JP2012028225A - Nonaqueous electrolyte secondary battery and method for manufacturing positive electrode mixture - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は非水電解質二次電池及び正極合剤の製造方法に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery and a method for producing a positive electrode mixture.
例えばスマートグリッドのような電力系統の用途、鉄道及び自動車等の車両搭載用用途、情報機器用用途等に非水電解質二次電池(リチウムイオン二次電池)が注目されている。非水電解質二次電池の正極に含まれる正極活物質としては、従来コバルト酸リチウムが主流であった。しかし、その原料であるコバルトは産出量が少なく高価であるため、コバルト酸リチウムを正極活物質として用いた非水電解質二次電池は高価なものであった。また、このようなコバルト酸リチウムを用いた非水電解質二次電池は、充電末期に電池温度が上昇した場合における安全性に課題を有していた。 For example, nonaqueous electrolyte secondary batteries (lithium ion secondary batteries) are attracting attention for use in power systems such as smart grids, use in vehicles such as railways and automobiles, and use in information equipment. As the positive electrode active material contained in the positive electrode of the nonaqueous electrolyte secondary battery, lithium cobaltate has been the mainstream. However, since the raw material cobalt is small in output and expensive, a non-aqueous electrolyte secondary battery using lithium cobaltate as a positive electrode active material has been expensive. Further, such a non-aqueous electrolyte secondary battery using lithium cobaltate has a problem in safety when the battery temperature rises at the end of charging.
上記の理由により、コバルト酸リチウムに代わる正極活物質として、現在では、例えばマンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム等の利用が検討されている。しかしながら、マンガン酸リチウムを正極活物質として用いた非水電解質二次電池においては、十分な放電容量が実現できず、また、電池温度が高くなるとマンガンが溶出する等の課題を有している。また、ニッケル酸リチウムを正極活物質として用いた非水電解質二次電池においては、放電電圧が低下するとともに、充電末期での電池の熱的安定性の低下等の課題を有している。 For the above reasons, the use of, for example, lithium manganate, lithium nickelate, and the like as a positive electrode active material that replaces lithium cobaltate is currently being studied. However, non-aqueous electrolyte secondary batteries using lithium manganate as a positive electrode active material have problems such as insufficient discharge capacity and elution of manganese when the battery temperature rises. In addition, a nonaqueous electrolyte secondary battery using lithium nickelate as a positive electrode active material has problems such as a decrease in discharge voltage and a decrease in battery thermal stability at the end of charging.
このような課題に鑑み、最近では、電池の発熱量が従来よりも低くかつ電池高温時の安定性が高く、金属溶出が起こり難い、LiFePO4等のオリビン型リン酸鉄リチウムが正極活物質として注目されてきている。オリビン型リチウム含有リン酸塩は、化学式がLiMPO4(ただし、Mは、Co,Ni,Mn,Feからなる群より選ばれる1種以上の元素を表す。)で表されるものであり、元素Mの種類によって電池電圧を任意に選定することができる。そして、このようなオリビン型リチウム含有リン酸塩を正極活物質として用いた電池は、電池容量が通常140mAh/g以上170mAh/g以下程度と比較的高いので、単位重量あたりの電池容量を大きくすることができるという利点がある。特に、例えばMがFeであるリン酸鉄リチウム(LiFePO4)は産出量が多く安価である観点から、リン酸鉄リチウムを用いた非水電解質二次電池の生産コストを大幅に削減できるという利点を有している。 In view of such a problem, recently, olivine type lithium iron phosphate such as LiFePO 4 is used as a positive electrode active material. Has attracted attention. The olivine-type lithium-containing phosphate is represented by the chemical formula LiMPO 4 (where M represents one or more elements selected from the group consisting of Co, Ni, Mn, and Fe). The battery voltage can be arbitrarily selected according to the type of M. A battery using such an olivine-type lithium-containing phosphate as a positive electrode active material has a relatively high battery capacity of about 140 mAh / g or more and about 170 mAh / g or less, so the battery capacity per unit weight is increased. There is an advantage that you can. In particular, for example, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) in which M is Fe is advantageous in that it can greatly reduce the production cost of a non-aqueous electrolyte secondary battery using lithium iron phosphate from the viewpoint of high yield and low cost. have.
オリビン型リチウム含有リン酸塩の中で、例えばリン酸鉄リチウムは、それを用いた電池が充電状態で、熱的安定性が高いリン酸鉄となることが知られている。また、充電終止電位がリチウム金属基準の3.6Vであり、非水電解液の主成分として通常使用される環状カーボネート及び鎖状カーボネートの分解電位である4.2V以下で100%充電することが可能である。そのため、リン酸鉄リチウムを用いた非水電解質二次電池は、その充電時に鉄が析出して電池内部で短絡を起こさないため耐久性が高く、更には、その充電時に非水電解液の分解を抑制することができる正極活物質として期待されている。 Among olivine-type lithium-containing phosphates, for example, lithium iron phosphate is known to be iron phosphate having high thermal stability when a battery using the lithium phosphate is in a charged state. Further, the charging end potential is 3.6 V based on lithium metal, and the battery is charged 100% at 4.2 V or less, which is the decomposition potential of cyclic carbonates and chain carbonates usually used as the main component of the non-aqueous electrolyte. Is possible. Therefore, non-aqueous electrolyte secondary batteries using lithium iron phosphate are highly durable because iron does not deposit during charging and cause a short circuit inside the battery. It is expected as a positive electrode active material that can suppress the above.
しかしながら、リン酸鉄リチウムは、本来イオン伝導体であるNASICON構造を有するために電子伝導性に乏しく、かつ強固な結晶構造を有するが故にリチウムイオンの拡散が限定されたものとなっている。従って、一次元の拡散経路しか存在しないために、リチウムイオンの拡散性も乏しいことが知られている。そのため、リン酸鉄リチウムは上記のような利点を有するにも関らず、その電子伝導性の低さゆえに正極活物質としては利用し難いという課題がある。 However, lithium iron phosphate has a NASICON structure, which is an ionic conductor, and therefore has poor electron conductivity, and has a strong crystal structure, so that lithium ion diffusion is limited. Accordingly, it is known that only one-dimensional diffusion path exists, so that lithium ion diffusibility is poor. Therefore, despite the above advantages, lithium iron phosphate has a problem that it is difficult to use as a positive electrode active material because of its low electronic conductivity.
このような課題を解決するために、導電性の高い炭素材料をリン酸鉄リチウム粒子の表面に被覆して電子伝導性を向上させるとともに、当該粒子の粒子径を1μm以下にして反応性経路を短絡させ、反応速度を高めることで正極活物質として利用することが特許文献1に記載されている。
In order to solve such problems, the surface of the lithium iron phosphate particles is coated with a highly conductive carbon material to improve the electron conductivity, and the particle diameter of the particles is set to 1 μm or less to provide a reactive path.
また、特許文献2には、導電剤を用いて電極内の電子伝導性を向上させ、さらにアルミニウム箔上に電極形成するために正極活物質粒子の粒子間接触を確保することが記載されている。また、特許文献3には、粒子間接触を改善することを目的に、ポリアクリルニトリルを用いることが記載されている。
表1は、本発明者の検討によって得られた、リン酸鉄リチウム及びコバルト酸リチウムについて、放電容量(mAh/g)と真密度(g/cm3)との積で示される容量密度(mAh/cm3)を示したものである。 Table 1 shows the capacity density (mAh) obtained by the product of the discharge capacity (mAh / g) and the true density (g / cm 3 ) for lithium iron phosphate and lithium cobaltate obtained by the study of the present inventors. / Cm 3 ).
また、理論エネルギー密度は、平均電位と放電容量と真密度との積を表す。
The theoretical energy density represents the product of average potential, discharge capacity, and true density.
リン酸鉄リチウム及びコバルト酸リチウムのいずれについても、同程度の放電容量を示すものの、リン酸鉄リチウムの真密度は、コバルト酸リチウムのものと比べて低いため(具体的には約3/4)、理論容量密度が約25%低いものとなっている。また、実際には、リン酸鉄リチウムの反応活性を高めるためにリン酸鉄リチウムを小粒子化させるとともに、さらに導電性を高めるために真密度の低い炭素材料とリン酸鉄リチウムとを複合化させるため、正極におけるリン酸鉄リチウムの含有量はより低いものとなるため、正極の電極密度は通常1.7g/cm3以上2g/cm3以下の範囲で調整される。 Although both lithium iron phosphate and lithium cobaltate show similar discharge capacities, the true density of lithium iron phosphate is lower than that of lithium cobaltate (specifically, about 3/4). ), And the theoretical capacity density is about 25% lower. In addition, in order to increase the reaction activity of lithium iron phosphate, the particle size of lithium iron phosphate is reduced, and in order to further increase the conductivity, a low-density carbon material and lithium iron phosphate are combined. Therefore, since the content of lithium iron phosphate in the positive electrode becomes lower, the electrode density of the positive electrode is usually adjusted in the range of 1.7 g / cm 3 or more and 2 g / cm 3 or less.
また、リン酸鉄リチウムを正極活物質として含む正極の電位は通常3.4V程度である。従って、コバルト酸リチウムを正極活物質として含む正極(通常は4.2V程度)のエネルギー密度と比較すると、リン酸鉄リチウムを用いた場合のエネルギー密度は低いものとなる。即ち、従来のコバルト酸リチウムを正極活物質として含む正極を有する電池と同程度のエネルギー密度を、リン酸鉄リチウムを正極活物質として含む正極を用いて達成しようとする場合、正極における正極活物質の含有量を増加させることが重要であるが、正極への充填性が低いことから、従来の正極よりも約25%合剤層量を増加させる必要がある。従って、正極が、従来のものよりも厚膜化することになる。 The potential of the positive electrode containing lithium iron phosphate as a positive electrode active material is usually about 3.4V. Therefore, the energy density when lithium iron phosphate is used is lower than the energy density of a positive electrode (usually about 4.2 V) containing lithium cobalt oxide as a positive electrode active material. That is, when it is intended to achieve the same energy density as a battery having a positive electrode containing lithium cobaltate as a positive electrode active material using a positive electrode containing lithium iron phosphate as a positive electrode active material, the positive electrode active material in the positive electrode Although it is important to increase the content of, it is necessary to increase the amount of the mixture layer by about 25% as compared with the conventional positive electrode because the filling property to the positive electrode is low. Therefore, the positive electrode becomes thicker than the conventional one.
正極の厚さが厚くなると正極集電体から電極表面までの距離が長くなることから、電極内の電子伝導パス及びリチウムイオン拡散パスも長いものとなる。即ち、正極の厚さが厚くなると、電池の内部抵抗が増加することになる。また、正極活物質粒子同士の粒子間接触が増えることでより多くのバインダ量が必要になることがあるが、バインダは通常電子伝導性をほとんど有さず、電極内の電子伝導パス及びリチウムイオン拡散パスがバインダによって阻害されることがある。従って、バインダ量の増加によってもやはり内部抵抗が増加することがある。以上のように、正極の厚さが厚くなることにより電池内部の抵抗が増加するという課題がある。 When the thickness of the positive electrode is increased, the distance from the positive electrode current collector to the electrode surface is increased, so that the electron conduction path and the lithium ion diffusion path in the electrode are also increased. That is, as the thickness of the positive electrode increases, the internal resistance of the battery increases. In addition, a larger amount of binder may be required due to an increase in inter-particle contact between the positive electrode active material particles, but the binder usually has almost no electron conductivity, and the electron conduction path and lithium ion in the electrode. The diffusion path may be hindered by the binder. Therefore, the internal resistance may also increase with an increase in the binder amount. As described above, there is a problem that the resistance inside the battery increases as the thickness of the positive electrode increases.
本発明は上記の課題を解決すべくなされたものであり、その目的は、熱的安定性が高く、かつ、高エネルギー密度の電極を有する非水電解質二次電池、及び正極合剤の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its object to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery having a high thermal stability and a high energy density, and a method for producing a positive electrode mixture. Is to provide.
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、正極中に特定量の導電剤で被覆した正極活物質に加えて、さらに別の複数の導電剤とバインダとを含有させることにより、熱的安定性が高く、かつ、高エネルギー密度の電極を有する非水電解質二次電池、及び正極合剤の製造方法を提供することができることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has added a plurality of other conductive agents and a binder in addition to the positive electrode active material coated with a specific amount of a conductive agent in the positive electrode, thereby increasing the heat. The present invention was completed by finding that a nonaqueous electrolyte secondary battery having high mechanical stability and a high energy density electrode and a method for producing a positive electrode mixture can be provided.
本発明によれば、熱的安定性が高く、かつ、高エネルギー密度の電極を有する非水電解質二次電池、及び正極合剤の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery having a high thermal stability and a high energy density electrode, and a method for producing a positive electrode mixture.
以下、本発明を実施するための形態(以下、適宜「本実施形態」と言う。)を詳細に説明するが、本実施形態は以下の内容に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施することができる。 Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment” as appropriate) will be described in detail, but the present embodiment is not limited to the following contents and does not depart from the gist thereof. Any change can be made within the range.
