JP2014007010A - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電池電圧が4.25Vを超える高電圧領域で充電しても負荷特性、充放電サイクル特性および貯蔵特性が良好なリチウム二次電池に関するものである。 The present invention relates to a lithium secondary battery having good load characteristics, charge / discharge cycle characteristics and storage characteristics even when charged in a high voltage region where the battery voltage exceeds 4.25V.
近年、携帯電話、ノート型パソコンなどの携帯型電子機器の発達や、電気自動車の実用化などに伴って、小型軽量でかつ高容量のリチウム二次電池が必要とされるようになってきた。 In recent years, along with the development of portable electronic devices such as mobile phones and notebook computers, and the practical application of electric vehicles, small and light lithium secondary batteries with high capacity have been required.
そして、リチウム二次電池には、その適用機器の広がりなどに伴って、高容量化と共に各種の電池特性を向上させることが求められている。 In addition, lithium secondary batteries are required to improve various battery characteristics as well as to increase the capacity in accordance with the spread of applied devices.
こうしたリチウム二次電池の電池特性の向上を達成する一手段として、リチウム二次電池の有する非水電解液に各種の添加剤を適用することが知られている。例えば、特許文献1には、特定構造のホスホノアセテート類化合物を添加した非水電解液を用いることで、リチウム二次電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性を高め得ることが記載されている。 As one means for achieving the improvement of the battery characteristics of such a lithium secondary battery, it is known to apply various additives to the non-aqueous electrolyte of the lithium secondary battery. For example, Patent Document 1 describes that the charge / discharge cycle characteristics and storage characteristics of a lithium secondary battery can be improved by using a nonaqueous electrolytic solution to which a phosphonoacetate compound having a specific structure is added.
また、特許文献2には、1,3−ジオキサンとスルホン酸エステル化合物とを添加した非水電解液を用いることで、リチウム二次電池の充放電サイクル特性などを高め得ることが記載されている。
ところで、リチウム二次電池の高容量化にあたっては、充電電圧を高める手法が考えられる。例えば、現在のリチウム二次電池では、充電電圧の上限値を、電池電圧が4.25V程度となるようにすることが一般的であるが、前記の手法は、充電電圧を前記の値よりも高めることで、更なる高容量化を図るというものである。 By the way, in order to increase the capacity of the lithium secondary battery, a method of increasing the charging voltage can be considered. For example, in current lithium secondary batteries, the upper limit value of the charging voltage is generally set so that the battery voltage is about 4.25V. By increasing it, the capacity is further increased.
しかしながら、従来のリチウム二次電池を、電池電圧が4.25Vを超えるように充電すると、負荷特性や充放電サイクル特性が低下しやすい。 However, when a conventional lithium secondary battery is charged so that the battery voltage exceeds 4.25 V, the load characteristics and the charge / discharge cycle characteristics tend to deteriorate.
例えば、前記の通り、特許文献1に記載の添加剤を含有させた非水電解液は、電池の充放電サイクル特性や貯蔵特性を向上させ得るものとして有効である。しかしながら、かかる添加剤によっても、電池電圧が4.25Vを超えるように充電した場合には、リチウム二次電池の負荷特性や充放電サイクル特性の低下を抑制することは容易ではない。 For example, as described above, the non-aqueous electrolyte containing the additive described in Patent Document 1 is effective as a battery that can improve the charge / discharge cycle characteristics and storage characteristics of the battery. However, even when such an additive is charged so that the battery voltage exceeds 4.25 V, it is not easy to suppress a decrease in load characteristics and charge / discharge cycle characteristics of the lithium secondary battery.
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電池電圧が4.25Vを超えるように充電しても、負荷特性、充放電サイクル特性および貯蔵特性が良好なリチウム二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a lithium secondary having good load characteristics, charge / discharge cycle characteristics, and storage characteristics even when the battery voltage is charged to exceed 4.25V. To provide a battery.
前記目的を達成し得た本発明のリチウム二次電池は、正極、負極、非水電解液およびセパレータを有しており、使用前に4.25Vを超える終止電圧で定電流−定電圧充電が行われるリチウム二次電池であって、前記非水電解液に、炭素−炭素二重結合または炭素−炭素三重結合とPまたはSとを分子内に含有する化合物〔以下、「化合物(A)」という場合がある〕を0.1〜5質量%含有し、かつ1,3−ジオキサンを0.1〜5質量%含有するものを使用したことを特徴とすることを特徴とするものである。 The lithium secondary battery of the present invention that has achieved the above object has a positive electrode, a negative electrode, a non-aqueous electrolyte, and a separator, and is capable of constant current-constant voltage charging at a final voltage exceeding 4.25 V before use. In the lithium secondary battery, a compound containing a carbon-carbon double bond or a carbon-carbon triple bond and P or S in the molecule in the non-aqueous electrolyte [hereinafter referred to as “compound (A)” It is characterized by using what contains 0.1-5 mass% and 0.13-5 mass% of 1, 3- dioxane.
本発明によれば、電池電圧が4.25Vを超えるように充電しても、負荷特性、充放電サイクル特性および貯蔵特性が良好なリチウム二次電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a lithium secondary battery having good load characteristics, charge / discharge cycle characteristics, and storage characteristics even when the battery voltage is charged to exceed 4.25V.
炭素−炭素二重結合または炭素−炭素三重結合とPまたはSとを分子内に含有する化合物(A)は、リチウム二次電池の非水電解液に添加されることで、例えば、電池電圧が4.25Vを超えるように充電した場合であっても、リチウム二次電池の膨れの発生を抑制でき、その貯蔵特性を高める作用を有しているが、その一方で、リチウム二次電池の負荷特性や充放電サイクル特性を損なう作用も有している。 The compound (A) containing a carbon-carbon double bond or carbon-carbon triple bond and P or S in the molecule is added to the non-aqueous electrolyte of a lithium secondary battery, for example, the battery voltage is reduced. Even when the battery is charged to exceed 4.25 V, it is possible to suppress the occurrence of swelling of the lithium secondary battery and to enhance its storage characteristics, but on the other hand, the load of the lithium secondary battery It also has an effect of impairing characteristics and charge / discharge cycle characteristics.
前記化合物(A)は、リチウム二次電池内において、負極表面で皮膜を形成する機能を有しているが、その皮膜が負極と接触による非水電解液の分解を防止して、それに伴うガス発生を抑えることで、リチウム二次電池の膨れを抑制できる。 The compound (A) has a function of forming a film on the surface of the negative electrode in the lithium secondary battery, but the film prevents decomposition of the non-aqueous electrolyte due to contact with the negative electrode, and gas associated therewith. By suppressing the generation, swelling of the lithium secondary battery can be suppressed.
しかしながら、電池電圧が4.25Vを超えるような状態となると、前記化合物(A)が正極と接触することで分解し、それに伴ってリチウム二次電池の負荷特性や充放電サイクル特性の低下が引き起こされるものと推測される。 However, when the battery voltage exceeds 4.25 V, the compound (A) is decomposed by coming into contact with the positive electrode, which causes a decrease in load characteristics and charge / discharge cycle characteristics of the lithium secondary battery. It is speculated that
そこで、本発明では、非水電解液の添加剤として、前記化合物(A)と共に、1,3−ジオキサンを使用することとした。1,3−ジオキサンはリチウム二次電池の非水電解液に添加されることで、正極表面に皮膜を形成する機能を有している。そして、正極表面に形成された1,3−ジオキサン由来の皮膜が、正極表面での前記化合物(A)の分解を抑制するためか、その分解に伴うリチウム二次電池の負荷特性の低下が抑えられる。 Therefore, in the present invention, 1,3-dioxane is used together with the compound (A) as an additive for the non-aqueous electrolyte. 1,3-dioxane has a function of forming a film on the surface of the positive electrode by being added to the non-aqueous electrolyte of the lithium secondary battery. And the film derived from 1,3-dioxane formed on the surface of the positive electrode suppresses degradation of the compound (A) on the surface of the positive electrode, or suppresses a decrease in load characteristics of the lithium secondary battery due to the decomposition. It is done.
また、リチウム二次電池は充電状態で高温環境下に貯蔵すると、その後の放電容量が、貯蔵前の容量よりも低下することが通常であるが、1,3−ジオキサンは、リチウム二次電池の非水電解液に添加されることで、高温貯蔵後の回復容量(充電状態のリチウム二次電池を高温下で貯蔵し、その後放電させた後に充放電したときの放電容量)の、貯蔵前容量からの低下を抑制する作用も有している。よって、本発明のリチウム二次電池では、1,3−ジオキサンのこの作用と、前記化合物(A)の高温貯蔵時の電池膨れの抑制作用とが相俟って、良好な貯蔵特性を確保することができる。 In addition, when a lithium secondary battery is stored in a high temperature environment in a charged state, the subsequent discharge capacity is usually lower than the capacity before storage, but 1,3-dioxane is a lithium secondary battery. By adding to the non-aqueous electrolyte, the capacity before storage of the recovery capacity after high-temperature storage (discharge capacity when the charged lithium secondary battery is stored at high temperature and then discharged and then discharged) It also has an effect of suppressing a decrease from the above. Therefore, in the lithium secondary battery of the present invention, this action of 1,3-dioxane is combined with the action of suppressing the swelling of the battery at the time of high-temperature storage of the compound (A) to ensure good storage characteristics. be able to.
更に、1,3−ジオキサンは、リチウム二次電池の非水電解液に添加されることで、充放電サイクル特性を高める作用を有しているが、前記化合物(A)と共に非水電解液に添加された場合には、1,3−ジオキサン単独の充放電サイクル特性向上効果を超えて、リチウム二次電池の充放電サイクル特性を高める作用が発揮されることも判明した。その理由は定かではないが、本発明のリチウム二次電池では、前記化合物(A)と1,3−ジオキサンとの併用によって、例えば、前記化合物(A)の分解の防止による充放電サイクル特性の低下抑制効果に留まらず、充放電サイクル特性を良好に向上させることもできる。 Furthermore, 1,3-dioxane has an effect of enhancing the charge / discharge cycle characteristics by being added to the non-aqueous electrolyte of the lithium secondary battery, but the non-aqueous electrolyte is added together with the compound (A). It was also found that when added, the effect of improving the charge / discharge cycle characteristics of the lithium secondary battery is exhibited beyond the effect of improving the charge / discharge cycle characteristics of 1,3-dioxane alone. Although the reason is not certain, in the lithium secondary battery of the present invention, the combined use of the compound (A) and 1,3-dioxane, for example, the charge / discharge cycle characteristics by preventing the decomposition of the compound (A). In addition to the effect of suppressing the decrease, the charge / discharge cycle characteristics can also be improved satisfactorily.
