JP2021153021A - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】高いエネルギー密度を維持しながら、放電容量の維持にも優れる非水電解質二次電池を提供する。【解決手段】正極集電体および前記正極集電体の少なくとも一方の面に設けられた正極活物質層を備えた正極、負極集電体および前記負極集電体の少なくとも一方の面に設けられた負極活物質層を備えた負極、セパレータ、および非水電解液を備えた非水電解質二次電池であって、前記正極と負極とが、前記セパレータを介して前記正極活物質層と前記負極活物質層とが対向するように配置されてなり、前記非水電解液が、0.1質量%以上5.0質量%以下のビニレンカーボネート、30質量%以上60質量%以下のエチルメチルカーボネート、および0.1質量%以上3.0質量%以下のフッ素化エチレンカーボネートを含み、前記セパレータをエチルメチルカーボネートからなる溶媒に浸した際の面方向への溶媒の浸透速度が0.1cm2/秒以上5.0cm2/秒以下であることを特徴とする【選択図】図1The present invention provides a non-aqueous electrolyte secondary battery that is excellent in maintaining discharge capacity while maintaining a high energy density. [Solution] A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode including a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer provided on at least one surface of the positive electrode current collector, a negative electrode including a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer provided on at least one surface of the negative electrode current collector, a separator, and a non-aqueous electrolyte, wherein the positive electrode and the negative electrode are arranged such that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other via the separator, the non-aqueous electrolyte contains 0.1% by mass to 5.0% by mass of vinylene carbonate, 30% by mass to 60% by mass of ethyl methyl carbonate, and 0.1% by mass to 3.0% by mass of fluorinated ethylene carbonate, and when the separator is immersed in a solvent consisting of ethyl methyl carbonate, the penetration speed of the solvent in the surface direction is 0.1 cm2/sec to 5.0 cm2/sec [Selected Figure] FIG. 1
Description
本発明は、非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.
リチウムイオン二次電池は、鉛蓄電池、ニッケル水素電池に比べて、エネルギー密度および起電力が高いという特徴を有するため、携帯機器から車両、航空機まで多種多様な用途が展開されている。これらリチウムイオン二次電池では、電解質としてリチウム塩を有機溶媒に溶解させた非水電解液を使用したものが主流となっている。このような非水電解質を用いたリチウムイオン二次電池は、正極集電体上に正極活物質層が設けられた正極と、負極集電体上に負極活物質層が設けられた負極とを、セパレータを介して積層した積層体を外装体内に収容し、非水電解液を充填して密封した構造を有している。 Lithium-ion secondary batteries are characterized by higher energy density and electromotive force than lead-acid batteries and nickel-hydrogen batteries, and are therefore used in a wide variety of applications from portable devices to vehicles and aircraft. Most of these lithium ion secondary batteries use a non-aqueous electrolyte solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent as an electrolyte. In a lithium ion secondary battery using such a non-aqueous electrolyte, a positive electrode having a positive electrode active material layer provided on a positive electrode current collector and a negative electrode having a negative electrode active material layer provided on a negative electrode current collector are provided. It has a structure in which a laminated body laminated via a separator is housed in an outer body, filled with a non-aqueous electrolyte solution, and sealed.
リチウムイオン二次電池は、充電時には正極からリチウムイオンが放出されて負極内に移動し、放電時には負極からリチウムイオンが放出されて正極内に移動する。したがって、セパレータには、リチウムイオンなどのイオン透過性を有していることが必要とされている。そのため、非水電解質を用いたリチウムイオン二次電池のセパレータとして、絶縁性があり且つイオン透過性を有する材料である多孔性樹脂フィルムが使用されている。例えば、特許文献1等には、非水系二次電池用セパレータとして、水銀圧入法で求めた平均細孔径が0.05〜0.5μmであるポリオレフィン微多孔膜を使用し、該ポリオレフィン微多孔膜表面に耐熱性樹脂からなる多孔質層を設けた構成が提案されている。
In a lithium ion secondary battery, lithium ions are released from the positive electrode and moved into the negative electrode during charging, and lithium ions are released from the negative electrode and moved into the positive electrode during discharging. Therefore, the separator is required to have ion permeability such as lithium ion. Therefore, as a separator for a lithium ion secondary battery using a non-aqueous electrolyte, a porous resin film, which is a material having insulating properties and ion permeability, is used. For example, in
しかしながら、従来の非水電解質二次電池では、充放電を繰り返すうちに、正負極間のリチウムイオンの移動が十分に起こらない現象(いわゆる「液枯れ」)が起こり、特に、セパレータの中央部においてその傾向が顕著となることが知られている。 However, in the conventional non-aqueous electrolyte secondary battery, a phenomenon in which lithium ions do not move sufficiently between the positive and negative electrodes (so-called “liquid withering”) occurs during repeated charging and discharging, especially in the central portion of the separator. It is known that this tendency becomes remarkable.
また、従来の非水電解質二次電池では、その負極活物質の表面において、充放電に伴って、非水溶媒とリチウム塩とを含む非水電解質の一部が不可逆的に反応する。このとき、負極活物質の表面を被覆するように固体電解質界面(SEI)が生成する。SEIは、その生成量が多いほど不可逆容量が多くなり放電容量は低下することが知られている。 Further, in a conventional non-aqueous electrolyte secondary battery, a part of the non-aqueous electrolyte containing a non-aqueous solvent and a lithium salt reacts irreversibly on the surface of the negative electrode active material as the battery is charged and discharged. At this time, a solid electrolyte interface (SEI) is formed so as to cover the surface of the negative electrode active material. It is known that the larger the amount of SEI produced, the larger the irreversible capacity and the lower the discharge capacity.
充放電の繰り返しに伴って正負極間のリチウムイオンの移動が十分に起こらなくなると、一定時間あたりに正極に供給できるリチウムイオン量が少なくなり、放電容量が低下してしまうという問題がある。また、負極活物質の表面にSEIが形成されると、上記のとおり放電容量が低下することに加え、放電時にリチウムイオンが負極に閉塞されるため、正極へのリチウムイオンの輸送遅延が生じやすく、この場合、上記したような多孔性のポリエチレンフィルムからなるセパレータでは細孔径が小さく、一定時間あたり正極へ供給できるリチウムイオン量が少なく、放電容量が低下してしまうという問題がある。一方、正極へ供給できるリチウムイオン量を多くするために正極活物質層の厚みを薄くことも考えられるが、その場合はエネルギー密度が低下してしまうといった別の問題が生じる。 If the movement of lithium ions between the positive and negative electrodes does not sufficiently occur due to repeated charging and discharging, the amount of lithium ions that can be supplied to the positive electrode per fixed time decreases, and there is a problem that the discharge capacity decreases. Further, when SEI is formed on the surface of the negative electrode active material, the discharge capacity is reduced as described above, and lithium ions are blocked by the negative electrode during discharge, so that the transport of lithium ions to the positive electrode is likely to be delayed. In this case, the separator made of the porous polyethylene film as described above has a problem that the pore diameter is small, the amount of lithium ions that can be supplied to the positive electrode per fixed time is small, and the discharge capacity is lowered. On the other hand, it is conceivable to reduce the thickness of the positive electrode active material layer in order to increase the amount of lithium ions that can be supplied to the positive electrode, but in that case, another problem such as a decrease in energy density occurs.