[1.非水電解質二次電池]
本実施形態に係る非水電解質二次電池は、正極活物質、導電剤及びバインダを含む正極合剤層が正極集電体の表面に形成された正極であって、上記正極合剤層量が上記正極集電体の片面あたり125g/m2以上である正極を有する非水電解質二次電池において、上記正極合剤層が、上記正極活物質として、下記式(1)で表されるオリビン型リチウム含有リン酸塩(以下、適宜「リチウム含有リン酸塩(1)」と言う。)と、上記導電剤として、非晶質炭素、塊状黒鉛及びカーボンブラックと、上記バインダとして、ポリアクリロニトリル及びポリフッ化ビニリデンと、を含むとともに、上記正極活物質が、上記正極合剤層全体に対して2重量%以上5重量%以下となる量の上記非晶質炭素で被覆され、上記導電剤の含有量が、上記正極合剤層全体に対して6重量%以上であるものである。
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment is a positive electrode in which a positive electrode mixture layer including a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder is formed on the surface of a positive electrode current collector, and the amount of the positive electrode mixture layer is In the non-aqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode of 125 g / m 2 or more per side of the positive electrode current collector, the positive electrode mixture layer is an olivine type represented by the following formula (1) as the positive electrode active material: Lithium-containing phosphate (hereinafter referred to as “lithium-containing phosphate (1)” as appropriate), amorphous carbon, massive graphite and carbon black as the conductive agent, and polyacrylonitrile and polyfluoride as the binder. And the positive electrode active material is coated with the amorphous carbon in an amount of 2 wt% or more and 5 wt% or less with respect to the whole positive electrode mixture layer, and the content of the conductive agent Is the positive electrode It is 6% by weight or more based on the whole agent layer.
[1−1.正極合剤層]
本実施形態に係る非水電解質二次電池が有する正極(以下、適宜「本実施形態に係る正極」と言う。)は、正極集電体の表面に正極合剤層が形成されたものである。以下、本実施形態に係る非水電解質二次電池において、上記正極集電体表面に形成された正極合剤層を、適宜「本実施形態に係る正極合剤層」と言う。
[1-1. Positive electrode mixture layer]
The positive electrode included in the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment (hereinafter referred to as “the positive electrode according to this embodiment” as appropriate) has a positive electrode mixture layer formed on the surface of the positive electrode current collector. . Hereinafter, in the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment, the positive electrode mixture layer formed on the surface of the positive electrode current collector is appropriately referred to as a “positive electrode mixture layer according to the present embodiment”.
本実施形態に係る正極合剤層は、正極活物質、導電剤及びバインダを含むものである。 The positive electrode mixture layer according to the present embodiment includes a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder.
〔正極活物質〕
本実施形態に係る正極合剤層に含まれる正極活物質としては、リチウム含有リン酸塩(1)を用いる。ここで、「オリビン型リチウム含有リン酸塩」とは、オリビン型の結晶構造を有するリチウム含有リン酸塩を表す。オリビン型リチウム含有リン酸塩は熱的安定性に優れることから、オリビン型リチウム含有リン酸塩を正極活物質として用いた正極を有する電池は、良好な熱的安定性が期待できる。
[Positive electrode active material]
Lithium-containing phosphate (1) is used as the positive electrode active material contained in the positive electrode mixture layer according to the present embodiment. Here, the “olivine-type lithium-containing phosphate” represents a lithium-containing phosphate having an olivine-type crystal structure. Since the olivine-type lithium-containing phosphate is excellent in thermal stability, a battery having a positive electrode using the olivine-type lithium-containing phosphate as a positive electrode active material can be expected to have good thermal stability.
上記式(1)中、xは0より大きく1以下の数を表わす。また、M1は、Fe及び/又はMnを表すが、その一部がTi,Zr,Moからなる群より選ばれる1種以上の元素で置換されていてもよい。Fe及び/又はMnの一部がTi,Zr,Moからなる群より選ばれる1種以上の元素で置換される場合、その置換割合は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意である。 In the above formula (1), x represents a number greater than 0 and 1 or less. M 1 represents Fe and / or Mn, and a part thereof may be substituted with one or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, and Mo. When a part of Fe and / or Mn is substituted with one or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, and Mo, the substitution ratio is arbitrary as long as the effects of the present invention are not significantly impaired.
このようなオリビン型リチウム含有リン酸塩の具体例としては、LiFePO4、LiMnPO4、LiFe1/2Mn1/2PO4、LiFe1/3Mn1/3Ti1/3PO4、LiFe1/3Mn1/3Zr1/3PO4、LiFe1/3Mn1/3Mo1/3PO4等が挙げられる。中でも、本実施形態に係る正極合剤層に含まれる正極活物質としては、入手が容易であるという観点から、LiFePO4(リン酸鉄リチウム)が好ましい。なお、正極活物質は、1種が単独で含まれてもよく、2種以上が任意の比率及び組み合わせで含まれていてもよい。また、正極活物質として、リチウム含有リン酸塩(1)に加えて、公知の任意の正極活物質が含まれていてもよい。 Specific examples of such olivine-type lithium-containing phosphate include LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiFe 1/2 Mn 1/2 PO 4 , LiFe 1/3 Mn 1/3 Ti 1/3 PO 4 , LiFe 1 / 3 Mn 1/3 Zr 1/3 PO 4 , LiFe 1/3 Mn 1/3 Mo 1/3 PO 4 and the like. Especially, as a positive electrode active material contained in the positive electrode mixture layer according to the present embodiment, LiFePO 4 (lithium iron phosphate) is preferable from the viewpoint of easy availability. In addition, a positive electrode active material may be contained individually by 1 type, and 2 or more types may be contained by arbitrary ratios and combinations. In addition to the lithium-containing phosphate (1), any known positive electrode active material may be included as the positive electrode active material.
本実施形態に係る正極合剤層に含まれる正極活物質の形状は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、通常は粒子状である。含まれる正極活物質の形状が粒子状である場合、その粒径も本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、その平均粒径を0.5μm以下とすることが好ましい。正極活物質として一般的に用いられる例えばコバルト酸リチウム及びマンガン酸リチウム等と比べてイオン伝導性が非常に低いため、平均粒径をこの範囲とすることで、正極活物質の反応性を増大させることができる。なお、正極活物質の平均粒径は、粒度分布測定装置を用いて測定することができる。 The shape of the positive electrode active material contained in the positive electrode mixture layer according to this embodiment is arbitrary as long as the effect of the present invention is not significantly impaired, but is usually in the form of particles. When the shape of the positive electrode active material contained is particulate, its particle size is arbitrary as long as the effects of the present invention are not significantly impaired, but the average particle size is preferably 0.5 μm or less. Since the ion conductivity is very low compared with, for example, lithium cobaltate and lithium manganate generally used as the positive electrode active material, the reactivity of the positive electrode active material is increased by setting the average particle size within this range. be able to. In addition, the average particle diameter of a positive electrode active material can be measured using a particle size distribution measuring apparatus.
本実施形態に係る正極合剤層に含まれる正極活物質の量は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、正極合剤層の全量に対して、通常85重量%以上、また、通常87重量%以下とする。 The amount of the positive electrode active material contained in the positive electrode mixture layer according to the present embodiment is arbitrary as long as the effect of the present invention is not significantly impaired, but is usually 85% by weight or more based on the total amount of the positive electrode mixture layer. The amount is usually 87% by weight or less.
〔導電剤〕
本実施形態に係る正極合剤層に含まれる導電剤としては、非晶質炭素、塊状黒鉛及びカーボンブラックを用いる。ただし、本実施形態に係る正極合剤層においては、正極活物質は、図1に示すように、上記正極活物質10aが導電剤としての非晶質炭素10bで被覆され、非晶質炭素被覆正極活物質10として存在している。
[Conductive agent]
As the conductive agent contained in the positive electrode mixture layer according to the present embodiment, amorphous carbon, massive graphite, and carbon black are used. However, in the positive electrode mixture layer according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, the positive electrode active material is formed by coating the positive electrode
上記のように、本実施形態に係る正極合剤層に含まれる正極活物質は、非晶質炭素で被覆されている。非晶質炭素の被覆量は、正極合剤層の全体に対して、通常2重量%以上、好ましくは3重量%以上、また、その上限は、通常5重量%以下である。非晶質炭素の被覆量が少なすぎる場合、正極活物質表面を均一に被覆することができないため正極活物質に対して十分な導電性の付与ができない可能性があり、被覆量が多すぎる場合、非晶質炭素被覆正極活物質の比表面積が大きくなるため正極活物質同士を接着させるためにより多くのバインダが必要となることがある。従って、相対的に黒鉛及びカーボンブラック(いずれも後述する。)の含有量が減少し、正極合剤層における電子伝導性が低下する可能性がある。 As described above, the positive electrode active material included in the positive electrode mixture layer according to this embodiment is coated with amorphous carbon. The coating amount of the amorphous carbon is usually 2% by weight or more, preferably 3% by weight or more, and the upper limit is usually 5% by weight or less with respect to the whole positive electrode mixture layer. If the coating amount of amorphous carbon is too small, the surface of the positive electrode active material cannot be uniformly coated, so that sufficient conductivity may not be imparted to the positive electrode active material, and the coating amount is too large Since the specific surface area of the amorphous carbon-coated positive electrode active material is increased, a larger amount of binder may be required to bond the positive electrode active materials to each other. Accordingly, the contents of graphite and carbon black (both described later) are relatively reduced, and the electron conductivity in the positive electrode mixture layer may be lowered.
また、非晶質炭素で被覆後の正極活物質の比表面積は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、通常10m2/g以上、また、通常20m2/g以下である。なお、比表面積は、例えばBET法に従って測定することができる。 Moreover, the specific surface area of the positive electrode active material after coating with amorphous carbon is arbitrary as long as the effects of the present invention are not significantly impaired, but is usually 10 m 2 / g or more and usually 20 m 2 / g or less. The specific surface area can be measured, for example, according to the BET method.
なお、非晶質炭素は、1種が単独で含まれてもよく、2種以上が任意の比率及び組み合わせで含まれてもよい。 One kind of amorphous carbon may be included alone, or two or more kinds of amorphous carbon may be included in any ratio and combination.
(塊状黒鉛)
本実施形態に係る正極合剤層に含まれる塊状黒鉛としては、本発明の効果を著しく損なわない限り、公知の任意のものを用いることができる。従って、塊状黒鉛の物性も、本発明の効果を著しく損なわない限り任意である。例えば塊状黒鉛の大きさは、その平均粒径として、通常5μm以上、好ましくは10μm以上、また、その上限は、通常20μm以下である。なお、塊状黒鉛の平均粒径は、粒度分布測定装置を用いて測定することができる。
(Lumped graphite)
As the block graphite contained in the positive electrode mixture layer according to the present embodiment, any known one can be used as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. Therefore, the physical properties of the massive graphite are arbitrary as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. For example, the bulk graphite has a mean particle size of usually 5 μm or more, preferably 10 μm or more, and its upper limit is usually 20 μm or less. In addition, the average particle diameter of massive graphite can be measured using a particle size distribution measuring apparatus.
また、塊状黒鉛のタップ密度は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、通常0.6g/cm3以上、好ましくは0.8g/cm3以上、また、その上限は、通常1.2g/cm3以下、好ましくは1.0g/cm3以下である。タップ密度が小さすぎる場合、粒子が小さく、凝集しやすくなり、反って導電性が低下する可能性があり、大きすぎる場合、粒子が大きく、粒子数が少なくなり導電性が低下する可能性がある。なお、タップ密度は、JIS Z2512の方法に従って測定することができる。 The tap density of the massive graphite is arbitrary as long as the effect of the present invention is not significantly impaired, but is usually 0.6 g / cm 3 or more, preferably 0.8 g / cm 3 or more, and the upper limit is usually 1 .2g / cm 3 or less, preferably 1.0 g / cm 3 or less. If the tap density is too small, the particles are small and tend to agglomerate, and the conductivity may be lowered, and if it is too large, the particles may be large and the number of particles may be reduced to reduce the conductivity. . The tap density can be measured according to the method of JIS Z2512.
なお、塊状黒鉛は、1種が単独で含まれてもよく、2種以上が任意の比率及び組み合わせで含まれてもよい。 In addition, 1 type of lump graphite may be contained independently, and 2 or more types may be contained by arbitrary ratios and combinations.
(カーボンブラック)
本実施形態に係る正極合剤層に含まれるカーボンブラックは、粒子同士が接触している部分に均一に分散し、正極合剤層に電子伝導性を付与するものである。また、カーボンブラックが正極合剤層に含まれることにより、正極合剤層は、通常有する空隙に含浸した非水電解液を保持する機能をも有する。従って、本実施形態に係る正極合剤層においては、嵩高いカーボンブラックを用いるものとする。
(Carbon black)
The carbon black contained in the positive electrode mixture layer according to the present embodiment is uniformly dispersed in the portion where the particles are in contact with each other, and imparts electron conductivity to the positive electrode mixture layer. In addition, by including carbon black in the positive electrode mixture layer, the positive electrode mixture layer also has a function of holding the nonaqueous electrolytic solution impregnated in the voids that are normally included. Therefore, bulky carbon black is used in the positive electrode mixture layer according to this embodiment.