なお、化合物(A)は、前記の通り、負極表面において、炭素−炭素二重結合または炭素−炭素三重結合が開くことで重合して皮膜を形成するものであるため、形成される皮膜は、構成分子(構成ポリマー)が柔軟な炭素−炭素結合を主鎖としていることから、柔軟性が高い。リチウム二次電池を充放電した際には、それに伴って負極活物質が膨張収縮を起こすため、負極(負極合剤層)全体も体積変化する。負極(負極合剤層)表面に化合物(A)由来の皮膜が形成されている場合には、この皮膜は前記の通り柔軟性に富むものであるため、電池の充放電に伴う負極の体積変化に追随して、割れや亀裂などが生じ難いことから、電池の充放電を繰り返しても、化合物(A)由来の皮膜による前記の効果を良好に持続させることができる。 In addition, since a compound (A) superpose | polymerizes and forms a film | membrane by opening a carbon-carbon double bond or a carbon-carbon triple bond in the negative electrode surface as above-mentioned, the film | membrane formed is Since the constituent molecule (constituent polymer) has a flexible carbon-carbon bond as the main chain, the flexibility is high. When the lithium secondary battery is charged and discharged, the negative electrode active material expands and contracts accordingly, so that the entire negative electrode (negative electrode mixture layer) also changes in volume. When a film derived from the compound (A) is formed on the surface of the negative electrode (negative electrode mixture layer), the film is rich in flexibility as described above, and therefore follows the change in volume of the negative electrode accompanying charging / discharging of the battery. And since a crack, a crack, etc. do not arise easily, even if charging / discharging of a battery is repeated, the said effect by the membrane | film | coat derived from a compound (A) can be favorably maintained.
本発明のリチウム二次電池は、これらの作用によって、4.25Vを超える終止電圧で定電流−定電圧充電して使用することで高容量化を図りつつ、優れた負荷特性、充放電サイクル特性および貯蔵特性の確保を可能としている。 The lithium secondary battery of the present invention has excellent load characteristics and charge / discharge cycle characteristics while achieving a high capacity by using constant current-constant voltage charging with a final voltage exceeding 4.25 V due to these actions. And storage characteristics can be secured.
本発明のリチウム二次電池に係る非水電解液には、リチウム塩を有機溶媒に溶解した溶液であって、炭素−炭素二重結合または炭素−炭素三重結合とPまたはSとを分子内に含有する化合物(A)と1,3−ジオキサンとを含有するものを使用する。 The non-aqueous electrolyte solution according to the lithium secondary battery of the present invention is a solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent, and a carbon-carbon double bond or carbon-carbon triple bond and P or S are contained in the molecule. What contains the compound (A) to contain and 1, 3- dioxane is used.
前記化合物(A)の具体例としては、例えば、メタンスルホン酸1−メチル−2−プロピニル、メタンスルホン酸1,1−ジメチル−2−プロピニル、メタンスルホン酸2−プロピニル、メタンスルホン酸2−ブチニル、メタンスルホン酸2−ペンチニル、エタンスルホン酸2−プロピニル、プロパンスルホン酸2−プロピニル、アリルジエチルホスホノアセテートなどが挙げられる。 Specific examples of the compound (A) include, for example, 1-methyl-2-propynyl methanesulfonate, 1,1-dimethyl-2-propynyl methanesulfonate, 2-propynyl methanesulfonate, and 2-butynyl methanesulfonate. , 2-pentynyl methanesulfonate, 2-propynyl ethanesulfonate, 2-propynyl propanesulfonate, and allyldiethylphosphonoacetate.
リチウム二次電池に使用する非水電解液における前記化合物(A)の含有量は、高電圧充電状態で、特に高温貯蔵した際の電池膨れを良好に抑制し、また、1,3−ジオキサンとの組み合わせによって電池の充放電サイクル特性を高める効果を確保する観点から、0.1質量%以上であり、0.5質量%以上であることが好ましい。一方、非水電解液中の前記化合物(A)の量が多すぎると、電池の負荷特性や充放電サイクル特性、貯蔵特性を低下させる虞がある。よって、リチウム二次電池に使用する非水電解液における前記化合物(A)の含有量は、5質量%以下であり、2.5質量%以下であることが好ましい。 The content of the compound (A) in the non-aqueous electrolyte used for the lithium secondary battery favorably suppresses battery swelling when stored at a high temperature, particularly in a high-voltage charge state, and 1,3-dioxane and From the viewpoint of securing the effect of improving the charge / discharge cycle characteristics of the battery by the combination of the above, it is 0.1% by mass or more, and preferably 0.5% by mass or more. On the other hand, if the amount of the compound (A) in the non-aqueous electrolyte is too large, the load characteristics, charge / discharge cycle characteristics, and storage characteristics of the battery may be degraded. Therefore, the content of the compound (A) in the nonaqueous electrolytic solution used for the lithium secondary battery is 5% by mass or less, and preferably 2.5% by mass or less.
リチウム二次電池に使用する非水電解液における1,3−ジオキサンの含有量は、高電圧で充電した際の電池の負荷特性および高温貯蔵後の容量回復性を高め、また、前記化合物(A)との組み合わせによって電池の充放電サイクル特性を高める効果を確保する観点から、0.1質量%以上であり、0.5質量%以上であることが好ましい。一方、非水電解液中の1,3−ジオキサンの量が多すぎると、電池の負荷特性や充放電サイクル特性、貯蔵特性を低下させる虞がある。よって、リチウム二次電池に使用する非水電解液における1,3−ジオキサンの含有量は、5質量%以下であり、2.5質量%以下であることが好ましい。 The content of 1,3-dioxane in the non-aqueous electrolyte used for the lithium secondary battery increases the load characteristics of the battery when charged at a high voltage and the capacity recoverability after high-temperature storage, and the compound (A ) And 0.1% by mass or more, and preferably 0.5% by mass or more from the viewpoint of securing the effect of improving the charge / discharge cycle characteristics of the battery. On the other hand, if the amount of 1,3-dioxane in the nonaqueous electrolytic solution is too large, the load characteristics, charge / discharge cycle characteristics, and storage characteristics of the battery may be degraded. Therefore, the content of 1,3-dioxane in the nonaqueous electrolytic solution used for the lithium secondary battery is 5% by mass or less, and preferably 2.5% by mass or less.
また、非水電解液には、ハロゲン置換された環状カーボネートも含有するものを使用することが好ましい。ハロゲン置換された環状カーボネートは、負極に作用して、負極と非水電解液成分との反応を抑制する作用を有している。よって、ハロゲン置換された環状カーボネートも含有する非水電解液を使用することで、より充放電サイクル特性の良好なリチウム二次電池とすることができる。 In addition, it is preferable to use a non-aqueous electrolyte containing a halogen-substituted cyclic carbonate. The halogen-substituted cyclic carbonate acts on the negative electrode and has an action of suppressing the reaction between the negative electrode and the non-aqueous electrolyte component. Therefore, by using a nonaqueous electrolytic solution that also contains a halogen-substituted cyclic carbonate, a lithium secondary battery with better charge / discharge cycle characteristics can be obtained.
ハロゲン置換された環状カーボネートとしては、下記の一般式(1)で表される化合物を用いることができる。 As the halogen-substituted cyclic carbonate, a compound represented by the following general formula (1) can be used.
前記一般式(1)中、R1、R2、R3およびR4は、水素、ハロゲン元素または炭素数1〜10のアルキル基を表しており、アルキル基の水素の一部または全部がハロゲン元素で置換されていてもよく、R1、R2、R3およびR4のうちの少なくとも1つはハロゲン元素であり、R1、R2、R3およびR4は、それぞれが異なっていてもよく、2つ以上が同一であってもよい。R1、R2、R3およびR4がアルキル基である場合、その炭素数は少ないほど好ましい。前記ハロゲン元素としては、フッ素が特に好ましい。 In the general formula (1), R 1 , R 2 , R 3 and R 4 represent hydrogen, a halogen element, or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and a part or all of the hydrogen of the alkyl group is halogen. may be substituted with an element, at least one of R 1, R 2, R 3 and R 4 are halogen, R 1, R 2, R 3 and R 4 have different respective Two or more may be the same. When R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are alkyl groups, the smaller the number of carbon atoms, the better. As the halogen element, fluorine is particularly preferable.
このようなハロゲン元素で置換された環状カーボネートの中でも、4−フルオロ−1,3−ジオキソラン−2−オン(FEC)が特に好ましい。 Among the cyclic carbonates substituted with such a halogen element, 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one (FEC) is particularly preferable.
リチウム二次電池に使用する非水電解液におけるハロゲン置換された環状カーボネートの含有量は、その使用による効果をより良好に確保する観点から、0.1質量%以上であることが好ましく、0.5質量%以上であることがより好ましい。ただし、非水電解液中のハロゲン置換された環状カーボネートの含有量が多すぎると、貯蔵特性の向上効果が小さくなる虞がある。よって、リチウム二次電池に使用する非水電解液におけるハロゲン置換された環状カーボネートの含有量は、10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましい。 The content of the halogen-substituted cyclic carbonate in the non-aqueous electrolytic solution used for the lithium secondary battery is preferably 0.1% by mass or more from the viewpoint of better ensuring the effect of the use. More preferably, it is 5 mass% or more. However, if the content of the halogen-substituted cyclic carbonate in the non-aqueous electrolyte is too large, the effect of improving storage characteristics may be reduced. Therefore, the content of the halogen-substituted cyclic carbonate in the nonaqueous electrolytic solution used for the lithium secondary battery is preferably 10% by mass or less, and more preferably 5% by mass or less.
更に、非水電解液には、ビニレンカーボネート(VC)も含有するものを使用することが好ましい。VCは、負極(特に負極活物質として炭素材料を使用した負極)に作用して、負極と非水電解液成分との反応を抑制する作用を有している。よって、VCも含有する非水電解液を使用することで、より充放電サイクル特性の良好なリチウム二次電池とすることができる。 Further, it is preferable to use a non-aqueous electrolyte containing vinylene carbonate (VC). VC acts on a negative electrode (in particular, a negative electrode using a carbon material as a negative electrode active material) and has an action of suppressing a reaction between the negative electrode and a non-aqueous electrolyte component. Therefore, by using a non-aqueous electrolyte containing VC, a lithium secondary battery with better charge / discharge cycle characteristics can be obtained.
リチウム二次電池に使用する非水電解液におけるVCの含有量は、その使用による効果をより良好に確保する観点から、0.1質量%以上であることが好ましく、1.0質量%以上であることがより好ましい。ただし、非水電解液中のVCの含有量が多すぎると、貯蔵特性の向上効果が小さくなる虞がある。よって、リチウム二次電池に使用する非水電解液におけるVCの含有量は、10質量%以下であることが好ましく、4.0質量%以下であることがより好ましい。 The content of VC in the non-aqueous electrolyte used for the lithium secondary battery is preferably 0.1% by mass or more, and preferably 1.0% by mass or more from the viewpoint of ensuring better the effect of the use. More preferably. However, if the content of VC in the non-aqueous electrolyte is too large, the effect of improving storage characteristics may be reduced. Therefore, the content of VC in the nonaqueous electrolytic solution used for the lithium secondary battery is preferably 10% by mass or less, and more preferably 4.0% by mass or less.