したがって、本発明の目的は、高いエネルギー密度を維持しながら、放電容量の維持にも優れる非水電解質二次電池を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery which is excellent in maintaining the discharge capacity while maintaining a high energy density.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討の結果、特定のガーレー値を満たすセパレータと、特定の組成を有する非水電解質とを組み合わせて用いることにより、高いエネルギー密度を維持しながら、放電容量の維持にも優れる非水電解質二次電池が得られるとの知見を得た。本発明はかかる知見によるものである。即ち、本発明の要旨は、以下のとおりである。 As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventors have maintained a high energy density by using a separator satisfying a specific Garley value and a non-aqueous electrolyte having a specific composition in combination. It was found that a non-aqueous electrolyte secondary battery with excellent maintenance of discharge capacity can be obtained. The present invention is based on such findings. That is, the gist of the present invention is as follows.
[1]正極集電体および前記正極集電体の少なくとも一方の面に設けられた正極活物質層を備えた正極、負極集電体および前記負極集電体の少なくとも一方の面に設けられた負極活物質層を備えた負極、セパレータ、および非水電解質を備えた非水電解質二次電池であって、
前記正極と負極とが、前記セパレータを介して前記正極活物質層と前記負極活物質層とが対向するように配置されてなり、
前記非水電解質が、0.1質量%以上5.0質量%以下のビニレンカーボネート、30質量%以上60質量%以下のエチルメチルカーボネート、および0.1質量%以上3.0質量%以下のフッ素化エチレンカーボネートを含み、
前記セパレータをエチルメチルカーボネートからなる溶媒に浸した際の面方向への溶媒の浸透速度が0.1cm2/秒以上5.0cm2/秒以下であることを特徴とする、非水電解質二次電池。
[2]前記セパレータのガーレー値が1秒/100cc以上20秒/100cc以下であることを特徴とする、[1]に記載の非水電解質二次電池。
[3]前記セパレータのガーレー値が1秒/100cc以上5秒/100cc以下である、[1]または[2]に記載の非水電解質二次電池。
[4]前記非水電解質が、1.0質量%以上3.0質量%以下のビニレンカーボネート、40質量%以上50質量%以下のエチルメチルカーボネート、および1.0質量%以上2.0質量%以下のフッ素化エチレンカーボネートを含む、[1]〜[3]のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
[5]前記セパレータの厚さが10μm以上30μm以下である、[1]〜[4]のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
[6]前記正極活物質層がリン酸鉄リチウムを含む、[1]〜[5]のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
[7]前記正極活物質層が、粒子表面の少なくとも一部がカーボンにより被覆された正極活物質粒子からなる、[1]〜[6]のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池。
[1] A positive electrode, a negative electrode current collector, and a negative electrode current collector having a positive electrode active material layer provided on at least one surface of the positive electrode current collector and the positive electrode current collector are provided on at least one surface. A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a negative electrode with a negative electrode active material layer, a separator, and a non-aqueous electrolyte.
The positive electrode and the negative electrode are arranged so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other via the separator.
The non-aqueous electrolyte contains vinylene carbonate of 0.1% by mass or more and 5.0% by mass or less, ethylmethyl carbonate of 30% by mass or more and 60% by mass or less, and fluorine of 0.1% by mass or more and 3.0% by mass or less. Contains ethylene carbonate carbonate
The non-aqueous electrolyte secondary is characterized in that the permeation rate of the solvent in the plane direction when the separator is immersed in a solvent made of ethyl methyl carbonate is 0.1 cm 2 / sec or more and 5.0 cm 2 / sec or less. battery.
[2] The non-aqueous electrolyte secondary battery according to [1], wherein the garley value of the separator is 1 second / 100 cc or more and 20 seconds / 100 cc or less.
[3] The non-aqueous electrolyte secondary battery according to [1] or [2], wherein the Garley value of the separator is 1 second / 100 cc or more and 5 seconds / 100 cc or less.
[4] The non-aqueous electrolyte is 1.0% by mass or more and 3.0% by mass or less of vinylene carbonate, 40% by mass or more and 50% by mass or less of ethylmethyl carbonate, and 1.0% by mass or more and 2.0% by mass. The non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of [1] to [3], which comprises the following fluorinated ethylene carbonate.
[5] The non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of [1] to [4], wherein the separator has a thickness of 10 μm or more and 30 μm or less.
[6] The non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of [1] to [5], wherein the positive electrode active material layer contains lithium iron phosphate.
[7] The non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of [1] to [6], wherein the positive electrode active material layer is made of positive electrode active material particles in which at least a part of the particle surface is coated with carbon. ..
本発明によれば、特定の溶媒浸透特性を有するセパレータと、所定の組成を有する非水電解質とを組み合わせて用いることにより、高いエネルギー密度を維持しながら、放電容量の維持にも優れる非水電解質二次電池を実現することができる。 According to the present invention, by using a separator having a specific solvent permeation property and a non-aqueous electrolyte having a predetermined composition in combination, a non-aqueous electrolyte excellent in maintaining a discharge capacity while maintaining a high energy density. A secondary battery can be realized.
本発明による非水電解質二次電池を、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の非水電解質二次電池の一実施形態を模式的に示した概略断面図である。本発明による非水電解質二次電池1は、板状の1枚の正極10と、2枚の板状の負極20と、2枚のセパレータ30とを、負極/セパレータ/正極/セパレータ/負極の順に積層した積層体が、外装体40内に収容され、非水電解質(図示せず)が外装体40内に充填された状態で密封されたものである。本形態においては、正極10、負極20、セパレータ30はいずれも平面視矩形状である。
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an embodiment of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention. In the non-aqueous electrolyte
非水電解質二次電池1の正極10は、板状の正極集電体11と、その両面に設けられた正極活物質層12とを備えている。なお、図示はしないが、正極と負極が一対である場合は、正極活物質層12は、対向する負極側の正極集電体11の少なくとも一方の面に設けられていてもよい。正極集電体11の一端の縁部には、正極活物質層12が存在しない正極集電体露出部13が設けられている。この露出部13の任意の箇所には引出線(図示せず)が設けられる。
The positive electrode 10 of the non-aqueous electrolyte
非水電解質二次電池1の負極20は、板状の負極集電体21と、その両面に設けられた負極活物質層22とを備えている。なお、図示はしないが、正極と負極とが一対である場合は、負極活物質層22は、対向する正極側の負極集電体21の少なくとも一方の面に設けられていてもよい。負極集電体21の一端の縁部には、負極買う物質層22が存在しない負極集電体露出部23が設けられている。この露出部23の任意の箇所には引出線(図示せず)が設けられる。
The negative electrode 20 of the non-aqueous electrolyte
本発明による非水電解質二次電池は、図1に示した構造以外にも、負極、正極がそれぞれ複数積層された多層構造であってもよい。この場合、負極および正極は、積層方向に沿って交互に設けられればよい。また、セパレータは各負極と各正極の間に配置されればよい。 In addition to the structure shown in FIG. 1, the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention may have a multilayer structure in which a plurality of negative electrodes and a plurality of positive electrodes are laminated. In this case, the negative electrode and the positive electrode may be provided alternately along the stacking direction. Further, the separator may be arranged between each negative electrode and each positive electrode.