本実施形態に係る正極合剤層に含まれるカーボンブラックとしては、本発明の効果を著しく損なわない限り、公知の任意のものを用いることができる。従って、カーボンブラックの物性も本発明の効果を著しく損なわない限り任意である。例えば、カーボンブラックのBET比表面積は、通常40m2/g以上、好ましくは80m2/g以上、また、その上限は、通常1000m2/g以下、好ましくは800m2/g以下である。BET比表面積が小さすぎる場合、粒子が大きいため導電性が低下する可能性があり、大きすぎる場合、粒子が小さく、凝集し、導電性が低下する可能性がある。BET比表面積は、比表面積測定装置を用いて測定することができる。 Any known carbon black may be used as the carbon black contained in the positive electrode mixture layer according to the present embodiment as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. Therefore, the physical properties of the carbon black are arbitrary as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. For example, the BET specific surface area of carbon black is usually 40 m 2 / g or more, preferably 80 m 2 / g or more, and the upper limit is usually 1000 m 2 / g or less, preferably 800 m 2 / g or less. If the BET specific surface area is too small, the particles may be large and the conductivity may decrease. If it is too large, the particles may be small and aggregate to reduce the conductivity. The BET specific surface area can be measured using a specific surface area measuring device.
なお、カーボンブラックは、1種が単独で含まれてもよく、2種以上が任意の比率及び組み合わせで含まれてもよい。 In addition, carbon black may be contained individually by 1 type and 2 or more types may be contained by arbitrary ratios and combinations.
(本実施形態に係る正極合剤層における導電剤の含有量)
本実施形態に係る正極合剤層において、導電剤の含有量は、正極合剤層の全体に対して、通常6重量%以上、また、通常8重量%以下である。
(Content of conductive agent in positive electrode mixture layer according to this embodiment)
In the positive electrode mixture layer according to this embodiment, the content of the conductive agent is usually 6% by weight or more and usually 8% by weight or less with respect to the whole positive electrode mixture layer.
また、正極合剤層に含まれる導電剤の中で、塊状黒鉛の割合が、含まれる塊状黒鉛及びカーボンブラックの総量に対して、0.3以上0.7以下とすることが好ましい。
即ち、本実施形態に係る電池においては、正極合剤層において、正極活物質の含有量が85重量%以上87重量%以下であり、導電剤の含有量が8重量%以下であるとともに、導電剤に含まれる塊状黒鉛の割合が、塊状黒鉛及びカーボンブラックの総量に対して、0.3以上0.7以下であることが好ましい。
In the conductive agent contained in the positive electrode mixture layer, it is preferable that the ratio of massive graphite is 0.3 or more and 0.7 or less with respect to the total quantity of massive graphite and carbon black contained.
That is, in the battery according to the present embodiment, the positive electrode mixture layer has a positive electrode active material content of 85 wt% or more and 87 wt% or less, a conductive agent content of 8 wt% or less, It is preferable that the ratio of the block graphite contained in the agent is 0.3 or more and 0.7 or less with respect to the total amount of the block graphite and carbon black.
なお、本実施形態に係る正極合剤層には、上記の導電剤のほかにも、本発明の効果を著しく損なわない限り、公知の任意の導電剤が含まれてもよい。 The positive electrode mixture layer according to the present embodiment may contain any known conductive agent in addition to the above conductive agent as long as the effects of the present invention are not significantly impaired.
〔バインダ〕
本実施形態に係る正極合剤層に含まれるバインダとしては、ポリアクリロニトリル(以下、適宜「PAN」と言う。)及びポリフッ化ビニリデン(以下、適宜「PVDF」と言う。)を用いる。PANの物性は本発明の効果を著しく損なわない限り任意である。ただし、PANの重量平均分子量は、通常1万以上、好ましくは1万5千以上、また、その上限は、通常2万5千以下、好ましくは2万以下とする。分子量が小さすぎる場合、十分な粒子間結着性が得られない可能性があり、大きすぎる場合、正極合剤層が硬くなり割れやすくなり、粒子間結着が低下する可能性がある。
[Binder]
As the binder contained in the positive electrode mixture layer according to the present embodiment, polyacrylonitrile (hereinafter referred to as “PAN” as appropriate) and polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as “PVDF” as appropriate) are used. The physical properties of PAN are arbitrary as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. However, the weight average molecular weight of PAN is usually 10,000 or more, preferably 15,000 or more, and the upper limit is usually 25,000 or less, preferably 20,000 or less. When the molecular weight is too small, there is a possibility that sufficient interparticle binding properties may not be obtained. When the molecular weight is too large, the positive electrode mixture layer becomes hard and easily cracked, and the interparticle binding may be reduced.
また、PVDFの物性も本発明の効果を著しく損なわない限り任意である。ただし、PVDFの重量平均分子量は、通常28万以上、好ましくは50万以上、また、その上限は、通常100万以下、好ましくは80以下とする。分子量が小さすぎる場合、十分な粒子間結着性が得られない可能性があり、大きすぎる場合、正極合剤層が硬くなり割れやすくなり、粒子間結着が低下する可能性がある。 Further, the physical properties of PVDF are arbitrary as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. However, the weight average molecular weight of PVDF is usually 280,000 or more, preferably 500,000 or more, and the upper limit is usually 1,000,000 or less, preferably 80 or less. When the molecular weight is too small, there is a possibility that sufficient interparticle binding properties may not be obtained. When the molecular weight is too large, the positive electrode mixture layer becomes hard and easily cracked, and the interparticle binding may be reduced.
本実施形態に係る正極合剤層中のバインダの量は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であり、正極合剤層中の上記正極活物質及び導電剤の量に応じて適宜決定すればよい。ただし、正極合剤層中のPANの割合は、正極合剤層に含まれるPAN及びPVDFの総量に対して、0.3以上0.7以下とすることが好ましい。また、正極合剤層がPANを含まずにPVDFのみを含む場合、正極合剤層表面が過度に硬くなる可能性がある。即ち、PVDFの量が多すぎる場合には、この現象により、正極合剤層が脆いものとなる可能性がある。 The amount of the binder in the positive electrode mixture layer according to the present embodiment is arbitrary as long as the effect of the present invention is not significantly impaired, and is appropriately determined according to the amount of the positive electrode active material and the conductive agent in the positive electrode mixture layer. That's fine. However, the ratio of PAN in the positive electrode mixture layer is preferably 0.3 or more and 0.7 or less with respect to the total amount of PAN and PVDF contained in the positive electrode mixture layer. Moreover, when a positive electrode mixture layer does not contain PAN but contains only PVDF, the positive electrode mixture layer surface may become excessively hard. That is, when the amount of PVDF is too large, this phenomenon may cause the positive electrode mixture layer to become brittle.
なお、本実施形態に係る正極合剤層には、上記のバインダのほかにも、本発明の効果を著しく損なわない限り、公知の任意のバインダが含まれてもよい。 In addition to the above binder, the positive electrode mixture layer according to the present embodiment may include any known binder as long as the effects of the present invention are not significantly impaired.
〔正極合剤の塗布量〕
本実施形態に係る正極合剤層は、例えば、正極合剤(後述する。)を正極集電体に塗布して乾燥することにより形成することができる。本実施形態における正極合剤層は、正極集電体の片面に、正極合剤層の量が125g/m2となるような厚さで形成されている。そして、形成された正極合剤層においては、図2に示すように、非晶質炭素被覆正極活物質10、塊状黒鉛20及びカーボンブラック30が、バインダ(図示しない。)によって相互に接着されたものとなっている。なお、図2においては、見易さのために、非晶質炭素被覆正極活物質10粒子間に空間を空けてあるが、実際には、非晶質炭素被覆正極活物質10は、その大部分が近傍の非晶質炭素被覆正極活物質10と接触している。
[Amount of cathode mix]
The positive electrode mixture layer according to this embodiment can be formed, for example, by applying a positive electrode mixture (described later) to a positive electrode current collector and drying it. The positive electrode mixture layer in the present embodiment is formed on one surface of the positive electrode current collector with a thickness such that the amount of the positive electrode mixture layer is 125 g / m 2 . In the formed positive electrode mixture layer, as shown in FIG. 2, the amorphous carbon-coated positive electrode
一般に、例えば鉄道、自動車等の車両に搭載する非水電解質二次電池の場合には、モータでの走行距離をより長いものにして燃費を向上させることが求められている。また、例えばノートパソコン等の小型精密機器に搭載する非水電解質二次電池の場合には、駆動時間を長くすることが求められている。即ち、非水電解質二次電池には、エネルギー密度の向上が強く求められている。このような要求に対して、熱的安定性に優れ、資源的に豊富で安価な鉄を用いた正極活物質としてリン酸鉄リチウムが注目されている。しかしながら、上記のように、従来の非水電解質二次電池が有するエネルギー密度と同程度の電極とするためには、通常は正極合剤層等の電極合剤層を厚膜化し、電極における正極集電体等の電極集電体及びセパレータの占有体積を減らし、正極活物質等の活物質の電極への含有量を増加させることが極めて重要である。 In general, in the case of a non-aqueous electrolyte secondary battery mounted on a vehicle such as a railroad or an automobile, it is required to improve the fuel consumption by increasing the distance traveled by the motor. In addition, in the case of a nonaqueous electrolyte secondary battery mounted on a small precision device such as a notebook personal computer, it is required to increase the driving time. That is, non-aqueous electrolyte secondary batteries are strongly required to improve energy density. In response to such demands, lithium iron phosphate has attracted attention as a positive electrode active material that uses iron that is excellent in thermal stability, abundant in resources, and inexpensive. However, as described above, in order to obtain an electrode having the same energy density as that of a conventional non-aqueous electrolyte secondary battery, the electrode mixture layer such as the positive electrode mixture layer is usually thickened to form a positive electrode in the electrode. It is extremely important to reduce the occupied volume of the electrode current collector such as the current collector and the separator and increase the content of the active material such as the positive electrode active material in the electrode.
例えば電動工具に搭載され、コバルト酸リチウムが正極活物質として用いられている従来の非水電解質二次電池は、通常は18650形電池で1.5〜2Ah程度の電池容量を有する。このような非水電解質二次電池は、正極合剤層中、その内部にコバルト酸リチウムが片面約9.6〜12.7g含まれていることが知られている。正極の総電極面積が仮に約0.1m2であるものと仮定し、かつ正極活物質含率が約87%すると、正極の片面に存在するコバルト酸リチウムを含有する正極合剤層の量は約100〜150g/m2であると算出される。 For example, a conventional non-aqueous electrolyte secondary battery mounted on an electric tool and using lithium cobalt oxide as a positive electrode active material is usually an 18650 type battery and has a battery capacity of about 1.5 to 2 Ah. Such a nonaqueous electrolyte secondary battery is known to contain about 9.6 to 12.7 g of lithium cobaltate in one side of the positive electrode mixture layer. Assuming that the total electrode area of the positive electrode is about 0.1 m 2 and the positive electrode active material content is about 87%, the amount of the positive electrode mixture layer containing lithium cobaltate present on one side of the positive electrode is It is calculated to be about 100 to 150 g / m 2 .
上記表1に示すように、正極活物質としてリン酸鉄リチウムを用いてコバルト酸リチウムを用いた電池と同程度の電池容量を達成しようとする場合、正極合剤層中の正極活物質含率を同じくし、かつリン酸鉄リチウムの使用量を約25%増加させることが極めて重要である。即ち、正極の片面において、リン酸鉄リチウムを含有する正極合剤層を、約125〜190g/m2となるように形成することが重要である。従って、従来の非水電解質二次電池と同程度の電池容量を維持しつつも(即ち、エネルギー密度を維持しつつも)、熱的安定性の高い非水電解質二次電池を提供するために、本実施形態においては正極合剤層の量を正極集電体の片面125g/m2以上としている。 As shown in Table 1 above, the content of the positive electrode active material in the positive electrode mixture layer is obtained when lithium iron phosphate is used as the positive electrode active material and the battery capacity is about the same as that of the battery using lithium cobalt oxide. And increasing the amount of lithium iron phosphate used by about 25% is extremely important. That is, it is important to form a positive electrode mixture layer containing lithium iron phosphate on one side of the positive electrode so as to be about 125 to 190 g / m 2 . Accordingly, in order to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having high thermal stability while maintaining a battery capacity comparable to that of a conventional non-aqueous electrolyte secondary battery (that is, maintaining an energy density). In this embodiment, the amount of the positive electrode mixture layer is set to 125 g / m 2 or more on one side of the positive electrode current collector.
リン酸鉄リチウムを含む正極合剤層の存在量の上限値としては特に制限されないが、例えば本実施形態に係る非水電解質二次電池の形状を例えば円筒状のものとする場合、存在量の上限値は通常は片面200g/m2以下、好ましくは150g/m2以下である。この上限値を超えた場合、正極の厚さが過度に厚くなり、正極の捲回が困難になる可能性がある。また、本実施形態に係る非水電解質二次電池の形状が例えばコイン状のものとする場合、存在量の上限値は特に制限されないが、過度に厚い場合、正極合剤を塗布した後の乾燥に時間がかかりすぎる可能性がある。
なお、リチウム含有リン酸塩(1)の好適な例としてリン酸鉄リチウムを挙げて上記の説明を行ったが、リチウム含有リン酸塩(1)はリン酸鉄リチウムに制限されるものではなく、それ以外のものであっても上記の説明が同様に適用される。
The upper limit of the abundance of the positive electrode mixture layer containing lithium iron phosphate is not particularly limited.For example, when the shape of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment is a cylindrical one, the abundance The upper limit is usually 200 g / m 2 or less on one side, preferably 150 g / m 2 or less. When this upper limit is exceeded, the thickness of the positive electrode becomes excessively thick and it may be difficult to wind the positive electrode. In addition, when the shape of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment is, for example, a coin-like shape, the upper limit value of the abundance is not particularly limited, but when it is excessively thick, drying after applying the positive electrode mixture May take too long.
