JP5920631B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質二次電池に関する。詳しくは、二層以上の多層構造からなる負極活物質層を備えた非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery. Specifically, the present invention relates to a nonaqueous electrolyte secondary battery including a negative electrode active material layer having a multilayer structure of two or more layers.
リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等の非水電解質二次電池は、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として用いられている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両の駆動用高出力電源として好ましく用いられている。この種の電池は、典型的には、正極と負極と非水電解質とが電池ケース内に収容された構成である。正極および負極には、対応する集電体上に電荷担体(典型的にはリチウムイオン)を可逆的に吸蔵・放出し得る材料(活物質)を主体とする活物質層が備えられており、かかる正負極間を電荷担体が行き来することによって充放電が行われる。 In recent years, nonaqueous electrolyte secondary batteries such as lithium ion secondary batteries and nickel metal hydride batteries have been used as so-called portable power supplies and vehicle drive power supplies for personal computers and portable terminals. In particular, a lithium ion secondary battery that is lightweight and obtains a high energy density is preferably used as a high-output power source for driving vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles. This type of battery typically has a configuration in which a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte are accommodated in a battery case. Each of the positive electrode and the negative electrode is provided with an active material layer mainly composed of a material (active material) capable of reversibly occluding and releasing charge carriers (typically lithium ions) on a corresponding current collector. Charging / discharging is performed by the charge carriers moving between the positive and negative electrodes.
ところで、車両駆動用電源等に用いられる非水電解質二次電池では、更なる高性能化(例えば入出力密度の向上)が求められている。かかる高性能化は、例えば負極活物質層の電荷担体吸蔵・放出能(電荷担体の受け入れ性)を向上させることによって達成し得る。これに関する技術として、特許文献1および2には、負極活物質としてリチウムチタン複合酸化物(Lithium Titanium Composite Oxide:LTO、例えばLi4Ti5O12)を用いる技術が記載されている。例えば特許文献1には、集電体表面に形成され炭素材料を含む主負極層と、この主負極層の表面に形成されリチウムチタン複合酸化物を含む表面層とを備えた負極の構成が開示されている。一般にリチウムチタン複合酸化物は炭素材料よりも電荷を吸蔵する電位(典型的には還元電位)が高いことから、負極の表面にリチウムチタン複合酸化物を備えることで電荷担体の受け入れ性を向上し得、高い入出力密度を実現し得る。 By the way, further improvement in performance (for example, improvement in input / output density) is required for a nonaqueous electrolyte secondary battery used for a power source for driving a vehicle or the like. Such high performance can be achieved, for example, by improving the charge carrier storage / release capability (charge carrier acceptability) of the negative electrode active material layer. As techniques related to this, Patent Documents 1 and 2 describe a technique using lithium titanium composite oxide (LTO, for example, Li 4 Ti 5 O 12 ) as a negative electrode active material. For example, Patent Document 1 discloses a configuration of a negative electrode including a main negative electrode layer formed on the current collector surface and containing a carbon material, and a surface layer formed on the surface of the main negative electrode layer and containing a lithium titanium composite oxide. Has been. In general, lithium-titanium composite oxide has a higher potential for storing charges than carbon materials (typically a reduction potential), so the lithium-titanium composite oxide on the negative electrode surface improves the acceptability of charge carriers. And high input / output density can be realized.
しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献1に記載されるような負極では、例えば室温より温度が低い環境においてエネルギー密度が低下したり、あるいは拡散抵抗が増大して入出力特性が悪化したりすることがあった。本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、広範な温度域において優れた電池性能(例えば高エネルギー密度や高入出力密度)を発揮し得る非水電解質二次電池を提供することである。 However, according to the study by the present inventors, in the negative electrode as described in Patent Document 1, for example, in an environment where the temperature is lower than room temperature, the energy density is reduced, or the diffusion resistance is increased and the input / output characteristics are reduced. It sometimes worsened. The present invention has been made in view of such points, and an object thereof is to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery that can exhibit excellent battery performance (for example, high energy density and high input / output density) in a wide temperature range. It is to be.