非水電解液に用いるリチウム塩としては、溶媒中で解離してLi+イオンを形成し、電池として使用される電圧範囲で分解などの副反応を起こしにくいものであれば特に制限はない。例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6などの無機リチウム塩、LiCF3SO3、LiCF3CO2、Li2C2F4(SO3)2、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiCnF2n+1SO3(n≧2)、LiN(RfOSO2)2〔ここでRfはフルオロアルキル基〕などの有機リチウム塩などを用いることができる。 The lithium salt used in the non-aqueous electrolyte is not particularly limited as long as it is dissociated in a solvent to form Li + ions and hardly causes a side reaction such as decomposition in a voltage range used as a battery. For example, LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 and other inorganic lithium salts, LiCF 3 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 , LiC n F 2n + 1 SO 3 (n ≧ 2), LiN (RfOSO 2 ) 2 [where Rf is a fluoroalkyl group] and the like can be used. .
このリチウム塩の非水電解液中の濃度としては、0.5〜1.5mol/lとすることが好ましく、0.9〜1.25mol/lとすることがより好ましい。 The concentration of the lithium salt in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.5 to 1.5 mol / l, and more preferably 0.9 to 1.25 mol / l.
非水電解液に用いる有機溶媒としては、前記のリチウム塩を溶解し、電池として使用される電圧範囲で分解などの副反応を起こさないものであれば特に限定されない。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などの環状カーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート;プロピオン酸メチルなどの鎖状エステル;γ−ブチロラクトンなどの環状エステル;ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、1,3−ジオキソラン、ジグライム、トリグライム、テトラグライムなどの鎖状エーテル;1,4−ジオキサン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル;アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリルなどのニトリル類;エチレングリコールサルファイトなどの亜硫酸エステル類;などが挙げられ、これらは2種以上混合して用いることもできる。なお、より良好な特性の電池とするためには、エチレンカーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒など、高い導電率を得ることができる組み合わせで用いることが望ましい。 The organic solvent used for the non-aqueous electrolyte is not particularly limited as long as it dissolves the lithium salt and does not cause a side reaction such as decomposition in a voltage range used as a battery. For example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate; chain esters such as methyl propionate; cyclic esters such as γ-butyrolactone; dimethoxyethane, Chain ethers such as diethyl ether, 1,3-dioxolane, diglyme, triglyme and tetraglyme; cyclic ethers such as 1,4-dioxane, tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran; acetonitrile, propionitrile, methoxypropionitrile and the like Nitriles; sulfites such as ethylene glycol sulfite; and the like. These may be used in combination of two or more. In order to obtain a battery with better characteristics, it is desirable to use a combination that can obtain high conductivity, such as a mixed solvent of ethylene carbonate and chain carbonate.
また、リチウム二次電池に使用する非水電解液には、充放電サイクル特性の更なる改善や、高温貯蔵性や過充電防止などの安全性を向上させる目的で、無水酸、スルホン酸エステル、ジニトリル、1,3−プロパンサルトン、ジフェニルジスルフィド、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、フルオロベンゼン、t−ブチルベンゼンなどの添加剤(これらの誘導体も含む)を適宜加えることもできる。 In addition, non-aqueous electrolytes used for lithium secondary batteries include acid anhydrides, sulfonate esters, and the like for the purpose of further improving charge / discharge cycle characteristics and improving safety such as high-temperature storage and prevention of overcharge. Additives (including these derivatives) such as dinitrile, 1,3-propane sultone, diphenyl disulfide, cyclohexylbenzene, biphenyl, fluorobenzene, and t-butylbenzene can be added as appropriate.
更に、リチウム二次電池の非水電解液には、前記の非水電解液に、ポリマーなどの公知のゲル化剤を添加してゲル化したもの(ゲル状電解質)を用いることもできる。 Further, as the non-aqueous electrolyte of the lithium secondary battery, a gel (gel electrolyte) obtained by adding a known gelling agent such as a polymer to the non-aqueous electrolyte can be used.
本発明のリチウム二次電池は、正極、負極、非水電解液およびセパレータを有しており、非水電解液に前記の非水電解液を使用していればよく、その他の構成および構造については特に制限はなく、従来から知られているリチウム二次電池で採用されている各種構成および構造を適用することができる。 The lithium secondary battery of the present invention has a positive electrode, a negative electrode, a non-aqueous electrolyte, and a separator, and the non-aqueous electrolyte may be used as the non-aqueous electrolyte. There is no particular limitation, and various configurations and structures employed in conventionally known lithium secondary batteries can be applied.
リチウム二次電池に係る正極には、例えば、集電体の片面または両面に、正極活物質、バインダおよび導電助剤などを含有する正極合剤層を有する構造のものを使用することができる。 As the positive electrode according to the lithium secondary battery, for example, one having a structure having a positive electrode mixture layer containing a positive electrode active material, a binder, a conductive additive and the like on one side or both sides of a current collector can be used.
正極活物質には、LiCoO2などのリチウムコバルト酸化物;LiMnO2、Li2MnO3などのリチウムマンガン酸化物;LiNiO2などのリチウムニッケル酸化物;LiCo1−xNiO2などの層状構造のリチウム含有複合酸化物;LiMn2O4、Li4/3Ti5/3O4などのスピネル構造のリチウム含有複合酸化物;LiFePO4などのオリビン構造のリチウム含有複合酸化物;前記の酸化物を基本組成とし各種元素で置換した酸化物;などを使用することができる。 Examples of the positive electrode active material include lithium cobalt oxides such as LiCoO 2 ; lithium manganese oxides such as LiMnO 2 and Li 2 MnO 3 ; lithium nickel oxides such as LiNiO 2 ; lithium having a layered structure such as LiCo 1-x NiO 2. Containing complex oxide; lithium-containing complex oxide having a spinel structure such as LiMn 2 O 4 , Li 4/3 Ti 5/3 O 4 ; lithium-containing complex oxide having an olivine structure such as LiFePO 4 ; Oxides substituted with various elements as the composition can be used.
これらのリチウム含有複合酸化物の中でも、より容量が大きいことから、下記一般組成式(2)で表されるものを使用することがより好ましい。 Among these lithium-containing composite oxides, it is more preferable to use one represented by the following general composition formula (2) because of its larger capacity.
Li1+aNi1−b−c−dCobMncM1 dO2 (2) Li 1 + a Ni 1-bc-d Co b Mn c M 1 d O 2 (2)
前記一般組成式(2)中、M1はMg、Al、Ti、Fe、Cu、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Sn、W、B、PおよびBiよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、−0.15≦a≦0.15、0.05≦b≦0.4、0.05≦c≦0.4、0≦d≦0.03、およびb+c+d≦0.7である。 In the general composition formula (2), M 1 is selected from the group consisting of Mg, Al, Ti, Fe, Cu, Zn, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Sn, W, B, P, and Bi. At least one element, −0.15 ≦ a ≦ 0.15, 0.05 ≦ b ≦ 0.4, 0.05 ≦ c ≦ 0.4, 0 ≦ d ≦ 0.03, and b + c + d ≦ 0.7.
また、正極活物質には、前記一般組成式(2)で表されるリチウム含有複合酸化物(リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物)と、LiCoO2や下記一般組成式(3)で表される酸化物などのリチウムコバルト酸化物とを併用することが、より好ましい。 Further, the positive electrode active material includes a lithium-containing composite oxide (lithium nickel cobalt manganese oxide) represented by the general composition formula (2), LiCoO 2 and an oxide represented by the following general composition formula (3). It is more preferable to use together with lithium cobalt oxide.
Li1+oCo1−p−qMgpM2 qO2 (3) Li 1 + o Co 1-pq Mg p M 2 q O 2 (3)
前記一般組成式(3)中、M2はAl、Ti、Fe、Cu、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Sn、W、B、PおよびBiよりなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、−0.3≦o≦0.3、0.001≦p≦0.1、および0<q≦0.1である。 In the general composition formula (3), M 2 is at least one selected from the group consisting of Al, Ti, Fe, Cu, Zn, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Sn, W, B, P, and Bi. It is a seed element, with −0.3 ≦ o ≦ 0.3, 0.001 ≦ p ≦ 0.1, and 0 <q ≦ 0.1.
正極活物質に、前記のリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物と、前記のリチウムコバルト酸化物とを併用する場合、これらの合計100質量%中のリチウムコバルト酸化物の含有量を、50〜90質量%とすることが好ましい。 When the lithium nickel cobalt manganese oxide and the lithium cobalt oxide are used in combination with the positive electrode active material, the content of the lithium cobalt oxide in a total of 100% by mass is 50 to 90% by mass. It is preferable to do.
正極合剤層に係るバインダには、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース(CMC)などが好適に用いられる。また、正極合剤層に係る導電助剤としては、例えば、天然黒鉛(鱗片状黒鉛など)、人造黒鉛などの黒鉛(黒鉛質炭素材料);アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカ−ボンブラック;炭素繊維;などの炭素材料などが挙げられる。 For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose (CMC), or the like is preferably used for the binder related to the positive electrode mixture layer. In addition, as the conductive auxiliary agent related to the positive electrode mixture layer, for example, graphite (graphite carbon material) such as natural graphite (flaky graphite), artificial graphite; acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, Carbon materials such as carbon black such as lamp black and thermal black; carbon fiber;
正極は、例えば、正極活物質、バインダおよび導電助剤などを、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)などの溶剤に分散させたペースト状やスラリー状の正極合剤含有組成物を調製し(ただし、バインダは溶剤に溶解していてもよい)、これを集電体の片面または両面に塗布し、乾燥した後に、必要に応じてカレンダー処理を施す工程を経て製造される。ただし、正極は、前記の製造方法で製造されたものに限定される訳ではなく、他の方法で製造したものであってもよい。 For the positive electrode, for example, a paste-like or slurry-like positive electrode mixture-containing composition in which a positive electrode active material, a binder, a conductive auxiliary agent, and the like are dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is prepared ( However, the binder may be dissolved in a solvent), and this is applied to one or both sides of the current collector, dried, and then subjected to a calendering process as necessary. However, the positive electrode is not limited to those manufactured by the above manufacturing method, and may be manufactured by other methods.
また、正極には、必要に応じて、リチウム二次電池内の他の部材と電気的に接続するためのリード体を、常法に従って形成してもよい。 Moreover, you may form the lead body for electrically connecting with the other member in a lithium secondary battery according to a conventional method to a positive electrode as needed.
正極合剤層の厚みは、例えば、集電体の片面あたり10〜100μmであることが好ましい。また、正極合剤層の組成としては、例えば、正極活物質の量が60〜95質量%であることが好ましく、バインダの量が1〜15質量%であることが好ましく、導電助剤の量が3〜20質量%であることが好ましい。 The thickness of the positive electrode mixture layer is preferably, for example, 10 to 100 μm per one side of the current collector. Moreover, as a composition of a positive mix layer, it is preferable that the quantity of a positive electrode active material is 60-95 mass%, for example, it is preferable that the quantity of a binder is 1-15 mass%, and the quantity of a conductive support agent. Is preferably 3 to 20% by mass.