In addition, although lithium iron phosphate was mentioned as a suitable example of a lithium containing phosphate (1), and said description was carried out, lithium containing phosphate (1) is not restrict | limited to lithium iron phosphate. The above description applies to other cases as well.
[1−2.正極集電体]
本実施形態に係る正極においては、上記の正極合剤層が正極集電体の表面に形成されている。このような正極集電体としては、公知の任意の材料を用いることができるが、通常は導電性を有する金属が用いられるが、中でもアルミニウムが好ましい。
[1-2. Positive electrode current collector]
In the positive electrode according to the present embodiment, the positive electrode mixture layer is formed on the surface of the positive electrode current collector. As such a positive electrode current collector, any known material can be used. Usually, a metal having conductivity is used, but aluminum is particularly preferable.
また、正極集電体の形状は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意のものとすることができるが、例えば箔状とすることができる。正極集電体の形状を箔状とすることにより、正極を捲回しやすくなるため本実施形態に係る非水電解質二次電池を筒形状の非水電解質二次電池とすることができる。 Further, the shape of the positive electrode current collector can be any shape as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. For example, the shape of the positive electrode current collector can be a foil shape. By making the shape of the positive electrode current collector into a foil shape, the positive electrode can be easily wound, so that the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment can be a cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery.
また、正極集電体の形状が箔状である場合、その厚さは特に制限されないが、電池内部における正極集電体の占有体積をできるだけ小さいものとするために、その厚さはできるだけ薄いものが好ましい。 In addition, when the shape of the positive electrode current collector is a foil shape, the thickness is not particularly limited. However, in order to minimize the occupied volume of the positive electrode current collector in the battery, the thickness is as thin as possible. Is preferred.
本実施形態においては、正極集電体の表面に正極合剤層が設けられている。正極集電体が箔状である場合、正極合剤層は正極集電体の両面に設けられてもよいし、片面のみに設けられてもよい。ただし、より高い電池容量を達成する観点から、正極集電体の両面に正極合剤層が設けられることが好ましい。正極合剤層が正極集電体の両面に設けられる場合、それぞれの面に設けられた正極合剤層が、上記[1−1.正極合剤層]に記載の物性を満たせばよい。 In the present embodiment, a positive electrode mixture layer is provided on the surface of the positive electrode current collector. When the positive electrode current collector has a foil shape, the positive electrode mixture layer may be provided on both surfaces of the positive electrode current collector or only on one surface. However, from the viewpoint of achieving higher battery capacity, it is preferable that a positive electrode mixture layer is provided on both surfaces of the positive electrode current collector. When the positive electrode mixture layer is provided on both surfaces of the positive electrode current collector, the positive electrode mixture layer provided on each surface is the above [1-1. The physical properties described in [Positive electrode mixture layer] may be satisfied.
また、正極の電極密度は、本発明の効果を著しく損なわない限り任意であるが、正極活物質粒子同士の粒子間接触を確保する観点から、通常1.6g/cm3以上、好ましくは1.7g/cm3以上、また、その上限は、通常2.2g/cm3以下、好ましくは2g/cm3以下とすることが望ましい。 Moreover, the electrode density of the positive electrode is arbitrary as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. However, from the viewpoint of ensuring interparticle contact between the positive electrode active material particles, it is usually 1.6 g / cm 3 or more, preferably 1. 7 g / cm 3 or more, and the upper limit is usually 2.2 g / cm 3 or less, preferably 2 g / cm 3 or less.
[1−3.その他の構成]
本実施形態に係る非水電解質二次電池は、上記の正極合剤層が形成された正極集電体からなる正極を有する限り、その他の構成は任意であり、公知の構成を有することができる。従って、本実施形態に係る非水電解質二次電池は、上記の正極のほか、通常は、負極、セパレータ並びに非水電解質及び非水溶媒を含む非水電解液を有する。以下、本実施形態に係る非水電解質二次電池が上記の正極に加え、負極、セパレータ及び非水電解液を有するものとして、本実施形態に係る非水電解質二次電池を説明する。
[1-3. Other configurations]
As long as the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment has a positive electrode made of a positive electrode current collector on which the positive electrode mixture layer is formed, the other configurations are arbitrary and can have a known configuration. . Therefore, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment usually includes a negative electrode, a separator, and a nonaqueous electrolytic solution containing a nonaqueous electrolyte and a nonaqueous solvent in addition to the positive electrode. Hereinafter, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment will be described on the assumption that the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment includes a negative electrode, a separator, and a nonaqueous electrolyte in addition to the above positive electrode.
〔負極〕
本実施形態に係る非水電解質二次電池が有する負極(以下、適宜「本実施形態に係る負極」と言う。)は、公知の非水電解質二次電池に用いられる任意の負極と同様の構成とすることができる。例えば、銅等の負極集電体上に、負極活物質とバインダとを含む負極合剤を塗布し負極を作製することができる。
[Negative electrode]
The negative electrode (hereinafter referred to as “the negative electrode according to this embodiment”) of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment has the same configuration as that of any negative electrode used in a known nonaqueous electrolyte secondary battery. It can be. For example, a negative electrode mixture containing a negative electrode active material and a binder can be applied to a negative electrode current collector such as copper to produce a negative electrode.
上記負極活物質としては、例えばケイ素若しくはスズ合金等を用いることができる。ただし、このような負極活物質を用いた負極を有する電池の初期充電効率は低いものとなる傾向がある。従って、充放電の可逆性、並びに正極活物質としてリチウム含有リン酸塩(1)を用いた電池における電圧低下の可能性を考慮すると、負極活物質としては、黒鉛若しくは黒鉛を含む混合物を用いることが好ましい。具体的には、負極活物質としては、黒鉛、若しくは黒鉛と非晶質炭素との混合物が好ましい。負極活物質として黒鉛若しくは黒鉛を含む混合物を用いることにより、初期充放電効率を向上させることができる。負極活物質として黒鉛、若しくは黒鉛と非晶質炭素との混合物を用いる場合、いずれの場合においても黒鉛は、そのL002の値が、0.3335nm以上0.3375nm以下であるものが好ましい。 As the negative electrode active material, for example, silicon or a tin alloy can be used. However, the initial charge efficiency of a battery having a negative electrode using such a negative electrode active material tends to be low. Therefore, in consideration of reversibility of charge / discharge and the possibility of voltage drop in a battery using lithium-containing phosphate (1) as the positive electrode active material, graphite or a mixture containing graphite is used as the negative electrode active material. Is preferred. Specifically, the negative electrode active material is preferably graphite or a mixture of graphite and amorphous carbon. By using graphite or a mixture containing graphite as the negative electrode active material, the initial charge / discharge efficiency can be improved. When graphite or a mixture of graphite and amorphous carbon is used as the negative electrode active material, it is preferable that the graphite has a value of L002 of 0.3335 nm to 0.3375 nm in any case.
また、負極活物質として黒鉛と非晶質炭素との混合物を用いる場合には、当該混合物はは単に黒鉛と非晶質炭素とを混合したものであってもよいが、黒鉛の粒子表面を非晶質炭素で被覆したもの、並びに黒鉛の粒子と非晶質炭素の粒子とを複合した複合粒子であることが好ましい。 Further, when a mixture of graphite and amorphous carbon is used as the negative electrode active material, the mixture may be simply a mixture of graphite and amorphous carbon. Those coated with crystalline carbon, and composite particles obtained by combining graphite particles and amorphous carbon particles are preferable.
また、負極に含まれる負極活物質の量は特に制限されないが、負極合剤の全量に対して、通常は94重量%以上98重量%以下である。ただし、上記正極活物質と負極活物質との重量比が、正極活物質の重量を負極活物質の重量で除した値で、通常は1.5以上3.5以下とすることが望ましい。重量比がこの範囲内にあることにより、正極活物質として用いるリチウム含有リン酸塩(1)の特性を最大限発揮させることができる。 The amount of the negative electrode active material contained in the negative electrode is not particularly limited, but is usually 94% by weight or more and 98% by weight or less with respect to the total amount of the negative electrode mixture. However, the weight ratio of the positive electrode active material to the negative electrode active material is preferably a value obtained by dividing the weight of the positive electrode active material by the weight of the negative electrode active material, and is usually 1.5 or more and 3.5 or less. When the weight ratio is within this range, the characteristics of the lithium-containing phosphate (1) used as the positive electrode active material can be maximized.
ただし、負極活物質として、リチウムとの合金化が可能な元素を含む合金、リチウム含有複合窒化物、及びこれらの材料を含む混合物を用いる場合には、上記重量比であると負極容量が大きくなりすぎることがあるため、上記重量比としては4以上7以下とすることが望ましい。 However, when an alloy containing an element capable of being alloyed with lithium, a lithium-containing composite nitride, and a mixture containing these materials are used as the negative electrode active material, the negative electrode capacity increases when the weight ratio is as described above. In some cases, the weight ratio is preferably 4 or more and 7 or less.
また、上記のように、負極には通常バインダが含まれる。負極に含まれるバインダとしては、例えばPVDF、スチレンブタジエンゴム(SBR)等が挙げられる。バインダとしてPVDFを用いる場合、用いられるPVDFの形態は特に制限されないが、PVDFバインダ溶液を用いることが好ましい。また、負極に含まれる負極活物質の種類によっては、負極活物質とバインダとの接着性の観点から、より高分子量を有するPVDFを用いることが好ましい。 As described above, the negative electrode usually contains a binder. Examples of the binder contained in the negative electrode include PVDF, styrene butadiene rubber (SBR), and the like. When PVDF is used as the binder, the form of PVDF used is not particularly limited, but a PVDF binder solution is preferably used. Depending on the type of the negative electrode active material contained in the negative electrode, it is preferable to use PVDF having a higher molecular weight from the viewpoint of adhesion between the negative electrode active material and the binder.
負極合剤が塗布される負極集電体は特に制限されないが、例えば銅箔が好適である。 The negative electrode current collector to which the negative electrode mixture is applied is not particularly limited, but for example, copper foil is suitable.
さらに、上記負極合剤は、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の増粘剤を含有してもよい。増粘剤を負極合剤に含有させることにより、負極合剤の粘度を増加させることができる。特に、バインダとしてPAN及びPVDFに加えて、例えばゴムバインダ等の水系バインダを併用する場合には、増粘剤も併用することが好ましい。増粘剤の含有量は特に制限されないが、負極合剤が所望の粘度を有する程度に含有させればよい。 Furthermore, the negative electrode mixture may contain a thickener such as carboxymethylcellulose (CMC). By including a thickener in the negative electrode mixture, the viscosity of the negative electrode mixture can be increased. In particular, when an aqueous binder such as a rubber binder is used in combination with PAN and PVDF as a binder, it is preferable to use a thickener together. The content of the thickener is not particularly limited, but may be included so that the negative electrode mixture has a desired viscosity.
〔セパレータ〕
本実施形態に係る非水電解質二次電池が有するセパレータ(以下、適宜「本実施形態に係るセパレータ」と言う。)としては、公知の任意のセパレータを用いることができる。例えば、本実施形態に係るセパレータは、十分な強度を有するとともに非水電解液を多く保持できるもの(即ち濡れ性に優れるもの)が好ましい。具体的には、本実施形態に係るセパレータは、その厚さが5μm以上50μm以下であり、その材質は、ポリプロピレン、ポリエチレン、プロピレンとエチレンとの共重合体等のポリオレフィンからなる微孔性フィルム及び不織布等が好ましい。特に、厚さが5μm以上20μm以下のセパレータを用いた場合、通常は充放電サイクル特性の低下、高温貯蔵時の電池特性の劣化等が発生する可能性がある。しかしながら、本実施形態に係る電池においては正極活物質として熱的安定性の高いリチウム含有リン酸塩(1)を用いているため、このような薄いセパレータを用いても安定して電池を機能させることができる。従って、薄いセパレータを用いることにより電池内部におけるセパレータの占有体積を減少させることができるため、電極の占有体積を増加させてエネルギー密度を高めることができる。
[Separator]
Any known separator can be used as the separator of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment (hereinafter referred to as “the separator according to the present embodiment” as appropriate). For example, the separator according to the present embodiment is preferably a separator having sufficient strength and capable of holding a large amount of non-aqueous electrolyte (that is, excellent in wettability). Specifically, the separator according to the present embodiment has a thickness of 5 μm or more and 50 μm or less, and the material is polypropylene, polyethylene, a microporous film made of polyolefin such as a copolymer of propylene and ethylene, and Nonwoven fabrics are preferred. In particular, when a separator having a thickness of 5 μm or more and 20 μm or less is used, there is usually a possibility that the charge / discharge cycle characteristics may be deteriorated and the battery characteristics may be deteriorated during high-temperature storage. However, since the lithium-containing phosphate (1) having high thermal stability is used as the positive electrode active material in the battery according to the present embodiment, the battery functions stably even when such a thin separator is used. be able to. Therefore, since the occupied volume of the separator in the battery can be reduced by using a thin separator, the occupied volume of the electrode can be increased to increase the energy density.
