JP5763889B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery charge / discharge method - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質二次電池の充放電方法に関する。 The present invention relates to a charge / discharge method for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
自動車用のスタータには鉛蓄電池が使用されている。また、鉛蓄電池は、各種の産業用
・業務用のバックアップ電源として広く使用されている。現在、このバックアップ電源に
用いられている鉛蓄電池を、ニッケル水素電池またはリチウムイオン電池に置き換えよう
とする動きが盛んである。この主な理由は、鉛蓄電池より高エネルギー密度の電池に置き
換えることによって電源を小型化したいという要望や、環境負荷の観点から、鉛を使用し
ている電池に替えてクリーンな電池を用いたいという要望が存在する点にある。
自動車に使用されている鉛蓄電池に関しては、大きな代替への動きはない。しかし、環
境負荷の観点からは、クリーンな電池に代替することが望ましい。また、自動車での使用
を考えると、ニッケル水素電池より軽量化で優位なリチウムイオン電池に代替させること
も望ましいと考えられる。以上のことから、現在鉛蓄電池が使用されている自動車やバッ
クアップ電源の分野において、リチウムイオン電池に代替させることが将来必要になって
くる。
Lead acid batteries are used in automobile starters. Lead-acid batteries are widely used as backup power sources for various industrial and business purposes. At present, there is a strong movement to replace the lead storage battery used in the backup power source with a nickel metal hydride battery or a lithium ion battery. The main reasons for this are the desire to reduce the size of the power supply by replacing it with a battery with a higher energy density than the lead-acid battery, and the use of a clean battery instead of a battery that uses lead in terms of environmental impact. There is a demand.
There is no major move to replace lead-acid batteries used in automobiles. However, it is desirable to replace the battery with a clean battery from the viewpoint of environmental load. In consideration of use in automobiles, it may be desirable to substitute a lithium ion battery that is lighter and more advantageous than a nickel metal hydride battery. In view of the above, it will become necessary in the future to substitute for lithium ion batteries in the field of automobiles and backup power supplies in which lead storage batteries are currently used.
移動体通信機器や携帯電子機器の主電源として利用されているリチウムイオン電池は、
高い起電力及び高エネルギー密度を有するという特長をもつ。ここで用いられる正極活物
質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)
、マンガンスピネル(LiMn2O4)、及びこれらの混合物等がある。これらの正極活物
質は、リチウムに対し4V以上の電圧を有している。
また、負極には一般的にカーボン材料が使用され、前述の正極と組み合わせることで4
V級のリチウムイオン電池が構成されている。鉛蓄電池の代替を考慮すると、同じ電圧を
有するリチウムイオン電池や、複数個を直列につないだ場合に6の倍数の電圧を有するリ
チウムイオン電池が望まれる。この意味からは4V級の電池は適さない。2Vか3Vの電
圧を持ったリチウムイオン電池が代替としては都合が良いことになる。電圧を低下させる
手段としては様々考えられるが、本発明はチタン酸化物を負極に使用することを特徴とす
るため、この系に絞って従来の技術を説明する。
Lithium ion batteries used as the main power source for mobile communication devices and portable electronic devices
It has the feature of having high electromotive force and high energy density. As the positive electrode active material used here, lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 )
, Manganese spinel (LiMn 2 O 4 ), and mixtures thereof. These positive electrode active materials have a voltage of 4 V or more with respect to lithium.
In addition, a carbon material is generally used for the negative electrode.
A class V lithium ion battery is constructed. Considering alternatives to lead-acid batteries, lithium-ion batteries having the same voltage and lithium-ion batteries having a voltage multiple of 6 when a plurality are connected in series are desired. In this sense, a 4V class battery is not suitable. A lithium ion battery with a voltage of 2V or 3V would be convenient as an alternative. Various means for reducing the voltage are conceivable. Since the present invention is characterized by using titanium oxide for the negative electrode, the prior art will be described focusing on this system.
特許文献1には、スピネル型構造のリチウム−チタン酸化物(Li4/3Ti5/3O4)を
活物質として含む負極と、Li2MnO3またはLiMnO2を活物質として含む正極と、
非水電解液とからなる非水電解液リチウム二次電池が開示されている。しかし、実質の放
電電圧が1.6V付近であり、2V電池としては低い。
また、特許文献2には、スピネル型構造のリチウム−チタン酸化物を負極の活物質とし
て用い、スピネル型構造のリチウム−マンガン酸化物Li4/3Mn5/3O4を含有する活物
質を正極に用いる非水電解液二次電池が開示されている。この電池系は、2.5V付近の
電圧を有し、2V電池としては少し高い電圧を有するが、好ましい電圧であるかもしれな
い。しかし、スピネル型のリチウムマンガン酸化物からはMnが溶出し、保存による劣化
やサイクル寿命が低いという問題は本質的に解決されていない。
Patent Document 1 includes a negative electrode containing spinel-type lithium-titanium oxide (Li 4/3 Ti 5/3 O 4 ) as an active material, a positive electrode containing Li 2 MnO 3 or LiMnO 2 as an active material,
A non-aqueous electrolyte lithium secondary battery comprising a non-aqueous electrolyte is disclosed. However, the actual discharge voltage is around 1.6V, which is low for a 2V battery.
Patent Document 2 discloses an active material containing spinel-type lithium-manganese oxide Li 4/3 Mn 5/3 O 4 using spinel-type lithium-titanium oxide as the negative electrode active material. A non-aqueous electrolyte secondary battery used for a positive electrode is disclosed. This battery system has a voltage around 2.5V and a slightly higher voltage for a 2V battery, but may be a preferred voltage. However, the problem that Mn is eluted from the spinel type lithium manganese oxide and the deterioration due to storage and the cycle life is low have not been solved essentially.
特許文献3には、正極活物質にコバルト酸リチウム(LiCoO2)を用い、負極活物
質にLi4/3Ti5/3O4のチタン酸リチウムを用いた電池が開示されている。この電池系
も電池電圧は好ましいが、Co金属を多く使用するのでコストアップになる。また、後述
するが、LiCoO2は充放電に伴って体積膨張・収縮を繰り返すため、結晶格子の破壊
が進みやすく長期の信頼性の面で問題が生じることが予想される。
特許文献4には、正極活物質としてLiAxB1-xO2(AおよびBは金属元素Co、N
i、Mn、Fe、V、AlまたはTi)で表現されるリチウム遷移金属酸化物を用い、負
極活物質としてLi4/3Ti5/3O4で表されるリチウムチタン酸化物を用い、リチウム遷
移金属酸化物の実容量に対する前記リチウムチタン酸化物の実容量の比率を0.5以下と
したリチウム二次電池が開示されている。特許文献4記載の発明は、主に正負極の容量バ
ランスに着目した電池設計に関わるもので、後述するような個々の材料の特徴を生かした
組み合わせの必要性に関して記述はない。
Patent Document 3 discloses a battery using lithium cobaltate (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material and Li 4/3 Ti 5/3 O 4 lithium titanate as a negative electrode active material. This battery system also has a preferable battery voltage, but increases the cost because a large amount of Co metal is used. As will be described later, since LiCoO 2 repeats volume expansion and contraction with charge and discharge, the crystal lattice is easily broken, and it is expected that there will be a problem in terms of long-term reliability.
In Patent Document 4, LiA x B 1-x O 2 (A and B are metallic elements Co, N
lithium transition metal oxide represented by i, Mn, Fe, V, Al or Ti), lithium titanium oxide represented by Li 4/3 Ti 5/3 O 4 as the negative electrode active material, and lithium A lithium secondary battery in which the ratio of the actual capacity of the lithium titanium oxide to the actual capacity of the transition metal oxide is 0.5 or less is disclosed. The invention described in Patent Document 4 mainly relates to battery design that focuses on the capacity balance between the positive and negative electrodes, and there is no description regarding the necessity of a combination that takes advantage of the characteristics of individual materials as described later.
特許文献5には、負極にスピネル型リチウムチタン酸化物であるチタンイオン欠損型の
Li4/3Ti5/3O4を用いる電池系において、カーボン、黒鉛、WO2、Fe2O3、LiF
e5O8、SiO2、SnOを添加することが開示されている。この発明は、耐過放電特性
や耐過充電特性を向上させることを目的としたもので、本発明とは構成も目的も異なる。
特許文献6には、Li1+xMyMn2-x-yO4-z(MはTi、V、Cr、Fe、Co、Ni
、Zn、Cu、W、Mg、Alのうち1種以上、0≦x≦0.2、0≦y<0.5、0≦
z<0.2)で表され、CuKα線を用いた粉末X線回折法による(400)回折ピーク
の半値幅が0.02θ以上0.1θ以下(θは回折角)であり、一次粒子の形状が八面体
をなすリチウムマンガン複合酸化物が正極活物質として開示されている。そして、この正
極活物質を含む正極と、LiaTibO4(0.5≦a≦3、1≦b≦2.5)で表される
リチウムチタン複合酸化物を負極活物質として含む負極とを備える電池が提案されている
。この電池系は3V以上の放電電圧を示し、本発明とに係る電池の電圧とは少し異なる。
In Patent Document 5, in a battery system using a titanium ion deficient Li 4/3 Ti 5/3 O 4 which is a spinel type lithium titanium oxide as a negative electrode, carbon, graphite, WO 2 , Fe 2 O 3 , LiF
It is disclosed that e 5 O 8 , SiO 2 and SnO are added. The present invention aims to improve the overdischarge resistance and overcharge resistance characteristics, and is different in configuration and purpose from the present invention.
Patent Document 6, Li 1 + x M y Mn 2-xy O 4-z (M is Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni
, Zn, Cu, W, Mg, Al, one or more, 0 ≦ x ≦ 0.2, 0 ≦ y <0.5, 0 ≦
z <0.2), and the full width at half maximum of the (400) diffraction peak by the powder X-ray diffraction method using CuKα rays is 0.02θ or more and 0.1θ or less (θ is the diffraction angle), A lithium manganese composite oxide having an octahedral shape is disclosed as a positive electrode active material. Then, the negative electrode including a positive electrode including the positive electrode active material, the Li a Ti b O 4 (0.5 ≦ a ≦ 3,1 ≦ b ≦ 2.5) lithium-titanium composite oxide represented by a negative electrode active material Has been proposed. This battery system exhibits a discharge voltage of 3V or more, which is slightly different from the voltage of the battery according to the present invention.
特許文献7には、Li1-xAxNi1-yMyO2(Aは、Liを除くアルカリ金属、アルカ
リ土類金属から選ばれる1種以上;MはCo、Mn、Al、Cr、Fe、V、Ti、Ga
のうちから選ばれる1種以上;0≦x≦0.2;0.05≦y≦0.5)で表され、平均
粒径が0.5μm以上の一次粒子が凝集して二次粒子を形成しているリチウムニッケル複
合酸化物が正極活物質として開示されている。そして、この正極活物質を含む正極と、L
iaTibO4(0.5≦a≦3、1≦b≦2.5)で表されるリチウムチタン複合酸化物
を負極活物質として含む負極とを具備する電池が開示されている。この発明の目的は、安
価で、サイクル特性、特に高温保存化におけるサイクル特性、および高温保存特性の良好
なリチウム二次電池を提供することにある。
この目的のために、特許文献7記載の発明では、以下の2点に着目している。第1に、
この発明においては、正極活物質の一次粒子の平均粒径が0.5μ以上である必要がある
としている。この発想の根底に関しては、本文中にも、一次粒子は単結晶に近い粒子であ
り、繰り返される充放電に伴うリチウムの吸蔵・脱離による膨張・収縮、つまり体積変化
は避けることが困難であると記載されているように、本質的に避けられない体積変化があ
る。これを緩和するために一次粒子の粒径を大きくすることが提案されている。
Patent Document 7, Li 1-x A x Ni 1-y M y O 2 (A is an alkali metal except Li, 1 or more selected from alkaline earth metals; M is Co, Mn, Al, Cr , Fe, V, Ti, Ga
1 or more selected from the above; 0 ≦ x ≦ 0.2; 0.05 ≦ y ≦ 0.5), and the primary particles are aggregated to form secondary particles. The formed lithium nickel composite oxide is disclosed as a positive electrode active material. And the positive electrode containing this positive electrode active material, and L
i a Ti b O 4 battery comprising a negative electrode containing (0.5 ≦ a ≦ 3,1 ≦ b ≦ 2.5) lithium-titanium composite oxide represented by a negative active material is disclosed. An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery that is inexpensive and has good cycle characteristics, in particular, cycle characteristics in high-temperature storage and high-temperature storage characteristics.
For this purpose, the invention described in Patent Document 7 focuses on the following two points. First,
In the present invention, the average particle diameter of the primary particles of the positive electrode active material needs to be 0.5 μm or more. Regarding the basis of this idea, also in the text, the primary particles are particles close to a single crystal, and it is difficult to avoid expansion / contraction, that is, volume change due to lithium insertion / extraction due to repeated charge / discharge. As described, there is an essentially unavoidable volume change. In order to alleviate this, it has been proposed to increase the primary particle size.
遷移金属種等の組成に関しては、結晶構造の六方晶系から単斜晶系への相変化を抑止す
る目的で、Co、MnやAl等を添加することが記載されているが、当時としては公知で
あり特別の技術ではない。さらに、Alを添加することで酸素の放出を伴う活物質の分解
反応を抑え、熱安定性の向上と同時に電子伝導性の向上を図るとの記載があるが、これも
同様に当時としては公知である。例えば、非特許文献1や、特許文献8には、LiNiO
2のNiの一部をCoに置換して結晶相の変化を抑制させることが記載されている。また
、非特許文献2や特許文献9には、Alを添加することで熱安定性を向上させることが記
載されている。
第2に、負極活物質にLiaTibO4(0.5≦a≦3、1≦b≦2.5)で示される
リチウムチタン酸化物を用いることが提案されている。これにより、還元電位がLi/L
i+に対して1.5Vであり、一般的に用いられている炭素材料に比べて高いために、非
水電解液の分解を抑制することができ、また、それに伴う反応性生物の負極表面への析出
・付着を抑制し、サイクル寿命を向上させると記載されている。しかし、電位が高いこと
は、前述したチタン酸化物の先行技術において明らかに示されており、この発明が新たに
提供するものではない。
Regarding the composition of transition metal species, etc., it is described that Co, Mn, Al, etc. are added for the purpose of suppressing the phase change from the hexagonal system to the monoclinic system of the crystal structure. It is known and not a special technique. Furthermore, there is a description that by adding Al, the decomposition reaction of the active material accompanied by the release of oxygen is suppressed, and the thermal stability is improved and the electron conductivity is improved at the same time. It is. For example, Non-Patent Document 1 and Patent Document 8 include LiNiO.