正極の集電体は、従来から知られているリチウム二次電池の正極に使用されているものと同様のものが使用でき、例えば、厚みが10〜30μmのアルミニウム箔が好ましい。 The positive electrode current collector can be the same as that used for the positive electrode of a conventionally known lithium secondary battery. For example, an aluminum foil having a thickness of 10 to 30 μm is preferable.
リチウム二次電池に係る負極には、例えば、負極活物質およびバインダ、更には必要に応じて導電助剤を含有する負極合剤からなる負極合剤層を、集電体の片面または両面に有する構造のものが使用できる。 The negative electrode related to the lithium secondary battery has, for example, a negative electrode active material, a binder, and, if necessary, a negative electrode mixture layer including a negative electrode mixture containing a conductive auxiliary agent on one side or both sides of the current collector. A structure can be used.
負極活物質としては、例えば、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭、リチウムと合金化可能な金属(Si、Snなど)またはその合金、酸化物などが挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を用いることができる。 Examples of the negative electrode active material include graphite, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, fired bodies of organic polymer compounds, mesocarbon microbeads, carbon fibers, activated carbon, and metals that can be alloyed with lithium (Si , Sn, etc.) or alloys thereof, oxides, etc., and one or more of these can be used.
前記の負極活物質の中でも、特に電池の高容量化を図るには、SiとOとを構成元素に含む材料(ただし、Siに対するOの原子比xは、0.5≦x≦1.5である。以下、当該材料を「SiOx」という)を用いることが好ましい。 Among the negative electrode active materials, in order to increase the capacity of the battery, in particular, a material containing Si and O as constituent elements (provided that the atomic ratio x of O to Si is 0.5 ≦ x ≦ 1.5 Hereinafter, the material is preferably referred to as “SiO x ”.
SiOxは、Siの微結晶または非晶質相を含んでいてもよく、この場合、SiとOの原子比は、Siの微結晶または非晶質相のSiを含めた比率となる。すなわち、SiOxには、非晶質のSiO2マトリックス中に、Si(例えば、微結晶Si)が分散した構造のものが含まれ、この非晶質のSiO2と、その中に分散しているSiを合わせて、前記の原子比xが0.5≦x≦1.5を満足していればよい。例えば、非晶質のSiO2マトリックス中に、Siが分散した構造で、SiO2とSiのモル比が1:1の材料の場合、x=1であるので、構造式としてはSiOで表記される。このような構造の材料の場合、例えば、X線回折分析では、Si(微結晶Si)の存在に起因するピークが観察されない場合もあるが、透過型電子顕微鏡で観察すると、微細なSiの存在が確認できる。 The SiO x may contain Si microcrystal or amorphous phase. In this case, the atomic ratio of Si and O is a ratio including Si microcrystal or amorphous phase Si. That is, SiO x includes a structure in which Si (for example, microcrystalline Si) is dispersed in an amorphous SiO 2 matrix, and this amorphous SiO 2 is dispersed in the SiO 2 matrix. It is sufficient that the atomic ratio x satisfies 0.5 ≦ x ≦ 1.5 in combination with Si. For example, in the case of a material in which Si is dispersed in an amorphous SiO 2 matrix and the material has a molar ratio of SiO 2 to Si of 1: 1, x = 1, so that the structural formula is represented by SiO. The In the case of a material having such a structure, for example, in X-ray diffraction analysis, a peak due to the presence of Si (microcrystalline Si) may not be observed, but when observed with a transmission electron microscope, the presence of fine Si Can be confirmed.
そして、SiOxは、炭素材料と複合化した複合体であることが好ましく、例えば、SiOxの表面が炭素材料で被覆されていることが望ましい。前記の通り、SiOxは導電性が乏しいため、これを負極活物質として用いる際には、良好な電池特性確保の観点から、導電性材料(導電助剤)を使用し、負極内におけるSiOxと導電性材料との混合・分散を良好にして、優れた導電ネットワークを形成する必要がある。SiOxを炭素材料と複合化した複合体であれば、例えば、単にSiOxと炭素材料などの導電性材料とを混合して得られた材料を用いた場合よりも、負極における導電ネットワークが良好に形成される。 Then, SiO x is preferably a complex complexed with carbon materials, for example, it is desirable that the surface of the SiO x is coated with a carbon material. As described above, since SiO x has poor conductivity, when using it as a negative electrode active material, from the viewpoint of securing good battery characteristics, a conductive material (conductive aid) is used, and SiO x in the negative electrode is used. It is necessary to form an excellent conductive network by mixing and dispersing the material and the conductive material well. If complexes complexed with carbon material SiO x, for example, simply than with a material obtained by mixing a conductive material such as SiO x and the carbon material, good conductive network in the negative electrode Formed.
SiOxと炭素材料との複合体としては、前記のように、SiOxの表面を炭素材料で被覆したものの他、SiOxと炭素材料との造粒体などが挙げられる。 The complex of the SiO x and the carbon material, as described above, other although the surface of the SiO x coated with carbon material, such as granules of SiO x and the carbon material can be cited.
また、前記の、SiOxの表面を炭素材料で被覆した複合体を、更に導電性材料(炭素材料など)と複合化して用いることで、負極において更に良好な導電ネットワークの形成が可能となるため、より高容量で、より電池特性(例えば、充放電サイクル特性)に優れたリチウム二次電池の実現が可能となる。炭素材料で被覆されたSiOxと炭素材料との複合体としては、例えば、炭素材料で被覆されたSiOxと炭素材料との混合物を更に造粒した造粒体などが挙げられる。 In addition, since the composite in which the surface of SiO x is coated with a carbon material is further combined with a conductive material (carbon material or the like), a better conductive network can be formed in the negative electrode. Therefore, it is possible to realize a lithium secondary battery with higher capacity and more excellent battery characteristics (for example, charge / discharge cycle characteristics). The complex of the SiO x and the carbon material coated with a carbon material, for example, like granules the mixture was further granulated with SiO x and the carbon material coated with a carbon material.
また、表面が炭素材料で被覆されたSiOxとしては、SiOxとそれよりも比抵抗値が小さい炭素材料との複合体(例えば造粒体)の表面が、更に炭素材料で被覆されてなるものも、好ましく用いることができる。前記造粒体内部でSiOxと炭素材料とが分散した状態であると、より良好な導電ネットワークを形成できるため、SiOxを負極活物質として含有する負極を有するリチウム二次電池において、重負荷放電特性などの電池特性を更に向上させることができる。 Further, as SiO x whose surface is coated with a carbon material, the surface of a composite (for example, a granulated body) of SiO x and a carbon material having a smaller specific resistance value is further coated with a carbon material. Those can also be preferably used. In a state where SiO x and the carbon material are dispersed inside the granulated body, a better conductive network can be formed. Therefore, in a lithium secondary battery having a negative electrode containing SiO x as a negative electrode active material, a heavy load Battery characteristics such as discharge characteristics can be further improved.
SiOxとの複合体の形成に用い得る前記炭素材料としては、例えば、低結晶性炭素、カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維などの炭素材料が好ましいものとして挙げられる。 Preferred examples of the carbon material that can be used to form a composite with SiO x include carbon materials such as low crystalline carbon, carbon nanotubes, and vapor grown carbon fibers.
前記炭素材料の詳細としては、繊維状またはコイル状の炭素材料、カーボンブラック(アセチレンブラック、ケッチェンブラックを含む)、人造黒鉛、易黒鉛化炭素および難黒鉛化炭素よりなる群から選ばれる少なくとも1種の材料が好ましい。繊維状またはコイル状の炭素材料は、導電ネットワークを形成し易く、かつ表面積の大きい点において好ましい。カーボンブラック(アセチレンブラック,ケッチェンブラックを含む)、易黒鉛化炭素および難黒鉛化炭素は、高い電気伝導性、高い保液性を有しており、さらに、SiOx粒子が膨張収縮しても、その粒子との接触を保持し易い性質を有している点において好ましい。 The details of the carbon material include at least one selected from the group consisting of fibrous or coiled carbon materials, carbon black (including acetylene black and ketjen black), artificial graphite, graphitizable carbon, and non-graphitizable carbon. A seed material is preferred. Fibrous or coil-like carbon materials are preferable in that they easily form a conductive network and have a large surface area. Carbon black (including acetylene black and ketjen black), graphitizable carbon, and non-graphitizable carbon have high electrical conductivity and high liquid retention, and even if SiO x particles expand and contract. This is preferable in that it has a property of easily maintaining contact with the particles.
また、詳しくは後述するように、本発明においては、黒鉛を負極活物質としてSiOxと共に使用することが好ましいが、この黒鉛をSiOxと炭素材料との複合体に係る炭素材料として使用することもできる。黒鉛も、カーボンブラックなどと同様に、高い電気伝導性、高い保液性を有しており、さらに、SiOx粒子が膨張収縮しても、その粒子との接触を保持し易い性質を有しているため、SiOxとの複合体形成に好ましく使用することができる。 Further, as will be described in detail later, in the present invention, graphite is preferably used as a negative electrode active material together with SiO x , but this graphite is used as a carbon material related to a composite of SiO x and a carbon material. You can also. Graphite, like carbon black, has high electrical conductivity and high liquid retention, and also has the property of easily maintaining contact with the SiO x particles even when they expand and contract. Therefore, it can be preferably used for forming a complex with SiO x .
前記例示の炭素材料の中でも、SiOxとの複合体が造粒体である場合に用いるものとしては、繊維状の炭素材料が特に好ましい。繊維状の炭素材料は、その形状が細い糸状であり柔軟性が高いために電池の充放電に伴うSiOxの膨張収縮に追従でき、また、嵩密度が大きいために、SiOx粒子と多くの接合点を持つことができるからである。繊維状の炭素としては、例えば、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブなどが挙げられ、これらの何れを用いてもよい。 Among the carbon materials exemplified above, a fibrous carbon material is particularly preferable for use when the composite with SiO x is a granulated body. Fibrous carbon material can follow the expansion and contraction of SiO x with the charging and discharging of the battery due to the high shape is thin threadlike flexibility, also because bulk density is large, many and SiO x particles It is because it can have a junction. Examples of the fibrous carbon include polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, vapor-grown carbon fiber, and carbon nanotube, and any of these may be used.
なお、繊維状の炭素材料は、例えば、気相法にてSiOx粒子の表面に形成することもできる。 The fibrous carbon material can also be formed on the surface of the SiO x particles by, for example, a vapor phase method.
SiOxの比抵抗値が、通常、103〜107kΩcmであるのに対して、前記例示の炭素材料の比抵抗値は、通常、10−5〜10kΩcmである。 The specific resistance value of SiO x is usually 10 3 to 10 7 kΩcm, while the specific resistance value of the carbon material exemplified above is usually 10 −5 to 10 kΩcm.
また、SiOxと炭素材料との複合体は、粒子表面の炭素材料被覆層を覆う材料層(難黒鉛化炭素を含む材料層)を更に有していてもよい。 The composite of SiO x and the carbon material may further have a material layer (a material layer containing non-graphitizable carbon) that covers the carbon material coating layer on the particle surface.