本発明者らが、上記性能低下の原因について検討したところ、表面層を構成するリチウムチタン複合酸化物の電荷担体受け入れ性が非常に高いために、電流が表面層に集中していることが判明した。すなわち、電荷担体が主負極層まで行き渡らず、主負極層が十分反応に寄与していないことが判明した。このため、本発明者らは鋭意検討を重ね、これを解決し得る手段を見出し、本発明を完成させた。 When the present inventors examined the cause of the above performance degradation, it was found that the current was concentrated in the surface layer because the charge carrier acceptability of the lithium titanium composite oxide constituting the surface layer was very high. did. That is, it was found that the charge carriers did not reach the main negative electrode layer, and the main negative electrode layer did not sufficiently contribute to the reaction. For this reason, the present inventors have intensively studied, discovered means capable of solving this, and completed the present invention.
本発明によって、正極と負極と非水電解質とを備えた非水電解質二次電池が提供される。上記負極は、負極集電体と該集電体上に形成された負極活物質層とを備える。また、上記負極活物質層は、少なくとも(i)上記負極集電体表面に形成され、且つ炭素材料を主体とするメイン負極活物質層と;(ii)該メイン負極活物質層上に形成され、且つリチウムチタン複合酸化物を主体とするLTO層と;を備える。そして、上記LTO層の多孔度は50体積%以上70体積%以下であり、且つ、上記メイン負極活物質層に含まれる上記炭素材料の単位面積当たりの比表面積SM(m2/cm2)に対する、上記LTO層に含まれる上記リチウムチタン複合酸化物の単位面積当たりの比表面積SL(m2/cm2)の比(SL/SM比)が0.065以上0.2以下である。 According to the present invention, a non-aqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte is provided. The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on the current collector. The negative electrode active material layer includes at least (i) a main negative electrode active material layer formed on the surface of the negative electrode current collector and mainly composed of a carbon material; and (ii) formed on the main negative electrode active material layer. And an LTO layer mainly composed of a lithium titanium composite oxide. The porosity of the LTO layer is approximately 70 vol% or more 50% by volume, and a specific surface area per unit area of the carbon material contained in the main negative electrode active material layer S M (m 2 / cm 2 ) for the ratio of the specific surface area per unit area of the lithium-titanium composite oxide contained in the LTO layer S L (m 2 / cm 2 ) (S L / S M ratio) is at 0.065 to 0.2 is there.
炭素材料を主体とするメイン負極活物質層を備えることで、高いエネルギー密度を実現し得る。また、メイン負極活物質層上にLTO層を備えることで、電荷担体の受け入れ性を向上し得、高い入出力特性を発揮し得る。さらに、電荷担体が負極活物質層の表面に金属となって析出することを抑制し得、高い耐久性を発揮し得る。加えて、負極活物質層の性状を上記範囲とすることで、LTO層内に電荷担体の供給経路が好適に形成され得る。このため、例えば拡散抵抗の上昇しがちな低温領域(例えば10℃以下の環境)においても、負極集電体近傍のメイン負極活物質層まで電荷担体が好適に行き渡り、負極活物質層全体を効率よく使用し得る。このように、上記構成によれば、より広い温度域において優れた電池性能(例えば高エネルギー密度や高入出力密度)を発揮し得る耐久性の高い非水電解質二次電池を実現することができる。 By providing a main negative electrode active material layer mainly composed of a carbon material, a high energy density can be realized. Further, by providing the LTO layer on the main negative electrode active material layer, the acceptability of charge carriers can be improved and high input / output characteristics can be exhibited. Furthermore, it can suppress that a charge carrier becomes a metal on the surface of a negative electrode active material layer, and can exhibit high durability. In addition, by setting the properties of the negative electrode active material layer in the above range, a charge carrier supply path can be suitably formed in the LTO layer. For this reason, for example, even in a low temperature region in which diffusion resistance tends to increase (for example, an environment of 10 ° C. or less), the charge carriers are suitably distributed to the main negative electrode active material layer in the vicinity of the negative electrode current collector, and the entire negative electrode active material layer is efficiently used. Can be used well. Thus, according to the above configuration, a highly durable nonaqueous electrolyte secondary battery that can exhibit excellent battery performance (for example, high energy density and high input / output density) in a wider temperature range can be realized. .