また、セパレータとしてポリオレフィンを用いる場合、当該セパレータ表面に酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、二酸化ケイ素等の酸化物からなる層を設けることができる。このような層を設けることによりセパレータの150℃以上での熱収縮を抑制することができるため、本実施形態に係る電池の熱的安定性をより向上させることができる。なお、このような層の厚さは特に制限されないが、通常は3μm以上5μm以下とする。 Moreover, when using polyolefin as a separator, the layer which consists of oxides, such as aluminum oxide, magnesium oxide, and silicon dioxide, can be provided in the said separator surface. By providing such a layer, the thermal shrinkage of the separator at 150 ° C. or higher can be suppressed, so that the thermal stability of the battery according to this embodiment can be further improved. The thickness of such a layer is not particularly limited, but is usually 3 μm or more and 5 μm or less.
〔非水電解液〕
本実施形態に係る電池は、上記の正極に加え、通常は非水電解質及び非水溶媒を含む非水電解液を有する。このような非水電解質及び非水溶媒としては、いずれも公知のリチウムイオン二次電池に用いられる、任意の非水電解質及び非水溶媒を用いることができる。
[Non-aqueous electrolyte]
In addition to the positive electrode, the battery according to this embodiment usually has a non-aqueous electrolyte containing a non-aqueous electrolyte and a non-aqueous solvent. As such a non-aqueous electrolyte and a non-aqueous solvent, any non-aqueous electrolyte and non-aqueous solvent that are used in known lithium ion secondary batteries can be used.
本実施形態に係る電池における非水電解液に含まれる非水電解質としては、例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiCF3CO2、Li2C2F4(SO3)2、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiCnF2n+1SO3(n≧2)等が挙げられる。中でも、良好な充放電特性が得られるという観点から、LiPF6及びLiC4F9SO3が好ましい。なお、非水電解質は1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の比率及び組み合わせで用いてもよい。 The non-aqueous electrolyte contained in the nonaqueous electrolytic solution in the battery according to the present embodiment, for example, LiClO 4, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiSbF 6, LiCF 3 SO 3, LiC 4 F 9 SO 3, LiCF 3 CO 2 , Li 2 C 2 F 4 (SO 3 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiCnF 2n + 1 SO 3 (n ≧ 2) and the like. Among these, LiPF 6 and LiC 4 F 9 SO 3 are preferable from the viewpoint of obtaining good charge / discharge characteristics. In addition, a nonaqueous electrolyte may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types by arbitrary ratios and combinations.
非水電解液における非水電解質の濃度は特に制限されないが、通常は0.3mol/L以上、好ましくは0.4mol/L以上、また、その上限は、通常は1.7mol/L以下、好ましくは1.5mol/L以下である。 The concentration of the nonaqueous electrolyte in the nonaqueous electrolytic solution is not particularly limited, but is usually 0.3 mol / L or more, preferably 0.4 mol / L or more, and the upper limit is usually 1.7 mol / L or less, preferably Is 1.5 mol / L or less.
本実施形態に係る電池における非水電解液に含まれる非水溶媒としては、例えば有機溶媒、有機溶媒を含有するポリマー等を用いることができる。非水溶媒の種類は特に制限されないが、電池の負荷特性の観点から、鎖状エステルを含むことが好ましい。鎖状エステルとしては、例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート、酢酸エチル、プロピロン酸メチル等が挙げられる。非水溶媒が鎖状エステルを含む場合、非水溶媒中の鎖状エステルの含有量は、電池の低温特性の向上の観点からは50体積%以上が好ましく、65体積%以上がより好ましい。 As the nonaqueous solvent contained in the nonaqueous electrolytic solution in the battery according to the present embodiment, for example, an organic solvent, a polymer containing the organic solvent, or the like can be used. The type of the non-aqueous solvent is not particularly limited, but it is preferable to include a chain ester from the viewpoint of battery load characteristics. Examples of the chain ester include chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate, ethyl acetate, methyl propionate, and the like. When the non-aqueous solvent contains a chain ester, the content of the chain ester in the non-aqueous solvent is preferably 50% by volume or more and more preferably 65% by volume or more from the viewpoint of improving the low-temperature characteristics of the battery.
また、非水溶媒は、電池の放電容量向上の観点から、上記鎖状エステルに加えて、誘電率の高い(具体的には誘電率が30以上)エステルを含むことが好ましい。このようなエステルとしては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート、γ−ブチロラクトン、エチレングリコールサルファイト等が挙げられる。中でも、環状カーボネートが好ましく、環状カーボネートの中でもエチレンカーボネート及びプロピレンカーボネートが特に好ましい。これらの非水溶媒は、1種を単独で含んでもよく、2種以上を任意の比率及び組み合わせで含んでもよい。
非水溶媒が上記誘電率の高いエステルを含む場合、非水溶媒中の当該エステルの含有量は電池の放電容量の観点から、通常10体積%以上、好ましくは20体積%以上であり、その上限は、電池の負荷特性の観点から、通常40体積%以下、好ましくは30体積%以下である。
The nonaqueous solvent preferably contains an ester having a high dielectric constant (specifically, a dielectric constant of 30 or more) in addition to the chain ester from the viewpoint of improving the discharge capacity of the battery. Examples of such esters include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate, γ-butyrolactone, and ethylene glycol sulfite. Among these, cyclic carbonate is preferable, and ethylene carbonate and propylene carbonate are particularly preferable among the cyclic carbonates. These non-aqueous solvents may contain 1 type independently, and may contain 2 or more types by arbitrary ratios and combinations.
When the non-aqueous solvent contains an ester having a high dielectric constant, the content of the ester in the non-aqueous solvent is usually 10% by volume or more, preferably 20% by volume or more from the viewpoint of the discharge capacity of the battery, and the upper limit thereof. Is usually 40% by volume or less, preferably 30% by volume or less, from the viewpoint of the load characteristics of the battery.
上記の溶媒以外で非水溶媒に含まれうる溶媒としては、例えば、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2−メチル−テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル等が挙げられる。そのほか、アミンイミド系有機溶媒、含イオウ又は含フッ素系有機溶媒等も用いることができる。なお、これらの溶媒は、1種を単独で含んでもよく、2種以上を任意の比率及び組み合わせで含んでもよい。 Examples of the solvent that can be contained in the nonaqueous solvent other than the above solvents include 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dioxolane, tetrahydrofuran, 2-methyl-tetrahydrofuran, diethyl ether, and the like. In addition, amine imide organic solvents, sulfur-containing or fluorine-containing organic solvents, and the like can also be used. In addition, these solvents may contain 1 type independently, and may contain 2 or more types by arbitrary ratios and combinations.
本実施形態に係る電池が有する非水電解液は、上記の非水電解質及び非水溶媒に加えて、電池の安全性及び貯蔵特性向上の観点から、芳香族化合物を含んでもよい。このような芳香族化合物としては特に制限されるものではないが、例えば、シクロヘキシルベンゼン、t−ブチルベンゼン等のアルキル基を有するベンゼン類、ビフェニル、あるいはフルオロベンゼン類等が好適である。これらの芳香族化合物は、1種が単独で用いられてもよく、2種以上が任意の比率及び組み合わせで用いられてもよい。 In addition to the nonaqueous electrolyte and the nonaqueous solvent, the nonaqueous electrolytic solution included in the battery according to this embodiment may include an aromatic compound from the viewpoint of improving the safety and storage characteristics of the battery. Such an aromatic compound is not particularly limited, and for example, benzenes having an alkyl group such as cyclohexylbenzene and t-butylbenzene, biphenyl, or fluorobenzenes are suitable. One of these aromatic compounds may be used alone, or two or more thereof may be used in any ratio and combination.
[2.非水電解質二次電池の製造方法]
本実施形態に係る電池は、任意の方法で製造することができる。以下、本実施形態に係る電池の製造方法を一例を挙げて説明するが、本実施形態に係る電池の製造方法は以下に記載する方法に限定されるものではない。ただし、上記正極合剤は、以下に記載する正極合剤の製造方法により製造することが好ましい。
[2. Manufacturing method of non-aqueous electrolyte secondary battery]
The battery according to the present embodiment can be manufactured by any method. Hereinafter, although the manufacturing method of the battery which concerns on this embodiment is given as an example, the manufacturing method of the battery which concerns on this embodiment is not limited to the method described below. However, it is preferable to manufacture the said positive electrode mixture with the manufacturing method of the positive electrode mixture described below.
本実施形態に係る電池は、主に下記工程を経て製造される。
(1)正極合剤の調製、及び当該正極合剤の正極集電体への塗布による正極の作製
(2)負極合剤の調製、及び当該負極合剤の負極集電体への塗布による負極の作製
(3)非水電解液の調製
(4)正極、負極及び非水電解液を用いた電池の組み立て
以下、工程毎に分けて、本実施形態に係る電池の製造方法を説明する。
The battery according to this embodiment is mainly manufactured through the following steps.
(1) Preparation of positive electrode mixture and production of positive electrode by application of positive electrode mixture to positive electrode current collector (2) Negative electrode by preparation of negative electrode mixture and application of negative electrode mixture to negative electrode current collector (3) Preparation of Nonaqueous Electrolyte (4) Assembly of Battery Using Positive Electrode, Negative Electrode and Nonaqueous Electrolyte Hereinafter, the method for producing a battery according to this embodiment will be described separately for each process.
(1)正極合剤の調製、及び当該正極合剤の正極集電体への塗布による正極の作製
正極合剤は、上記[1−1.正極合剤層]に記載の濃度となるように各成分を混合して調製すればよい。ただし、本実施形態に係る電池においては、下記の手順で正極合剤を調製することが特に好ましい。
(1) Preparation of positive electrode mixture and preparation of positive electrode by application of the positive electrode mixture to a positive electrode current collector What is necessary is just to mix and prepare each component so that it may become a density | concentration as described in a positive mix layer. However, in the battery according to this embodiment, it is particularly preferable to prepare the positive electrode mixture by the following procedure.
正極合剤層に含まれるリチウム含有リン酸塩(1)、塊状黒鉛、カーボンブラック、PAN及びPVDFは、いずれも所望の物性を有するように公知の任意の方法で作製することができ、また市販品を用いることもできる。例えば塊状黒鉛としては燐片状の黒鉛粉末(燐片状黒鉛)を用いることができ、カーボンブラックとしてはアセチレンブラックを用いることができる。 The lithium-containing phosphate (1), massive graphite, carbon black, PAN and PVDF contained in the positive electrode mixture layer can be prepared by any known method so as to have desired physical properties, and are commercially available. Goods can also be used. For example, flake graphite powder (flaky graphite) can be used as the bulk graphite, and acetylene black can be used as the carbon black.
また、リチウム含有リン酸塩(1)は、例えば固相焼成方法、または水熱合成法によって作製することができ、これらの材料を用いて正極合剤を作製することができる。なお、本発明は、リチウム含有リン酸塩(1)の製造方法によらず適用することができ、本実施形態に記載の方法に限定されるものではない。 The lithium-containing phosphate (1) can be produced, for example, by a solid phase firing method or a hydrothermal synthesis method, and a positive electrode mixture can be produced using these materials. In addition, this invention can be applied irrespective of the manufacturing method of lithium containing phosphate (1), and is not limited to the method as described in this embodiment.
上記のように、本実施形態に係る正極における正極合剤層は、導電剤として非晶質炭素、塊状黒鉛及びカーボンブラックと、バインダとしてPAN及びPVDFとを含む。これらの中で、非晶質炭素は予め正極活物質に被覆されたものであることが特に好適であることから、正極合剤層の作製工程としては、塊状黒鉛、カーボンブラックを、各々PAN及びPVDFのN−メチルピロリドン溶液に対して、非晶質炭素被覆正極活物質を混合することが特に好ましい。 As described above, the positive electrode mixture layer in the positive electrode according to the present embodiment includes amorphous carbon, massive graphite, and carbon black as a conductive agent, and PAN and PVDF as binders. Among these, it is particularly preferable that the amorphous carbon is pre-coated with the positive electrode active material. Therefore, as a process for preparing the positive electrode mixture layer, massive graphite and carbon black are respectively made of PAN and It is particularly preferable to mix an amorphous carbon-coated positive electrode active material with the N-methylpyrrolidone solution of PVDF.
ただし、本発明者が検討したところによると、塊状黒鉛、カーボンブラックを、PAN及びPVDFのN−メチルピロリドン溶液に、単にまとめて分散させようとしても、均一に分散せず、均一な正極合剤を作製することが困難であることがわかった。その理由は、本発明者の検討によると、PANは高粘度溶媒となりカーボンブラックの分散性が低下するためであると考えられる。そこで、本実施形態においては、塊状黒鉛を、PANのN−メチルピロリドン(NMP)溶液に分散させた分散液を調製し、さらに、カーボンブラックをPVDFのNMP溶液に分散させた分散液を別に調製し、調製されたそれぞれの分散液を混合することにより、塊状黒鉛、カーボンブラックが均一に分散した分散液を調製できる。そして、このような均一に分散した分散液に対して非晶質炭素被覆正極活物質を分散させることにより、均一な正極合剤を調製することができる。 However, according to the study of the present inventors, even when trying to disperse lump graphite and carbon black in an N-methylpyrrolidone solution of PAN and PVDF simply as a whole, they are not uniformly dispersed, and a uniform positive electrode mixture It turned out to be difficult to produce. The reason for this is considered to be that PAN becomes a high-viscosity solvent and the dispersibility of carbon black is lowered according to the study of the present inventors. Therefore, in this embodiment, a dispersion in which massive graphite is dispersed in an N-methylpyrrolidone (NMP) solution of PAN is prepared, and further, a dispersion in which carbon black is dispersed in an NMP solution of PVDF is separately prepared. Then, by mixing the prepared dispersions, a dispersion in which massive graphite and carbon black are uniformly dispersed can be prepared. A uniform cathode mixture can be prepared by dispersing the amorphous carbon-coated cathode active material in such a uniformly dispersed dispersion.