本発明による非水電解質二次電池は、セパレータ30が特定の溶媒浸透特性を有することに一つの特徴を有する。すなわち、本発明におけるセパレータ30は、該セパレータ30をエチルメチルカーボネートからなる溶媒に浸した際の面方向への浸透速度(以下、セパレータの「溶媒浸透速度」ともいう)が0.1cm2/秒以上5.0cm2/秒以下であることに一つの特徴を有する。本発明による非水電解質二次電池では、セパレータの溶媒浸透速度が上記範囲にあることにより、セパレータを介した非水電解質の移動が容易になり、正負極間のリチウムイオンの移動が十分に起こると考えられる。その結果、充放電を繰り返した場合であっても、高いエネルギー密度が維持され、放電容量の維持率が改善される。セパレータの溶媒浸透速度の具体的な測定方法を、図2を参照しながら以下に説明する。なお、以下の測定方法は、好ましくは露点−30℃以下のドライルーム内で行われる。
まず、50mm×10mmのサイズのセパレータ30を準備する。
次いで、準備したセパレータ30の長辺方向の両方の端部からそれぞれ10mmの位置に油性マジックで印をつける。
次いで、セパレータ30を120℃で4時間真空乾燥する。
次いで、セパレータ30に対して直角となるように、セパレータ30にガラス棒50をセロテープ60で固定する。この時、ガラス棒50の固定位置は、セパレータ30の上記印に対して長辺方向の外側(印と該印に近い端部との間)とする。
次いで、ガラス棒50を固定したのとは反対側の印に対して長辺方向の外側(印と該印に近い端部との間)に、おもり用のゼムクリップ70を固定する。
次いで、100mlビーカー80に、該ビーカーの開口部の縁にセパレータ30に固定したガラス棒60を架橋させ、ゼムクリップ70の側がビーカー80内に入るようにセパレータ30を設置する。
次いで、電解液溶媒(エチルメチルカーボネートからなる溶媒)50mlを準備し、着色用のインクを添加して、目視で視認できるようにする。
次いで、ビーカー80に設置したセパレータ30の下部(ゼムクリップ70側)の印まで、着色した電解液溶媒を急速に注ぐ。
次いで、電解液溶媒を注ぎ始めた時点から時間計測を開始し、セパレータ30の上部(ガラス棒50側)の印の位置まで電解液溶媒が浸透する時間を計測する。
上部の印のセパレータ30の幅方向の全てに電解液溶媒が浸透するまでの時間を計測し、計測時間を3cm2の面積の浸透にかかった時間として浸透速度を算出する。
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is characterized in that the
First, a
Next, a position 10 mm from both ends of the
The
Next, the
Next, the
Next, the
Next, 50 ml of an electrolytic solution solvent (solvent composed of ethyl methyl carbonate) is prepared, and an ink for coloring is added so that it can be visually recognized.
Next, the colored electrolyte solvent is rapidly poured up to the mark on the lower part (
Next, the time measurement is started from the time when the electrolytic solution solvent is started to be poured, and the time for the electrolytic solution solvent to permeate to the position marked on the upper part (
The time until the electrolyte solvent permeates all of the
セパレータの溶媒浸透速度の範囲は、好ましくは0.5cm2/秒以上3.0cm2/秒以下、より好ましくは1.0cm2/秒以上2.0cm2/秒以下、より一層好ましくは1.5cm2/秒である。 The range of the solvent permeation rate of the separator is preferably 0.5 cm 2 / sec or more and 3.0 cm 2 / sec or less, more preferably 1.0 cm 2 / sec or more and 2.0 cm 2 / sec or less, and even more preferably 1. It is 5 cm 2 / sec.
本発明による非水電解質二次電池は、セパレータ30のガーレー値が1秒/100cc以上20秒/100cc以下であることが好ましい。ガーレー値とは、透気度の指標であり、ガーレー値が低いほど透気度が高くなる。本発明による非水電解質二次電池では、上述したような、従来のセパレータと比較してガーレー値が低い(すなわち、透気度が高い)セパレータを使用することにより、さらに高いエネルギー密度が維持され、放電容量の維持率がさらに改善される。なお、ガーレー値は、JIS P 8117:1998に基づく方法により評価することができる。
In the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, the Garley value of the
セパレータのガーレー値の範囲は、好ましくは1秒/100cc以上10秒/100cc以下、より好ましくは1秒/100cc以上5秒/100cc以下、より一層好ましくは3秒/100ccである。 The range of the garley value of the separator is preferably 1 second / 100 cc or more and 10 seconds / 100 cc or less, more preferably 1 second / 100 cc or more and 5 seconds / 100 cc or less, and even more preferably 3 seconds / 100 cc.
本発明による非水電解質二次電池は、0.1質量%以上5.0質量%以下のビニレンカーボネート、30質量%以上60質量%以下のエチルメチルカーボネート、および0.1質量%以上3.0質量%以下のフッ素化エチレンカーボネートを含む非水電解質を使用することに一つの特徴を有する。このような特定の組成を有する電解質を使用することにより、負極活物質の表面を被覆するように生成する固体電解質界面(SEI)の生成を抑制することができる。その結果、充放電を繰り返した場合であっても、高いエネルギー密度が維持され、放電容量の維持率が改善される。なお、非水電解質中の上記各成分の含有量は、ガスクロマトグラフィー質量分析法(GC−MS)により測定することができる。 The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes vinylene carbonate of 0.1% by mass or more and 5.0% by mass or less, ethylmethyl carbonate of 30% by mass or more and 60% by mass or less, and 0.1% by mass or more and 3.0. It has one feature in using a non-aqueous electrolyte containing fluorinated ethylene carbonate of mass% or less. By using an electrolyte having such a specific composition, it is possible to suppress the formation of a solid electrolyte interface (SEI) that is formed so as to cover the surface of the negative electrode active material. As a result, even when charging and discharging are repeated, a high energy density is maintained and the maintenance rate of the discharge capacity is improved. The content of each of the above components in the non-aqueous electrolyte can be measured by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS).
GC−MSによる非水電解質中の各成分の含有量の測定は、具体的には次のように行うことができる。
先ず、非水電解質二次電池を解体して、積層体および/または捲回体から電解液を取り出す。なお、電解液が積層体や捲回体から取り出すことができない場合には、遠心分離機で遠心分離を行うことにより取り出す。また、遠心分離を行っても電解液を取り出すことができない場合には、アセトニトリルを抽出溶媒として、積層体および/または捲回体に十分染み込ませた後に回収し、抽出することにより電解液を取り出す。
次いで、取り出された電解液の成分をGC−MSにより分析する。
Specifically, the content of each component in the non-aqueous electrolyte can be measured by GC-MS as follows.
First, the non-aqueous electrolyte secondary battery is disassembled, and the electrolytic solution is taken out from the laminate and / or the wound body. If the electrolytic solution cannot be taken out from the laminate or the wound body, it is taken out by centrifuging with a centrifuge. If the electrolytic solution cannot be taken out even after centrifugation, the electrolytic solution is taken out by using acetonitrile as an extraction solvent to sufficiently soak the laminate and / or the wound body, collect the electrolytic solution, and extract the electrolytic solution. ..
Next, the components of the removed electrolytic solution are analyzed by GC-MS.
非水電解質におけるビニレンカーボネートの含有量の範囲は、好ましくは0.5質量%以上4.0質量%以下、より好ましくは1.0質量%以上3.0質量%以下、より一層好ましくは1.0質量%以上2.0質量%以下である。 The range of the content of vinylene carbonate in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.5% by mass or more and 4.0% by mass or less, more preferably 1.0% by mass or more and 3.0% by mass or less, and even more preferably 1. It is 0% by mass or more and 2.0% by mass or less.
非水電解質におけるエチルメチルカーボネートの含有量の範囲は、好ましくは35質量%以上55質量%以下、より好ましくは35質量%以上50質量%以下、より一層好ましくは40質量%以上50質量%以下である。 The range of the content of ethyl methyl carbonate in the non-aqueous electrolyte is preferably 35% by mass or more and 55% by mass or less, more preferably 35% by mass or more and 50% by mass or less, and further preferably 40% by mass or more and 50% by mass or less. be.