上記「多孔度」は、被測定物の質量W(g)と見かけの体積V(cm3)と真密度ρ(g/cm3)とから、式:(1−W/ρV)×100により求めることができる。上記「見かけの体積」は、平面視での面積S(cm2)と平均厚みT(cm)との積によって算出することができる。「平面視での面積S」は、例えば、被測定物を打ち抜き機やカッターなどで正方形や長方形に切り出すことにより得ることができる。「平均厚みT」は、例えばマイクロメータや厚み計(例えばロータリーキャリパー計)等により計測することができる。また、上記「真密度ρ」は、一般的な定容積膨張法(気体置換型ピクノメータ法)等の密度測定装置によって測定することができる。
また、上記「単位面積当たりの比表面積(m2/cm2)」は、被測定物(例えば粉末状の炭素材料やリチウムチタン複合酸化物)の比表面積(m2/g)と、単位面積当たりの被測定物の目付量(g/cm2)との積により求めることができる。上記「比表面積」は、窒素ガス吸着法を用いたBET法(例えば、BET1点法)により測定することができる。「目付量」は、例えば負極活物質層を打ち抜き機やカッターなどで正方形や長方形に切り出して計測した重量と、全固形分中に占める被測定物の割合とを掛けあわせることによって求めることができる。
The “ porosity ” is calculated from the mass W (g) of the object to be measured, the apparent volume V (cm 3 ), and the true density ρ (g / cm 3 ) according to the formula: (1−W / ρV) × 100. Can be sought. The “apparent volume” can be calculated by the product of the area S (cm 2 ) and the average thickness T (cm) in plan view. The “area S in plan view” can be obtained, for example, by cutting an object to be measured into a square or a rectangle with a punching machine or a cutter. The “average thickness T” can be measured by, for example, a micrometer or a thickness meter (for example, a rotary caliper meter). The “true density ρ” can be measured by a density measuring apparatus such as a general constant volume expansion method (gas displacement pycnometer method).
In addition, the above-mentioned “specific surface area per unit area (m 2 / cm 2 )” is the specific surface area (m 2 / g) of an object to be measured (for example, powdered carbon material or lithium titanium composite oxide), and unit area. It can be determined by the product with the basis weight (g / cm 2 ) of the object to be measured. The “specific surface area” can be measured by a BET method using a nitrogen gas adsorption method (for example, a BET one-point method). The “weight per unit area” can be determined by, for example, multiplying the weight measured by cutting the negative electrode active material layer into a square or a rectangle with a punching machine or a cutter, and the ratio of the object to be measured in the total solid content. .
なお、本明細書において「非水電解質二次電池」とは、非水電解質(典型的には、非水溶媒中に支持塩を含む非水電解液)を備えた電池をいう。また、本明細書において「層」とは、単に厚み方向の一部を他の部分と区別するのに用いる用語であって、必ずしも巨視的および/または微視的に層構造が視認されることは要しない。 In the present specification, the “non-aqueous electrolyte secondary battery” refers to a battery provided with a non-aqueous electrolyte (typically, a non-aqueous electrolyte containing a supporting salt in a non-aqueous solvent). In this specification, “layer” is simply a term used to distinguish one part in the thickness direction from another part, and the layer structure is not necessarily viewed macroscopically and / or microscopically. Is not required.
上記LTO層に含まれる上記リチウムチタン複合酸化物の比表面積は、例えば1m2/g以上20m2/g以下であることが好ましい。上記範囲を満たすリチウムチタン複合酸化物を用いることで、ここで開示される構成を好適に実現することができる。また、上記LTO層に含まれるリチウムチタン複合酸化物の単位面積当たりの比表面積SLは、0.0012m2/cm2以上0.0045m2/cm2以下であることが好ましい。かかる範囲を満たす場合、電荷担体の受け入れ性を向上し得、高い耐久性(サイクル特性)を実現し得る。加えて、負極活物質層全体を効率よく使用し得るため、高いエネルギー密度や入出力特性を実現し得る。 The specific surface area of the lithium titanium composite oxide contained in the LTO layer is preferably, for example, from 1 m 2 / g to 20 m 2 / g. By using a lithium titanium composite oxide that satisfies the above range, the configuration disclosed herein can be suitably realized. The specific surface area S L per unit area of the lithium-titanium composite oxide contained in the LTO layer is preferably 0.0012m 2 / cm 2 or more 0.0045m 2 / cm 2 or less. When satisfying such a range, the acceptability of charge carriers can be improved, and high durability (cycle characteristics) can be realized. In addition, since the entire negative electrode active material layer can be used efficiently, high energy density and input / output characteristics can be realized.