It is described that a part of Ni in 2 is replaced with Co to suppress a change in crystal phase. Further, Non-Patent Document 2 and Patent Document 9 describe that thermal stability is improved by adding Al.
Second, it has been proposed to use a lithium titanium oxide represented by Li a Ti b O 4 (0.5 ≦ a ≦ 3, 1 ≦ b ≦ 2.5) as the negative electrode active material. Thereby, the reduction potential is Li / L.
Since it is 1.5V with respect to i +, which is higher than commonly used carbon materials, it is possible to suppress the decomposition of the non-aqueous electrolyte, and to the accompanying negative electrode surface of reactive organisms It is described that the precipitation / adhesion of the metal is suppressed and the cycle life is improved. However, the high potential is clearly shown in the above-described prior art of titanium oxide, and is not newly provided by the present invention.
最後に、電池における正極と負極の組み合わせに関しても、特許文献7記載の組み合わ
せによって新たな効果が生み出されるとの記述は全くなく、正極および負極それぞれ単独
の効果が記載され、単なる効果の組み合わせが記載されているに過ぎず、従来技術から容
易に推測される事項である。また、負極の芯材としては、実施例で示されているように銅
が使用され、セパレータとしては薄い微多孔膜が使用され、電解液としては現在使用され
ている溶媒や溶質が開示されている。これらはすべて現在市販されているリチウム二次電
池に使用されているものや公知のものである。また、それらを特異的に選んで新たな効果
が発揮されるとの記述も全くない。
Finally, regarding the combination of the positive electrode and the negative electrode in the battery, there is no description that a new effect is produced by the combination described in Patent Document 7, the effect of each of the positive electrode and the negative electrode is described individually, and the combination of simple effects is described It is merely a matter that can be easily inferred from the prior art. Also, as shown in the examples, copper is used as the negative electrode core, a thin microporous membrane is used as the separator, and currently used solvents and solutes are disclosed as the electrolyte. Yes. All of these are used for lithium secondary batteries currently on the market or are known ones. Moreover, there is no description that a new effect is exhibited by specifically selecting them.
近年、特にハイレート特性やパルス特性の向上に対する要望が強くなってきている。ハ
イレートで充放電することによって材料への負荷が高くなり、結果として従来技術では構
造破壊等の要因を改善するには至らず、サイクル寿命の維持が困難になってきている。ま
た、層構造を有するコバルト酸リチウムや黒鉛材料等は、充放電に伴って層方向に大きな
膨張収縮を繰り返すため、これによる材料ストレスや、電解液の電極間からの滲み出し等
で、特にハイレート充放電でのサイクル寿命は短いという問題があった。したがって、こ
の電池系としての膨張収縮を抑えることが長寿命化という課題解決の大きな要素である。
そこで、本発明の目的の1つは、充放電に伴う体積膨張を理論的にほぼゼロに抑えること
ができる電池系を提供することである。したがって、正極および負極それぞれの活物質の
みではなく正負極の組み合わせが重要である。
In recent years, there has been a strong demand for improving high rate characteristics and pulse characteristics. Charging / discharging at a high rate increases the load on the material, and as a result, the conventional technology does not improve the structural breakdown and the like, and it is difficult to maintain the cycle life. In addition, lithium cobaltate and graphite materials having a layer structure are repeatedly expanded and contracted in the layer direction along with charge / discharge, and therefore, particularly due to material stress due to this and oozing of electrolyte solution between the electrodes. There was a problem that the cycle life in charge and discharge was short. Therefore, suppressing the expansion and contraction of the battery system is a major element for solving the problem of extending the life.
Then, one of the objectives of this invention is providing the battery system which can suppress the volume expansion accompanying charging / discharging theoretically to substantially zero. Therefore, not only the positive and negative active materials but also the combination of positive and negative electrodes is important.
現在鉛電池が使用されている自動車やバックアップ電源の分野においては、リチウムイ
オン電池に代替させることが将来必要になってくる。そこで、本発明では、それらの用途
で適切な電圧を提供できる電池系を同時に提供する。このことで、小型化および軽量化が
可能となる。適切な電圧とは、鉛電池と同じ2Vの放電電圧である。さらに、アイドリン
グストップ用電源としては、電池の充電状態を例えば60%から70%ぐらいに保つこと
が望まれる。これは、回生充電を行う制御を考えた場合に適している。このような制御を
容易にするためには、この領域で電池電圧が比較的リニアーに変化することである。本発
明では、実施例で後述するように、放電する場合、つまり電池容量50%以下の領域では
、2Vの定電圧が供給できるように平坦な放電電圧を維持し、60%以上の領域では充電
制御が容易なように充電に伴ってリニアーに電圧が上昇するような電池系を提供すること
を目的とする。先行技術ではこのような観点からの提案は見当たらない。
In the field of automobiles and backup power supplies where lead batteries are currently used, it will be necessary to replace them with lithium ion batteries in the future. Therefore, the present invention simultaneously provides a battery system that can provide an appropriate voltage for these applications. This makes it possible to reduce the size and weight. A suitable voltage is the same 2V discharge voltage as a lead battery. Furthermore, as a power supply for idling stop, it is desirable to keep the state of charge of the battery at, for example, about 60% to 70%. This is suitable when considering the control for performing regenerative charging. In order to facilitate such control, the battery voltage should change relatively linearly in this region. In the present invention, as will be described later in the embodiment, when discharging, that is, in a region where the battery capacity is 50% or less, a flat discharge voltage is maintained so that a constant voltage of 2V can be supplied, and in a region where the battery capacity is 60% or more, charging is performed. An object of the present invention is to provide a battery system in which the voltage increases linearly with charging so that the control is easy. There is no proposal from this viewpoint in the prior art.
本発明では、電解質に関しても鋭意研究を重ねている。従来の炭素材料を使用した場合
に還元分解されて使用できなかった溶媒のなかには、耐酸化能の高い溶媒や高引火点の溶
媒が含まれる。これらのものを使用し、電池の安全性や信頼性を飛躍的に改善できること
も提案する。特にイオン性液体を使用することで大きな効果が期待できる。イオン性液体
は蒸気圧を持たないため電池の発火や発煙の危険性がきわめて低くなる。セパレータに関
しては、現在使用されているポリエチレンやポリプロピレン等のオレフィン系の微多孔膜
が使用できる。しかし、これらのセパレータは価格が高いという課題がある。
電池は正極と負極との組み合わせであり、正極と負極の容量比をどのようなバランスで
設計するかは、電池特性、特にサイクル寿命や長期の信頼性に大きく影響する。この設計
に関するノウハウも本発明において鋭意研究し、好ましい範囲を提案する。
In the present invention, extensive research has been conducted on electrolytes. Solvents that cannot be used due to reductive decomposition when using conventional carbon materials include solvents with high oxidation resistance and solvents with high flash points. We also propose that these can be used to dramatically improve the safety and reliability of batteries. In particular, a great effect can be expected by using an ionic liquid. Since ionic liquids do not have vapor pressure, the risk of battery ignition and smoke is extremely low. As for the separator, currently used olefinic microporous membranes such as polyethylene and polypropylene can be used. However, there is a problem that these separators are expensive.
A battery is a combination of a positive electrode and a negative electrode, and the balance of the capacity ratio between the positive electrode and the negative electrode has a great influence on battery characteristics, particularly cycle life and long-term reliability. This design know-how is also intensively studied in the present invention, and a preferable range is proposed.
負極の集電体としては、一般的に銅がよく使用されるが、銅は比重が大きく重量効率に
劣る。さらに、深い放電時に電位がリチウム金属基準で3Vを超えると溶出するという問
題がある。また、過充電時にはリチウムイオンが金属リチウムとして針状に析出し、著し
く安全性が低下するという問題もあった。しかし、炭素材料を負極に使用するがゆえに銅
金属を使用しなければならなかった。これに対し、本発明の組み合わせでは、負極の芯材
にアルミニウムやアルミニウム合金を使用して軽量化が可能であり、さらに過充電時には
アルミニウムがリチウムを吸蔵することでリチウム析出を抑制し著しい安全性の低下を防
ぐことが可能である。
As a negative electrode current collector, copper is generally used, but copper has a large specific gravity and is inferior in weight efficiency. Furthermore, there is a problem that when the electric potential exceeds 3 V on the basis of lithium metal during deep discharge, elution occurs. In addition, when overcharged, lithium ions are deposited in the form of needles as metallic lithium, and there is a problem that safety is significantly lowered. However, because a carbon material is used for the negative electrode, copper metal had to be used. On the other hand, the combination of the present invention can reduce the weight by using aluminum or an aluminum alloy for the negative electrode core material, and further suppresses lithium precipitation by occlusion of lithium during overcharge, thereby significantly increasing safety. Can be prevented.
本発明は、層構造を有する正極活物質を含む正極と、スピネル構造を有するチタン酸化物を負極活物質として含む負極と、非水電解質とを具備し、前記正極活物質が、Li1±xNi1/2Co1/2O2(x≦0.1)及びLi1±xNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x≦0.1)の少なくとも一方を含み、前記チタン酸化物が、Li4Ti5O12であり、前記正極および前記負極が、それぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成された集電体を含み、前記正極活物質の重量に対する前記負極活物質の重量の比が、0.5以上1.2未満である、非水電解質二次電池を、前記正極活物質の利用率が60%以下になるように充放電する、非水電解質二次電池の充放電方法を提供する。 The present invention comprises a positive electrode including a positive electrode active material having a layer structure, a negative electrode including a titanium oxide having a spinel structure as a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte, wherein the positive electrode active material is Li 1 ± x. Including at least one of Ni 1/2 Co 1/2 O 2 (x ≦ 0.1) and Li 1 ± x Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (x ≦ 0.1), The titanium oxide is Li 4 Ti 5 O 12 , the positive electrode and the negative electrode each include a current collector made of aluminum or an aluminum alloy, and the weight of the negative electrode active material with respect to the weight of the positive electrode active material Charge / discharge of a non-aqueous electrolyte secondary battery having a ratio of 0.5 or more and less than 1.2, such that the utilization rate of the positive electrode active material is 60% or less. Provide a method.
また、前記正極活物質がLi1±xNi1/2Co1/2O2(x≦0.1)及びLi1±xNi1
/3Co1/3Mn1/3O2(x≦0.1)の少なくとも一方を含むのが好ましい。
前記ニッケル元素と前記コバルト元素との比率の誤差が10原子%以内であるのが好ま
しい。
前記正極活物質が、Al、Mg、St、Ca、Y及びYbよりなる群から選択される少
なくとも1種を添加元素として含むのが好ましい。
前記チタン酸化物がスピネル構造を有するものであるのが好ましい。
前記チタン酸化物がLi4Ti5O12であるのが好ましい。
Further, the positive electrode active material is Li 1 ± x Ni 1/2 Co 1/2 O 2 (x ≦ 0.1) and Li 1 ± x Ni 1.
It is preferable to contain at least one of / 3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (x ≦ 0.1).
The error in the ratio between the nickel element and the cobalt element is preferably within 10 atomic%.
It is preferable that the positive electrode active material contains at least one selected from the group consisting of Al, Mg, St, Ca, Y, and Yb as an additive element.
It is preferable that the titanium oxide has a spinel structure.
The titanium oxide is preferably Li 4 Ti 5 O 12 .
また、前記非水電解質は、溶媒として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γブチルラクトン、γバレロラクトン、メチルジグライム、スルフォラン、トリメチルホスフェイト、トリエチルホスフェイト、メトキシメチルエチルカーボネート及びフッ素化エチレンカーボネートよりなる群から選択される少なくとも1種を含むのが好ましい。 In addition, the non-aqueous electrolyte includes , as a solvent, ethylene carbonate, propylene carbonate, γ butyl lactone, γ valerolactone, methyl diglyme, sulfolane, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, methoxymethyl ethyl carbonate, and fluorinated ethylene carbonate. It is preferable to include at least one selected from the group consisting of:
また、前記非水電解質は、少なくとも1種のイオン性液体を含むのが好ましい。
前記イオン性液体のカチオンとしては、イミダゾリウム、ピリジニウム、フォスフォニウム、アンモニウム、ピロリジニウム、グアニジニウム及びイソウロニウムよりなる群から選択されるものを用いるのが好ましい。
また、前記イオン性液体のアニオンとしては、ハロゲン、サルフェイト、サルフォネイト、アミド、イミド、メタン、ボレイト、フォスフェイト、アンチモネイト、デカネイト及びコバルトテトラカルボニルよりなる群から選択されるものを用いるのが好ましい。
Further, the nonaqueous electrolyte preferably contains at least one ionic liquid.
As the cation of the ionic liquid, it is preferable to use a cation selected from the group consisting of imidazolium, pyridinium, phosphonium, ammonium, pyrrolidinium, guanidinium and isouronium.
The anion of the ionic liquid is preferably selected from the group consisting of halogen, sulfate, sulfonate, amide, imide, methane, borate, phosphate, antimonate, decanate, and cobalt tetracarbonyl.