このように、2段階に分けて分散液を調製することにより、均一に各成分を分散させることができる理由としては、本発明者の検討によると、分散し難いカーボンブラックを粘度が低いPVDFのNMP溶液で分散したためであると考えられる。 As described above, the reason why the components can be uniformly dispersed by preparing the dispersion liquid in two stages is as follows. This is considered to be due to dispersion with the NMP solution.
塊状黒鉛及びPAN溶液に分散させた分散液の溶媒、並びにカーボンブラック及びPVDF溶液に分散させた分散液の溶媒に特に制限は無いが、上記のようにいずれにおいてもN−メチルピロリドンが好適である。また、使用する分散媒の量にも特に制限は無く、それぞれの成分を均一に分散させることができる程度の量を用いればよい。ただし、分散媒の量が多すぎると、正極合剤の塗布後の乾燥に過剰な時間を要することがある。従って、使用する分散媒の量は可能な限り少ない量とすることが好ましい。 There is no particular limitation on the solvent of the dispersion liquid dispersed in the massive graphite and PAN solution, and the solvent of the dispersion liquid dispersed in the carbon black and PVDF solution, but as described above, N-methylpyrrolidone is preferable in any case. . Moreover, there is no restriction | limiting in particular in the quantity of the dispersion medium to be used, What is necessary is just to use the quantity of the grade which can disperse | distribute each component uniformly. However, if the amount of the dispersion medium is too large, an excessive time may be required for drying after application of the positive electrode mixture. Therefore, the amount of the dispersion medium used is preferably as small as possible.
また、分散媒への各成分の分散方法も特に制限されず、例えばプラネタリミキサ等を用いることができる。また、各成分を分散させた後の2種の分散液の混合方法も特に制限されず、2種の分散液を一つの容器に入れ、公知の攪拌装置を用いて混合することができる。
さらに、塊状黒鉛及びPANの分散液(以下、適宜「分散液A」と言う。)と、カーボンブラック及びPVDFの分散液(以下、適宜「分散液B」と言う。)と、非晶質炭素被覆正極活物質と、を混合する順番に特に制限は無い。例えば、分散液Aと分散液Bとを混合した後に、さらに非晶質炭素被覆正極活物質を混合してもよい。また、例えば、分散液Aと非晶質炭素被覆正極活物質とを混合した後に、さらに分散液Bを混合してもよい。さらに例えば、分散液A、分散液B及び非晶質炭素被覆正極活物質をまとめて混合してもよい。従って、最終的に調製された正極合剤が、分散液A及び分散液Bを混合したものであるならば、本発明の範疇に入るものとする。
The method for dispersing each component in the dispersion medium is not particularly limited, and for example, a planetary mixer or the like can be used. Further, the mixing method of the two types of dispersions after dispersing the respective components is not particularly limited, and the two types of dispersions can be put in one container and mixed using a known stirring device.
Further, a dispersion of massive graphite and PAN (hereinafter referred to as “dispersion A” as appropriate), a dispersion of carbon black and PVDF (hereinafter referred to as “dispersion B” as appropriate), and amorphous carbon. There is no restriction | limiting in particular in the order which mixes a covering positive electrode active material. For example, after mixing dispersion A and dispersion B, an amorphous carbon-coated positive electrode active material may be further mixed. Further, for example, after the dispersion A and the amorphous carbon-coated positive electrode active material are mixed, the dispersion B may be further mixed. Further, for example, the dispersion liquid A, the dispersion liquid B, and the amorphous carbon-coated positive electrode active material may be mixed together. Therefore, if the positive electrode mixture finally prepared is a mixture of the dispersion liquid A and the dispersion liquid B, it falls within the category of the present invention.
上記のように調製された正極合剤を、例えばアルミニウム箔等の正極集電体上に塗布し、任意の温度及び時間で乾燥させた後、所望の電極密度となるようにプレス及び切断することにより、正極を作製することができる。乾燥時の温度としては特に制限されないが、通常は100℃以上120℃以下とすることができる。また、乾燥時間も乾燥温度によって異なるため一概に言えないが、例えば乾燥温度が120℃である場合、乾燥時間は通常15分程度である。 The positive electrode mixture prepared as described above is applied onto a positive electrode current collector such as an aluminum foil, dried at an arbitrary temperature and time, and then pressed and cut to a desired electrode density. Thus, a positive electrode can be produced. Although it does not restrict | limit especially as temperature at the time of drying, Usually, it can be 100 degreeC or more and 120 degrees C or less. Also, since the drying time varies depending on the drying temperature, it cannot be generally stated. For example, when the drying temperature is 120 ° C., the drying time is usually about 15 minutes.
また、プレス時の圧力は特に制限されないが、正極の電極密度が通常1.6g/cm3以上、好ましくは1.7g/cm3以上、また、その上限は、通常2.2g/cm3以下、好ましくは2g/cm3以下となる圧力でプレスすることが好ましい。 Further, the pressure during the pressing is not particularly limited, but the electrode density of the positive electrode is usually 1.6 g / cm 3 or more, preferably 1.7 g / cm 3 or more, and the upper limit is usually 2.2 g / cm 3 or less. The pressing is preferably performed at a pressure of 2 g / cm 3 or less.
(2)負極合剤の調製、及び当該負極合剤の負極集電体への塗布による負極の作製
本実施形態に係る電池における負極においても、上記正極の場合と同様に、はじめに負極合剤を調製し、当該負極合剤を負極集電体に塗布することにより、負極を作製することができる。具体的には、上記[1−3.その他の構成]の〔負極〕において説明した濃度となるように例えば負極活物質、バインダ及び増粘剤等を混合して負極合剤を調製し、当該負極合剤を負極集電体に塗布すればよい。
(2) Preparation of Negative Electrode Mixture and Production of Negative Electrode by Applying Negative Electrode Mixture to Negative Electrode Current Collector Also in the negative electrode in the battery according to the present embodiment, first, the negative electrode mixture The negative electrode can be prepared by preparing and applying the negative electrode mixture to the negative electrode current collector. Specifically, the above [1-3. For example, a negative electrode active material, a binder, a thickener and the like are mixed to prepare a negative electrode mixture so that the concentration described in [Negative Electrode] of [Other Configurations] is obtained, and the negative electrode mixture is applied to the negative electrode current collector. That's fine.
各成分を分散させる分散媒に特に制限は無いが、例えばN−メチルピロリドンまたは水が好適である。また、使用する分散媒の量にも特に制限は無く、各成分を均一に分散させることができる程度の量を用いればよい。ただし、分散媒の量が多すぎると、負極合剤の塗布後の乾燥に過剰な時間を要することがある。従って、使用する分散媒の量は可能な限り少ない量とすることが好ましい。 Although there is no restriction | limiting in particular in the dispersion medium which disperse | distributes each component, For example, N-methylpyrrolidone or water is suitable. Moreover, there is no restriction | limiting in particular in the quantity of the dispersion medium to be used, What is necessary is just to use the quantity which can disperse | distribute each component uniformly. However, if the amount of the dispersion medium is too large, an excessive time may be required for drying after application of the negative electrode mixture. Therefore, the amount of the dispersion medium used is preferably as small as possible.
また、分散媒への各成分の分散方法も特に制限されず、分散媒に負極活物質、バインダ、増粘剤等を添加した後、例えばプラネタリミキサ等を用いて各成分を分散させればよい。 Also, the method for dispersing each component in the dispersion medium is not particularly limited, and after adding a negative electrode active material, a binder, a thickener, etc., the components may be dispersed using, for example, a planetary mixer. .
上記のように調製された負極合剤を、例えば銅箔等の負極集電体上に塗布し、任意の温度及び時間で乾燥させた後、所望の電極密度となるようにプレス及び切断することにより、負極を作製することができる。乾燥時の温度としては特に制限されないが、通常は100℃以上120℃以下とすることができる。また、乾燥時間も乾燥温度によって異なるため一概に言えないが、例えば乾燥温度が100℃である場合、乾燥時間は通常15分程度である。 The negative electrode mixture prepared as described above is applied onto a negative electrode current collector such as a copper foil, dried at an arbitrary temperature and time, and then pressed and cut to a desired electrode density. Thus, a negative electrode can be produced. Although it does not restrict | limit especially as temperature at the time of drying, Usually, it can be 100 degreeC or more and 120 degrees C or less. In addition, although the drying time varies depending on the drying temperature, it cannot be generally stated. For example, when the drying temperature is 100 ° C., the drying time is usually about 15 minutes.
また、プレス時の圧力は特に制限されないが、負極の電極密度が通常1.3g/cm3以上、また、その上限は、通常1.7g/cm3以下、負極合剤層への非水電解液の含侵性を確保する観点から、好ましくは1.5g/cm3以下となる圧力でプレスすることが好ましい。 Further, the pressure during pressing is not particularly limited, but the electrode density of the negative electrode is usually 1.3 g / cm 3 or more, and the upper limit is usually 1.7 g / cm 3 or less, and nonaqueous electrolysis to the negative electrode mixture layer From the viewpoint of ensuring the impregnation of the liquid, it is preferable to press at a pressure of 1.5 g / cm 3 or less.
(3)非水電解液の調製
非水電解液は、上記[1−3.その他の構成]の〔非水電解液〕にて記載した各成分の含有量となるように、非水電解質を非水溶媒に混合して作製することができる。混合の方法に特に制限は無く、例えば各成分を一つの容器に入れ、公知の攪拌装置を用いて混合することにより、非水電解液を調製することができる。
(3) Preparation of non-aqueous electrolyte The non-aqueous electrolyte is the above-mentioned [1-3. The non-aqueous electrolyte can be mixed with a non-aqueous solvent so as to have the content of each component described in [Non-aqueous electrolyte solution] in [Other configuration]. There is no particular limitation on the mixing method, and for example, the non-aqueous electrolyte can be prepared by putting each component in one container and mixing them using a known stirring device.
(4)正極、負極及び非水電解液を用いた電池の組み立て
上記(1)〜(3)で得られた正極、負極及び非水電解液、並びに必要に応じて公知のセパレータ等を用いて、任意の形状に組み立てることにより、本実施形態に係る電池を製造することができる。電池の形状としては、例えば筒型、コイン型等が挙げられ、筒型の中でも、円柱型、角柱型等の形状が挙げられる。次の項目において、本発明の一実施形態に係る電池の構造を、具体的に説明する。
(4) Assembly of battery using positive electrode, negative electrode and non-aqueous electrolyte Using positive electrode, negative electrode and non-aqueous electrolyte obtained in the above (1) to (3), and a known separator as necessary. The battery according to the present embodiment can be manufactured by assembling into an arbitrary shape. Examples of the shape of the battery include a cylindrical shape and a coin shape. Among the cylindrical shapes, examples of the shape include a cylindrical shape and a prismatic shape. In the next item, the structure of the battery according to one embodiment of the present invention will be specifically described.
[3.非水電解質二次電池の構造]
本実施形態に係る電池の具体的な構造は、上記のように任意である。以下、図3を参照しながら本発明の一実施形態に係る電池の構造を説明するが、本実施形態に係る電池の構造は、図3及び以下に記載する内容に限定されるものではない。
[3. Non-aqueous electrolyte secondary battery structure]
The specific structure of the battery according to this embodiment is arbitrary as described above. Hereinafter, the structure of the battery according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 3, but the structure of the battery according to the present embodiment is not limited to the contents described in FIG. 3 and the following.