ここで開示される好適な一態様では、上記LTO層の平均厚みが、上記負極活物質層全体の厚みを100%としたときに1%以上20%以下である。上記範囲を満たす場合、本発明の効果をより高いレベルで発揮することができる。すなわち、高い電池性能(例えば高エネルギー密度や高入出力密度)を長期に渡り発揮し得る、耐久性に優れた非水電解質二次電池を実現し得る。 In a preferred embodiment disclosed herein, the average thickness of the LTO layer is 1% or more and 20% or less when the total thickness of the negative electrode active material layer is 100%. When satisfying the above range, the effect of the present invention can be exhibited at a higher level. That is, it is possible to realize a non-aqueous electrolyte secondary battery with excellent durability that can exhibit high battery performance (for example, high energy density and high input / output density) over a long period of time.
なお、負極活物質層の厚み方向に占めるLTO層の割合は、例えば、一般的な走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)−エネルギー分散型X線分光法(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy:EDX)によって確認し得る。より具体的には、SEM観察により得られた画像を、EDXを用いて解析(マッピング)することで元素(例えばTi元素)の分布状態を調べる。かかる結果に基づいてLTO層とメイン負極活物質層との界面を判断し、LTO層の厚みおよび負極活物質層全体に占めるLTO層の割合を求めることができる。好ましくは、かかる測定を任意の数か所(典型的には10〜30箇所)において行い、LTO層の厚み(算術平均厚み)や割合を算出する。 Note that the ratio of the LTO layer in the thickness direction of the negative electrode active material layer is, for example, a general scanning electron microscope (SEM) -energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). ). More specifically, the distribution of the element (for example, Ti element) is examined by analyzing (mapping) an image obtained by SEM observation using EDX. Based on this result, the interface between the LTO layer and the main negative electrode active material layer can be determined, and the thickness of the LTO layer and the ratio of the LTO layer to the entire negative electrode active material layer can be determined. Preferably, this measurement is performed at an arbitrary number of locations (typically 10 to 30 locations), and the thickness (arithmetic average thickness) and ratio of the LTO layer are calculated.
ここで開示される好適な一態様では、上記メイン負極活物質層に含まれる上記炭素材料は黒鉛である。黒鉛は、炭素材料のなかでも六角網面構造の配向性(黒鉛化度)に優れるため、高いエネルギー密度を実現し得る。したがって、本願発明の効果をより高いレベルで発揮することができる。 In a preferred embodiment disclosed herein, the carbon material contained in the main negative electrode active material layer is graphite. Since graphite is excellent in the orientation (degree of graphitization) of the hexagonal network structure among carbon materials, a high energy density can be realized. Therefore, the effect of the present invention can be exhibited at a higher level.
ここで開示される好適な一態様では、メイン負極活物質層の多孔度が20体積%以上50体積%以下である。上記多孔度の範囲を満たす場合、負極活物質層を緻密で導電性の高いものとし得、高いエネルギー密度や耐久性を実現し得る。また、負極活物質層内には適度な空隙が保持されているため、電荷担体が負極活物質層全体に行き渡り易く(典型的には非水電解液が浸透し易く)、高い入出力密度を実現し得る。 In a preferred embodiment disclosed herein, the porosity of the main negative electrode active material layer is 20% by volume or more and 50% by volume or less. When satisfying the above porosity range, the negative electrode active material layer can be made dense and highly conductive, and high energy density and durability can be realized. In addition, since an appropriate gap is maintained in the negative electrode active material layer, the charge carrier easily spreads over the entire negative electrode active material layer (typically, the nonaqueous electrolyte solution easily permeates), and has a high input / output density. It can be realized.
上述の通り、ここで開示される非水電解質二次電池(例えばリチウムイオン二次電池)は、エネルギー密度や入出力密度が高く、耐久性にも優れる。したがって、かかる特徴を活かして、例えば車両の動力源(駆動電源)として好適に利用し得る。 As described above, the nonaqueous electrolyte secondary battery (for example, lithium ion secondary battery) disclosed herein has high energy density and input / output density, and is excellent in durability. Therefore, taking advantage of this feature, for example, it can be suitably used as a power source (drive power source) of a vehicle.