本発明に係る非水電解質二次電池は、不織布からなるセパレータを具備するのが好まし
い。前記セパレータは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ビニロン、ナイロン、ポリエチ
レンテレフタレート、アラミド樹脂及びポリブチレンテレフタレートよりなる群から選択
される少なくとも1種で構成されているのが好ましい。
また、前記正極活物質の容量に対する前記負極活物質の容量の比が、0.5以上1.2
未満であるのが好ましい。
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention preferably includes a separator made of a nonwoven fabric. The separator is preferably composed of at least one selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, vinylon, nylon, polyethylene terephthalate, aramid resin, and polybutylene terephthalate.
The ratio of the capacity of the negative electrode active material to the capacity of the positive electrode active material is 0.5 or more and 1.2.
Is preferably less than.
前記正極および前記負極が、それぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成され
た集電体を含むのが好ましい。
前記正極活物質が、0.1〜8μmの粒径を有する結晶粒子と、2〜30μmの粒径を
有する前記結晶粒子の二次粒子とからなるのが好ましい。
また、前記負極活物質が、平均粒径0.6μm以下の1次粒子が集合して形成する平均
粒径10μm以下の二次粒子からなるのが好ましい。
It is preferable that the positive electrode and the negative electrode each include a current collector made of aluminum or an aluminum alloy.
It is preferable that the positive electrode active material is composed of crystal particles having a particle size of 0.1 to 8 μm and secondary particles of the crystal particles having a particle size of 2 to 30 μm.
The negative electrode active material is preferably composed of secondary particles having an average particle size of 10 μm or less formed by aggregating primary particles having an average particle size of 0.6 μm or less.
本発明によれば、従来から問題となっていた非水電解質二次電池の体積膨張による寿命劣化等を飛躍的に改善し、サイクル寿命を改善することができる。 According to the present invention, the life deterioration due to volume expansion of the non-aqueous electrolyte secondary battery which has been a problem conventionally dramatically improved, it is possible to improve the cycle life.
(1)本発明における活物質の合成
負極活物質として好適に用いることのできるスピネル構造を有するチタン酸化物は、L
i4Ti5O12であれば、現在はすでに市販電池に搭載されているため、高品質のものを購
入することができる。また、リチウム化合物である炭酸リチウムまたは水酸化リチウム等
と、チタン源となる酸化チタンとを目的の材料組成になるように混合し、大気中または酸
素気流中等の酸化雰囲気で800℃〜1100℃ぐらいの温度で焼成することによって、
容易に合成することも可能である。
(1) Synthesis of active material in the present invention Titanium oxide having a spinel structure that can be suitably used as a negative electrode active material is L
If i 4 Ti 5 O 12, since it is mounted on the already currently commercially available batteries can be purchased from high quality. Further, lithium carbonate or lithium hydroxide as a lithium compound and titanium oxide as a titanium source are mixed so as to have a target material composition, and about 800 ° C. to 1100 ° C. in an oxidizing atmosphere such as in the air or in an oxygen stream. By firing at a temperature of
It can also be easily synthesized.
正極活物質の合成に関して以下に記述する。Li1±α[Me]O2(0≦α<0.2、
MeはNiと、Mn、Fe、Co、Ti及びCuよりなる群から選択される少なくとも1
種とを含む遷移金属)の合成に関しては、所望する正極活物質を構成する元素を含む酸化
物、水酸化物および/または炭酸塩等を、所定の組成になるように混合し、焼成すること
で合成することが可能である。しかし、この場合は、各材料の粒径を同じに揃えること、
反応を均一にするために十分に混合することが必要になり、合成には高度な粉体技術を要
する。
The synthesis of the positive electrode active material is described below. Li 1 ± α [Me] O 2 (0 ≦ α <0.2,
Me is at least one selected from the group consisting of Ni and Mn, Fe, Co, Ti and Cu.
Regarding the synthesis of transition metals including seeds, oxides, hydroxides and / or carbonates containing elements constituting the desired positive electrode active material are mixed and fired to have a predetermined composition. Can be synthesized. However, in this case, make the particle size of each material the same,
Thorough mixing is required to make the reaction uniform, and synthesis requires sophisticated powder technology.
本発明においては、ニッケル、コバルトおよびマンガン等の遷移金属を、水溶液中で水
酸化物または炭酸塩として共沈させることで合成した正極活物質も用いることができる。
この場合、分散されにくいニッケルおよびマンガンが、あらかじめ均一に粒子内に分散さ
れるため、合成に関しては比較的容易である。後述する合成に関する例では、水酸化物と
して共晶させた材料を用いた。また、リチウム源としては水酸化リチウムを用いた。これ
らの材料を十分に混合した後に焼成するが、ペレット状に成型することでより確実に反応
をさせることもできる。
In the present invention, a positive electrode active material synthesized by coprecipitating transition metals such as nickel, cobalt, and manganese as hydroxides or carbonates in an aqueous solution can also be used.
In this case, since nickel and manganese that are difficult to disperse are uniformly dispersed in the particles in advance, the synthesis is relatively easy. In an example relating to synthesis described later, a eutectic material was used as a hydroxide. Moreover, lithium hydroxide was used as a lithium source. Although these materials are sufficiently mixed and baked, they can be reacted more reliably by molding them into pellets.
ここで、αの値に関して説明する。αの値は粒子成長を制御するために変動させる要素
である。量論組成の1に対してαの値を小さくすると、合成時の粒子成長を抑制すること
ができ、表面積は増加傾向になる。逆にαの値を大きくすると、粒子成長を助長すること
ができる。したがって、通常、電池として求められる要求特性に応じて粒子を設計するが
、リチウムの組成比を変えることによって粒子の設計を制御することができる。αの値の
変動範囲は実質的には±0.2程度であり、これより変動幅が大きくなると本来の活物質
の機能に障害を与えることになる。
Here, the value of α will be described. The value of α is a factor that is varied to control grain growth. When the value of α is decreased with respect to 1 of the stoichiometric composition, particle growth during synthesis can be suppressed, and the surface area tends to increase. Conversely, increasing the value of α can promote particle growth. Therefore, the particles are usually designed according to the required characteristics required for the battery, but the design of the particles can be controlled by changing the composition ratio of lithium. The fluctuation range of the value of α is substantially about ± 0.2, and if the fluctuation width becomes larger than this, the function of the original active material is impaired.
正極活物質の電気化学測定をモデル的に行う場合には、以下のようにして電気化学測定
用のセルを作製して行った。すなわち、正極活物質80重量部、導電剤であるアセチレン
ブラック10重量部、及び結着剤であるPVdF(ポリフッ化ビニリデン)10重量部を
混合し、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)で希釈し、得られた混合物をアルミフォ
イル製の集電体上に塗布した。塗布後の集電体を、真空中、60℃で30分間乾燥させた
後、15×20mm2に切断し、さらに、真空中で150℃、14時間乾燥し、電極を得
た。得られた電極の厚みは120μm〜190μmにした。対極は、ステンレス鋼板上に
リチウム金属シートを圧着して得た。セパレータはポリエチレン製のポーラスフィルム、
電解液としてはEC(エチレンカーボネート)とDMC(ジメチルカーボネート)を3対
7の体積比率で混合した溶媒に、1.0MでLiPF6を溶解したものを用いた。このよ
うにして得た試験用の単セルの充放電を、0.17mA/cm2の電流密度で所定の電圧
領域の間で繰り返した。
When the electrochemical measurement of the positive electrode active material was modeled, a cell for electrochemical measurement was produced as follows. That is, 80 parts by weight of the positive electrode active material, 10 parts by weight of acetylene black as a conductive agent, and 10 parts by weight of PVdF (polyvinylidene fluoride) as a binder are mixed and diluted with NMP (N-methyl-2-pyrrolidone). Then, the obtained mixture was applied onto an aluminum foil current collector. The current collector after application was dried in vacuum at 60 ° C. for 30 minutes, then cut to 15 × 20 mm 2 and further dried in vacuum at 150 ° C. for 14 hours to obtain an electrode. The thickness of the obtained electrode was 120 μm to 190 μm. The counter electrode was obtained by pressure bonding a lithium metal sheet on a stainless steel plate. The separator is a polyethylene porous film,
As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 at 1.0 M in a solvent in which EC (ethylene carbonate) and DMC (dimethyl carbonate) were mixed at a volume ratio of 3 to 7 was used. The charging / discharging of the test single cell thus obtained was repeated between predetermined voltage regions at a current density of 0.17 mA / cm 2 .
(2)本発明に係る電池における電極の体積変化
充放電に伴う正極及び負極の膨張・収縮を抑えることが、電池の長寿命化という課題を
解決にとって大きな要素である。本発明の目的の1つは、充放電に伴う電極の体積膨張を
理論的にほぼゼロに抑えることができる電池系を提供することにある。
まず、負極活物質であるチタン酸化物の体積変化に関して記述する。図1にLi4Ti5
O12の充放電カーブを示した。図1より、この材料はリチウム金属に対して1.55Vの
電位でほぼ完全に平坦な充放電カーブを示すことがわかる。充放電に伴うX線回折パター
ンの変化を図2に示した。X線回折パターンのピークが、結晶系Fd3mで、全領域でa
=8.370±0.005の範囲に収まり、充放電領域において負極が理論的に全く体積
変化をしないことがわかる。
(2) Volume change of electrode in battery according to the present invention Suppressing expansion / contraction of the positive electrode and the negative electrode due to charging / discharging is a major factor for solving the problem of extending the life of the battery. One of the objects of the present invention is to provide a battery system that can theoretically suppress the volume expansion of an electrode accompanying charge / discharge to almost zero.
First, the volume change of the titanium oxide that is the negative electrode active material will be described. Fig. 1 shows Li 4 Ti 5
The charge / discharge curve of O 12 is shown. From FIG. 1, it can be seen that this material exhibits an almost completely flat charge / discharge curve with respect to lithium metal at a potential of 1.55V. The change of the X-ray diffraction pattern accompanying charging / discharging is shown in FIG. The peak of the X-ray diffraction pattern is crystal system Fd3m, and a
= 8.370 ± 0.005, and it can be seen that the negative electrode theoretically has no volume change in the charge / discharge region.
図3及び4に、それぞれ正極活物質であるLi1±xNi1/2Co1/2O2(x≦0.1)
及びLi1±xNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x≦0.1)の充放電カーブを示した。これら
材料は、よく知られたリチウムニッケル酸化物とほぼ同様の電位領域で充放電をし、リチ
ウム金属基準で約3.6Vの平均電圧を示す。したがって、図1、3及び4から、チタン
酸化物とこれらニッケルリチウム酸化物との組み合わせによる電池系は、2Vの充放電電
位を有することが明らかにわかる。
また、図5及び6に、同様にX線回折法から算出される充放電に伴う正極活物質の体積
変化を示した。この図5及び6から、これら2種の正極活物質を用いた場合、前記単セル
は0〜200mAh/gの実使用領域で全く体積変化を起こさないことがわかる。
3 and 4, Li 1 ± x Ni 1/2 Co 1/2 O 2 (x ≦ 0.1), which is a positive electrode active material, respectively.
And a charge / discharge curve of Li 1 ± x Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (x ≦ 0.1) was shown. These materials are charged and discharged in a potential region almost similar to the well-known lithium nickel oxide, and show an average voltage of about 3.6 V on the basis of lithium metal. Therefore, it can be clearly seen from FIGS. 1, 3 and 4 that the battery system using a combination of titanium oxide and these nickel lithium oxides has a charge / discharge potential of 2V.
5 and 6 show the volume change of the positive electrode active material accompanying charge / discharge similarly calculated from the X-ray diffraction method. 5 and 6, it is understood that when these two types of positive electrode active materials are used, the unit cell does not undergo any volume change in the actual use region of 0 to 200 mAh / g.
我々は、このような種々の酸化物系における充放電での正極活物質の体積膨張を調べた
結果、正極活物質にニッケルとコバルト原子とが同比率で含まれている場合において、単
セルの体積変化がほぼゼロになることを突き止めた。また、Li1±xNi1/3Co1/3Mn
1/3O2(x≦0.1)のように、ニッケル及びコバルト以外の元素が加わっても、同様に
体積膨張がゼロである。したがって、本発明における正極活物質において重要なことは、
少なくともニッケル原子とコバルト原子とが同比率で含まれることである。
As a result of examining the volume expansion of the positive electrode active material during charge and discharge in such various oxide systems, we have found that when the positive electrode active material contains nickel and cobalt atoms in the same ratio, I found that the volume change was almost zero. Li 1 ± x Ni 1/3 Co 1/3 Mn
Even if elements other than nickel and cobalt are added, such as 1/3 O 2 (x ≦ 0.1), the volume expansion is similarly zero. Therefore, what is important in the positive electrode active material in the present invention is that
That is, at least nickel atoms and cobalt atoms are included in the same ratio.
(3)粒子サイズ及び形態
図7及び8に正極活物質の粒子のSEM写真を示した。正極活物質はパウダー(粉体)
状であり、おおよそ0.1〜8μmの粒径を有する(一次)結晶粒子と、2〜30μmの
粒径を有する結晶粒子の二次粒子とで構成されていることがわかった。同様に、Li4T
i5O12をSEMによってその粒子の形態を観察した結果、ほぼ0.6μm以下の一次粒
子が集合して平均粒系1μm程度の二次粒子を形成していることがわかった。本発明にお
いては前述した粉体物性の材料を用いた。
(3) Particle Size and Form FIGS. 7 and 8 show SEM photographs of the positive electrode active material particles. The positive electrode active material is powder.
It was found to be composed of (primary) crystal particles having a particle size of approximately 0.1 to 8 μm and secondary particles of crystal particles having a particle size of 2 to 30 μm. Similarly, Li 4 T
As a result of observing the shape of the particles of i 5 O 12 by SEM, it was found that primary particles of approximately 0.6 μm or less aggregated to form secondary particles having an average grain size of approximately 1 μm. In the present invention, the material having the powder physical properties described above was used.