負極にSiOxと炭素材料との複合体を使用する場合、SiOxと炭素材料との比率は、炭素材料との複合化による作用を良好に発揮させる観点から、SiOx:100質量部に対して、炭素材料が、5質量部以上であることが好ましく、10質量部以上であることがより好ましい。また、前記複合体において、SiOxと複合化する炭素材料の比率が多すぎると、負極合剤層中のSiOx量の低下に繋がり、高容量化の効果が小さくなる虞があることから、SiOx:100質量部に対して、炭素材料は、50質量部以下であることが好ましく、40質量部以下であることがより好ましい。 When a composite of SiO x and a carbon material is used for the negative electrode, the ratio of SiO x and the carbon material is based on SiO x : 100 parts by mass from the viewpoint of satisfactorily exerting the effect of the composite with the carbon material. The carbon material is preferably 5 parts by mass or more, and more preferably 10 parts by mass or more. Further, in the composite, if the ratio of the carbon material to be combined with SiO x is too large, it may lead to a decrease in the amount of SiO x in the negative electrode mixture layer, and the effect of increasing the capacity may be reduced. SiO x: relative to 100 parts by weight, the carbon material, and more preferably preferably not more than 50 parts by weight, more than 40 parts by weight.
前記のSiOxと炭素材料との複合体は、例えば下記の方法によって得ることができる。 The composite of the SiO x and the carbon material can be obtained, for example, by the following method.
まず、SiOxを複合化する場合の作製方法について説明する。SiOxが分散媒に分散した分散液を用意し、それを噴霧し乾燥して、複数の粒子を含む複合粒子を作製する。分散媒としては、例えば、エタノールなどを用いることができる。分散液の噴霧は、通常、50〜300℃の雰囲気内で行うことが適当である。前記の方法以外にも、振動型や遊星型のボールミルやロッドミルなどを用いた機械的な方法による造粒方法においても、同様の複合粒子を作製することができる。 First, a manufacturing method in the case of combining SiO x will be described. A dispersion liquid in which SiO x is dispersed in a dispersion medium is prepared, and sprayed and dried to produce composite particles including a plurality of particles. For example, ethanol or the like can be used as the dispersion medium. It is appropriate to spray the dispersion in an atmosphere of 50 to 300 ° C. In addition to the above method, similar composite particles can be produced also by a granulation method by a mechanical method using a vibration type or planetary type ball mill or rod mill.
なお、SiOxと、SiOxよりも比抵抗値の小さい炭素材料との造粒体を作製する場合には、SiOxが分散媒に分散した分散液中に前記炭素材料を添加し、この分散液を用いて、SiOxを複合化する場合と同様の手法によって複合粒子(造粒体)とすればよい。また、前記と同様の機械的な方法による造粒方法によっても、SiOxと炭素材料との造粒体を作製することができる。 Incidentally, the SiO x, in the case of manufacturing a granulated body with small carbon material resistivity value than SiO x is adding the carbon material in the dispersion liquid of SiO x are dispersed in a dispersion medium, the dispersion by using a liquid, by a similar method to the case of composite of SiO x may be a composite particle (granule). Further, by granulation process according to the similar mechanical method, it is possible to produce a granular material of the SiO x and the carbon material.
次に、SiOx粒子(SiOx複合粒子、またはSiOxと炭素材料との造粒体)の表面を炭素材料で被覆して複合体とする場合には、例えば、SiOx粒子と炭化水素系ガスとを気相中にて加熱して、炭化水素系ガスの熱分解により生じた炭素を、粒子の表面上に堆積させる。このように、気相成長(CVD)法によれば、炭化水素系ガスが複合粒子の隅々にまで行き渡り、粒子の表面や表面の空孔内に、導電性を有する炭素材料を含む薄くて均一な皮膜(炭素材料被覆層)を形成できることから、少量の炭素材料によってSiOx粒子に均一性よく導電性を付与できる。 Next, when the surface of SiO x particles (SiO x composite particles or a granulated body of SiO x and a carbon material) is coated with a carbon material to form a composite, for example, the SiO x particles and the hydrocarbon-based material The gas is heated in the gas phase, and carbon generated by pyrolysis of the hydrocarbon-based gas is deposited on the surface of the particles. As described above, according to the vapor deposition (CVD) method, the hydrocarbon-based gas spreads to every corner of the composite particle, and the surface of the particle and the pores in the surface are thin and contain a conductive carbon material. Since a uniform film (carbon material coating layer) can be formed, the SiO x particles can be imparted with good conductivity with a small amount of carbon material.
炭素材料で被覆されたSiOxの製造において、気相成長(CVD)法の処理温度(雰囲気温度)については、炭化水素系ガスの種類によっても異なるが、通常、600〜1200℃が適当であり、中でも、700℃以上であることが好ましく、800℃以上であることが更に好ましい。処理温度が高い方が不純物の残存が少なく、かつ導電性の高い炭素を含む被覆層を形成できるからである。 In the production of SiO x coated with a carbon material, the processing temperature (atmosphere temperature) of the vapor deposition (CVD) method varies depending on the type of hydrocarbon gas, but usually 600 to 1200 ° C. is appropriate. Among these, the temperature is preferably 700 ° C. or higher, and more preferably 800 ° C. or higher. This is because the higher the treatment temperature, the less the remaining impurities, and the formation of a coating layer containing carbon having high conductivity.
炭化水素系ガスの液体ソースとしては、トルエン、ベンゼン、キシレン、メシチレンなどを用いることができるが、取り扱い易いトルエンが特に好ましい。これらを気化させる(例えば、窒素ガスでバブリングする)ことにより炭化水素系ガスを得ることができる。また、メタンガスやアセチレンガスなどを用いることもできる。 As the liquid source of the hydrocarbon-based gas, toluene, benzene, xylene, mesitylene and the like can be used, but toluene that is easy to handle is particularly preferable. A hydrocarbon-based gas can be obtained by vaporizing them (for example, bubbling with nitrogen gas). Moreover, methane gas, acetylene gas, etc. can also be used.
また、気相成長(CVD)法にてSiOx粒子(SiOx複合粒子、またはSiOxと炭素材料との造粒体)の表面を炭素材料で覆った後に、石油系ピッチ、石炭系のピッチ、熱硬化性樹脂、およびナフタレンスルホン酸塩とアルデヒド類との縮合物よりなる群から選択される少なくとも1種の有機化合物を、炭素材料を含む被覆層に付着させた後、前記有機化合物が付着した粒子を焼成してもよい。 In addition, after the surface of SiO x particles (SiO x composite particles or a granulated body of SiO x and a carbon material) is covered with a carbon material by a vapor deposition (CVD) method, a petroleum-based pitch or a coal-based pitch is used. At least one organic compound selected from the group consisting of a thermosetting resin and a condensate of naphthalene sulfonate and aldehydes is attached to a coating layer containing a carbon material, and then the organic compound is attached. The obtained particles may be fired.
具体的には、炭素材料で被覆されたSiOx粒子(SiOx複合粒子、またはSiOxと炭素材料との造粒体)と、前記有機化合物とが分散媒に分散した分散液を用意し、この分散液を噴霧し乾燥して、有機化合物によって被覆された粒子を形成し、その有機化合物によって被覆された粒子を焼成する。 Specifically, a dispersion liquid in which a SiO x particle (SiO x composite particle or a granulated body of SiO x and a carbon material) coated with a carbon material and the organic compound are dispersed in a dispersion medium is prepared, The dispersion is sprayed and dried to form particles coated with the organic compound, and the particles coated with the organic compound are fired.
前記ピッチとしては等方性ピッチを、熱硬化性樹脂としてはフェノール樹脂、フラン樹脂、フルフラール樹脂などを用いることができる。ナフタレンスルホン酸塩とアルデヒド類との縮合物としては、ナフタレンスルホン酸ホルムアルデヒド縮合物を用いることができる。 An isotropic pitch can be used as the pitch, and a phenol resin, a furan resin, a furfural resin, or the like can be used as the thermosetting resin. As the condensate of naphthalene sulfonate and aldehydes, naphthalene sulfonic acid formaldehyde condensate can be used.
炭素材料で被覆されたSiOx粒子と前記有機化合物とを分散させるための分散媒としては、例えば、水、アルコール類(エタノールなど)を用いることができる。分散液の噴霧は、通常、50〜300℃の雰囲気内で行うことが適当である。焼成温度は、通常、600〜1200℃が適当であるが、中でも700℃以上が好ましく、800℃以上であることが更に好ましい。処理温度が高い方が不純物の残存が少なく、かつ導電性の高い良質な炭素材料を含む被覆層を形成できるからである。ただし、処理温度はSiOxの融点以下であることを要する。 As a dispersion medium for dispersing the SiO x particles coated with the carbon material and the organic compound, for example, water or alcohols (ethanol or the like) can be used. It is appropriate to spray the dispersion in an atmosphere of 50 to 300 ° C. The firing temperature is usually 600 to 1200 ° C., preferably 700 ° C. or higher, and more preferably 800 ° C. or higher. This is because the higher the processing temperature, the less the remaining impurities, and the formation of a coating layer containing a high-quality carbon material with high conductivity. However, the processing temperature needs to be lower than the melting point of SiO x .
本発明のリチウム二次電池に係る負極活物質にSiOxを使用する場合には、更に黒鉛も負極活物質として使用することが好ましい。黒鉛を使用して負極活物質中のSiOxの比率を下げることで、SiOxの減量による高容量化効果の低下を可及的に抑制しつつ、電池の充放電に伴う負極(負極合剤層)の体積変化を抑えて、かかる体積変化によって生じ得る電池特性の低下を抑制することが可能となる。 When using SiO x for the negative electrode active material according to the lithium secondary battery of the present invention, it is preferable to use graphite as the negative electrode active material. By reducing the ratio of SiO x in the negative electrode active material using graphite, the negative electrode (negative electrode mixture) associated with charging / discharging of the battery is suppressed as much as possible while suppressing the decrease in the capacity-enhancing effect due to the reduction of SiO x. It is possible to suppress a change in volume of the layer) and to suppress a decrease in battery characteristics that may be caused by the volume change.
SiOxと共に負極活物質として使用する黒鉛としては、例えば、鱗片状黒鉛などの天然黒鉛;熱分解炭素類、メソフェーズカーボンマイクロビーズ(MCMB)、炭素繊維などの易黒鉛化炭素を2800℃以上で黒鉛化処理した人造黒鉛;などが挙げられる。 Examples of graphite used as the negative electrode active material together with SiO x include natural graphite such as flaky graphite; graphitizable carbon such as pyrolytic carbons, mesophase carbon microbeads (MCMB), and carbon fibers at 2800 ° C. or more. Artificial graphite subjected to chemical treatment; and the like.