図3は、本発明の一実施形態(第一実施形態)に係る電池の内部構造の模式的な斜視図である。図3に示す第一実施形態に係る電池100は、電池容器1と、ガスケット2と、上蓋3と、上蓋ケース4と、正極集電板5と、負極集電板6と、電極群8と、正極リード9と、からなっている。
FIG. 3 is a schematic perspective view of the internal structure of the battery according to one embodiment (first embodiment) of the present invention. The
電池容器1は、正極集電板5、負極集電板6、電極群8、正極リード9及び非水電解液(図示しない。)を収納するものである。本実施形態に係る電池100において、電池容器1は円筒形状となっているが、角型形状であってもよい。また、電池容器1の材質としては、収納される非水電解液により腐食されない金属を用いることが好ましい。
The
ガスケット2は、電池容器1と上蓋ケース4との間に設けられるものである。ガスケット2により、電池容器1が密封され、かつ、電池容器1と上蓋3及び上蓋ケース4とが電気的に絶縁されたものとなる。ガスケット2の材質は、例えば弾性樹脂等の公知の封止部材を用いることができる。
The
上蓋3は、電池100により得られた電力を外部に取り出す外部端子、具体的には正極外部端子である。
上蓋ケース4は、上蓋3と同一の材質により一体となって形成され、上蓋3と上蓋ケース4とは電気的に導通されたものとなっている。上蓋3及び上蓋ケース4の材質としては、導電性を有する金属を用いることができる。また、上蓋ケース4と正極集電板5とは、金属からなる正極リード9を介して電気的に接続されている。
The upper lid 3 is an external terminal for taking out the electric power obtained by the
The upper lid case 4 is integrally formed of the same material as the upper lid 3, and the upper lid 3 and the upper lid case 4 are electrically connected. As the material of the upper lid 3 and the upper lid case 4, a conductive metal can be used. The upper lid case 4 and the positive electrode
正極集電板5及び負極集電板6は、それぞれ、後述する正極タブ12及び負極タブ13と電気的に接続されている。この電気的な接続は、例えば超音波溶接等により行うことができる。また、正極集電板5及び負極集電板6の中央部には孔が設けられており、軸心7(後述する。)が当該孔に嵌められることにより、正極集電板5及び負極集電板6を軸心7に対して固定している。正極集電板5及び負極集電板6の材質としては、導電性を有する金属が用いられる。
The positive electrode
また、負極集電板6は、電池容器1の底部と電気的に接続され、電池容器1の底部が電池100にて得られた電力を外部に取り出す端子、具体的には負極外部端子として機能している。従って、電池容器1の底部と側面部とは、絶縁体(図示しない。)で相互に絶縁されたものとなっている。
The negative electrode current collector plate 6 is electrically connected to the bottom of the
軸心7は、電極群8の中心部に位置するものであり、正極電極14、負極電極15及びセパレータ18とを捲回させるものである。また、軸心7の上下端部においては、正極集電板5及び負極集電板6とを貫通したものとなっている。軸心の形状は任意であるが、第一実施形態においては中空状の円柱を用いている。また、その材質としては、導電性を有さない、若しくは導電性が著しく低い例えば樹脂等を用いることができる。
The
電極群8は、セパレータ18と、乾燥後の正極合剤(正極合剤層)16がその両面に設けられた正極電極14と、乾燥後の負極合剤(負極合剤層)17がその両面に設けられた負極電極15とが、セパレータ18を介して交互に積層されている。そして、その最外周には、セパレータ18が設けられている。そして、電極群8は、その最外周の設けられたセパレータ18に対して捲回部材19により固定され、電極群8の捲回が解けないようになっている。また、正極電極14の上部には正極タブ12が設けられ、さらに負極電極15の下部には負極タブ13が設けられている。
The
正極タブ12及び正極電極14はアルミニウム等の金属からなるものであり、上記[1−2.正極集電体]において説明した正極集電体に相当するものである。そして、正極電極14の両表面には正極合剤層16が設けられている。正極合剤層16は、正極合剤を正極電極14に塗布後に乾燥させたものであり、上記[1−1.正極合剤層]において説明した正極合剤層に相当するものである。
The
また、負極タブ13及び負極電極15は、銅等の金属からなるものであり、上記[1−3.その他の構成]において説明した負極集電体に相当するものである。そして、負極電極15の両表面には負極合剤層17が設けられている。負極合剤層17は、負極合剤を負極電極15に塗布後に乾燥させたものであり、上記[1−3.その他の構成]において説明した負極合剤に相当するものである。
The
さらに、正極電極14と負極電極15とは、セパレータ18を介して設けられている。セパレータ18は、多孔質かつ絶縁性を有するものであり、リチウムイオン二次電池に用いることができる、公知の任意のセパレータを用いることができる。
Further, the
本実施形態に係る電池100は、上記及び図3に示す構成を有することにより、電池容器1の外部から充電、若しくは電池容器1の外部へ放電することができる。即ち、例えば電池100の放電時には、電極群8の負極電極15にて発生した電子は、負極タブ13、負極集電板6及び電池容器1の底部をこの順で経由して外部に取り出される。一方で、上蓋3、上蓋ケース4、正極リード線9及び正極タブ12を介して、外部から電極群8の正極電極14に電子が到達するようになっている。
The
[4.本実施形態に係る電池の適用用途]
本実施形態に係る電池は公知の任意の用途に用いることができる。中でも、本実施形態に係る電池は高エネルギー密度であることに加えて熱的安定性に優れ、高温時の金属析出を抑制することができることから、高温に晒される可能性がある、例えば鉄道、自動車搭載用の電池として特に好適に用いることができる。
[4. Application of battery according to this embodiment]
The battery according to this embodiment can be used for any known application. Among them, the battery according to the present embodiment is excellent in thermal stability in addition to high energy density, and can suppress metal deposition at high temperatures, so that it may be exposed to high temperatures, for example, railways, It can be particularly suitably used as a battery for automobiles.
以下、実施例を挙げて本実施形態をより詳細に説明するが、本実施形態は以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施することができる。 Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to examples. However, the present embodiment is not limited to the following examples, and may be arbitrarily modified without departing from the scope of the present invention. Can do.
(実施例1)
・非水電解質二次電池の製造
はじめに、正極を作製した。
5.35gのLiH2PO4(アルドリッチ社製)と8.75gのFeC2O4・2H2O(高純度化学社製)と0.82gのデキストリン(和光純薬社製)とを、ジルコニア製ポットにジルコニア製粉砕用ボールを投入し、遊星型ボールミル(フリッチェ社製)を用いて、回転数は3レベルで30分間混合した。その混合粉体をアルミナ製ルツボに投入して、0.3L/分のアルゴン流下で、400℃で10時間仮焼成を行った。一度、メノウ乳鉢で解砕し、再度アルミナ製ルツボへ投入して、0.3L/分のアルゴン流下で、700℃で10時間本焼成を行った後、得られた粉体をメノウ乳鉢で解砕し、45μmのメッシュの篩で粒度調整を行い、目的の材料を得た。ICP測定(島津製作所社製)により、組成分析を実施した結果、Li1.0Fe0.98P1.02O4 炭素含有率:3.0重量%であった。非晶質炭素で被覆されたことは、走査型電子顕微鏡(日立製作所社製)と、粉末X線回折装置(リガク社製)を用いて確認した。
Example 1
-Production of non-aqueous electrolyte secondary battery First, a positive electrode was produced.
5.35 g of LiH 2 PO 4 (manufactured by Aldrich), 8.75 g of FeC 2 O 4 .2H 2 O (manufactured by Koyo Chemical Co., Ltd.) and 0.82 g of dextrin (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) A zirconia grinding ball was put into the pot and mixed with a planetary ball mill (manufactured by Frichche) at a rotation speed of 3 levels for 30 minutes. The mixed powder was put into an alumina crucible and calcined at 400 ° C. for 10 hours under an argon flow of 0.3 L / min. Once pulverized in an agate mortar, again put into an alumina crucible and subjected to main baking at 700 ° C. for 10 hours under an argon flow of 0.3 L / min, the powder obtained was pulverized in an agate mortar. After crushing, the particle size was adjusted with a 45 μm mesh sieve to obtain the desired material. As a result of carrying out composition analysis by ICP measurement (manufactured by Shimadzu Corporation), the content of Li 1.0 Fe 0.98 P 1.02 O 4 carbon was 3.0% by weight. The coating with amorphous carbon was confirmed using a scanning electron microscope (manufactured by Hitachi, Ltd.) and a powder X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku Corporation).
次に、乾燥後の正極合剤(即ち正極合剤層)における、リン酸鉄リチウム、導電剤、及びバインダの重量比が85:8:7(中でも、非晶質炭素、黒鉛及びカーボンブラックの重量比は3:3.5:1.5、PAN及びPVDFの重量比は7:3)となるように、上記非晶質炭素で被覆されたリン酸鉄リチウム0.88gと、燐片状黒鉛10重量%及びアクリロニトリル10重量%含むN−メチルピロリドン(NMP)分散液を0.35gとを小型混練機を用いて十分に混合した。 Next, the weight ratio of the lithium iron phosphate, the conductive agent, and the binder in the dried positive electrode mixture (that is, the positive electrode mixture layer) is 85: 8: 7 (among others, amorphous carbon, graphite, and carbon black). 0.88 g of lithium iron phosphate coated with the above amorphous carbon so that the weight ratio is 3: 3.5: 1.5, and the weight ratio of PAN and PVDF is 7: 3). 0.35 g of N-methylpyrrolidone (NMP) dispersion containing 10% by weight of graphite and 10% by weight of acrylonitrile was thoroughly mixed using a small kneader.
そして、混合物に、カーボンブラック10重量%及びPVDF10重量%を含むNMP分散液0.15gを加えてさらに混合し、正極合剤を調製した。バインダの過不足分は、別途調整したPAN及びPVDFの10重量%溶液を用い、所定の配合組成するため、各々0.1g加えた。調製した正極合剤をアルミニウム箔上に、正極合剤層量が100g/m2、125g/m2及び150g/m2となるようにそれぞれ塗布し、120℃で乾燥させた。
Then, 0.15 g of an NMP dispersion containing 10% by weight of carbon black and 10% by weight of PVDF was added to the mixture and further mixed to prepare a positive electrode mixture. The excess and deficiency of the binder was added in an amount of 0.1 g each to prepare a predetermined blend composition using a separately prepared PAN and
正極合剤層(以下、適宜単に「合剤層」と言う。)が設けられたアルミニウム箔は、それぞれ電極密度が1.7g/cm3となるようにプレスした後、直径10mmの円形状に切断し、3種の正極を作成した。 The aluminum foil provided with the positive electrode mixture layer (hereinafter simply referred to as “mixture layer”) was pressed into a circular shape having a diameter of 10 mm after being pressed so that the electrode density was 1.7 g / cm 3. It cut | disconnected and created 3 types of positive electrodes.
次に、負極としてリチウム金属を、セパレータとしてポリオレフィンの多孔質フィルムを、非水電解液として1MLiPF6を含むエチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの混合溶液(体積比1:3)を用い、非水電解質二次電池を製造した。 Next, a lithium metal is used as the negative electrode, a polyolefin porous film is used as the separator, and a mixed solution (volume ratio 1: 3) of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate containing 1 M LiPF 6 is used as the non-aqueous electrolyte. A secondary battery was manufactured.
・非水電解質二次電池の特性評価
製造した非水電解質二次電池に対して、電流値1.0mA/cm2、上限電圧値3.6Vとして、終始電流値が0.1mA/cm2となるまで充電を行った。次に、電流値1.0mA/cm2で電圧値2.0Vまで放電させた。放電後の電池の容量を、放電深度0%と定義する。そして、再度同じ条件で充電した後の電池の容量を、充電深度100%と定義する。
-Characteristic evaluation of non-aqueous electrolyte secondary battery With respect to the manufactured non-aqueous electrolyte secondary battery, the current value is 0.1 mA / cm 2 with a current value of 1.0 mA / cm 2 and an upper limit voltage value of 3.6 V. The battery was charged until Next, the battery was discharged at a current value of 1.0 mA / cm 2 to a voltage value of 2.0V. The capacity of the battery after discharge is defined as a discharge depth of 0%. And the capacity | capacitance of the battery after charging on the same conditions again is defined as the charge depth of 100%.
充電深度100%の状態から放電深度50%まで放電し、1時間放置して電池電圧を開回路電圧とした。その後、室温(25℃)で0.5mA/cm2、1.0mA/cm2及び2.0mA/cm2の定電流でパルス放電し、5秒目閉回路電圧を用いて直線近似により直流抵抗を算出した。 The battery was discharged from a state of charge depth of 100% to a discharge depth of 50% and left for 1 hour to make the battery voltage an open circuit voltage. Thereafter, 0.5 mA / cm 2 at room temperature (25 ° C.), and pulse discharge at a constant current of 1.0 mA / cm 2 and 2.0 mA / cm 2, DC resistance by linear approximation with 5 th second closed circuit voltage Was calculated.
合剤層量が100g/m2の電池における直流抵抗を100とした場合(即ち規格化した場合)の、合剤層量が125g/m2及び150g/m2の電池における直流抵抗の値を算出した。算出された結果を表2に示す。また、合剤層量に対する直流抵抗の変化量を算出した結果も、併せて表2に示す。 When the direct current resistance in a battery having a mixture layer amount of 100 g / m 2 is defined as 100 (ie, when normalized), the direct current resistance values in batteries having a mixture layer amount of 125 g / m 2 and 150 g / m 2 are Calculated. Table 2 shows the calculated results. Table 2 also shows the results of calculating the amount of change in DC resistance with respect to the mixture layer amount.
(実施例2)
導電剤において、非晶質炭素、黒鉛及びカーボンブラックの重量比を3:2.5:2.5とし、バインダにおいて、PAN及びPVDFの重量比を5:5としたこと以外は実施例1と同様にして非水電解質二次電池を製造し、製造した電池の特性評価を行った。その結果を表2に示す。また、合剤層量に対する直流抵抗の変化量を、実施例1と同様の方法に従って算出した結果も、併せて表2に示す。
(Example 2)
Example 1 except that the weight ratio of amorphous carbon, graphite and carbon black was 3: 2.5: 2.5 in the conductive agent, and the weight ratio of PAN and PVDF was 5: 5 in the binder. Similarly, a non-aqueous electrolyte secondary battery was manufactured, and the characteristics of the manufactured battery were evaluated. The results are shown in Table 2. Table 2 also shows the results of calculating the amount of change in direct current resistance with respect to the mixture layer amount according to the same method as in Example 1.