(4)充電制御
本発明に係る電池は、自動車のアイドリングストップ用に使用する場合において、充電
制御の面で優位な特徴を備えている。このような用途の場合、通常、電池は満充電状態で
はなく約60%〜70%程度の充電状態に保っておく。この理由は、自動車の制動によっ
て回生充電を行うため、電池が満充電状態にあると過充電され易く不適であるからである
。一方、放電の場合は、定圧電源として機能することが望ましい。したがって、電池の充
放電圧は、充放電カーブにおいて、容量の60%程度までは2Vの平坦な電位を示し、そ
れより充電側の領域においては容量に応じて直線的に電圧が変化することが望ましい。充
電の制御は、電池の電圧によって行うのが一般的でかつ容易であるため、前記領域で直線
的に電圧が変化することで正確に電池の充電状態を把握できることになる。
(4) Charging control The battery according to the present invention has an advantageous feature in terms of charging control when used for idling stop of an automobile. In the case of such an application, the battery is normally kept in a charged state of about 60% to 70% instead of a fully charged state. The reason for this is that regenerative charging is performed by braking the automobile, so that if the battery is in a fully charged state, it is likely to be overcharged and unsuitable. On the other hand, in the case of discharge, it is desirable to function as a constant pressure power source. Therefore, the charge / discharge voltage of the battery shows a flat potential of 2V up to about 60% of the capacity in the charge / discharge curve, and the voltage changes linearly according to the capacity in the charge side region. desirable. Since it is common and easy to control the charging by the voltage of the battery, the charging state of the battery can be accurately grasped by changing the voltage linearly in the region.
図9にLi1±xNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x≦0.1)を用いた正極とLi4Ti5O
12を用いた負極の充放電カーブb及びaを示した。また、図10に電池の充放電カーブを
示した。負極の充放電カーブaの形状は、全領域で完全に平坦であるため、正極の充放電
カーブbの形状がそのまま電池の電圧に相当する。図9の充放電カーブbからわかるよう
に、上記正極を用いた場合の充放電カーブは全領域の約60%までは平坦な形状を示し、
それより充電が深くなるとほぼ直線的に電位が上昇していることがわかる。Li1±xNi
1/2Co1/2O2を用いた場合にも、Li1±xNi1/3Co1/3Mn1/3O2を用いた場合ほど
顕著でないにしろ、同様の傾向が認められる。
FIG. 9 shows a positive electrode using Li 1 ± x Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (x ≦ 0.1) and Li 4 Ti 5 O.
The charging / discharging curves b and a of the negative electrode using 12 were shown. FIG. 10 shows the charge / discharge curve of the battery. Since the shape of the charge / discharge curve a of the negative electrode is completely flat in the entire region, the shape of the charge / discharge curve b of the positive electrode corresponds to the battery voltage as it is. As can be seen from the charge / discharge curve b in FIG. 9, the charge / discharge curve in the case of using the positive electrode shows a flat shape up to about 60% of the entire region,
It can be seen that the potential rises almost linearly when the charge is deeper than that. Li 1 ± x Ni
The same tendency is observed when 1/2 Co 1/2 O 2 is used, although not as remarkable as when Li 1 ± x Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 is used. .
以上のことより、本発明に係る電池は、自動車のアイドリングストップ用等前述のよう
に充電制御して使用する用途において最適の電池系であることがわかる。このような用途
における正極活物質及び負極活物質の組み合わせは、本発明者らによる鋭意研究の成果見
出されたものであり、同様の観点からの研究について記述された先行特許や先行技術文献
は見当たらない。
From the above, it can be seen that the battery according to the present invention is an optimal battery system for applications in which charging is controlled as described above, such as for idling stop of automobiles. The combination of the positive electrode active material and the negative electrode active material in such an application has been found as a result of earnest research by the present inventors. Prior patents and prior art documents describing research from the same viewpoint are I can't find it.
(5)正極及び負極の容量設計
電池の容量負荷設計を行う場合、正極または負極いずれかの容量を規制する。このよう
な正極または負極の容量規制は、使用される機器の用途や活物質材料の特徴等から、意図
的に設計されるものである。本発明の2V級の電池系としては、負極の容量を規制するこ
とがより好ましい。具体的には、正極活物質に対する負極活物質の割合を0.5以上1.
2未満とする。1.2とするのは、負極のグラムあたりの理論充放電容量が正極の理論充
放電容量を超えていることから、この容量差の部分を補正するためであり、実質的には負
極規制の電池系であると言える。
(5) Capacity design of positive electrode and negative electrode When designing a capacity load of a battery, the capacity of either the positive electrode or the negative electrode is regulated. Such capacity regulation of the positive electrode or the negative electrode is intentionally designed from the application of the equipment used, the characteristics of the active material, and the like. In the 2V class battery system of the present invention, it is more preferable to regulate the capacity of the negative electrode. Specifically, the ratio of the negative electrode active material to the positive electrode active material is 0.5 or more and 1.
Less than 2. The reason for 1.2 is that the theoretical charge / discharge capacity per gram of the negative electrode exceeds the theoretical charge / discharge capacity of the positive electrode, so that this capacity difference is corrected. It can be said that it is a battery system.
負極規制の電池系がより好ましい理由は以下の点にある。正極の電位はリチウムに対し
て4V以上である。使用する電解液によっては耐酸化性に乏しい正極もあるため、正極の
電位をより高くすることで充電終了を行うことは電解液の安定性から不利である。また、
正極活物質からリチウム原子が完全に抜ききると、徐々に酸素を放出し、材料の劣化及び
電解液の酸化が引き起こされ、サイクル寿命や電池特性の劣化に繋がることが予想される
。
The reason why the battery system regulated by the negative electrode is more preferable is as follows. The potential of the positive electrode is 4 V or more with respect to lithium. Since some positive electrodes have poor oxidation resistance depending on the electrolytic solution used, it is disadvantageous from the stability of the electrolytic solution to terminate charging by increasing the potential of the positive electrode. Also,
When lithium atoms are completely extracted from the positive electrode active material, it is expected that oxygen is gradually released, causing deterioration of the material and oxidation of the electrolyte, leading to deterioration of cycle life and battery characteristics.
(6)正極及び負極の集電体
現在市販されているリチウムイオン二次電池では、通常正極の集電体としてアルミニウ
ムが用いられ、負極の集電体として銅が用いられている。各極の電位を考慮し、耐食性に
優れた金属材料が使用されているのである。負極活物質としてリチウム含有チタン酸化物
を用いる技術に関する上記特許文献6及び7には、正極及び負極の集電体としてそれぞれ
アルミニウム及び銅を使用することが明記されている。
(6) Current Collector for Positive Electrode and Negative Electrode In currently available lithium ion secondary batteries, aluminum is usually used as the current collector for the positive electrode, and copper is used as the current collector for the negative electrode. Considering the potential of each electrode, a metal material having excellent corrosion resistance is used. Patent Documents 6 and 7 relating to a technique using a lithium-containing titanium oxide as a negative electrode active material specify that aluminum and copper are used as current collectors for a positive electrode and a negative electrode, respectively.
本発明では、正極及び負極ともに、集電体の材料としてアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金を用いることが好ましい。この理由を以下に説明する。まず、銅に対してアルミニ
ウムを使用することで、電池の軽量化を図ることができる同時にコストダウンも図ること
ができる。現在市販されている黒鉛を負極に用いた電池系では、電位がリチウム金属に対
して0.2V以下と低く、アルミニウムを集電体に使用することは不可能であった。これ
は、負極の黒鉛が充放電する電位よりも高い電位でアルミニウムがリチウムイオンと反応
を開始するためである。
In the present invention, it is preferable to use aluminum or an aluminum alloy as a current collector material for both the positive electrode and the negative electrode. The reason for this will be described below. First, by using aluminum with respect to copper, the battery can be reduced in weight, and at the same time, the cost can be reduced. In a battery system using graphite currently marketed as a negative electrode, the potential is as low as 0.2 V or less with respect to lithium metal, and it was impossible to use aluminum as a current collector. This is because aluminum starts to react with lithium ions at a potential higher than the potential at which the graphite of the negative electrode is charged and discharged.
しかし、本発明の電池系では、負極の充放電電位が1.5Vと高いため、その電位以下
にならないと反応しないアルミニウムを使用することができることになる。また、銅を使
用する場合、深い放電等で負極の電位が上昇すると電解液中に銅イオンが溶出する。この
銅イオンが再充電によってリチウムの挿入反応よりも先に負極上に析出し、リチウムの挿
入反応を阻害する。この結果、リチウムは金属として負極表面上に針状結晶の形態で析出
する。これによって電池の安全性の低下や、サイクル寿命の低下が引き起こされる。一方
、アルミニウムを使用する場合は、金属イオンの溶出および再析出は起こらない。
However, in the battery system of the present invention, since the charge / discharge potential of the negative electrode is as high as 1.5 V, it is possible to use aluminum that does not react unless the potential falls below that potential. Further, when copper is used, copper ions are eluted in the electrolyte when the potential of the negative electrode increases due to deep discharge or the like. This copper ion precipitates on the negative electrode prior to the lithium insertion reaction by recharging, and inhibits the lithium insertion reaction. As a result, lithium is deposited as a metal in the form of needle crystals on the negative electrode surface. This causes a decrease in battery safety and a decrease in cycle life. On the other hand, when aluminum is used, elution and reprecipitation of metal ions do not occur.
また、負極律速の電池を充電器に接続している際に当該充電器が故障した場合等は、前
記電池が過充電され、負極に過剰のリチウムが供給されることになる。このとき、負極の
集電体が銅であると、過剰のリチウム金属が針状結晶として負極上に析出することになる
。このような針状結晶のリチウム金属は電池の過充電安全性を低下させることになる。し
かし、アルミニウムはリチウムを十分に吸蔵する能力を有している。したがって、負極の
集電体にアルミニウムを使用した場合、過充電時にリチウム金属が負極上に析出すること
はなく、集電体にリチウムを吸蔵させることが可能である。このことは、集電体に一種の
安全機構の役割を担わせることで、結果として、電池の過充電安全性を低下させることは
ない。
Moreover, when the battery charger is broken while the negative electrode rate-determining battery is connected to the charger, the battery is overcharged, and excess lithium is supplied to the negative electrode. At this time, if the current collector of the negative electrode is copper, excess lithium metal will be deposited on the negative electrode as needle crystals. Such needle-like crystal lithium metal reduces the overcharge safety of the battery. However, aluminum has an ability to occlude lithium sufficiently. Therefore, when aluminum is used for the current collector of the negative electrode, lithium metal does not deposit on the negative electrode during overcharge, and the current collector can occlude lithium. This causes the current collector to play a role of a kind of safety mechanism, and as a result, does not reduce the overcharge safety of the battery.
(7)セパレータ
一般的なLiCoO2/炭素材料の組合せを用いた電池では、ほとんどポリエチレンま
たはプロピレンからなるポーラスフィルムがセパレータとして使用されている。このセパ
レータは、ポリマー材料を溶融押出しで成形し、2軸方向に延伸して薄型ポーラスフィル
ムとすることによって作製されるため、かなり高価である。このフィルムを必要とする主
な理由は以下のように考えられる。前記電池では負極に黒鉛を使用するため、電池の電位
が、ほぼリチウム金属が析出する電位に近いところまで下がる。このため、種々の不都合
が起こる。急激な充電や低温での充電によって黒鉛表面の一部にリチウムが微小に析出す
る場合がある。過度のフローティング充電等でコバルトや不純物金属が溶出し、これらが
負極上に析出する場合もあり、内部短絡の要因となる。このような現象を極力抑える目的
で、強度を有し孔径の小さなオレフィン系の微多孔膜が使用されている。
(7) Separator In a battery using a general LiCoO 2 / carbon material combination, a porous film composed mostly of polyethylene or propylene is used as a separator. This separator is considerably expensive because it is formed by melt-extrusion of a polymer material and stretching it in a biaxial direction to form a thin porous film. The main reason for requiring this film is considered as follows. In the battery, since graphite is used for the negative electrode, the potential of the battery is lowered to a position near the potential at which lithium metal is deposited. For this reason, various inconveniences occur. In some cases, lithium is slightly deposited on a part of the graphite surface by rapid charging or charging at a low temperature. Cobalt and impurity metals may elute due to excessive floating charge, etc., and may be deposited on the negative electrode, causing internal short circuit. For the purpose of suppressing such a phenomenon as much as possible, an olefin-based microporous membrane having strength and a small pore diameter is used.
また、充電器の故障等を想定した過充電時の安全性を確保するため、過充電時の電池温
度の上昇を抑えるシャットダウン機能をセパレータに持たせている。このシャットダウン
機能とは、一定温度(約135℃)になるとセパレータの微細孔が収縮しつぶれることで
、電極間に流れる電流を止める機能のことをいう。
以上の点から、従来のLiCoO2/炭素材料の組合せを用いた電池では、セパレータ
として高価なポーラスフィルムが使用されてきた。ただし、前記セパレータの孔径が小さ
いため、前記セパレータはイオンの移動に対して抵抗となり、ハイレート特性が犠牲にな
っているという問題もあった。
Moreover, in order to ensure the safety at the time of the overcharge which assumed the failure of the charger etc., the separator is provided with the shutdown function which suppresses the raise of the battery temperature at the time of an overcharge. The shutdown function refers to a function of stopping the current flowing between the electrodes by contracting and crushing the fine pores of the separator at a certain temperature (about 135 ° C.).
In view of the above, an expensive porous film has been used as a separator in a battery using a conventional LiCoO 2 / carbon material combination. However, since the separator has a small hole diameter, the separator becomes resistant to the movement of ions, and the high rate characteristic is sacrificed.