非水電解質におけるフッ素化エチレンカーボネートの含有量の範囲は、好ましくは0.5質量%以上2.5質量%以下、より好ましくは1.5質量%以上2.0質量%以下、より一層好ましくは2.0質量%以下である。 The range of the content of fluorinated ethylene carbonate in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.5% by mass or more and 2.5% by mass or less, more preferably 1.5% by mass or more and 2.0% by mass or less, and even more preferably. It is 2.0% by mass or less.
電解質塩としては、例えばリチウムイオン二次電池の場合、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF6、LiCF3CO2、LiPF6SO3、LiN(SO3CF3)2、Li(SO2CF2CF3)2、LiN(COCF3)2、LiN(COCF2CF3)2等のリチウムを含む塩、またはこれら塩の2種以上の混合物が挙げられる。 Examples of the electrolyte salt include LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 6 , LiCF 3 CO 2 , LiPF 6 SO 3 , LiN (SO 3 CF 3 ) 2 , Li (in the case of a lithium ion secondary battery, for example. Examples thereof include salts containing lithium such as SO 2 CF 2 CF 3 ) 2 , LiN (COCF 3 ) 2 , and LiN (COCF 2 CF 3 ) 2 , or a mixture of two or more of these salts.
<セパレータ>
本発明による非水電解質二次電池は、正極と負極との間に配置されるセパレータを備える。セパレータにより、正極および負極の間の短絡が効果的に防止される。また、セパレータは上述した非水電解質を保持してもよい。
<Separator>
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes a separator arranged between the positive electrode and the negative electrode. The separator effectively prevents short circuits between the positive and negative electrodes. Further, the separator may retain the above-mentioned non-aqueous electrolyte.
セパレータとしては、多孔性の高分子膜、不織布、ガラスファイバー等が挙げられる。多孔性の高分子膜としては、例えば、オレフィン系多孔質フィルム、セルロース系多孔質フィルム等が挙げられる。オレフィン系多孔質フィルムとしては、例えば、エチレン系多孔質フィルム、ポリプロピレン系多孔質フィルム等が挙げられる。本発明の非水電解質二次電池においては、セパレータのガーレー値の観点から、不織布をセパレータとして使用することが好ましい。 Examples of the separator include a porous polymer film, a non-woven fabric, and glass fiber. Examples of the porous polymer film include an olefin-based porous film and a cellulosic-based porous film. Examples of the olefin-based porous film include an ethylene-based porous film and a polypropylene-based porous film. In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, it is preferable to use a non-woven fabric as the separator from the viewpoint of the Garley value of the separator.
不織布セパレータに使用することができる繊維材料としては、絶縁性材料であれば特に制限なく使用でき、無機繊維であっても有機繊維であっても使用することができる。無機繊維の一例としては、マイクロガラス(細径のガラス繊維)やロックウール等が挙げられる。また、有機繊維の一例としては、セルロース、カルボキシメチルセルロース、セルロースアセテート等のセルロースエステル、リグノセルロース等のセルロース系繊維材料や、キチン、キトサン等の中性ムコ多糖系の繊維材料や、脂肪族ナイロンや芳香族ナイロン(アラミド)等のポリアミド、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン、ビニロン、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリフッ化ビニリデン等の合成樹脂系の繊維材料が挙げられる。これらのなかでも、好ましいサイズの繊維材料の調製、入手が容易であり、疎水化等の変性処理により分散媒中に良好に分散する繊維材料を得やすいことから、セルロース、カルボキシメチルセルロース、セルロースアセテート等のセルロースエステル、リグノセルロース等のセルロース系繊維を好適に使用することができる。また、セルロース系繊維は、従来のポリオレフィン系樹脂フィルムからなる多孔性セパレータと比較して、電解液の選択性が広がる点や耐熱性の観点からも有利である。 The fiber material that can be used for the non-woven fabric separator is not particularly limited as long as it is an insulating material, and either an inorganic fiber or an organic fiber can be used. Examples of inorganic fibers include microglass (small diameter glass fiber) and rock wool. Examples of organic fibers include cellulose esters such as cellulose, carboxymethyl cellulose and cellulose acetate, cellulose fiber materials such as lignocellulose, neutral mucopolysaccharide fiber materials such as chitin and chitosan, and aliphatic nylons. Examples thereof include polyamides such as aromatic nylon (aramid), polyolefins such as polyethylene and polypropylene, and synthetic resin-based fiber materials such as vinylon, polyester, polyimide, polyamideimide, and vinylidene fluoride. Among these, since it is easy to prepare and obtain a fiber material of a preferable size and it is easy to obtain a fiber material that is well dispersed in a dispersion medium by a modification treatment such as hydrophobicization, cellulose, carboxymethyl cellulose, cellulose acetate, etc. Cellulose-based fibers such as cellulose ester and lignocellulosic can be preferably used. Further, the cellulosic fiber is advantageous from the viewpoint of widening the selectivity of the electrolytic solution and heat resistance as compared with the conventional porous separator made of a polyolefin resin film.
不織布は、上記した繊維材料を織ったり編んだりせずに、機械的、化学的、または溶剤等を用いて、繊維間を接合ないし絡合して得られる布帛である。不織布は、乾式法、湿式法、サーマルボンド法、ケミカルボンド法、ニードルパンチ法、スパンレース法(水流絡合法)、ステッチボンド法、スチームジェット法、スパンボンド法、メルトブロー法等、従来公知の方法により製造することができる。使用する繊維材料の繊維長や繊径などの形状や、不織布を製造する際の交絡条件等を適宜調整することにより、上記したガーレー値を満足するような不織布セパレータとすることができる。 The non-woven fabric is a cloth obtained by joining or entwining fibers with each other using a mechanical, chemical, solvent or the like without weaving or knitting the above-mentioned fiber materials. The non-woven fabric is a conventionally known method such as a dry method, a wet method, a thermal bond method, a chemical bond method, a needle punch method, a spunlace method (water flow entanglement method), a stitch bond method, a steam jet method, a spunbond method, and a melt blow method. Can be manufactured by. By appropriately adjusting the shape of the fiber material to be used, such as the fiber length and the fiber diameter, and the entanglement conditions when producing the non-woven fabric, the non-woven fabric separator can be obtained so as to satisfy the above-mentioned Garley value.
また、不織布セパレータの厚さは、機械的強度の観点から、好ましくは10μm以上30μm以下、より好ましくは12μm以上24μm以下である。 The thickness of the non-woven fabric separator is preferably 10 μm or more and 30 μm or less, and more preferably 12 μm or more and 24 μm or less from the viewpoint of mechanical strength.
不織布セパレータには、各種可塑剤、酸化防止剤、難燃剤が含まれてもよいし、繊維表面が金属酸化物等で被覆されていてもよい。例えば、酸化防止剤としては、ヒンダードフェノール系酸化防止剤、モノフェノール系酸化防止剤、ビスフェノール系酸化防止剤、およびポリフェノール系酸化防止剤などのフェノール系酸化防止剤、ヒンダードアミン系酸化防止剤、リン系酸化防止剤、イオウ系酸化防止剤、ベンゾトリアゾール系酸化防止剤、ベンゾフェノン系酸化防止剤、トリアジン系酸化防止剤、サルチル酸エステル系酸化防止剤などが挙げられ、フェノール系酸化防止剤、リン系酸化防止剤を好適に使用することができる。 The non-woven fabric separator may contain various plasticizers, antioxidants, flame retardants, and the fiber surface may be coated with a metal oxide or the like. For example, the antioxidants include hindered phenolic antioxidants, monophenolic antioxidants, bisphenolic antioxidants, and phenolic antioxidants such as polyphenolic antioxidants, hindered amines, and phosphorus. Examples include phenol-based antioxidants, sulfur-based antioxidants, benzotriazole-based antioxidants, benzophenone-based antioxidants, triazine-based antioxidants, salicylate-based antioxidants, and phenol-based antioxidants and phosphorus-based antioxidants. Antioxidants can be preferably used.