なお、本発明に係る負極においては、SiOxを使用することによる高容量化の効果を良好に確保する観点から、負極活物質中におけるSiOxの含有量は、0.01質量%以上であることが好ましく、3質量%以上であることがより好ましい。また、充放電に伴う負極の体積変化による問題をより良好に回避する観点から、負極活物質中におけるSiOxの含有量は、30質量%以下であることが好ましく、20質量%以下であることがより好ましい。 In the negative electrode according to the present invention, from the viewpoint of satisfactorily ensuring the effect of the high capacity by using a SiO x, the content of SiO x in the anode active material is 0.01 wt% or more It is preferably 3% by mass or more. Further, from the viewpoint of better avoiding the problem due to the volume change of the negative electrode due to charge / discharge, the content of SiO x in the negative electrode active material is preferably 30% by mass or less, and 20% by mass or less. Is more preferable.
また、負極のバインダおよび導電助剤には、正極に使用し得るものとして先に例示したものと同じものが使用できる。 Moreover, the same thing as what was illustrated previously as what can be used for a positive electrode can be used for the binder and conductive support agent of a negative electrode.
負極は、例えば、負極活物質およびバインダ、更には必要に応じて使用される導電助剤を、NMPや水などの溶剤に分散させたペースト状やスラリー状の負極合剤含有組成物を調製し(ただし、バインダは溶剤に溶解していてもよい)、これを集電体の片面または両面に塗布し、乾燥した後に、必要に応じてカレンダー処理を施す工程を経て製造される。ただし、負極は、前記の製造方法で製造されたものに限定される訳ではなく、他の方法で製造したものであってもよい。 For the negative electrode, for example, a negative electrode active material, a binder, and a conductive auxiliary agent used as necessary are prepared in a paste-like or slurry-like negative electrode mixture-containing composition in which a solvent such as NMP or water is dispersed. (However, the binder may be dissolved in a solvent), which is applied to one or both sides of the current collector, dried, and then subjected to a calendering process as necessary. However, the negative electrode is not limited to those manufactured by the above manufacturing method, and may be manufactured by other methods.
また、負極には、必要に応じて、リチウム二次電池内の他の部材と電気的に接続するためのリード体を、常法に従って形成してもよい。 Moreover, you may form in the negative electrode the lead body for electrically connecting with the other member in a lithium secondary battery according to a conventional method as needed.
負極合剤層の厚みは、例えば、集電体の片面あたり10〜100μmであることが好ましい。また、負極合剤層の組成としては、例えば、負極活物質を80.0〜99.8質量%とし、バインダを0.1〜10質量%とすることが好ましい。更に、負極合剤層に導電助剤を含有させる場合には、負極合剤層における導電助剤の量を0.1〜10質量%とすることが好ましい。 The thickness of the negative electrode mixture layer is preferably 10 to 100 μm per one surface of the current collector, for example. Moreover, as a composition of a negative mix layer, it is preferable that a negative electrode active material shall be 80.0-99.8 mass% and a binder shall be 0.1-10 mass%, for example. Furthermore, when making a negative mix layer contain a conductive support agent, it is preferable that the quantity of the conductive support agent in a negative mix layer shall be 0.1-10 mass%.
負極の集電体としては、銅製やニッケル製の箔、パンチングメタル、網、エキスパンドメタルなどを用い得るが、通常、銅箔が用いられる。この負極集電体は、高エネルギー密度の電池を得るために負極全体の厚みを薄くする場合、厚みの上限は30μmであることが好ましく、機械的強度を確保するために下限は5μmであることが望ましい。 As the current collector for the negative electrode, a foil made of copper or nickel, a punching metal, a net, an expanded metal, or the like can be used, but a copper foil is usually used. In the negative electrode current collector, when the thickness of the entire negative electrode is reduced in order to obtain a battery having a high energy density, the upper limit of the thickness is preferably 30 μm, and the lower limit is 5 μm in order to ensure mechanical strength. Is desirable.
リチウム二次電池に係るセパレータには、80℃以上(より好ましくは100℃以上)170℃以下(より好ましくは150℃以下)において、その孔が閉塞する性質(すなわちシャットダウン機能)を有していることが好ましく、通常のリチウム二次電池などで使用されているセパレータ、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン製の微多孔膜を用いることができる。セパレータを構成する微多孔膜は、例えば、PEのみを使用したものやPPのみを使用したものであってもよく、また、PE製の微多孔膜とPP製の微多孔膜との積層体であってもよい。 The separator according to the lithium secondary battery has a property that the pores are closed at 80 ° C. or higher (more preferably 100 ° C. or higher) and 170 ° C. or lower (more preferably 150 ° C. or lower) (that is, a shutdown function). It is preferable that a separator used in a normal lithium secondary battery, for example, a microporous membrane made of polyolefin such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP) can be used. The microporous film constituting the separator may be, for example, one using only PE or one using PP, or a laminate of a PE microporous film and a PP microporous film. There may be.
セパレータの厚みは、例えば、10〜30μmであることが好ましい。 The thickness of the separator is preferably 10 to 30 μm, for example.
前記の正極と前記の負極と前記のセパレータとは、正極と負極との間にセパレータを介在させて重ねた積層電極体や、更にこれを渦巻状に巻回した巻回電極体の形態で本発明のリチウム電池に使用することができる。 The positive electrode, the negative electrode, and the separator are formed in the form of a laminated electrode body in which a separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode, or a wound electrode body in which the separator is wound in a spiral shape. It can be used for the lithium battery of the invention.
本発明のリチウム二次電池の形態としては、スチール缶やアルミニウム缶などを外装缶として使用した筒形(角筒形や円筒形など)などが挙げられる。また、金属を蒸着したラミネートフィルムを外装体としたソフトパッケージ電池とすることもできる。 Examples of the form of the lithium secondary battery of the present invention include a cylindrical shape (such as a rectangular tube shape or a cylindrical shape) using a steel can or an aluminum can as an outer can. Moreover, it can also be set as the soft package battery which used the laminated film which vapor-deposited the metal as an exterior body.
本発明のリチウム二次電池は、従来から知られているリチウム二次電池が適用されている各種用途と同じ用途に用いることができる。 The lithium secondary battery of the present invention can be used for the same applications as various applications to which conventionally known lithium secondary batteries are applied.
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.
実施例1
<正極の作製>
LiCoO2とLi1.0Ni0.5Co0.2Mn0.3O2とを8:2の割合(質量比)で混合した正極活物質100質量部と、バインダであるPVDFを10質量%の濃度で含むNMP溶液20質量部と、導電助剤である人造黒鉛1質量部およびケッチェンブラック1質量部とを、二軸混練機を用いて混練し、更にNMPを加えて粘度を調節して、正極合剤含有ペーストを調製した。
Example 1
<Preparation of positive electrode>
100 parts by mass of a positive electrode active material obtained by mixing LiCoO 2 and Li 1.0 Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 at a ratio (mass ratio) of 8: 2, and 10 parts by mass of PVDF as a binder. 20 parts by weight of NMP solution contained at a concentration of 1%, 1 part by weight of artificial graphite and 1 part by weight of ketjen black, which are conductive assistants, are kneaded using a biaxial kneader, and NMP is added to adjust the viscosity. Thus, a positive electrode mixture-containing paste was prepared.
前記正極合剤含有ペーストを、厚みが15μmのアルミニウム箔(正極集電体)の両面に塗布した後、120℃で12時間の真空乾燥を行って、アルミニウム箔の両面に正極合剤層を形成した。その後、プレス処理を行って、正極合剤層の厚さおよび密度を調節し、アルミニウム箔の露出部にニッケル製のリード体を溶接して、長さ375mm、幅43mmの帯状の正極を作製した。得られた正極における正極合剤層は、片面あたりの厚みが55μmであった。 After coating the positive electrode mixture-containing paste on both surfaces of an aluminum foil (positive electrode current collector) having a thickness of 15 μm, vacuum drying is performed at 120 ° C. for 12 hours to form a positive electrode mixture layer on both surfaces of the aluminum foil. did. Thereafter, press treatment was performed to adjust the thickness and density of the positive electrode mixture layer, and a nickel lead body was welded to the exposed portion of the aluminum foil to produce a strip-like positive electrode having a length of 375 mm and a width of 43 mm. . The positive electrode mixture layer in the obtained positive electrode had a thickness of 55 μm per one side.
<負極の作製>
負極活物質である平均粒子径D50%が8μmであるSiO表面を炭素材料で被覆した複合体(複合体における炭素材料の量が10質量%)と、平均粒子径D50%が16μmである黒鉛とを、SiO表面を炭素材料で被覆した複合体の量が3.75質量%となる量で混合した混合物:97.5質量部と、バインダであるSBR:1.5質量部と、増粘剤であるCMC:1質量部とに、水を加えて混合し、負極合剤含有ペーストを調製した。
<Production of negative electrode>
A composite in which the surface of SiO having an average particle diameter D50% of 8 μm, which is a negative electrode active material, is coated with a carbon material (the amount of the carbon material in the composite is 10% by mass), and graphite having an average particle diameter D50% of 16 μm A mixture in which the amount of the composite having the SiO surface coated with a carbon material is 3.75% by mass: 97.5 parts by mass, SBR as a binder: 1.5 parts by mass, and a thickener CMC: 1 part by mass of water was added and mixed to prepare a negative electrode mixture-containing paste.
前記負極合剤含有ペーストを、厚みが8μmの銅箔(負極集電体)の両面に塗布した後、120℃で12時間の真空乾燥を行って、銅箔の両面に負極合剤層を形成した。その後、プレス処理を行って、負極合剤層の厚さおよび密度を調節し、銅箔の露出部にニッケル製のリード体を溶接して、長さ380mm、幅44mmの帯状の負極を作製した。得られた負極における負極合剤層は、片面あたりの厚みが65μmであった。 After applying the negative electrode mixture-containing paste to both sides of a copper foil (negative electrode current collector) having a thickness of 8 μm, vacuum drying is performed at 120 ° C. for 12 hours to form a negative electrode mixture layer on both sides of the copper foil. did. Thereafter, press treatment was performed to adjust the thickness and density of the negative electrode mixture layer, and a nickel lead body was welded to the exposed portion of the copper foil to produce a strip-shaped negative electrode having a length of 380 mm and a width of 44 mm. . The negative electrode mixture layer in the obtained negative electrode had a thickness of 65 μm per one surface.
<非水電解質の調製>
エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)とジエチルカーボネート(DEC)との容積比2:3:1の混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解させ、更にメタンスルホン酸2−プロピニル、1,3−ジオキサン、VCおよびFECを、それぞれ1質量%となる量で添加して、非水電解液を調製した。
<Preparation of non-aqueous electrolyte>
In a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), methyl ethyl carbonate (MEC), and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 2: 3: 1, LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1 mol / L, and methanesulfonic acid 2- Propinyl, 1,3-dioxane, VC and FEC were added in amounts of 1% by mass to prepare a non-aqueous electrolyte.