一方、本発明の電池系では、負極の電位が1.55Vと、リチウムが析出する電位とは
大きな差があるので、上述したような問題はほとんど起こらない。負極の集電体としてア
ルミニウムを用いると、リチウムが吸蔵されるため、過充電の場合等金属析出の問題は起
こらないのである。つまり、ポーラスフィルムが持っているような高精度のシャットダウ
ン機能は必要とされない。これらの理由から、本発明に係る電池においては、好ましくは
負極の集電体にアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることで、不織布のような細
孔径の大きなものを使用することが可能である。不織布は、比較的大きい孔径を有してお
り、さらに液保持量が多いため、得られる電池のレート特性、特にパルス特性を飛躍的に
改善することが可能になる。また、ポーラスフィルムのような高度で複雑な製造工程を必
要としないため、セパレータの選択の幅が広がると同時に安価である。0.1μm以上の
平均細孔径を有する不織布を用いるのが好ましい。
On the other hand, in the battery system of the present invention, since the potential of the negative electrode is 1.55 V and the potential at which lithium is deposited, there is almost no problem as described above. When aluminum is used as the current collector of the negative electrode, lithium is occluded, so that the problem of metal deposition does not occur in the case of overcharging. That is, a highly accurate shutdown function that a porous film has is not required. For these reasons, in the battery according to the present invention, it is possible to use a material having a large pore diameter such as a nonwoven fabric by preferably using aluminum or an aluminum alloy for the current collector of the negative electrode. Since the nonwoven fabric has a relatively large pore diameter and a large amount of liquid retention, it becomes possible to dramatically improve the rate characteristics, particularly the pulse characteristics, of the obtained battery. In addition, since a sophisticated and complicated manufacturing process such as a porous film is not required, the choice of separators is widened and inexpensive. It is preferable to use a nonwoven fabric having an average pore size of 0.1 μm or more.
本発明に係る電池への適用を考慮すると、セパレータを構成する材料としては、ポリエ
チレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、及びこれらの混合物が好ましい
。ポリエチレン及びポリプロピレンは電解液に安定である。また、高温での強度が要求さ
れる場合はポリブチレンテレフタレート等を用いるのが好ましい。不織布を構成するこれ
ら材料の繊維の径は1〜3μm程度であるのが好ましく、加温したカレンダーロール処理
により繊維同士が部分的に融着させたもの等は、薄型化及び強度向上に効果的である。
In consideration of application to the battery according to the present invention, the material constituting the separator is preferably polyethylene, polypropylene, polybutylene terephthalate, or a mixture thereof. Polyethylene and polypropylene are stable to the electrolyte. When strength at high temperature is required, polybutylene terephthalate or the like is preferably used. The diameter of the fibers of these materials constituting the nonwoven fabric is preferably about 1 to 3 μm, and those in which the fibers are partially fused by a heated calender roll treatment are effective in reducing the thickness and improving the strength. It is.
(8)非水電解液に関して
本発明に係る2V級の非水電解質二次電池における好ましい電解液について説明する。
電解液に使用される有機溶媒は電位窓を持っている。電位窓は耐酸化性及び還元性の尺度
であり、電位窓が広いほど安定な有機溶媒であることがいえる。一般的なLiCoO2/
炭素材料の組合せを用いた非水二次電池においては、コバルトの充放電電位である4.5
V近傍までに対する耐酸化性と、黒鉛の充放電電位である0V近傍までに対する耐還元性
とが必要となる。なお、電位はリチウム金属基準である(以下、同様。)。
(8) Nonaqueous Electrolyte A preferable electrolyte in the 2V class nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention will be described.
The organic solvent used for the electrolyte has a potential window. The potential window is a measure of oxidation resistance and reducibility, and the wider the potential window, the more stable the organic solvent. General LiCoO 2 /
In a non-aqueous secondary battery using a combination of carbon materials, the charge / discharge potential of cobalt is 4.5.
Oxidation resistance to near V and reduction resistance to near 0 V, which is the charge / discharge potential of graphite, are required. Note that the potential is based on lithium metal (the same applies hereinafter).
したがって、これらの電位窓を満足できない有機溶媒は選択から除外されてきた。特に
負極に黒鉛を使用する際の耐還元性に関する問題から、ラクトン系の有機溶媒を使用する
ことは困難であった。また、プロピレンカーボネートも黒鉛の充放電時に同時に分解され
る等の理由で使用が困難であった。これらの溶媒は、安価である上に誘電率が大きいため
、電解質(溶質、塩)を十分に溶解させる能力を有し、さらに耐酸化性にも優れた有用な
溶媒である。同様の理由で、トリメチルフォスフェイト及びトリエチルフォスフェイトを
使用することも困難である。これらの溶媒は消火作用をもち安全性に優れた溶媒である。
Therefore, organic solvents that cannot satisfy these potential windows have been excluded from the selection. In particular, it has been difficult to use a lactone organic solvent due to a problem relating to reduction resistance when graphite is used for the negative electrode. Propylene carbonate has also been difficult to use because it is simultaneously decomposed during charging and discharging of graphite. Since these solvents are inexpensive and have a large dielectric constant, they have the ability to sufficiently dissolve electrolytes (solutes and salts), and are useful solvents excellent in oxidation resistance. For similar reasons, it is also difficult to use trimethyl phosphate and triethyl phosphate. These solvents have a fire extinguishing action and are excellent in safety.
本発明に係る電池においては、上述のような材料を用いることによりこれらの有用な特
徴を持った溶媒をすべて使用することが可能である。本発明においては負極に黒鉛ではな
くLi4Ti5O12(Li[Li1/3Ti5/3]O4)を用いる。このことから、負極側の電
位は1.55Vに上がるため、溶媒に求められる耐還元性は飛躍的に緩和される。また、
黒鉛特有の充放電により、負極表面上で分解されてしまうようなプロピレンカーボネート
等の溶媒も、本発明においては極めて有効な溶媒として使用可能となる。
In the battery according to the present invention, it is possible to use all the solvents having these useful characteristics by using the materials as described above. In the present invention, Li 4 Ti 5 O 12 (Li [Li 1/3 Ti 5/3 ] O 4 ) is used for the negative electrode instead of graphite. From this, the potential on the negative electrode side rises to 1.55 V, and the reduction resistance required for the solvent is drastically reduced. Also,
A solvent such as propylene carbonate that is decomposed on the negative electrode surface by charge / discharge characteristic of graphite can also be used as an extremely effective solvent in the present invention.
一方、正極の電位は4.7V以上まで上がるが、これらの溶媒の耐酸化性は5V以上あ
ることからその使用に問題はない。また、耐酸化性に優れたスルフォラン、メチルジグラ
イム及びフッ素化エチレンカーボネート等も、本発明に係る電池には適した溶媒であると
考えられる。また、従来から使用されているDEC(ジメチルカーボネート)、MEC(
メチルエチルカーボネート)及びDMC(ジメチルカーボネート)等の溶媒も、粘性の高
い溶媒の希釈剤として使用することができる。
On the other hand, the potential of the positive electrode rises to 4.7 V or higher, but since the oxidation resistance of these solvents is 5 V or higher, there is no problem in its use. In addition, sulfolane, methyl diglyme, fluorinated ethylene carbonate and the like excellent in oxidation resistance are also considered to be suitable solvents for the battery according to the present invention. In addition, DEC (dimethyl carbonate), MEC (
Solvents such as methyl ethyl carbonate and DMC (dimethyl carbonate) can also be used as diluents for highly viscous solvents.
特に、本発明ではエチレンカーボネート(EC)を必ずしも必要としないが、ECは誘
電率の大きい溶媒で液の安定性を考慮すると有用である。そこで、ECの水素をフッ素化
することで耐酸化性を向上させることができる。電池の高温保存時に、正極上でのEC分
解からと思われるCO2ガスの抑制にフッ素化が有用であると考えられるが、負極に炭素
材を使用する場合にはこのフッ素化ECは還元分解され使用が困難であった。しかし、本
発明ではこれらの有用な溶媒を使用することができる。つまり、黒鉛を使用しないことで
、飛躍的に電解液の選択範囲を広げることができるのである。
なお、溶質は特に制約されるものはなく、従来から使用されているLiPF6及びLi
BF4をはじめ、有機アニオンのリチウム塩等も用いることができる。
In particular, ethylene carbonate (EC) is not necessarily required in the present invention, but EC is useful in view of liquid stability in a solvent having a large dielectric constant. Thus, oxidation resistance can be improved by fluorinating EC hydrogen. Fluorination is thought to be useful for the suppression of CO 2 gas, which seems to be due to EC decomposition on the positive electrode during high-temperature storage of the battery, but this fluorinated EC is reductively decomposed when a carbon material is used for the negative electrode. It was difficult to use. However, these useful solvents can be used in the present invention. That is, by not using graphite, the selection range of the electrolytic solution can be dramatically expanded.
Note that the solute is not particularly limited, and LiPF 6 and Li which have been conventionally used
In addition to BF 4 , lithium salts of organic anions can also be used.
従来の電池においては、同様に炭素材料を負極に使用しているがために、単独で使用が
可能であれば非常に有益なイオン性液体を選定することが制限されたり、イオン性液体を
使用することが困難となっていた。本発明者らでは、これらイオン性液体の使用可能性に
ついても具体的に検討した。イオン性液体は単独で使用するのが安全性等の観点からは好
ましいが、粘性が高いものや、そのままでは固体のものもあり、従来の生産設備を用いて
電池を製造することを考慮した場合等は、前述した溶媒と混合して使用してもよい。混合
して使用する場合もその優位性はある程度確保することができる。
In conventional batteries, the carbon material is used for the negative electrode as well, so if it can be used alone, it is limited to select a very useful ionic liquid, or an ionic liquid is used. It was difficult to do. The present inventors specifically examined the possibility of using these ionic liquids. Use of ionic liquid alone is preferable from the viewpoint of safety, etc., but there are some that are highly viscous and some are solid as they are, and when considering manufacturing batteries using conventional production equipment Etc. may be used by mixing with the above-mentioned solvent. Even when mixed and used, the superiority can be secured to some extent.
イオン性液体としては、以下のものが挙げられる。カチオン種としては、1,2、及び
3置換されたイミダゾリウム、ピリジニウム、フォスフォニウム、アンモニウム、ピロリ
ジニウム、グアニジニウム及びイソウロニウム等が挙げられる。また、アニオン種として
は、ハロゲン、サルフェイト、アミド、イミド、メタン種、ボレイト、フォスフェイト、
アンチモネイト、デカネイト及びコバルトテトラカルボニル等が挙げられる。カチオン種
の構造を図11及び12に示し、アニオン種の構造を図13に示した。
Examples of the ionic liquid include the following. Cationic species include 1,2- and tri-substituted imidazolium, pyridinium, phosphonium, ammonium, pyrrolidinium, guanidinium, and isouronium. In addition, as anion species, halogen, sulfate, amide, imide, methane species, borate, phosphate,
Examples include antimonate, decanate, and cobalt tetracarbonyl. The structure of the cation species is shown in FIGS. 11 and 12, and the structure of the anion species is shown in FIG.
本発明では、特にトリメチルプロピルアンモニウムカチオンとトリフルオロメチルスル
フォニルイミドアニオンとの組み合わせによるイオン性液体と、1−エチル−3−メチル
イミダゾリウムカチオンとトリフルオロメチルイミドアニオンの組み合わせによるイオン
性液体とについて詳細に検討した。特に後者のイミダゾリウム系は、1V付近で還元分解
を起こし、炭素材料を使用する場合には使用が極めて困難なものである。さらに、これら
のイオン性液体と、エチレンカーボネート等を使用した従来の非水電解質とを混合して用
いた場合に関しても、得られる電池が同様に作動し、優位性を有することを確認した。
In the present invention, in particular, an ionic liquid based on a combination of trimethylpropylammonium cation and trifluoromethylsulfonylimide anion and an ionic liquid based on a combination of 1-ethyl-3-methylimidazolium cation and trifluoromethylimide anion are described in detail. It was examined. In particular, the latter imidazolium system undergoes reductive decomposition near 1 V, and is extremely difficult to use when a carbon material is used. Furthermore, even when these ionic liquids and a conventional non-aqueous electrolyte using ethylene carbonate or the like were mixed and used, it was confirmed that the obtained battery operated similarly and had an advantage.
(9)その他の構成部材
本発明に係る非水電解質二次電池を作製する場合に使用可能な他の構成材料に関して説
明する。
本発明における正極を作製するために用いる正極合剤中の導電剤は、構成された電池に
おいて化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば特に制限はない。例えば、天然黒鉛
(鱗片状黒鉛等)および人造黒鉛等のグラファイト類、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
ク等のカーボンブラック類、炭素繊維および金属繊維等の導電性繊維類、フッ化カーボン
、銅、ニッケル、アルミニウムおよび銀等の金属粉末類、酸化亜鉛、チタン酸カリウム等
の導電性ウィスカー類、酸化チタン等の導電性金属酸化物、ならびにポリフェニレン誘導
体等の有機導電性材料等を挙げることができる。これらは、それぞれ単独で、または本発
明の効果を損なわない範囲で任意に混合して用いることができる。
これらのなかでも、人造黒鉛、アセチレンブラック、ニッケル粉末が特に好ましい。導
電剤の添加量は、特に限定されないが、正極合剤の1〜50重量%が好ましく、特に1〜
30重量%が好ましい。カーボンやグラファイトでは、2〜15重量%が特に好ましい。
(9) Other constituent members Other constituent materials that can be used when producing the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention will be described.
The conductive agent in the positive electrode mixture used for producing the positive electrode in the present invention is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change in the constituted battery. For example, graphite such as natural graphite (flaky graphite, etc.) and artificial graphite, carbon blacks such as acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black, and conductive such as carbon fiber and metal fiber Organic fibers such as conductive fibers, metal powders such as carbon fluoride, copper, nickel, aluminum and silver, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, and polyphenylene derivatives Examples thereof include conductive materials. These may be used alone or in any mixture as long as the effects of the present invention are not impaired.