<正極>
本発明による非水電解質二次電池を構成する正極は、正極集電体上に正極活物質層が設けられた構造を有し、例えば、正極活物質、バインダー樹脂、導電助剤および溶媒を含む組成物を調製し、これを正極集電体上に塗布して乾燥することにより作製することができる。
<Positive electrode>
The positive electrode constituting the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention has a structure in which a positive electrode active material layer is provided on a positive electrode current collector, and includes, for example, a positive electrode active material, a binder resin, a conductive auxiliary agent, and a solvent. It can be prepared by preparing a composition, applying it on a positive electrode current collector, and drying it.
正極活物質としては、リチウム遷移金属化合物であれば特に限定されないが、コバルト酸リチウムに代表される層状岩塩型化合物、リン酸鉄リチウムに代表されるオリビン型化合物、およびスピネル型マンガン酸リチウムがより好ましい。 The positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a lithium transition metal compound, but a layered rock salt type compound represented by lithium cobalt oxide, an olivine type compound represented by lithium iron phosphate, and a spinel type lithium manganate are more suitable. preferable.
層状岩塩型化合物とは、層状岩塩型構造を有する化合物のことを指し、特に限定されないが、LiMeO2(Meは遷移金属)で表されるリチウムニッケル複合酸化物(例えばLiNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(例えばLiCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLiNi1−yCoyO2)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(例えばLiNixCoyMn1−y−zO2、但し、x+y+z=1)、リチウムを過剰にした例えばLiMnO3およびLi2MnO3とLixMeO2との固溶体等が挙げられるが、長期間使用による構造劣化がより少ないことからLiCoO2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、LiNixCoyMn1−y−zO2(但し、x+y+z=1)が好ましい。 The layered rock salt type compound refers to a compound having a layered rock salt type structure, and is not particularly limited, but is a lithium nickel composite oxide represented by LiMeO 2 (Me is a transition metal), a lithium cobalt composite oxide (for example, LiNiO 2 ), or a lithium cobalt composite. oxides (e.g. LiCoO 2), lithium nickel cobalt composite oxide (e.g., LiNi 1-y Co y O 2 ), lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide (e.g., LiNi x Co y Mn 1-y -z O 2, where, x + y + z = 1), for example , a solid solution of LiMnO 3 and Li 2 MnO 3 and LixMeO 2 in excess of lithium, but since structural deterioration due to long-term use is less, LiCoO 2 and LiNi 0.8 Co 0 .15 Al 0.05 O 2, LiNi x Co y Mn 1-y-z O 2 ( where, x + y + z = 1 ) are preferred.
また、オリビン型化合物とは、オリビン型構造を有する化合物であり、特に限定されないが、LiMePO4(Meは遷移金属)で表されるLiFePO4、LiMn1−xFexPO4、LiMnPO4、LiCoPO4、LiNiPO4等が挙げられる。 The olivine-type compound is a compound having an olivine-type structure, and is not particularly limited, but is represented by LiMePO 4 (Me is a transition metal), LiFePO 4 , LiMn 1-x Fe x PO 4 , LiMnPO 4 , LiCoPO. 4 , LiNiPO 4 and the like can be mentioned.
本発明においては、耐久性や充放電等の電池特性の観点から、正極活物質としてLiFePO4(リン酸鉄リチウム)を好適に使用することができる。また、正極活物質は、平均粒子径D50が0.1μm以上5μm以下の範囲の粒状形態を有するものを好適に使用することができる。なお、本明細書において平均粒子径とは、レーザー回折・散乱法による累積平均粒子径(D50)を意味するものとする。平均粒子径は、原料の粉砕(解砕)する際の粉砕条件によって適宜調整することができる。なお、粉砕時間が短いと被粉砕物の粒径は大きく、粉砕時間が長いと粒径は小さくなる傾向がある。 In the present invention, LiFePO 4 (lithium iron phosphate) can be preferably used as the positive electrode active material from the viewpoint of battery characteristics such as durability and charge / discharge. Further, as the positive electrode active material, one having a granular form having an average particle diameter D50 in the range of 0.1 μm or more and 5 μm or less can be preferably used. In the present specification, the average particle size means the cumulative average particle size (D50) by the laser diffraction / scattering method. The average particle size can be appropriately adjusted depending on the crushing conditions when crushing (crushing) the raw material. When the crushing time is short, the particle size of the object to be crushed tends to be large, and when the crushing time is long, the particle size tends to be small.
また、粒状形態のリン酸鉄リチウムを使用する場合、粒子表面の少なくとも一部がポリエチレングリコール等の有機物、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン等の無機物、カーボン材料などで表面が被覆されていてもよい。特に、粒子表面の少なくとも一部がカーボンにより被覆されたリン酸鉄リチウム粒子を好適に使用することができる。カーボンの被覆量は、リン酸鉄リチウム粒子の質量に対して4%以上8%以下であることが好ましい。 When the granular form of lithium iron phosphate is used, at least a part of the particle surface is coated with an organic substance such as polyethylene glycol, an inorganic substance such as aluminum oxide, magnesium oxide, zirconium oxide or titanium oxide, or a carbon material. May be. In particular, lithium iron phosphate particles in which at least a part of the particle surface is coated with carbon can be preferably used. The amount of carbon coated is preferably 4% or more and 8% or less with respect to the mass of the lithium iron phosphate particles.
導電助剤として、例えばグラファイト、グラフェン、ハードカーボン、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等の炭素材料が挙げられる。 Examples of the conductive auxiliary agent include carbon materials such as graphite, graphene, hard carbon, Ketjen black, and acetylene black.
バインダー樹脂として、例えば、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸リチウム、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、スチレンブタジエンゴム、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール、カルボキシメチルセルロース、ポリアクリルニトリル、ポリイミド等が挙げられる。 Examples of the binder resin include polyacrylic acid, lithium polyacrylate, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, styrene butadiene rubber, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetal, polyethylene oxide, polyethylene glycol, carboxymethyl cellulose, and poly. Acrylic nitrile, polyimide and the like can be mentioned.
溶媒としては非水系溶媒が好ましく、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール等のアルコール;N−メチルピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド等の鎖状又は環状アミド;アセトン等のケトンが挙げられる。 The solvent is preferably a non-aqueous solvent, for example, alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol and 2-propanol; chain or cyclic amides such as N-methylpyrrolidone, N, N-dimethylformamide; and ketones such as acetone. Can be mentioned.
正極集電体を構成する材料としては、例えば、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、ステンレス鋼等の導電性を有する金属が挙げられる。 Examples of the material constituting the positive electrode current collector include conductive metals such as copper, aluminum, titanium, nickel, and stainless steel.
上記した正極活物質、バインダー樹脂、導電助剤および溶媒は、一種が単独で使用されてもよいし、二種以上が併用されてもよい。 The above-mentioned positive electrode active material, binder resin, conductive auxiliary agent and solvent may be used alone or in combination of two or more.
正極活物質層中の正極活物質の含有量は、正極活物質層全体に対して質量基準で50%以上99%以下であることが好ましく、60%以上98%以下であることがより好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably 50% or more and 99% or less, and more preferably 60% or more and 98% or less on a mass basis with respect to the entire positive electrode active material layer.