(実施例3)
導電剤において、非晶質炭素、黒鉛及びカーボンブラックの重量比を3:2.5:2.5とし、バインダにおいて、PAN及びPVDFの重量比を3:7したこと以外は実施例1と同様にして非水電解質二次電池を製造し、製造した電池の特性評価を行った。その結果を表2に示す。また、合剤層量に対する直流抵抗の変化量を、実施例1と同様の方法に従って算出した結果も、併せて表2に示す。
(Example 3)
Example 1 except that the weight ratio of amorphous carbon, graphite and carbon black was 3: 2.5: 2.5 in the conductive agent, and the weight ratio of PAN and PVDF was 3: 7 in the binder. A non-aqueous electrolyte secondary battery was manufactured, and the characteristics of the manufactured battery were evaluated. The results are shown in Table 2. Table 2 also shows the results of calculating the amount of change in direct current resistance with respect to the mixture layer amount according to the same method as in Example 1.
(比較例1)
導電剤において、非晶質炭素、黒鉛及びカーボンブラックの重量比を3:2.5:2.5とし、バインダにおいて、PVDFを混合せず全量をPANとしたこと以外は実施例1と同様にして非水電解質二次電池を製造し、製造した電池の特性評価を行った。その結果を表2に示す。また、合剤層量に対する直流抵抗の変化量を、実施例1と同様の方法に従って算出した結果も、併せて表2に示す。
(Comparative Example 1)
In the conductive agent, the weight ratio of amorphous carbon, graphite, and carbon black was set to 3: 2.5: 2.5, and the binder was not mixed with PVDF, and the whole amount was PAN. A non-aqueous electrolyte secondary battery was manufactured, and the characteristics of the manufactured battery were evaluated. The results are shown in Table 2. Table 2 also shows the results of calculating the amount of change in direct current resistance with respect to the mixture layer amount according to the same method as in Example 1.
(比較例2)
導電剤において、非晶質炭素、黒鉛及びカーボンブラックの重量比を3:2.5:2.5とし、バインダにおいて、PANを混合せず全量をPVDFとしたこと以外は実施例1と同様にして非水電解質二次電池を製造し、製造した電池の特性評価を行った。その結果を表2に示す。また、合剤層量に対する直流抵抗の変化量を、実施例1と同様の方法に従って算出した結果も、併せて表2に示す。
(Comparative Example 2)
In the conductive agent, the same as in Example 1 except that the weight ratio of amorphous carbon, graphite and carbon black was 3: 2.5: 2.5, and the binder was not mixed with PAN and the whole amount was PVDF. A non-aqueous electrolyte secondary battery was manufactured, and the characteristics of the manufactured battery were evaluated. The results are shown in Table 2. Table 2 also shows the results of calculating the amount of change in direct current resistance with respect to the mixture layer amount according to the same method as in Example 1.
乾燥後の正極合剤において、リン酸鉄リチウム、導電剤、及びバインダの重量比を、90:5:5(導電剤にあっては、非晶質炭素、黒鉛及びカーボンブラックの重量比が3:1:1、また、バインダにあっては、PAN及びPVDFの重量比は2.5:2.5)としたこと以外は実施例1と同様にして非水電解質二次電池を製造し、製造した電池の特性評価を行った。その結果を表2に示す。また、合剤層量に対する直流抵抗の変化量を、実施例1と同様の方法に従って算出した結果も、併せて表2に示す。 In the positive electrode mixture after drying, the weight ratio of lithium iron phosphate, the conductive agent, and the binder is 90: 5: 5 (in the conductive agent, the weight ratio of amorphous carbon, graphite, and carbon black is 3 1: 1, and in the binder, a nonaqueous electrolyte secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the weight ratio of PAN and PVDF was 2.5: 2.5) The characteristics of the manufactured battery were evaluated. The results are shown in Table 2. Table 2 also shows the results of calculating the amount of change in direct current resistance with respect to the mixture layer amount according to the same method as in Example 1.
また、横軸に合剤層量、縦軸に規格化直流抵抗値としたグラフを図4に示した。さらに、横軸に黒鉛及びカーボンブラックに対する黒鉛の割合、縦軸に抵抗変化としたグラフを図5に示した。 Further, FIG. 4 is a graph in which the horizontal axis represents the mixture layer amount and the vertical axis represents the normalized DC resistance value. Further, a graph with the horizontal axis representing the ratio of graphite to carbon black and the vertical axis representing the resistance change is shown in FIG.
図4に示すように、実施例1〜3のいずれにおいても、合剤層量増加に伴う直流抵抗増加を、比較例1〜3の場合よりも抑制できた。具体的には、実施例1〜3においては、合剤層量を100g/m2から150g/m2に増加させる(即ち膜厚が増加する)ことにより直流抵抗の値は20〜30%の増加に留まったが、比較例1〜3においては、その増加割合は40〜60%と、実施例の場合と比べて最大で3倍(実施例1と比較例3との関係)まで直流抵抗が増加した。 As shown in FIG. 4, in any of Examples 1 to 3, the increase in DC resistance accompanying the increase in the amount of the mixture layer could be suppressed as compared with Comparative Examples 1 to 3. Specifically, in Examples 1 to 3, the value of the DC resistance is 20 to 30% by increasing the amount of the mixture layer from 100 g / m 2 to 150 g / m 2 (that is, the film thickness is increased). Although the increase remained, in Comparative Examples 1 to 3, the increase rate was 40 to 60%, which was a maximum of 3 times as compared with the case of Example (relationship between Example 1 and Comparative Example 3). increased.
また、図5に示すように、導電剤として黒鉛及びカーボンブラックを用いた場合(実施例1〜3)、その抵抗変化(即ち抵抗増加の割合)が小さかった。一方で、黒鉛及びカーボンブラックのいずれか一方のみを用いた場合(比較例1及び2)、抵抗変化が大きいものとなった。なお、比較例3は導電剤として黒鉛及びカーボンブラックを用いているが、導電剤の含有量が本発明で規定する範囲に含まれておらず抵抗変化が特に大きかったため、図5では記載を省略している。 Moreover, as shown in FIG. 5, when graphite and carbon black were used as the conductive agent (Examples 1 to 3), the resistance change (that is, the rate of increase in resistance) was small. On the other hand, when only one of graphite and carbon black was used (Comparative Examples 1 and 2), the resistance change was large. In Comparative Example 3, graphite and carbon black are used as the conductive agent. However, the content of the conductive agent is not included in the range defined in the present invention, and the resistance change is particularly large, so the description is omitted in FIG. is doing.
特に、図5に示すように、上記割合が0.3以上0.8以下のときに抵抗変化がより小さかった。特に、上記割合が0.3以上0.7以下の範囲においては、直線の傾きが小さいため、例えば電極の作製時に通常起こりうる膜厚のばらつきに対しても抵抗変化が小さい、安定した電池が製造できることがわかった。 In particular, as shown in FIG. 5, the resistance change was smaller when the ratio was 0.3 or more and 0.8 or less. In particular, in the range where the ratio is 0.3 or more and 0.7 or less, since the slope of the straight line is small, for example, there is a stable battery in which the resistance change is small even with respect to the variation in film thickness that normally occurs at the time of manufacturing the electrode. I found that it can be manufactured.
このような現象は、本発明者の検討によると、電子伝導性が高く粒子径が大きい黒鉛粒子により厚み方向の電子伝導性を確保する一方で、嵩高いカーボンブラックにより黒鉛粒子の接着性を向上させるとともに非水電解液の保持性を電極に付与させることで、電極厚みによる抵抗増加が抑制できたものであると考えられる。従って、正極活物質としてオリビン型リチウム含有リン酸塩を用いた場合に、膜厚化によって大電流を取り出せるうえに、さらに、発生する抵抗増加を抑制することができる。即ち、本実施形態に係る電池が有する電極は、エネルギー密度が大きなものとなる。 According to the inventor's study, such a phenomenon is confirmed by the graphite particles having a high electron conductivity and a large particle diameter to ensure the electron conductivity in the thickness direction, while the bulky carbon black improves the adhesion of the graphite particles. It is considered that the increase in resistance due to the electrode thickness can be suppressed by providing the electrode with the retention of the non-aqueous electrolyte. Accordingly, when an olivine type lithium-containing phosphate is used as the positive electrode active material, a large current can be taken out by increasing the film thickness, and further, an increase in generated resistance can be suppressed. That is, the electrode included in the battery according to the present embodiment has a high energy density.
一方で、導電剤としてカーボンブラックを用いていない比較例1においては、電極における非水電解液の保持性が実施例1〜3の場合よりも低下することにより非水電解液中のリチウムイオンの反応性が低下し、抵抗変化が大きなものになったと考えられる。 On the other hand, in Comparative Example 1 in which carbon black is not used as the conductive agent, the retention of the non-aqueous electrolyte in the electrode is lower than in Examples 1 to 3, so that the lithium ions in the non-aqueous electrolyte are reduced. It is thought that the reactivity decreased and the resistance change became large.
また、導電剤として黒鉛を用いていない比較例2においては、厚み方向の電子伝導性が低下したため、抵抗変化が大きなものになったと考えられる。 In Comparative Example 2 in which graphite was not used as the conductive agent, it was considered that the resistance change became large because the electron conductivity in the thickness direction was lowered.
さらに、導電剤として非晶質炭素、黒鉛及びカーボンブラックを用いたとしても、比較例3に示すように、導電剤の含有量が特定量以上でない場合には正極合剤層内部に十分な導電網が構築されず、厚膜化による抵抗変化が大きなものになったと考えられる。 Furthermore, even if amorphous carbon, graphite, and carbon black are used as the conductive agent, as shown in Comparative Example 3, if the content of the conductive agent is not equal to or greater than a specific amount, sufficient conductivity is provided inside the positive electrode mixture layer. It is thought that the resistance change due to the thick film became large because the net was not constructed.
10 非晶質炭素被覆正極活物質
10a 正極活物質
10b 非晶質炭素
20 塊状黒鉛
30 カーボンブラック
1 電池容器
100 電池(非水電解質二次電池)
12 正極タブ
13 負極タブ
14 正極電極
15 負極電極
16 正極合剤層
17 負極合剤層
18 セパレータ
19 捲回部材
2 ガスケット
3 上蓋
4 上蓋ケース
5 正極集電板
6 負極集電板
7 軸心
8 電極群
9 正極リード
DESCRIPTION OF
12
Claims (5)
該正極合剤層が、
該正極活物質として、下記式(1)で表されるオリビン型リチウム含有リン酸塩と、
該導電剤として、非晶質炭素、塊状黒鉛及びカーボンブラックと、
該バインダとして、ポリアクリロニトリル及びポリフッ化ビニリデンと、
を含むとともに、
該正極活物質が、該正極合剤層全体に対して2重量%以上5重量%以下となる量の該非晶質炭素で被覆され、
該導電剤の含有量が、該正極合剤層全体に対して6重量%以上である
ことを特徴とする、非水電解質二次電池。
The positive electrode mixture layer is
As the positive electrode active material, an olivine-type lithium-containing phosphate represented by the following formula (1):
As the conductive agent, amorphous carbon, massive graphite and carbon black,
As the binder, polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride;
Including
The positive electrode active material is coated with the amorphous carbon in an amount of 2 wt% or more and 5 wt% or less with respect to the entire positive electrode mixture layer;
The non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the content of the conductive agent is 6% by weight or more based on the whole positive electrode mixture layer.
ことを特徴とする、請求項1に記載の非水電解質二次電池。 2. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein an electrode density of the positive electrode is 1.6 g / cm 3 or more and 2.2 g / cm 3 or less.
該正極活物質の含有量が85重量%以上87重量%以下であり、
該導電剤の含有量が8重量%以下であるとともに、
該導電剤に含まれる該塊状黒鉛の割合が、該塊状黒鉛及び該カーボンブラックの総量に対して、0.3以上0.7以下である
ことを特徴とする、請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池。 In the positive electrode mixture layer,
The content of the positive electrode active material is 85 wt% or more and 87 wt% or less,
The content of the conductive agent is 8% by weight or less,
The proportion of the massive graphite contained in the conductive agent is 0.3 or more and 0.7 or less with respect to the total amount of the massive graphite and the carbon black. Non-aqueous electrolyte secondary battery.
ことを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載の非水電解質二次電池。 The ratio of the polyacrylonitrile contained in the binder is 0.3 or more and 0.7 or less with respect to the total amount of the polyacrylonitrile and the polyvinylidene fluoride. 2. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to item 1.
塊状黒鉛及びポリアクリロニトリルを分散媒に分散させた分散液と、
カーボンブラック及びポリフッ化ビニリデンを分散媒に分散させた分散液と、を混合する工程を含む
ことを特徴とする、正極合剤の製造方法。 A method for producing a positive electrode mixture comprising bulk graphite, carbon black, polyacrylonitrile and polyvinylidene fluoride,
A dispersion in which massive graphite and polyacrylonitrile are dispersed in a dispersion medium;
A method for producing a positive electrode mixture, comprising a step of mixing a dispersion in which carbon black and polyvinylidene fluoride are dispersed in a dispersion medium.
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