 245 mAh / g.
<比較例1>
(1)リチウムイオン二次電池用正極活物質E−6の作製
実施例1中の混合原料粉末D−1を1000℃で焼成した点以外は、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極活物質粒子E−6を得た。E−6を目視観察したところ、黒色であった。
<Comparative Example 1>
(1) Production of positive electrode active material E-6 for lithium ion secondary battery Lithium ion secondary was performed in the same manner as in Example 1 except that the mixed raw material powder D-1 in Example 1 was baked at 1000 ° C. The positive electrode active material particle E-6 for batteries was obtained. When E-6 was visually observed, it was black.
(2)色差計の測定
上記(1)で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質E−6を色差計にて測定したところ、JIS Z 8729により規定される色空間であるL*a*b系表色系色座標はそれぞれ、a=2.43、b=−1.20、及び、L=18.94であった。
(2) Measurement of color difference meter When the positive electrode active material E-6 for lithium ion secondary battery obtained in (1) above was measured with a color difference meter, L * a, which is a color space defined by JIS Z 8729 * B color coordinate system color coordinates were a = 2.43, b = -1.20, and L = 18.94, respectively.
(3)リチウムイオン二次電池の作製
リチウムイオン二次電池用正極活物質としてE−6を用いた点以外は、実施例1と同様の方法・条件により作製した。
(3) Production of Lithium Ion Secondary Battery A lithium ion secondary battery was produced by the same method and conditions as Example 1 except that E-6 was used as the positive electrode active material for the lithium ion secondary battery.
(4)充放電容量の測定
実施例1と同様の手順で測定したところ、得られた放電容量は201mAh/gであった。
(4) Measurement of charge / discharge capacity When measured in the same procedure as in Example 1, the obtained discharge capacity was 201 mAh / g.
上記実施例と比較例との結果の有意な差異は、上記の正極活物質のL*a*b系表色系色座標の値によるものである。さらに、上記比較例1では、焼成温度がLiの一部揮散を生じさせうるほど高く、特性の劣る岩塩型結晶構造が一部生成することによると推測される。そのため、放電容量における上記実施例と比較例との結果の有意な差異が生じたものと考えられる。 The significant difference between the results of the above examples and comparative examples is due to the value of the L * a * b color system color coordinate of the positive electrode active material. Furthermore, in the said comparative example 1, it is estimated that a calcination temperature is so high that it may cause partial volatilization of Li, and a rock salt type crystal structure with inferior properties is partially generated. Therefore, it is considered that a significant difference in the results of the discharge capacity between the above example and the comparative example occurred.
<参考例1>
(1)熱重量及び示差熱の同時分析
実施例1で得られた混合原料粉末D−1について、熱重量(TG)及び示差熱(DTA)の同時分析を以下の条件で行った。なお、かかる同時分析に用いられる装置は、一般に示差熱熱重量同時測定装置(TG/DTA)と称される。
<Reference Example 1>
(1) Simultaneous analysis of thermogravimetry and differential heat About the mixed raw material powder D-1 obtained in Example 1, the simultaneous analysis of thermogravimetry (TG) and differential heat (DTA) was performed on the following conditions. An apparatus used for such simultaneous analysis is generally referred to as a differential thermothermal gravimetric simultaneous measurement apparatus (TG / DTA).