上記のようにして作製される正極活物質層は、電極密度を高める観点から、密度が1.90g/cm3以上2.30g/cm3以下であることが好ましい。 The positive electrode active material layer which is manufactured as described above, in view of enhancing the electrode density, it is preferable density of 1.90 g / cm 3 or more 2.30 g / cm 3 or less.
正極活物質層の厚さは、本発明の効果が奏される限り特に制限はなく、エネルギー密度の維持等の観点から適宜設定することができる。 The thickness of the positive electrode active material layer is not particularly limited as long as the effects of the present invention are exhibited, and can be appropriately set from the viewpoint of maintaining the energy density and the like.
また、正極活物質層の空隙率(%)は、本発明の効果が奏される限り特に制限はないが、20%以上60%以下であることが好ましい。なお、正極活物質層の空隙率は、水銀圧入ポロシメーターを用いた水銀圧入法により測定することができる。具体的には、各層を所定の大きさに切り出した試験片を準備し、水銀圧入ポロシメーターを用いた水銀圧入法により試験片の細孔分布測定を行い、圧力値から細孔径を、圧力量から細孔容積を求めて空隙率を算出することができる。具体的には以下のようにして算出することができる。
先ず、測定しようとする試料を、110℃の温度で12時間、恒温乾燥を行う。続いて、オートポアIV9520(micromeritics社製)等の測定装置を用いて、細孔直径約0.0036μm〜200μmの範囲での細孔分布を測定する。なお、細孔径は、Washburnの式:
PD=−4σcosθ
(式中、Pは圧力、Dは細孔直径、σは水銀の表面張力(480dynes/cm)、θは水銀と試料との接触角(140°)を表す。)
から算出することができる。
空隙率(%)は、得られた細孔容積を試料の外寸により規定した体積で除することにより算出することができる(但し、集電体は空隙が無いものとし、試料の体積からは予め除いて計算する。)。
The porosity (%) of the positive electrode active material layer is not particularly limited as long as the effects of the present invention are exhibited, but is preferably 20% or more and 60% or less. The porosity of the positive electrode active material layer can be measured by a mercury injection method using a mercury injection porosimeter. Specifically, a test piece obtained by cutting out each layer to a predetermined size is prepared, the pore distribution of the test piece is measured by the mercury intrusion method using a mercury intrusion porosimeter, and the pore diameter is calculated from the pressure value and the pressure amount is used. The porosity can be calculated by obtaining the pore volume. Specifically, it can be calculated as follows.
First, the sample to be measured is constantly dried at a temperature of 110 ° C. for 12 hours. Subsequently, the pore distribution in the pore diameter range of about 0.0036 μm to 200 μm is measured using a measuring device such as Autopore IV9520 (manufactured by micromerits). The pore diameter is determined by the Washburn formula:
PD = -4σcosθ
(In the formula, P is the pressure, D is the pore diameter, σ is the surface tension of mercury (480 days / cm), and θ is the contact angle between mercury and the sample (140 °).)
It can be calculated from.
The porosity (%) can be calculated by dividing the obtained pore volume by the volume specified by the outer dimensions of the sample (however, the current collector shall have no voids and shall be calculated from the volume of the sample. Calculate by excluding in advance.).
<負極>
本発明による非水電解質二次電池を構成する負極は、負極集電体上に負極活物質層が設けられた構造を有し、例えば、負極活物質、バインダー樹脂、導電助剤および溶媒を含む組成物を調製し、これを正極集電体上に塗布して乾燥することにより作製することができる。
<Negative electrode>
The negative electrode constituting the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention has a structure in which a negative electrode active material layer is provided on the negative electrode current collector, and includes, for example, a negative electrode active material, a binder resin, a conductive auxiliary agent, and a solvent. It can be prepared by preparing a composition, applying it on a positive electrode current collector, and drying it.
負極活物質および導電助剤としては、例えばグラファイト、グラフェン、ハードカーボン、ケッチェンブラック、アセチレンブラック等の炭素材料が挙げられる。 Examples of the negative electrode active material and the conductive auxiliary agent include carbon materials such as graphite, graphene, hard carbon, Ketjen black, and acetylene black.
バインダー樹脂、導電助剤、溶媒、集電体としては、上記した正極と同様のものを例示できる。負極活物質、導電助剤、バインダー樹脂、溶媒は、何れも一種が単独で使用されてもよいし、二種以上が併用されてもよい。 Examples of the binder resin, the conductive auxiliary agent, the solvent, and the current collector are the same as those of the above-mentioned positive electrode. As the negative electrode active material, the conductive auxiliary agent, the binder resin, and the solvent, one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in combination.
負極活物質層中の負極活物質の含有量は、負極活物質層全体に対して質量基準で50%以上99%以下であることが好ましく、60%以上98%以下であることがより好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is preferably 50% or more and 99% or less, and more preferably 60% or more and 98% or less on a mass basis with respect to the entire negative electrode active material layer.
上記のようにして作製される負極活物質層は、密度が、好ましくは1.3g/cc以上1.8g/cc以下、より好ましくは1.5g/cc以上1.7g/cc以下である。 The negative electrode active material layer produced as described above has a density of preferably 1.3 g / cc or more and 1.8 g / cc or less, and more preferably 1.5 g / cc or more and 1.7 g / cc or less.
負極活物質層の厚さは、本発明の効果が奏される限り特に制限はなく、適宜設定することができる。 The thickness of the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as the effects of the present invention are exhibited, and can be appropriately set.
また、負極活物質層の空隙率(%)は、本発明の効果が奏される限り特に制限はないが、好ましくは25%以上60%以下、より好ましくは30%以上50%以下である。なお、ここでの空隙率は、正極活物質層と同様、水銀圧入ポロシメーターを用いた水銀圧入法により測定される値を意味する。 The porosity (%) of the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as the effects of the present invention are exhibited, but is preferably 25% or more and 60% or less, and more preferably 30% or more and 50% or less. The porosity here means a value measured by a mercury injection method using a mercury injection porosimeter, as in the case of the positive electrode active material layer.
本発明による非水電解質二次電池は、例えば、正極と負極の間にセパレータを配置した積層体を作製し、電極積層体をアルミラミネート袋等の外装体(筐体)に封入して、非水電解質を注入することによって製造することができる。 In the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, for example, a laminate in which a separator is arranged between a positive electrode and a negative electrode is prepared, and the electrode laminate is enclosed in an exterior body (housing) such as an aluminum laminate bag to be non-aqueous. It can be produced by injecting a water electrolyte.
以上、本発明による非水電解質二次電池について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明による非水電解質二次電池は、他の任意の構成を有していてもよいし、同様の機能を発揮する任意の構成と置換されていてもよい。また、リチウムイオン二次電池の他、例えば、銀イオン二次電池等の二次電池に適用することもできる。 The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention has been described above, but the present invention is not limited thereto. The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention may have any other configuration or may be replaced with any configuration that exhibits the same function. Further, in addition to the lithium ion secondary battery, it can also be applied to a secondary battery such as a silver ion secondary battery.
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、これらの例により本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these examples.