Among these, artificial graphite, acetylene black, and nickel powder are particularly preferable. The addition amount of the conductive agent is not particularly limited, but is preferably 1 to 50% by weight of the positive electrode mixture, and particularly 1 to
30% by weight is preferred. In the case of carbon or graphite, 2 to 15% by weight is particularly preferable.
本発明における正極合剤中の好ましい結着剤は、分解温度が300℃以上のポリマーで
ある。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE
)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチ
レン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)
、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、
フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリ
フルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂
)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオ
ロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロ
ロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプ
ロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体およびフッ化ビニリデン−パーフルオロメチ
ルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体等を挙げることができる。
これらは、それぞれ単独で、または本発明の効果を損なわない範囲で任意に混合して用
いることができる。特に、このなかで最も好ましいのはポリフッ化ビニリデン(PVDF
)およびポリテトラフルオロエチレン(PTFE)である。
A preferable binder in the positive electrode mixture in the present invention is a polymer having a decomposition temperature of 300 ° C. or higher. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE
), Polyvinylidene fluoride (PVDF), tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP)
, Tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA),
Vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE resin), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-penta Fluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, and vinylidene fluoride-perfluoromethyl A vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer etc. can be mentioned.
These may be used alone or in any mixture as long as the effects of the present invention are not impaired. In particular, the most preferred among these is polyvinylidene fluoride (PVDF).
) And polytetrafluoroethylene (PTFE).
正極の集電体としては、構成された電池において化学変化を起こさない電子伝導体であ
れば特に制限はない。集電体を構成する材料としては、例えばステンレス鋼、ニッケル、
アルミニウム、チタン、種々の合金および炭素等の他、アルミニウムやステンレス鋼の表
面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させた複合体等も用いることができる
。特に、上述のように、アルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましい。これらの材料
の表面を酸化しておくこともできる。また、表面処理により集電体表面に凹凸を付けても
よい。形状としては、電池の分野において採用されているものであってよく、例えば箔、
フィルム、シート、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群およ
び不織布等が挙げられる。厚さは、特に限定されないが、1〜500μmのものが好まし
く用いられる。
The current collector of the positive electrode is not particularly limited as long as it is an electronic conductor that does not cause a chemical change in the constructed battery. Examples of the material constituting the current collector include stainless steel, nickel,
In addition to aluminum, titanium, various alloys, carbon, and the like, composites in which carbon, nickel, titanium, or silver is treated on the surface of aluminum or stainless steel can also be used. In particular, as described above, aluminum or an aluminum alloy is preferable. The surface of these materials can also be oxidized. Moreover, you may give an unevenness | corrugation to the collector surface by surface treatment. The shape may be one used in the field of batteries, such as foil,
Examples include films, sheets, nets, punched materials, lath bodies, porous bodies, foams, fiber groups, and nonwoven fabrics. The thickness is not particularly limited, but a thickness of 1 to 500 μm is preferably used.
負極合剤中の導電剤は、正極合剤中の導電剤と同様に、構成された電池において、化学
変化を起こさない電子伝導性材料であれば特に制限はない。負極の結着剤としては、正極
に使用できるもので記載した材料の加え、スチレンブタジエンゴム等のゴム系の結着剤も
使用することができる。
負極の集電体としては、アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることが前述の理
由から特に好ましい。その他、構成された電池において化学変化を起こさない電子伝導体
であれば特に制限はない。例えばステンレス鋼、ニッケル、銅、チタンおよび炭素等の他
、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンまたは銀で処理したもの、Al
−Cd合金等が用いられる。これらの材料の表面を酸化、あるいは表面処理により集電体
表面に凹凸を付けてもよい。形状は、上記正極の場合と同様に、例えば箔、フィルム、シ
ート、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体および繊維群の成形体等が
用いられる。厚みは、特に限定されないが、1〜500μmのものが好ましく用いられる
。
The conductive agent in the negative electrode mixture is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change in the constituted battery, similarly to the conductive agent in the positive electrode mixture. As the binder for the negative electrode, in addition to the materials described as being usable for the positive electrode, rubber-based binders such as styrene butadiene rubber can also be used.
As the current collector for the negative electrode, it is particularly preferable to use aluminum or an aluminum alloy for the reasons described above. In addition, there is no particular limitation as long as it is an electronic conductor that does not cause a chemical change in the constructed battery. For example, in addition to stainless steel, nickel, copper, titanium and carbon, the surface of copper or stainless steel treated with carbon, nickel, titanium or silver, Al
-Cd alloy or the like is used. The surface of the current collector may be uneven by oxidizing or surface treating the surface of these materials. As in the case of the positive electrode, for example, a foil, a film, a sheet, a net, a punched one, a lath body, a porous body, a foamed body, a molded body of a fiber group, and the like are used. The thickness is not particularly limited, but a thickness of 1 to 500 μm is preferably used.
本発明における正極および負極は、正極活物質または負極材料を含む合剤層の他に、集
電体と合剤層の密着性、導電性、サイクル特性および充放電効率の改良等の目的で導入す
る下塗り層や合剤層の機械的保護や化学的保護の目的で導入する保護層等を有してもよい
。この下塗り層や保護層は、結着剤、導電剤粒子及び導電性を持たない粒子等を含むこと
ができる。
The positive electrode and the negative electrode in the present invention are introduced for the purpose of improving the adhesion, conductivity, cycle characteristics, and charge / discharge efficiency of the current collector and the mixture layer, in addition to the mixture layer containing the cathode active material or the anode material. It may have a protective layer or the like introduced for the purpose of mechanical protection or chemical protection of the undercoat layer or the mixture layer. The undercoat layer and the protective layer can contain a binder, conductive agent particles, non-conductive particles, and the like.
非水電解質については前述のように選択範囲が広がることを述べたが、以下のような従
来よく知られた電解液を使用または混合することも当然に可能である。溶媒とその溶媒に
溶解したリチウム塩とから非水電解質は構成される。好ましい溶媒は、エステル単独、ま
たは混合したエステルである。なかでも、環状カーボネート、環状カルボン酸エステル、
非環状カーボネート、脂肪族カルボン酸エステル等が好ましい。さらには、環状カーボネ
ートと非環状カーボネートとを含む混合溶媒、環状カルボン酸エステルを含む混合溶媒、
環状カルボン酸エステルと環状カーボネートとを含む混合溶媒が好ましい。エステルには
、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレン
カーボネート(BC)およびビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート、ジメ
チルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネ
ート(EMC)およびジプロピルカーボネート(DPC)等の非環状カーボネート、ギ酸
メチル(MF)、酢酸メチル(MA)、プロピオン酸メチル(MP)およびプロピオン酸
エチル(MA)等の脂肪族カルボン酸エステル、γ−ブチロラクトン(GBL)等の環状
カルボン酸エステル等が挙げられる。また、必要に応じて、脂肪族カルボン酸エステルを
含むものも好ましい。脂肪族カルボン酸エステルは溶媒重量全体の30%以下、より好ま
しくは20%以下の範囲で含むことが好ましい。
The non-aqueous electrolyte has been described as having a wide selection range as described above, but it is naturally possible to use or mix the following well-known electrolytes. The non-aqueous electrolyte is composed of a solvent and a lithium salt dissolved in the solvent. Preferred solvents are esters alone or mixed esters. Among them, cyclic carbonates, cyclic carboxylic acid esters,
Acyclic carbonates and aliphatic carboxylic acid esters are preferred. Furthermore, a mixed solvent containing a cyclic carbonate and an acyclic carbonate, a mixed solvent containing a cyclic carboxylic acid ester,
A mixed solvent containing a cyclic carboxylic acid ester and a cyclic carbonate is preferred. Examples of the ester include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC) and vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate ( EMC) and acyclic carbonates such as dipropyl carbonate (DPC), aliphatic carboxylic acid esters such as methyl formate (MF), methyl acetate (MA), methyl propionate (MP) and ethyl propionate (MA), γ- And cyclic carboxylic acid esters such as butyrolactone (GBL). Moreover, what contains aliphatic carboxylic acid ester is also preferable as needed. The aliphatic carboxylic acid ester is preferably contained in a range of 30% or less, more preferably 20% or less of the total solvent weight.
これらの溶媒に溶解するリチウム塩としては、例えばLiClO4、LiBF4、LiP
F6、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCF3SO3、LiCF3CO2、L
i(CF3SO2)2、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、LiB10Cl10、低級脂肪
族カルボン酸リチウム、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、LiN(C
F3SO2)(C2F5SO2)、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN
(CF3SO2)(C4F9SO2)等のイミド類を挙げることができる。これらは、使用す
る電解液等に、それぞれ単独で、または本発明の効果を損なわない範囲で任意に組み合わ
せて使用することができる。なかでも、特にLiPF6を含ませることがより好ましい。
これら電解液を電池内に添加する量は、特に限定されないが、正極活物質や負極材料の量
や電池のサイズによって必要量用いればよい。リチウム塩の非水溶媒に対する溶解量は、
特に限定されないが、0.2〜2mol/リットルが好ましい。
Examples of lithium salts that can be dissolved in these solvents include LiClO 4 , LiBF 4 , and LiP.
F 6 , LiAlCl 4 , LiSbF 6 , LiSCN, LiCF 3 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , L
i (CF 3 SO 2 ) 2 , LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiB 10 Cl 10 , lower aliphatic lithium carboxylate, lithium chloroborane, lithium tetraphenylborate, LiN (C
F 3 SO 2) (C 2 F 5 SO 2), LiN (CF 3 SO 2) 2, LiN (C 2 F 5 SO 2) 2, LiN
Examples include imides such as (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ). These can be used alone or in any combination within the range not impairing the effects of the present invention, for example, in the electrolytic solution to be used. Among them, it is particularly preferable to add LiPF 6.
The amount of the electrolytic solution added to the battery is not particularly limited, but a necessary amount may be used depending on the amount of the positive electrode active material and the negative electrode material and the size of the battery. The amount of lithium salt dissolved in a non-aqueous solvent is
Although not particularly limited, 0.2 to 2 mol / liter is preferable.
また、電解質は液体でなくとも次のような固体電解質も用いることができる。固体電解
質としては、無機固体電解質と有機固体電解質に分けられる。無機固体電解質には、Li
の窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩等がよく知られている。なかでも、80Li2S−2
0P2O5、非晶質の物質としてLi3PO4−63Li2S−36SiS2、44LiI−3
8Li2S−18P2S5等の硫化物、Li2.9PO3.3N0.46の酸化物や結晶質の物質とし
てLi3.25Ge0.25P0.75S4の硫化物、La0.56Li0.33TiO3、Li1.4Al0.3Ti
1.6(PO4)3の酸化物等が有望である。さらに、LiF、LiBO2の混合焼結材を使用
することで各材料の焼結を図ると同時に接合界面に固体電解質層を形成させる方法等も有
望である。本発明の電池系においては正極及び負極の体積膨張が全く無いため、従来から
固体電解質を使用する上で問題となっている膨張・収縮による界面の脱離が飛躍的に改善
されることが期待できる。
Moreover, the following solid electrolyte can also be used even if the electrolyte is not liquid. The solid electrolyte is classified into an inorganic solid electrolyte and an organic solid electrolyte. For inorganic solid electrolytes, Li
Nitrides, halides, oxyacid salts, and the like are well known. Among them, 80Li 2 S-2
0P 2 O 5 , Li 3 PO 4 -63Li 2 S-36SiS 2 , 44LiI-3 as an amorphous substance
Sulfides such as 8Li 2 S-18P 2 S 5 , oxides of Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 and sulfides of Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4 , La 0.56 Li 0.33 TiO 3 , Li 1.4 Al 0.3 Ti
1.6 (PO 4 ) 3 oxides are promising. Furthermore, a method of forming a solid electrolyte layer at the joint interface at the same time as sintering each material by using a mixed sintered material of LiF and LiBO 2 is also promising. In the battery system of the present invention, since there is no volume expansion of the positive electrode and the negative electrode, it is expected that desorption of the interface due to expansion / contraction, which has been a problem when using a solid electrolyte, is drastically improved. it can.
有機固体電解質では、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、
ポリホスファゼン、ポリアジリジン、ポリエチレンスルフィド、ポリビニルアルコール、
ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン等やこれらの誘導体、混合物、複
合体等のポリマー材料が有効である。また、有機固体電解質に上記非水電解液を含有させ
たゲル電解質を用いることもできる。上記有機固体電解質としては、例えば、ポリエチレ
ンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリホスファゼン、ポリアジリジン、ポリエ
チレンスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロ
プロピレン等やこれらの誘導体、混合物、複合体等の高分子マトリックス材料が有効であ
る。特に、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体やポリフッ化ビニリ
デンとポリエチレンオキサイドの混合物が好ましい。
In the organic solid electrolyte, for example, polyethylene oxide, polypropylene oxide,
Polyphosphazene, polyaziridine, polyethylene sulfide, polyvinyl alcohol,
Polymer materials such as polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene and the like, derivatives, mixtures and composites thereof are effective. Moreover, the gel electrolyte which made the organic solid electrolyte contain the said non-aqueous electrolyte can also be used. Examples of the organic solid electrolyte include polymer matrices such as polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyphosphazene, polyaziridine, polyethylene sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, and derivatives, mixtures, and composites thereof. The material is effective. In particular, a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene or a mixture of polyvinylidene fluoride and polyethylene oxide is preferable.
電池の形状としては、コイン型、ボタン型、シート型、円筒型、偏平型、角型等いずれ
にも適用できる。電池の形状がコイン型やボタン型のときは、正極活物質や負極材料の合
剤は主としてペレットの形状に圧縮されて用いられる。そのペレットの厚みや直径は電池
の大きさにより決定すればよい。なお、本発明における電極の巻回体は、必ずしも真円筒
形である必要はなく、その断面が楕円である長円筒形または長方形等の角柱状の形状であ
っても構わない。
As the shape of the battery, any of a coin type, a button type, a sheet type, a cylindrical type, a flat type, a square type, etc. can be applied. When the shape of the battery is a coin type or a button type, the mixture of the positive electrode active material and the negative electrode material is mainly compressed into a pellet shape and used. The thickness and diameter of the pellet may be determined depending on the size of the battery. In addition, the wound body of the electrode in the present invention does not necessarily have a true cylindrical shape, and may have a prismatic shape such as a long cylindrical shape or a rectangular shape whose cross section is an ellipse.