<電池の組み立て>
前記帯状の正極を、厚みが16μmの微孔性ポリエチレンセパレータ(空孔率:41%)を介して前記帯状の負極に重ね、渦巻状に巻回した後、扁平状になるように加圧して扁平状巻回構造の電極巻回体とし、この電極巻回体をポリプロピレン製の絶縁テープで固定した。次に、外寸が厚さ4.0mm、幅34mm、高さ50mmのアルミニウム合金製の角形の電池ケースに前記電極巻回体を挿入し、リード体の溶接を行うとともに、アルミニウム合金製の蓋板を電池ケースの開口端部に溶接した。その後、蓋板に設けた注入口から前記非水電解質を注入し、1時間静置した後注入口を封止して、図1に示す構造で、図2に示す外観のリチウム二次電池を得た。
<Battery assembly>
The belt-like positive electrode is stacked on the belt-like negative electrode through a microporous polyethylene separator (porosity: 41%) having a thickness of 16 μm, wound in a spiral shape, and then pressed so as to be flat. An electrode winding body having a flat winding structure was formed, and the electrode winding body was fixed with an insulating tape made of polypropylene. Next, the electrode winding body is inserted into a rectangular battery case made of aluminum alloy having an outer dimension of 4.0 mm in thickness, 34 mm in width, and 50 mm in height to weld the lead body, and a lid made of aluminum alloy The plate was welded to the open end of the battery case. Thereafter, the non-aqueous electrolyte is injected from the inlet provided in the cover plate, and left for 1 hour, and then the inlet is sealed. The lithium secondary battery having the structure shown in FIG. Obtained.
ここで図1および図2に示す電池について説明すると、図1の(a)は平面図、(b)はその部分断面図であって、図1(b)に示すように、正極1と負極2はセパレータ3を介して渦巻状に巻回した後、扁平状になるように加圧して扁平状の巻回電極体6として、角形(角筒形)の電池ケース4に非水電解質と共に収容されている。ただし、図1では、煩雑化を避けるため、正極1や負極2の作製にあたって使用した集電体としての金属箔や非水電解質などは図示していない。
Here, the battery shown in FIGS. 1 and 2 will be described. FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a partial cross-sectional view thereof. As shown in FIG. 2 is spirally wound through a
電池ケース4はアルミニウム合金製で電池の外装体を構成するものであり、この電池ケース4は正極端子を兼ねている。そして、電池ケース4の底部にはPEシートからなる絶縁体5が配置され、正極1、負極2およびセパレータ3からなる扁平状巻回電極体6からは、正極1および負極2のそれぞれ一端に接続された正極リード体7と負極リード体8が引き出されている。また、電池ケース4の開口部を封口するアルミニウム合金製の封口用蓋板9にはポリプロピレン製の絶縁パッキング10を介してステンレス鋼製の端子11が取り付けられ、この端子11には絶縁体12を介してステンレス鋼製のリード板13が取り付けられている。
The
そして、この蓋板9は電池ケース4の開口部に挿入され、両者の接合部を溶接することによって、電池ケース4の開口部が封口され、電池内部が密閉されている。また、図1の電池では、蓋板9に非水電解液注入口14が設けられており、この非水電解液注入口14には、封止部材が挿入された状態で、例えばレーザー溶接などにより溶接封止されて、電池の密閉性が確保されている(従って、図1および図2の電池では、実際には、非水電解液注入口14は、非水電解液注入口と封止部材であるが、説明を容易にするために、非水電解液注入口14として示している)。更に、蓋板9には、電池の温度が上昇した際に内部のガスを外部に排出する機構として、開裂ベント15が設けられている。
And this
この実施例1の電池では、正極リード体7を蓋板9に直接溶接することによって外装缶5と蓋板9とが正極端子として機能し、負極リード体8をリード板13に溶接し、そのリード板13を介して負極リード体8と端子11とを導通させることによって端子11が負極端子として機能するようになっているが、電池ケース4の材質などによっては、その正負が逆になる場合もある。
In the battery of this Example 1, the
図2は前記図1に示す電池の外観を模式的に示す斜視図であり、この図2は前記電池が角形電池であることを示すことを目的として図示されたものであって、この図1では電池を概略的に示しており、電池の構成部材のうち特定のものしか図示していない。また、図1においても、電極体の内周側の部分は断面にしていない。 FIG. 2 is a perspective view schematically showing the external appearance of the battery shown in FIG. 1. FIG. 2 is shown for the purpose of showing that the battery is a square battery. FIG. 1 schematically shows a battery, and only specific members of the battery are shown. Also in FIG. 1, the inner peripheral portion of the electrode body is not cross-sectional.
実施例2〜5および比較例1〜4
メタンスルホン酸2−プロピニルおよび1,3−ジオキサンの添加量を表1に示すように変更した以外は、実施例1と同様にして非水電解液を調製し、この非水電解液を用いた以外は、実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。
Examples 2-5 and Comparative Examples 1-4
A nonaqueous electrolytic solution was prepared in the same manner as in Example 1 except that the addition amounts of 2-propynyl methanesulfonate and 1,3-dioxane were changed as shown in Table 1, and this nonaqueous electrolytic solution was used. A lithium secondary battery was produced in the same manner as Example 1 except for the above.
実施例1〜5および比較例1〜4の各リチウム二次電池に用いた非水電解液に添加した各添加剤とそれらの量を表1に示す。表1では、メタンスルホン酸2−プロピニルを「化合物(A)」と記載する(後記の表3においても同様である)。なお、表1の「参考例」は、比較例2の電池と同じものである(参考例の詳細については後述する)。 Table 1 shows each additive added to the non-aqueous electrolyte used in each of the lithium secondary batteries of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4 and their amounts. In Table 1, 2-propynyl methanesulfonate is described as “compound (A)” (the same applies to Table 3 described later). The “reference example” in Table 1 is the same as the battery of Comparative Example 2 (details of the reference example will be described later).
実施例1〜5および比較例1〜4の各リチウム二次電池について、下記の各評価を行った。これらの結果を表2に示す。 Each lithium secondary battery of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4 was evaluated as follows. These results are shown in Table 2.
<初期容量測定>
実施例および比較例の各リチウム二次電池について、1.0Cの電流値で4.35Vまで定電流充電を行い、続いて4.35Vの電圧で定電圧充電を行った。なお、定電流充電と定電圧充電の総充電時間は2.5時間とした。その後、0.2Cの電流値で3.0Vまで放電を行い、初期容量を測定した。
<Initial capacity measurement>
About each lithium secondary battery of an Example and a comparative example, constant current charge was performed to 4.35V with the electric current value of 1.0C, and then constant voltage charge was performed with the voltage of 4.35V. The total charging time for constant current charging and constant voltage charging was 2.5 hours. Thereafter, the battery was discharged to 3.0 V at a current value of 0.2 C, and the initial capacity was measured.
なお、比較例2の電池については、参考例として、定電流充電の終止電圧および定電圧充電時の電圧を4.2Vとした以外は前記と同じ条件での充放電を行ったときの初期容量も測定した。 As for the battery of Comparative Example 2, as a reference example, the initial capacity when charging / discharging was performed under the same conditions as described above except that the end voltage of constant current charge and the voltage at constant voltage charge were 4.2 V. Was also measured.
<負荷特性評価>
実施例および比較例の各リチウム二次電池について、初期容量測定時と同じ条件で定電流充電および定電圧充電を行い、続いて1.5Cの電流値で3.0Vまで放電を行って放電容量(1.5C放電容量)を求めた。そして、各電池の1.5C放電容量を初期容量で除した値を百分率で表して、容量維持率を求めた。すなわち、この容量維持率が高いほど、電池の負荷特性が優れていることを意味している。
<Evaluation of load characteristics>
About each lithium secondary battery of an Example and a comparative example, constant current charge and constant voltage charge were performed on the same conditions as the time of initial stage capacity measurement, and it discharged to 3.0V with a current value of 1.5C, and was then discharged capacity (1.5 C discharge capacity) was determined. And the value which remove | divided the 1.5C discharge capacity of each battery by the initial stage capacity was represented by the percentage, and the capacity | capacitance maintenance factor was calculated | required. That is, the higher the capacity retention rate, the better the load characteristics of the battery.
なお、比較例2の電池については、参考例として、定電流充電の終止電圧および定電圧充電時の電圧を4.2Vとした以外は前記と同じ条件で1.5C放電容量も求め、この値と前記参考例の初期容量の値とを用いて容量維持率を求めた。 For the battery of Comparative Example 2, as a reference example, the 1.5 C discharge capacity was also obtained under the same conditions as above except that the constant voltage charging end voltage and the constant voltage charging voltage were 4.2 V. The capacity retention rate was determined using the initial capacity value of the reference example.
<充放電サイクル特性評価>
実施例および比較例の各リチウム二次電池(前記の各評価を行った物とは別の電池)について、初期容量測定時と同じ条件で定電流充電および定電圧充電を行い、続いて1.5Cの電流値で3.0Vまで放電を行う一連の操作を1サイクルとして、500サイクルの充放電を繰り返した。その後の各電池について、初期容量測定時と同じ条件で充電および放電を行って、500サイクル経過後の各電池の放電容量を測定し、これを初期容量で除した値を百分率で表して、容量維持率を求めた。この容量維持率が高いほど、電池の充放電サイクル特性が優れているといえる。なお、前記の充放電サイクル特性評価は、室温(25℃)の環境下と、45℃の環境下とで評価を行った。
<Charge / discharge cycle characteristics evaluation>
About each lithium secondary battery of an Example and a comparative example (battery different from the thing which performed each said evaluation), constant current charge and constant voltage charge were performed on the same conditions as the time of initial stage capacity measurement, A series of operations for discharging to 3.0 V at a current value of 5 C was taken as one cycle, and 500 cycles of charge / discharge were repeated. For each subsequent battery, charge and discharge were performed under the same conditions as the initial capacity measurement, and the discharge capacity of each battery after 500 cycles was measured. The value obtained by dividing this by the initial capacity was expressed as a percentage. The maintenance rate was determined. It can be said that the higher the capacity retention rate, the better the charge / discharge cycle characteristics of the battery. The charge / discharge cycle characteristics were evaluated in an environment at room temperature (25 ° C.) and an environment at 45 ° C.
なお、比較例2の電池については、参考例として、定電流充電の終止電圧および定電圧充電時の電圧を4.2Vとした以外は前記と同じ条件で、室温環境下および45℃環境下での、500サイクル後の放電容量も求め、これらの値と前記参考例の初期容量の値とを用いて容量維持率を求めた。 For the battery of Comparative Example 2, as a reference example, under the same conditions as described above except that the end voltage of constant current charging and the voltage during constant voltage charging were set to 4.2 V, in a room temperature environment and a 45 ° C. environment. The discharge capacity after 500 cycles was also determined, and the capacity retention rate was determined using these values and the initial capacity value of the reference example.
<高温貯蔵特性評価>
実施例および比較例の各リチウム二次電池(前記の各評価を行った物とは別の電池)について、初期容量測定時と同じ条件で定電流充電および定電圧充電を行った後に、85℃の環境下で4時間貯蔵し、貯蔵前後での電池の厚み変化(膨れ量)を求めた。
<High temperature storage characteristics evaluation>
For each of the lithium secondary batteries of Examples and Comparative Examples (batteries different from those subjected to each of the above evaluations), after performing constant current charging and constant voltage charging under the same conditions as in the initial capacity measurement, 85 ° C. The battery was stored for 4 hours in an environment, and the change in thickness (swelling amount) of the battery before and after storage was determined.