[実施例1]
<正極の作製>
正極活物質を含む固形成分100質量部と、導電助剤としてアセチレンブラックを5質量部と、結着材としてポリフッ化ビニリデンを5質量部と、溶媒としてNMPとを混合し、固形分45%に調整したスラリーを得た。このスラリーをアルミニウム箔に塗布し、予備乾燥後、120℃で真空乾燥した。 電極を4kNで加圧プレスし、更に電極寸法の40mm角に打ち抜き、正極を作製した。
なお、正極活物質として、オリビン酸鉄リチウムを用い、以下の質量比で混合した。
正極活物質:結着材(PVdF):導電助剤=90:5:5
正極活物質層の厚さは、58.5μmであった。また、水銀ポリシメーターにより空隙率を測定したところ41.6%であった。
[Example 1]
<Preparation of positive electrode>
A solid component containing 100 parts by mass of a positive electrode active material, 5 parts by mass of acetylene black as a conductive auxiliary agent, 5 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder, and NMP as a solvent are mixed to obtain a solid content of 45%. A prepared slurry was obtained. This slurry was applied to an aluminum foil, pre-dried, and then vacuum dried at 120 ° C. The electrode was pressure-pressed at 4 kN and further punched to a 40 mm square electrode size to prepare a positive electrode.
Lithium iron olivine was used as the positive electrode active material and mixed in the following mass ratio.
Positive electrode active material: Binder (PVdF): Conductive aid = 90: 5: 5
The thickness of the positive electrode active material layer was 58.5 μm. The porosity was measured with a mercury polysimeter and found to be 41.6%.
<負極の作製>
負極活物質を含む固形成分100質量部と、結着材としてスチレンブタジエンゴム1.5質量部と、増粘材としてカルボキシメチルセルロースNaを1.5質量部と、溶媒として水とを混合し、固形分50%に調整したスラリーを得た。このスラリーを銅箔に塗布し、100℃で真空乾燥した。 電極を2kNで加圧プレスし、更に電極寸法の42mm角に打ち抜き、負極を作製した。
なお、負極活物質として、黒鉛を用い、以下の質量比で混合した。
負極活物質:結着材(CMC):結着材(SBR)=98:1:1
負極活物質層の厚さは、39μmであった。また、水銀ポリシメーターにより空隙率を測定したところ36.4%であった。
<Manufacturing of negative electrode>
100 parts by mass of a solid component containing a negative electrode active material, 1.5 parts by mass of styrene-butadiene rubber as a binder, 1.5 parts by mass of carboxymethyl cellulose Na as a thickener, and water as a solvent are mixed and solid. A slurry adjusted to a minute of 50% was obtained. This slurry was applied to a copper foil and vacuum dried at 100 ° C. The electrode was pressure-pressed at 2 kN and further punched to a 42 mm square electrode size to prepare a negative electrode.
Graphite was used as the negative electrode active material and mixed at the following mass ratio.
Negative electrode active material: Binder (CMC): Binder (SBR) = 98: 1: 1
The thickness of the negative electrode active material layer was 39 μm. The porosity was measured with a mercury polysimeter and found to be 36.4%.
<セパレータの準備>
セパレータとして、厚さ15μmのセルロース不織布を使用した。不織布セパレータの溶媒浸透速度は1.5cm2/秒であった。また、JIS P 8117:1998に基づく方法により測定された不織布セパレータのガーレー値は3であった。なお、セパレータの溶媒浸透速度は以下の方法により測定された。
先ず、50mm×1mmのサイズのセパレータを準備した。
次いで、準備したセパレータの長辺方向の両方の端部からそれぞれ10mmの位置に油性マジックで印をつけた。
次いで、セパレータを120℃で4時間真空乾燥した。
次いで、セパレータに対して直角となるように、セパレータにガラス棒をセロテープで固定した。この時、ガラス棒の固定位置は、セパレータの上記印に対して長辺方向の外側(印と該印に近い端部との間)とした。
次いで、ガラス棒を固定したのとは反対側の印に対して長辺方向の外側(印と該印に近い端部との間)に、おもり用のゼムクリップを固定した。
次いで、100mlビーカー(2−5091−03、アズワン株式会社製)に、該ビーカーの開口部の縁にセパレータに固定したガラス棒を架橋させ、ゼムクリップの側がビーカー内に入るようにセパレータを設置した。
次いで、電解液溶媒(エチルメチルカーボネートからなる溶媒)50mlを準備し、着色用のインク(XR−2Nアカ、シャチハタ株式会社製)を添加して、目視で視認できるようにした。
次いで、ビーカーに設置したセパレータの下部(ゼムクリップ側)の印まで、着色した電解液溶媒を急速に注いだ。
次いで、電解液溶媒を注ぎ始めた時点から時間計測を開始し、セパレータの上部(ガラス棒側)の印の位置まで電解液溶媒が浸透する時間を計測した。
上部の印のセパレータの幅方向の全てに電解液溶媒が浸透するまでの時間を計測し、計測時間を3cm2の面積の浸透にかかった時間として浸透速度を算出した。
<Preparation of separator>
As a separator, a cellulose non-woven fabric having a thickness of 15 μm was used. The solvent permeation rate of the non-woven fabric separator was 1.5 cm 2 / sec. The non-woven fabric separator had a Garley value of 3 as measured by a method based on JIS P 8117: 1998. The solvent permeation rate of the separator was measured by the following method.
First, a separator having a size of 50 mm × 1 mm was prepared.
Next, oil-based magic marks were made at positions 10 mm from both ends of the prepared separator in the long side direction.
The separator was then vacuum dried at 120 ° C. for 4 hours.
Next, a glass rod was fixed to the separator with cellophane tape so as to be perpendicular to the separator. At this time, the fixing position of the glass rod was set to the outside in the long side direction with respect to the above mark of the separator (between the mark and the end portion close to the mark).
Next, a weight paper clip was fixed to the outside in the long side direction (between the mark and the end near the mark) with respect to the mark on the opposite side to which the glass rod was fixed.
Next, a glass rod fixed to the separator was cross-linked to the edge of the opening of the beaker in a 100 ml beaker (2-5091-03, manufactured by AS ONE Corporation), and the separator was installed so that the side of the paper clip was inside the beaker.
Next, 50 ml of an electrolytic solution solvent (solvent composed of ethyl methyl carbonate) was prepared, and an ink for coloring (XR-2N red, manufactured by Shachihata x Stamp Co., Ltd.) was added so as to be visually recognizable.
Then, the colored electrolyte solvent was rapidly poured up to the mark on the lower part (Zemclip side) of the separator installed in the beaker.
Next, the time measurement was started from the time when the electrolytic solution solvent was started to be poured, and the time for the electrolytic solution solvent to permeate to the position marked on the upper part (glass rod side) of the separator was measured.
The time required for the electrolytic solution solvent to permeate into all of the width directions of the separator marked on the upper part was measured, and the permeation rate was calculated with the measurement time as the time required for permeation of an area of 3 cm 2.
<非水電解質二次電池の作製>
上記した負極2枚と、正極1枚と、不織布セパレータ2枚とを、図1に示すように、負極/セパレータ/正極/セパレータ/負極の順に積層した。この際、予めセパレータと正極を積層し、90℃、1Mpa、2分間の熱圧着処理を行い、セパレータを正極活物質層の表面に接着した。次いで、正極集電体露出部および負極集電体露出部のそれぞれに、端子用タブを電気的に接続し、端子用タブが外部に突出するように、アルミラミネートフィルムで積層体を挟み、三辺をラミネート加工によって封止した。
続いて、封止せずに残した一辺から、ビニレンカーボネートを2量%、エチルメチルカーボネートを50質量%、フッ素化エチレンカーボネートを2質量%含む混合液に、電解質としてLiPF6を1モル/リットルとなるように溶解した非水電解液を注入し、真空封止することによって二次電池(ラミネートセル)を製造した。
<Manufacturing of non-aqueous electrolyte secondary battery>
As shown in FIG. 1, the two negative electrodes, one positive electrode, and two non-woven fabric separators described above were laminated in the order of negative electrode / separator / positive electrode / separator / negative electrode. At this time, the separator and the positive electrode were laminated in advance and thermocompression bonded at 90 ° C. for 1 Mpa for 2 minutes to bond the separator to the surface of the positive electrode active material layer. Next, the terminal tabs are electrically connected to each of the positive electrode current collector exposed portion and the negative electrode current collector exposed portion, and the laminate is sandwiched between aluminum laminate films so that the terminal tabs project to the outside. The sides were sealed by laminating.