図16に、本発明に係る非水電解質二次電池の一実施の形態である円筒型電池の一部を
断面にした側面図を示す。図16に示す円筒形電池においては、正極および負極がセパレ
ータを介して複数回渦巻状に巻回されて得られた極板群4が、電池ケース1内に収納され
ている。そして、正極からは正極リード5が引き出されて封口板2に接続され、負極から
は負極リード6が引き出されて電池ケース1の底部に接続されている。電池ケースやリー
ド板は、耐有機電解液性の電子伝導性をもつ金属や合金を用いることができる。例えば、
鉄、ニッケル、チタン、クロム、モリブデン、銅、アルミニウム等の金属またはそれらの
合金が用いられる。特に、電池ケースはステンレス鋼板、Al−Mn合金板を加工したも
の、正極リードはアルミニウムが好ましい。負極リードはニッケルあるいはアルミニウム
が好ましい。また、電池ケースには、軽量化を図るため各種エンジニアリングプラスチッ
クスおよびこれと金属の併用したものを用いることも可能である。
FIG. 16 is a side view showing a cross-section of a part of a cylindrical battery which is an embodiment of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention. In the cylindrical battery shown in FIG. 16, an electrode plate group 4 obtained by winding a positive electrode and a negative electrode in a spiral shape through a separator is housed in a battery case 1. A positive electrode lead 5 is drawn from the positive electrode and connected to the sealing plate 2, and a negative electrode lead 6 is drawn from the negative electrode and connected to the bottom of the battery case 1. For the battery case and the lead plate, a metal or alloy having an organic electrolyte resistance and an electron conductivity can be used. For example,
A metal such as iron, nickel, titanium, chromium, molybdenum, copper, aluminum, or an alloy thereof is used. In particular, the battery case is preferably made of a stainless steel plate or an Al—Mn alloy plate, and the positive electrode lead is preferably aluminum. The negative electrode lead is preferably nickel or aluminum. In addition, various engineering plastics and a combination of these and a metal can be used for the battery case in order to reduce the weight.
極板群4の上下部にはそれぞれ絶縁リング7が設けられている。そして、電解液を注入
し、封口板を用いて電池ケースを密封する。このとき、安全弁を封口板に設けることがで
きる。安全弁の他、従来から知られている種々の安全素子を備えつけてもよい。例えば、
過電流防止素子として、ヒューズ、バイメタル、PTC素子等が用いられる。また、安全
弁のほかに電池ケースの内圧上昇の対策として、電池ケースに切込を入れる方法、ガスケ
ット亀裂方法、封口板亀裂方法またはリード板との切断方法を利用することができる。ま
た、充電器に過充電や過放電対策を組み込んだ保護回路を具備させるか、または、独立に
接続させてもよい。キャップ、電池ケース、シート、リード板の溶接法については、公知
の方法(例えば、直流もしくは交流の電気溶接、レーザー溶接または超音波溶接等)を用
いることができる。また、封口用シール剤としては、アスファルト等の従来から知られて
いる化合物や混合物を用いることができる。
Insulating rings 7 are respectively provided on the upper and lower portions of the electrode plate group 4. And electrolyte solution is inject | poured and a battery case is sealed using a sealing board. At this time, a safety valve can be provided on the sealing plate. In addition to the safety valve, various conventionally known safety elements may be provided. For example,
As the overcurrent prevention element, a fuse, a bimetal, a PTC element or the like is used. In addition to the safety valve, as a countermeasure against an increase in the internal pressure of the battery case, a method of cutting the battery case, a method of cracking the gasket, a method of cracking the sealing plate, or a method of cutting the lead plate can be used. Further, the charger may be provided with a protection circuit incorporating measures against overcharge and overdischarge, or may be connected independently. As a method for welding the cap, the battery case, the sheet, and the lead plate, a known method (for example, direct current or alternating current electric welding, laser welding, or ultrasonic welding) can be used. As the sealing agent for sealing, conventionally known compounds and mixtures such as asphalt can be used.
以下に、実施例に代表させて本発明を説明するが、本発明はこれらのみに限定されるも
のではない。
《実施例1》
まず、以下の条件で2種類の正極活物質を作製した。共沈法で得られた[Ni1/2Co1
/2](OH)2または[Ni1/3Mn1/3Co1/3](OH)2をLiOH・H2Oと充分に混
合した後、混合物をペレットに成形し、焼成した。焼成温度を900℃にしてLi1±xN
i1/2Co1/2O2(x≦0.1)を得、焼成温度を1000℃にしてLi1±xNi1/3Co
1/3Mn1/3O2(x≦0.1)を得た。
次に、以下のようにして電気化学測定用の単セルを作製した。上記正極活物質80重量
部、導電剤であるアセチレンブラックを10重量部、及び結着剤であるPVdF(ポリフ
ッ化ビニリデン)10重量部を混合し、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)で希釈し
、得られた混合物をアルミフォイルからなる集電体上に塗布した。塗布後の集電体を、真
空中60℃で30分乾燥した後、15×20mm2に切断した。さらに、切断後の集電体
を真空中で150℃、14時間乾燥し、電極を得た。電極の厚みは120μm〜190μ
mの間とした。
セパレータとしては、ポリエチレン製のポーラスフィルムを用い、電解液としてはEC
(エチレンカーボネート)とDMC(ジメチルカーボネート)を3対7の体積比率で混合
した溶媒に、1.0MでLiPF6を溶解したものを用いた。得られた単セルの充放電は
0.17mA/cm2の電流密度で所定の電圧領域の間で繰り返した。
Hereinafter, the present invention will be described by way of representative examples, but the present invention is not limited thereto.
Example 1
First, two types of positive electrode active materials were produced under the following conditions. [Ni 1/2 Co 1 obtained by coprecipitation method
/ 2 ] (OH) 2 or [Ni 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 ] (OH) 2 was thoroughly mixed with LiOH.H 2 O, and then the mixture was formed into pellets and fired. Li 1 ± x N at a firing temperature of 900 ° C.
i 1/2 Co 1/2 O 2 (x ≦ 0.1) was obtained, the firing temperature was set to 1000 ° C., and Li 1 ± x Ni 1/3 Co
1/3 Mn 1/3 O 2 (x ≦ 0.1) was obtained.
Next, a single cell for electrochemical measurement was produced as follows. 80 parts by weight of the positive electrode active material, 10 parts by weight of acetylene black as a conductive agent, and 10 parts by weight of PVdF (polyvinylidene fluoride) as a binder are mixed and diluted with NMP (N-methyl-2-pyrrolidone). Then, the obtained mixture was applied on a current collector made of aluminum foil. The current collector after application was dried in vacuum at 60 ° C. for 30 minutes, and then cut into 15 × 20 mm 2 . Further, the current collector after cutting was dried in a vacuum at 150 ° C. for 14 hours to obtain an electrode. The thickness of the electrode is 120μm ~ 190μ
between m.
The separator is a polyethylene porous film, and the electrolyte is EC.
A solution obtained by dissolving LiPF 6 at 1.0 M in a solvent in which (ethylene carbonate) and DMC (dimethyl carbonate) were mixed at a volume ratio of 3 to 7 was used. The charging / discharging of the obtained single cell was repeated between predetermined voltage regions at a current density of 0.17 mA / cm 2 .
正極活物質としてLi1±xNi1/2Co1/2O2(x≦0.1)を用い、負極活物質としてスピネル構造を有するLi4Ti5O12を用いた電池の、正極と負極の厚みの合計(電極トータルの厚み)を、高精度伸縮計(ダイレートメーター)による測定結果を図14に示した。充放電に伴って厚み変化は波打つように変化しており、高精度に測定ができていることが確認できる。さらに、図14からわかるように、電極トータルの厚み変化は約0.1μmであり、初期の変化を加味しても0.5μm程度に収まっている。作製直後の電極トータルの厚みが300μm程度あることを考えると、実質的な電極の膨張・収縮はゼロであるといえる。このことから、前述したように体積変化のない正極及び負極を組み合わせることで、電池として体積変化ゼロを実現できることが証明された。正極にLi1±xNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x≦0.1)を用いた場合にもダイレートメーターの厚み変化は約0.1μmと同等の値を示した(図15参照)。 A positive electrode of a battery using Li 1 ± x Ni 1/2 Co 1/2 O 2 (x ≦ 0.1 ) as a positive electrode active material and Li 4 Ti 5 O 12 having a spinel structure as a negative electrode active material FIG. 14 shows the measurement results of the total thickness of the negative electrode (total electrode thickness) using a high-precision extensometer (dilate meter). As the charge / discharge changes, the thickness changes so as to wave, and it can be confirmed that the measurement can be performed with high accuracy. Furthermore, as can be seen from FIG. 14, the total thickness change of the electrode is about 0.1 μm, which is about 0.5 μm even if the initial change is taken into account. Considering that the total electrode thickness immediately after fabrication is about 300 μm, it can be said that the substantial expansion and contraction of the electrode is zero. From this, it was proved that a volume change of zero can be realized as a battery by combining a positive electrode and a negative electrode having no volume change as described above. Even when Li 1 ± x Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (x ≦ 0.1) is used for the positive electrode, the change in thickness of the dilate meter shows a value equivalent to about 0.1 μm. (See FIG. 15).
同様にして、炭素材料の負極を使用して同様の測定をすると、初期の変化だけでも電極
の厚みに対して約20%近い膨張が観測され、充放電によっても10%以上の膨張・収縮
が観測された。本発明における電池系において、充放電に伴うこの極めて小さい膨張・収
縮が、サイクルの長寿命の要因となる。特に、ハイレートで充放電を行った場合のサイク
ル寿命は従来の電池系に比較し飛躍的に改善される。
Similarly, when the same measurement was performed using a negative electrode made of a carbon material, expansion of about 20% with respect to the thickness of the electrode was observed even with the initial change alone, and expansion / contraction of 10% or more was also caused by charge / discharge. Observed. In the battery system according to the present invention, this extremely small expansion / contraction caused by charging / discharging causes a long cycle life. In particular, the cycle life when charging / discharging at a high rate is dramatically improved as compared with the conventional battery system.
《実施例2》
本実施例においては、図16に示す円筒型電池を作製した。
電池ケース1、正極リード5及び負極リード6は、それぞれニッケルメッキされた鉄、アルミニウム及びステンレス鋼で構成した。
正極(板)は以下のようにして作製した。すなわち、粉末状の正極活物質(Li1±xNi1/2Co1/2O2(x≦0.1)またはLi1±xNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x≦0.1))85重量部に対し、導電剤である炭素粉末10重量部及び結着剤であるポリフッ化ビニリデン樹脂5重量部を混合した。得られた混合物を脱水N−メチルピロリジノンに分散させてスラリーを得、このスラリーをアルミニウム箔からなる正極用の集電体上に塗布し、乾燥・圧延した後、塗布後の集電体を所定の大きさに切断して正極を得た。
また、負極(板)は、正極活物質に替えて負極活物質であるスピネル構造を有するLi4Ti5O12(Li[Li1/3Ti5/3]O4)を用いた以外は、正極と同様にして作製した。
Example 2
In this example, a cylindrical battery shown in FIG. 16 was produced.
The battery case 1, the positive electrode lead 5, and the negative electrode lead 6 were made of nickel-plated iron, aluminum, and stainless steel, respectively.
The positive electrode (plate) was produced as follows. That is, the powdered positive electrode active material (Li 1 ± x Ni 1/2 Co 1/2 O 2 (x ≦ 0.1) or Li 1 ± x Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ( x ≦ 0.1)) 8 parts by weight of carbon powder as a conductive agent and 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride resin as a binder were mixed with 85 parts by weight. The obtained mixture was dispersed in dehydrated N-methylpyrrolidinone to obtain a slurry. This slurry was applied onto a positive electrode current collector made of aluminum foil, dried and rolled, and then the applied current collector was predetermined. The positive electrode was obtained by cutting into a size of.
Further, a negative electrode (plate) is except using Li 4 Ti 5 O 12 having a spinel structure is a negative electrode active material in place of the positive electrode active material (Li [Li 1/3 Ti 5/3] O 4) is It was produced in the same manner as the positive electrode.
本発明では、セパレータとしてはポリプロピレン製の不織布を用いた。また、有機電解
液としては、エチレンカーボネート(EC)とプロピレンカーボネート(PC)との体積
比1:1の混合溶媒に、LiPF6を1.0モル/リットル溶解したものを使用した。ま
た、作製した円筒型電池の寸法は直径14.1mm、高さ50.0mmとした。
In this invention, the nonwoven fabric made from a polypropylene was used as a separator. As the organic electrolytic solution, a solution obtained by dissolving 1.0 mol / liter of LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) in a volume ratio of 1: 1 was used. The dimensions of the produced cylindrical battery were 14.1 mm in diameter and 50.0 mm in height.
このようにして作製した円筒型電池の定電圧充電を2.5Vで行い、放電を100mA
の定電流で1Vまで行った。このとき得られた放電容量は550mAhであった。本実施
例では、上記2種の正極活物質を用いた場合に電池の容量がほぼ同じになるように、電池
設計した。同じ電池を再度充電する際には1.9V〜2.35Vの間で定電圧充電を行っ
た。このとき充電された容量を表1に示した。
The cylindrical battery thus produced was charged at a constant voltage of 2.5 V and discharged at 100 mA.
The constant current was 1 V. The discharge capacity obtained at this time was 550 mAh. In this example, the battery was designed so that the battery capacities were approximately the same when the two positive electrode active materials were used. When charging the same battery again, constant voltage charging was performed between 1.9V and 2.35V. The capacity charged at this time is shown in Table 1.