また、厚み測定後の各電池について0.2Cの電流値で3.0Vまで放電を行った後に、初期容量測定時と同じ条件で定電流充電および定電圧充電を行い、続いて0.2Cの電流値で3.0Vまで放電を行って高温貯蔵後の放電容量を求めた。高温貯蔵後の放電容量が初期容量に近いほど、高温貯蔵後の容量回復性が良好で、電池の高温貯蔵特性が優れているといえる。 Moreover, after discharging to 3.0 V at a current value of 0.2 C for each battery after thickness measurement, constant current charging and constant voltage charging were performed under the same conditions as at the time of initial capacity measurement, followed by 0.2 C Discharge was performed at a current value of 3.0 V, and the discharge capacity after high temperature storage was determined. It can be said that the closer the discharge capacity after high-temperature storage is to the initial capacity, the better the capacity recovery after high-temperature storage and the better the high-temperature storage characteristics of the battery.
なお、比較例2の電池については、参考例として、定電流充電の終止電圧および定電圧充電時の電圧を4.2Vとした以外は前記と同じ条件で、貯蔵前後での電池の厚み変化および高温貯蔵後の放電容量も求めた。 As for the battery of Comparative Example 2, as a reference example, the change in thickness of the battery before and after storage under the same conditions as above except that the end voltage of constant current charge and the voltage at constant voltage charge were 4.2 V The discharge capacity after high temperature storage was also determined.
実施例1〜5のリチウム二次電池は、負極活物質に、SiOxと炭素材料との複合体と黒鉛とを併用した例であるが、表1および表2に示す通り、前記化合物(A)と1,3−ジオキサンとを適正な量で含有する非水電解液を用いており、負荷特性評価時の容量維持率、並びに室温および45℃での500サイクル後の容量維持率のいずれもが高く、負荷特性、並びに室温および高温下での充放電サイクル特性が優れている。また、実施例1〜5のリチウム二次電池は、高温貯蔵時の膨れが抑えられており、更に高温貯蔵後の放電容量の初期容量からの低下が小さく、高温貯蔵特性も優れている。 The lithium secondary batteries of Examples 1 to 5 are examples in which a composite of SiO x and a carbon material and graphite were used in combination with a negative electrode active material. As shown in Tables 1 and 2, the compounds (A ) And 1,3-dioxane in appropriate amounts, both of capacity retention at the time of load characteristic evaluation and capacity retention after 500 cycles at room temperature and 45 ° C. The load characteristics and charge / discharge cycle characteristics at room temperature and high temperature are excellent. In addition, the lithium secondary batteries of Examples 1 to 5 are suppressed from swelling during high-temperature storage, and further, the discharge capacity after high-temperature storage is small from the initial capacity, and high-temperature storage characteristics are also excellent.
これに対し、前記一般式(1)で表されるホスホノアセテート類化合物および1,3−ジオキサンを含有していない非水電解液を用いた比較例1の電池は、室温および45℃での500サイクル後の容量維持率が小さく充放電サイクル特性が劣っている。 On the other hand, the battery of Comparative Example 1 using the non-aqueous electrolyte not containing the phosphonoacetate compound represented by the general formula (1) and 1,3-dioxane was obtained at room temperature and 45 ° C. The capacity retention rate after 500 cycles is small, and the charge / discharge cycle characteristics are inferior.
また、前記化合物(A)を含有する一方で、1,3−ジオキサンを含有していない非水電解液を用いた比較例2の電池は、負荷特性評価時の容量維持率、並びに室温および45℃での500サイクル後の容量維持率のいずれもが低く、負荷特性、並びに室温および高温下での充放電サイクル特性が劣っている。なお、比較例2の電池について、充電時の上限電圧を4.2Vとして各評価を行った参考例では、負荷特性、室温および高温下での充放電サイクル特性、および高温貯蔵特性のいずれもが実施例の各電池の評価結果と比べて遜色ないことから、本発明において解決している課題が、充電時の上限電圧を高めた場合、すなわち電池電圧が4.25Vを超えるようになる条件で充電した場合に生じるものであることが分かる。 In addition, the battery of Comparative Example 2 using the non-aqueous electrolyte solution containing the compound (A) but not 1,3-dioxane had a capacity retention rate during load characteristic evaluation, room temperature, and 45 The capacity retention rate after 500 cycles at 0 ° C. is low, and the load characteristics and charge / discharge cycle characteristics at room temperature and high temperature are inferior. In the reference example in which the battery of Comparative Example 2 was evaluated with the upper limit voltage at the time of charging being 4.2 V, all of the load characteristics, the charge / discharge cycle characteristics at room temperature and high temperature, and the high temperature storage characteristics were Since the evaluation results of the respective batteries of the examples are not inferior, the problem solved in the present invention is that when the upper limit voltage during charging is increased, that is, under the condition that the battery voltage exceeds 4.25V. It can be seen that this occurs when charging.
また、1,3−ジオキサンを含有する一方で、前記化合物(A)を含有していない非水電解液を用いた比較例3の電池は、高温貯蔵時の膨れ量が大きく、更に高温貯蔵後の放電容量の初期容量からの低下が大きく、高温貯蔵特性が劣っている。 Further, the battery of Comparative Example 3 using the non-aqueous electrolyte containing 1,3-dioxane but not containing the compound (A) has a large amount of swelling during high-temperature storage, and further after high-temperature storage. The discharge capacity is greatly reduced from the initial capacity, and the high-temperature storage characteristics are inferior.
そして、前記化合物(A)および1,3−ジオキサンの量が多すぎる非水電解液を用いた比較例4の電池は、負荷特性、室温および高温下での充放電サイクル特性、並びに高温貯蔵特性のいずれもが劣っている。 The battery of Comparative Example 4 using a non-aqueous electrolyte in which the amount of the compound (A) and 1,3-dioxane is too large is a load characteristic, a charge / discharge cycle characteristic at room temperature and high temperature, and a high temperature storage characteristic. None of them are inferior.
なお、電池の充放電サイクル特性を高める作用を有する1,3−ジオキサンのみを含有する非水電解液を用いた比較例3の電池と、例えば実施例1の電池とについて、充放電サイクル特性を比較した場合、室温下、高温下のいずれにおいても、実施例1の電池の方が、比較例3の電池よりも優れている。実施例1の電池に係る非水電解液は、本来、電池の充放電サイクル特性を損なう作用を有していると考えられる前記化合物(A)を含有していることに加えて、1,3−ジオキサンの含有量が比較例3の電池に係る非水電解液よりも少ないにも関わらず、充放電サイクル特性について、前記のような評価結果が得られていることから、実施例のリチウム二次電池においては、前記化合物(A)と1,3−ジオキサンとが相乗的に機能して、室温および高温下での充放電サイクル特性向上が達成されていることが分かる。 In addition, about the battery of the comparative example 3 using the non-aqueous electrolyte containing only 1, 3- dioxane which has the effect | action which improves the charging / discharging cycling characteristics of a battery, and the battery of Example 1, for example, charging / discharging cycling characteristics are shown. When compared, the battery of Example 1 is superior to the battery of Comparative Example 3 at both room temperature and high temperature. In addition to containing the compound (A) that is considered to have an effect of impairing the charge / discharge cycle characteristics of the battery, the nonaqueous electrolytic solution according to the battery of Example 1 -Although the content of dioxane is less than that of the nonaqueous electrolyte solution according to the battery of Comparative Example 3, the above evaluation results were obtained for the charge / discharge cycle characteristics. In the secondary battery, it can be seen that the compound (A) and 1,3-dioxane function synergistically to improve the charge / discharge cycle characteristics at room temperature and high temperature.
実施例6
負極活物質を前記の混合物に代えて実施例1で用いたものと同じ黒鉛のみとした以外は実施例1と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は実施例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。
Example 6
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode active material was replaced with the same graphite as that used in Example 1 instead of the above mixture, and the same procedure as in Example 1 was conducted except that this negative electrode was used. Thus, a lithium secondary battery was produced.
比較例5
負極活物質を前記の混合物に代えて実施例1で用いたものと同じ黒鉛のみとした以外は実施例1と同様にして負極を作製し、この負極を用いた以外は比較例1と同様にしてリチウム二次電池を作製した。
Comparative Example 5
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode active material was replaced with the same graphite as that used in Example 1 instead of the above mixture, and the same procedure as in Comparative Example 1 was conducted except that this negative electrode was used. Thus, a lithium secondary battery was produced.
実施例6および比較例5のリチウム二次電池に用いた非水電解液に添加した各添加剤とそれらの量を表3に示す。 Table 3 shows each additive added to the non-aqueous electrolyte used in the lithium secondary batteries of Example 6 and Comparative Example 5 and their amounts.
実施例6および比較例5のリチウム二次電池について、実施例1の電池などと同様にして、前記の各評価を行った。これらの結果を表4に示す。 The lithium secondary batteries of Example 6 and Comparative Example 5 were evaluated in the same manner as the battery of Example 1 and the like. These results are shown in Table 4.
負極活物質に黒鉛のみを用いた実施例6のリチウム二次電池においても、表3および表4に示す通り、前記化合物(A)と1,3−ジオキサンとを適正な量で含有する非水電解液を用いることで、負極活物質にSiOxと黒鉛とを併用した実施例1〜5のリチウム二次電池と同様に、負荷特性、室温および高温下での充放電サイクル特性、並びに高温貯蔵特性のいずれもが、前記化合物(A)および1,3−ジオキサンを含有していない非水電解液を用いた比較例5の電池に比べて良好である。 Also in the lithium secondary battery of Example 6 using only graphite as the negative electrode active material, as shown in Tables 3 and 4, non-water containing the compound (A) and 1,3-dioxane in appropriate amounts Similar to the lithium secondary batteries of Examples 1 to 5 in which SiO x and graphite are used in combination as the negative electrode active material by using the electrolytic solution, load characteristics, charge / discharge cycle characteristics at room temperature and high temperature, and high-temperature storage All of the characteristics are good as compared with the battery of Comparative Example 5 using the non-aqueous electrolyte not containing the compound (A) and 1,3-dioxane.
1 正極
2 負極
3 セパレータ
1
Claims (7)
前記非水電解液に、炭素−炭素二重結合または炭素−炭素三重結合とPまたはSとを分子内に含有する化合物を0.1〜5質量%含有し、かつ1,3−ジオキサンを0.1〜5質量%含有するものを使用したことを特徴とするリチウム二次電池。 A lithium secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, a non-aqueous electrolyte, and a separator, and performing constant current-constant voltage charging at a final voltage exceeding 4.25 V before use,
The non-aqueous electrolyte contains 0.1 to 5% by mass of a compound containing a carbon-carbon double bond or carbon-carbon triple bond and P or S in the molecule, and 1,3-dioxane is 0 A lithium secondary battery using 1 to 5% by mass of lithium secondary battery.
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