熱重量及び示差熱の同時分析の測定結果を図7に示す。図7中、上側の曲線は重量減少曲線(TG、質量%)を示し、下側の曲線は示差熱曲線(DTA、μV)を示す。重量減少曲線(TG、質量%)を見ると、急激な減少が生じる交点は約60℃、−2.5%であり、重量の急激な減少が収まる点が約100℃、−16.5℃であることが分かる。そして、その後は、1200℃、−26.6%という数値からも分かるように、緩やかな重量の減少に留まる。一方、示差熱曲線(DTA、μV)では、40℃付近及び419℃付近の融解による吸熱、及び79℃付近の熱分解による発熱が見られる。 The measurement results of the simultaneous analysis of thermogravimetry and differential heat are shown in FIG. In FIG. 7, the upper curve shows a weight loss curve (TG, mass%), and the lower curve shows a differential heat curve (DTA, μV). Looking at the weight loss curve (TG, mass%), the intersection where the rapid decrease occurs is about 60 ° C. and −2.5%, and the points where the sudden decrease in weight falls are about 100 ° C. and −16.5 ° C. It turns out that it is. After that, as can be seen from the numerical values of 1200 ° C. and −26.6%, the weight decreases only moderately. On the other hand, in the differential heat curve (DTA, μV), endotherm due to melting near 40 ° C. and 419 ° C. and heat generation due to thermal decomposition near 79 ° C. are observed.
混合原料粉末を空気雰囲気で焼成することにより、本願所望の効果を十分に発揮するような高性能のリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子を得るためには、好ましい焼成温度が約419℃以上、より好ましい焼成温度が500℃以上であることを見出した。なお、上記「500℃」とは、図2の重量減少曲線及び示差熱曲線を微視的に見た結果、導き出したものである。さらに、反応に要する焼成時間を考慮すると、焼成温度を700℃以上とするのが特に好ましいことも見出した。 In order to obtain high-performance positive electrode active material particles for a lithium ion secondary battery that sufficiently exhibit the desired effect of the present application by firing the mixed raw material powder in an air atmosphere, a preferable firing temperature is about 419 ° C. or higher. It has been found that a more preferable firing temperature is 500 ° C. or higher. The “500 ° C.” is derived as a result of microscopically viewing the weight loss curve and the differential heat curve of FIG. Furthermore, it has also been found that the firing temperature is particularly preferably 700 ° C. or higher in consideration of the firing time required for the reaction.
10、50 リチウムイオン電池、
10’ 双極型電池、
11 正極集電体、集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
12 負極集電体、
13 正極、正極活物質層、
14 負極集電体、
14a 最外層負極集電体、
15 負極、負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層(=電池単位ないし単セル)、
21、57 電池要素、発電要素、電池要素(発電要素;積層体)、
52 電池外装材、
25 正極集電板、
27 負極集電板、
29 ラミネートシート、ラミネートフィルム、
31 シール部、
58 正極タブ、
59 負極タブ、
250 小型の組電池、
300 組電池、
310 接続治具、
400 電気自動車。
10, 50 lithium ion battery,
10 'bipolar battery,
11 Positive electrode current collector, current collector,
11a The outermost layer current collector on the positive electrode side,
11b The outermost layer current collector on the negative electrode side,
12 negative electrode current collector,
13 positive electrode, positive electrode active material layer,
14 negative electrode current collector,
14a outermost layer negative electrode current collector,
15 negative electrode, negative electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 single battery layer (= battery unit or single cell),
21, 57 Battery element, power generation element, battery element (power generation element; laminate),
52 Battery exterior material,
25 positive current collector,
27 negative current collector,
29 Laminate sheet, laminate film,
31 seal part,
58 positive electrode tab,
59 Negative electrode tab,
250 small battery pack,
300 battery packs,
310 connection jig,
400 Electric car.
Claims (7)
その際、1.1<w<1.5、0.1<x<0.4、0.4<y<0.9、0<z<0.2、w+x+y+z=2、及び、−0.2<δ<0.2である。 L * a * b color system color coordinates which are color spaces defined by JIS Z 8729 are 0 <a <10, −1.2 <b <20.0, and 0 <L <30, and , composition formula Li w Ni x Mn y Co z O represented by 2 + [delta], the positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery.
In that case, 1.1 <w <1.5, 0.1 <x <0.4, 0.4 <y <0.9, 0 <z <0.2, w + x + y + z = 2, and −0. 2 <δ <0.2.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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