Subsequently, from one side left unsealed, a mixed solution containing 2% by mass of vinylene carbonate, 50% by mass of ethylmethyl carbonate, and 2% by mass of fluorinated ethylene carbonate was mixed with 1 mol / liter of LiPF 6 as an electrolyte. A secondary battery (laminate cell) was manufactured by injecting a non-aqueous electrolyte solution dissolved in such a manner and vacuum-sealing.
[実施例2]
非水電解液として、ビニレンカーボネートを1質量%、エチルメチルカーボネートを40質量%、フッ素化エチレンカーボネートを2質量%含む混合液に、電解質としてLiPF6を1モル/リットルとなるように溶解した非水電解液を使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
[Example 2]
Non-aqueous electrolyte solution containing LiPF 6 as an electrolyte at 1 mol / liter in a mixed solution containing 1% by mass of vinylene carbonate, 40% by mass of ethylmethyl carbonate, and 2% by mass of fluorinated ethylene carbonate. A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the aqueous electrolyte solution was used.
[比較例1]
不織布セパレータに代えてポリエチレンセパレータを使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。なお、ポリエチレンセパレータの溶媒浸透速度は170cm2/秒であった。また、JIS P 8117:1998に基づく方法により測定されたポリエチレンセパレータのガーレー値は170であった。
[Comparative Example 1]
A non-aqueous electrolyte secondary battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a polyethylene separator was used instead of the non-woven fabric separator. The solvent permeation rate of the polyethylene separator was 170 cm 2 / sec. Moreover, the galley value of the polyethylene separator measured by the method based on JIS P 8117: 1998 was 170.
[比較例2]
非水電解液として、六フッ化リン酸リチウムを10質量%、ジメチルカーボネートを43質量%、エチレンカーボネートを47質量%含む混合物を使用した以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
[Comparative Example 2]
As the non-aqueous electrolyte solution, a non-aqueous electrolyte secondary solution was used in the same manner as in Example 1 except that a mixture containing 10% by mass of lithium hexafluorophosphate, 43% by mass of dimethyl carbonate, and 47% by mass of ethylene carbonate was used. A battery was manufactured.
<サイクル特性の評価>
得られた実施例および比較例の各非水電解質二次電池(セル)のサイクル特性(容量維持率)を、以下の方法により評価した。
実施例1〜2、比較例1〜2の各セルを作製する際に積層物の面積を調整して、定格容量が1Ahとなるようにセルを作製した。
先ず、得られたセルに対して、0.2Cレート(即ち、200mA)で一定電流にて終止電圧3.6Vで充電を行った後、一定電圧にて終止電流0.05Cレート(即ち、20mA)で充電を行った。
次いで、容量確認のための放電を、0.2Cレートで一定電流にて終止電圧2.5Vで行った。このときの放電容量を基準容量とし、基準容量を1Cレートの電流値(即ち、1,000mA)とした。
次いで、以下の充放電を1サイクルとして、サイクル試験を行った。すなわち、1Cレートで一定電流にて終止電圧3.6Vで充電を行い、一定電圧にて終止電流0.05Cレート(即ち、20mA)で充電を行った後、10分間休止した。続いて、1Cレートで一定電流にて終止電圧2.5Vで放電を行った後、10分間休止した。
上記の充放電を1,000回(サイクル)繰り返した。
次いで、上述したのと同様の方法により容量確認を行った。
容量確認において測定された放電容量を、サイクル試験前の基準容量で除して百分率とした値を1,000サイクル後の容量維持率とした。 各非水電解質二次電池のサイクル特性(容量維持率)についての評価結果は、下記表1に示されるとおりであった。
<Evaluation of cycle characteristics>
The cycle characteristics (capacity retention rate) of each of the obtained non-aqueous electrolyte secondary batteries (cells) of the obtained Examples and Comparative Examples were evaluated by the following methods.
When the cells of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were prepared, the area of the laminate was adjusted to prepare the cells so that the rated capacity was 1 Ah.
First, the obtained cell is charged with a constant current at a constant current of 3.6 V at a constant current of 0.2 C rate (that is, 200 mA), and then at a constant voltage of 0.05 C rate (that is, 20 mA). ) Was charged.
Next, discharge for checking the capacity was performed at a rate of 0.2 C at a constant current and a final voltage of 2.5 V. The discharge capacity at this time was set as the reference capacity, and the reference capacity was set as the current value of 1C rate (that is, 1,000 mA).
Next, a cycle test was conducted with the following charge / discharge as one cycle. That is, charging was performed at a constant current at a constant voltage of 3.6 V at a constant voltage, charging was performed at a constant current of 0.05 C rate (that is, 20 mA) at a constant voltage, and then a rest was performed for 10 minutes. Subsequently, the battery was discharged at a constant current at a rate of 1 C at a final voltage of 2.5 V, and then paused for 10 minutes.
The above charging / discharging was repeated 1,000 times (cycles).
Then, the capacity was confirmed by the same method as described above.
The value obtained by dividing the discharge capacity measured in the capacity confirmation by the reference capacity before the cycle test to obtain a percentage was defined as the capacity retention rate after 1,000 cycles. The evaluation results of the cycle characteristics (capacity retention rate) of each non-aqueous electrolyte secondary battery are as shown in Table 1 below.
1 非水電解質二次電池
10 正極
11 正極集電体
12 正極活物質層
13 正極集電体露出部
20 負極
21 負極集電体
22 負極活物質層
23 負極集電体露出部
30 セパレータ
40 外装体
50 ガラス棒
60 セロテープ
70 ゼムクリップ
80 ビーカー
1 Non-aqueous electrolyte secondary battery 10 Positive electrode 11 Positive electrode
Claims (7)
前記正極と負極とが、前記セパレータを介して前記正極活物質層と前記負極活物質層とが対向するように配置されてなり、
前記非水電解質が、0.1質量%以上5.0質量%以下のビニレンカーボネート、30質量%以上60質量%以下のエチルメチルカーボネート、および0.1質量%以上3.0質量%以下のフッ素化エチレンカーボネートを含み、
前記セパレータをエチルメチルカーボネートからなる溶媒に浸した際の面方向への溶媒の浸透速度が0.1cm2/秒以上5.0cm2/秒以下であることを特徴とする、非水電解質二次電池。 A positive electrode having a positive electrode active material layer provided on at least one surface of the positive electrode current collector and the positive electrode current collector, a negative electrode current collector, and a negative electrode active material provided on at least one surface of the negative electrode current collector. A non-aqueous electrolyte secondary battery with a layered negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte.
The positive electrode and the negative electrode are arranged so that the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer face each other via the separator.
The non-aqueous electrolyte contains vinylene carbonate of 0.1% by mass or more and 5.0% by mass or less, ethylmethyl carbonate of 30% by mass or more and 60% by mass or less, and fluorine of 0.1% by mass or more and 3.0% by mass or less. Contains ethylene carbonate carbonate
The non-aqueous electrolyte secondary is characterized in that the permeation rate of the solvent in the plane direction when the separator is immersed in a solvent made of ethyl methyl carbonate is 0.1 cm 2 / sec or more and 5.0 cm 2 / sec or less. battery.
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