表1より、図9に示した充放電カーブbにしたがって、Li1±xNi1/3Co1/3Mn1/3O2を用いた場合には2.2Vから上の領域において電圧幅に対する容量の上昇率が低下しており、Li1±xNi1/2Co1/2O2を用いた場合には2.0V以上の領域において電圧幅に対する容量の上昇率が低下していることがわかる。このことは、前記電圧の領域において容量に対する電圧制御の精度が上がっていることを示している。 From Table 1, according to the charge-discharge curves b shown in FIG. 9, Li 1 ± x Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 in case of using the O 2 voltage in the region above the 2.2V width have reduced the rate of increase capacity for, the increase rate of the capacitance versus voltage width reduced in more areas 2.0V in case of using Li 1 ± x Ni 1/2 Co 1/2 O 2 You can see that This indicates that the accuracy of voltage control with respect to the capacitance is increased in the voltage region.
《実施例3》
本実施例においては、本発明における好ましい正極及び負極の容量設計について検討した。正極板の単位面積当たりの正極活物質量と負極板の単位面積当たりの負極活物質量との重量比を、種々変化させた以外は、実施例2と同様にして円筒型電池を作製し、そのサイクル寿命を測定した。結果を表2に示した。なお、重量比0.3、1.2および1.5の円筒型電池は比較例である。充放電サイクル条件については、充電を2.5Vの定電圧で最大電流1Cの定電流で行った。また、充電の終了条件は、充電開始から2時間の時間カットとした。一方、放電は2Cの定電流で行い、1.0Vカットとした。表2には、維持容量が初期容量の98%に低下したときのサイクル数を示した。
Example 3
In this example, the preferred positive electrode and negative electrode capacity designs in the present invention were studied. A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 2 except that the weight ratio of the positive electrode active material amount per unit area of the positive electrode plate and the negative electrode active material amount per unit area of the negative electrode plate was variously changed. The cycle life was measured. The results are shown in Table 2. Cylindrical batteries with a weight ratio of 0.3, 1.2 and 1.5 are comparative examples. Regarding the charge / discharge cycle conditions, charging was performed at a constant current of 2.5 V and a maximum current of 1 C. The charging termination condition was a time cut of 2 hours from the start of charging. On the other hand, the discharge was performed at a constant current of 2 C and the cut was 1.0 V. Table 2 shows the number of cycles when the retention capacity was reduced to 98% of the initial capacity.
表2より、重量比が1.2以上になるとサイクル寿命が低下することがわかる。したがって、正極及び負極のバランスとしては、実質的に負極律速(負極容量規制)となるように電池を設計することが好ましい。しかし、必要以上に正極活物質を増加させると電池容量が低下するため、実質的には0.5以上1.2未満とすることが好ましい。 From Table 2, it can be seen that the cycle life decreases when the weight ratio is 1.2 or more. Therefore, it is preferable to design the battery so that the balance between the positive electrode and the negative electrode is substantially negative electrode rate limiting (negative electrode capacity regulation). However, if the positive electrode active material is increased more than necessary, the battery capacity is lowered, so that it is preferably substantially 0.5 or more and less than 1.2.
《実施例4》
本実施例においては、正極及び負極の集電体について検討した。
正極および負極の集電体を表3に示す材料で構成した以外は、実施例2と同様にして円
筒型電池を作製し、過充電試験を行った。表3にそれぞれの円筒型電池の過充電試験時に
おける電池表面温度を示した。この電池表面温度は過充電時の最高電池温度とした。なお
、電流値は1.5Cで定電流過充電を行った。
Example 4
In this example, the current collectors of the positive electrode and the negative electrode were examined.
A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 2 except that the positive and negative electrode current collectors were made of the materials shown in Table 3, and an overcharge test was performed. Table 3 shows the battery surface temperature during the overcharge test of each cylindrical battery. This battery surface temperature was the maximum battery temperature during overcharge. The current value was 1.5 C and constant current overcharge was performed.
表3より、アルミニウムからなる集電体を使用することで、過充電時の電池の発熱を抑
制できることがわかる。以上より、本発明の電池系においてアルミニウムからなる集電体
を用いることで、2V級の電池を作製することができ、軽量化、低コスト化さらに高安全
性の電池を得ることができる。
From Table 3, it can be seen that heat generation of the battery during overcharge can be suppressed by using a current collector made of aluminum. As described above, by using the current collector made of aluminum in the battery system of the present invention, a 2V-class battery can be manufactured, and a battery with lighter weight, lower cost, and higher safety can be obtained.
《実施例5》
本実施例においては、好ましい電解液について検討を行った。
表4に示した組成の溶媒及び溶質を用いた以外は、実施例2と同様にして円筒形電池を
作製した。そして、従来の電解液系を用いた電池によって得られる容量を100とし、電
解液を種々変更させた電池によって得られた容量を、指数として評価した。この指数を表
4に示した。また、比較のため、正極活物質としてコバルト酸リチウムを用い、負極活物
質として黒鉛材料を使用し、同様の方法で円筒型電池を作製して評価した結果を示した。
EC/DEC(3/7)の表示は、ECとDECの混合溶媒で重量比が3:7であること
を表す。この電解液を用いて得られた電池の容量をそれぞれの電池系で100とした。
Example 5
In this example, a preferred electrolyte was studied.
A cylindrical battery was fabricated in the same manner as in Example 2 except that the solvent and solute having the composition shown in Table 4 were used. And the capacity | capacitance obtained with the battery using the conventional electrolyte solution system was set to 100, and the capacity | capacitance obtained with the battery which changed electrolyte solution variously was evaluated as an index | exponent. This index is shown in Table 4. In addition, for comparison, the results are shown in which a cylindrical battery was fabricated and evaluated in the same manner using lithium cobaltate as the positive electrode active material and a graphite material as the negative electrode active material.
The indication of EC / DEC (3/7) represents that the weight ratio is 3: 7 with a mixed solvent of EC and DEC. The capacity of the battery obtained using this electrolytic solution was set to 100 in each battery system.
表4より、黒鉛を使用する従来の電池系ではほとんど満足のいく容量が得られず、使用
できなかった電解液系を、本発明に係る電池においては問題なく使用でき、安価でより安
全性の高い電池を得ることが可能であることがわかる。また、これらの溶媒の混合溶媒や
従来から使用されている溶媒種の組合せ等も使用可能である。
From Table 4, it can be seen that the conventional battery system using graphite cannot obtain a satisfactory capacity, and the electrolyte system that could not be used can be used without problems in the battery according to the present invention. It can be seen that a high battery can be obtained. Also, a mixed solvent of these solvents, a combination of conventionally used solvent types, or the like can be used.
《実施例6》
本発明では、表5に示す溶媒及び溶質を用いた以外は、実施例2と同様の方法で円筒型電池を作製し、評価を行った。特にトリメチルプロピルアンモニウムカチオン(TMPA)とトリフルオロメチルスルフォニルイミドアニオン(TFSI)のイオン性液体(A)、または1−エチル−3−メチルイミダゾリウムカチオンとトリフルオロメチルイミドアニオンのイオン性液体(B)を用いる場合について詳細に検討した。さらに、これらのイオン性液体とエチレンカーボネート等を使用した従来の非水電解質との混合物を使用した電池の作動と優位性も同様の評価で確認した。また、イオン性液体の安全に対する効果を確認するために2.5V満充電状態の円筒型電池で150℃のホットボックス試験を行った。満充電の電池を入れたホットボックスを30℃から150℃まで5℃/分の速度で加熱した後、3時間150℃で保持した。このときの電池表面温度を測定した。電気特性とホットボックス試験の結果を表5に示した。
Example 6
In the present invention, a cylindrical battery was produced and evaluated in the same manner as in Example 2 except that the solvents and solutes shown in Table 5 were used. In particular, an ionic liquid (A) of trimethylpropylammonium cation (TMPA) and trifluoromethylsulfonylimide anion (TFSI) or an ionic liquid of 1-ethyl-3-methylimidazolium cation and trifluoromethylimide anion (B) The case of using was examined in detail. Furthermore, the operation and superiority of a battery using a mixture of these ionic liquids and a conventional non-aqueous electrolyte using ethylene carbonate or the like were also confirmed by the same evaluation. Further, in order to confirm the safety effect of the ionic liquid, a hot box test at 150 ° C. was performed on a cylindrical battery fully charged with 2.5 V. A hot box containing a fully charged battery was heated from 30 ° C. to 150 ° C. at a rate of 5 ° C./min, and held at 150 ° C. for 3 hours. The battery surface temperature at this time was measured. The electrical characteristics and the results of the hot box test are shown in Table 5.
表5より、従来は全く使用できなかったイオン性液体が単独で使用可能となることがわ
かる。また、イオン性液体を使用することで、ホットボックス試験での電池異常加熱がほ
とんど観測されず、安全性を飛躍的に改善できることがわかる。多くのイオン性液体を図
9〜11に例示したが、粘性等の問題は残るが、従来溶媒との混合、特にECとの混合で
使用可能性は向上し、安全性や信頼性の改良に効果が期待できる。
Table 5 shows that an ionic liquid that could not be used at all can be used alone. Moreover, it can be seen that by using the ionic liquid, almost no abnormal battery heating is observed in the hot box test, and the safety can be drastically improved. Although many ionic liquids are illustrated in FIGS. 9 to 11, problems such as viscosity remain, but the usability is improved by mixing with conventional solvents, in particular, mixing with EC, to improve safety and reliability. The effect can be expected.
《実施例7》
本実施例においては、好ましいセパレータに関して検討した。
表6に示す材料をセパレータ(厚み25μm)に用いた以外は、実施例2と同様にして
円筒型電池を作製し、評価を行った。表6には、パルス放電特性と過充電時の電池表面温
度の最大値を示した。パルス放電は、1Aの5秒オン、5秒オフの単純なパルスを用いて
行い、従来のPEポーラスフィルムを使用したときに得られたパルス放電時間を100と
したとき、その他のセパレータを用いた電池のパルス放電時間を指数で示した。過充電は
1.5Cの定電流過充電とした。
Example 7
In this example, the preferred separator was examined.
A cylindrical battery was produced and evaluated in the same manner as in Example 2 except that the material shown in Table 6 was used for the separator (thickness 25 μm). Table 6 shows the pulse discharge characteristics and the maximum value of the battery surface temperature during overcharge. The pulse discharge was performed using a simple pulse of 1A, 5 seconds on, and 5 seconds off. When the pulse discharge time obtained when a conventional PE porous film was used was 100, other separators were used. The pulse discharge time of the battery was shown as an index. The overcharge was a constant current overcharge of 1.5C.
表6より、本電池系においては、不織布を使用することで、過充電の安全性はほぼ一定
に保ちつつパルス放電時間を大幅に改良できることがわかる。また、パルス電流による電
圧の落ち込みも、不織布を使用することによって改良できることがわかる。
From Table 6, it can be seen that by using a nonwoven fabric in this battery system, the pulse discharge time can be greatly improved while keeping the safety of overcharge substantially constant. Moreover, it turns out that the fall of the voltage by a pulse current can be improved by using a nonwoven fabric.
上述のように、本発明の電池系であれば、従来から課題とされてきた体積膨張による寿命劣化の抑制、ハイレート放電特性、パルス特性、及び充電制御を飛躍的に改良することができる。したがって、本発明に係る非水電解質二次電池は、ハイレートでの充放電やサイクル寿命が強く要望される電動工具、ハイブリッド自動車用の電源、電気自動車用電源等駆動系の大型電池においてその特徴を発揮することができる。また、本発明に係る非水電解質二次電池は、鉛蓄電池の代替の他、携帯機器用の電池としても使用できる。 As described above, if the battery system of the present invention, it is possible to dramatically improve the suppression of deterioration of life by the body Seki膨 Zhang has been a problem conventionally, the high-rate discharge characteristics, pulse characteristics, and the charge control . Therefore, the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is characterized by a large-sized battery such as an electric power tool, a power source for a hybrid vehicle, a power source for an electric vehicle, etc., which are highly demanded for charge / discharge at a high rate and a cycle life. It can be demonstrated. The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention, other lead-acid battery alternative, can also be used as a battery for portable equipment.
1 電池ケース
2 封口板
3 絶縁パッキング
4 極板群
5 正極リード
6 負極リード
7 絶縁リング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Battery case 2 Sealing plate 3 Insulation packing 4 Electrode plate group 5 Positive electrode lead 6 Negative electrode lead 7 Insulation ring
Claims (9)
前記正極活物質が、Li1±xNi1/2Co1/2O2(x≦0.1)及びLi1±xNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x≦0.1)の少なくとも一方を含み、
前記チタン酸化物が、Li4Ti5O12であり、
前記正極および前記負極が、それぞれアルミニウムまたはアルミニウム合金で構成された集電体を含み、
前記正極活物質の重量に対する前記負極活物質の重量の比が、0.5以上1.2未満である、非水電解質二次電池を、
前記正極活物質の利用率が60%以下になるように充放電する、非水電解質二次電池の充放電方法。 A positive electrode including a positive electrode active material having a layer structure, a negative electrode including a titanium oxide having a spinel structure as a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte,
The positive electrode active materials are Li 1 ± x Ni 1/2 Co 1/2 O 2 (x ≦ 0.1) and Li 1 ± x Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (x ≦ 0). 1) at least one of
The titanium oxide is Li 4 Ti 5 O 12 ;
The positive electrode and the negative electrode each include a current collector made of aluminum or an aluminum alloy,
A non-aqueous electrolyte secondary battery in which the ratio of the weight of the negative electrode active material to the weight of the positive electrode active material is 0.5 or more and less than 1.2,
A charging / discharging method of a nonaqueous electrolyte secondary battery, wherein charging / discharging is performed so that a utilization rate of the positive electrode active material is 60% or less.
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