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, members / parts having the same action are described with the same reference numerals. In addition, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect actual dimensional relationships. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
特に限定することを意図したものではないが、以下では本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の概略構成として、扁平に捲回された電極体と非水電解質とを扁平な直方体形状(箱形状)の容器に収容した形態の非水電解質二次電池を例とし、本発明を詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の概略構成を図1、図2に示す。図1は、非水電解質二次電池100の外形を模式的に示す斜視図である。図2は、図1に示した非水電解質二次電池100のII−II線に沿う断面構造を示す模式図である。
Although not intended to be particularly limited, in the following, as a schematic configuration of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment of the present invention, a flatly wound electrode body and a nonaqueous electrolyte are formed into a flat rectangular parallelepiped. The present invention will be described in detail by taking a nonaqueous electrolyte secondary battery in a shape (box shape) container as an example.
1 and 2 show a schematic configuration of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a perspective view schematically showing the outer shape of the nonaqueous electrolyte
図1および図2に示すように、本実施形態に係る非水電解質二次電池100は、捲回電極体80と、電池ケース(外容器)50とを備える。電池ケース50は、上端が開放された扁平な直方体形状(角形)の電池ケース本体52と、その開口部を塞ぐ蓋体54とを備えている。電池ケース50の上面(すなわち蓋体54)には、捲回電極体80の正極と電気的に接続する外部接続用の正極端子70、および該電極体80の負極と電気的に接続する負極端子72が設けられている。また、蓋体54には、従来の非水電解質二次電池の電池ケースと同様に、電池ケース50内部で発生したガスをケース50の外部に排出するための安全弁55が備えられている。電池ケース50の内部には、長尺シート状の正極(正極シート)10と長尺シート状の負極(負極シート)20が2枚の長尺シート状のセパレータ(セパレータシート)40を介して扁平に捲回された形態の電極体(捲回電極体)80が、図示しない非水電解質とともに収容されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the nonaqueous electrolyte
≪捲回電極体80≫
図3は、図2に示す捲回電極体80の構成を示す模式図である。図3に示すように、本実施形態に係る捲回電極体80は、捲回電極体80を組み立てる前段階において扁平形状の長尺状のシート構造を有している。かかる捲回電極体80は、正極シート10と、セパレータシート40と、負極シート20と、セパレータシート40とを順に重ね合わせて長尺方向に捲回し、更に側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に成形されている。捲回電極体80の捲回軸方向の両端部では、正極シート10および負極シート20の電極活物質層非形成部の一部がそれぞれ捲回コア部分から外方にはみ出ている。かかる正極側はみ出し部分および負極側はみ出し部分には、正極集電板および負極集電板がそれぞれ付設され、正極端子70(図2)および負極端子72(図2)とそれぞれ電気的に接続されている。
≪
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the
≪負極シート20≫
図3に示すように、負極シート20は、長尺状の負極集電体22と、該集電体の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って形成された負極活物質層24であって少なくとも負極活物質を含む負極活物質層24とを備えている。図4は、図3に示す負極20の構成を模式的に示す断面図である。ここで開示される負極活物質層24は、厚み方向に二層以上の多層構造(ここでは二層)を有している。すなわち、負極活物質層24は、少なくとも、(i)負極集電体22の表面に形成され、且つ炭素材料を主体とするメイン負極活物質層242と;(ii)該メイン負極活物質層上に形成され、且つリチウムチタン複合酸化物を主体とするLTO層244と;を備えている。
<<
As shown in FIG. 3, the
負極集電体22としては、導電性の良好な金属(例えば、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等)からなる導電性材料が好ましく用いられる。負極集電体22の形状は構築される電池の形状等に応じて異なり得るため特に限定されないが、例えば棒状体、板状体、箔状体、網状体等を採用し得る。捲回電極体80を備えた電池では、主に箔状体が用いられる。箔状集電体の厚み(平均厚み)は特に限定されないが、電池の容量密度と集電体の強度との兼ね合いから通常5μm〜50μm(典型的には8μm〜30μm)程度であり得る。
As the negative electrode
<メイン負極活物質層242>
メイン負極活物質層242は、炭素材料を主体とする。炭素材料としては、黒鉛(グラファイト)、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)、炭素繊維(PAN系、ピッチ系)、コークス、活性炭、カーボンナノチューブ、これらを組み合わせた構造を有するもの等、少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む炭素材料を特に限定なく採用し得る。なかでも好ましい材料として、黒鉛系の炭素材料(典型的には天然黒鉛や人造黒鉛)が挙げられる。かかる材料は、還元電位(vs. Li/Li+)が凡そ0.5V以下、好ましくは0.2V以下(例えば0.1V以下)の低電位となり得るため、より高いエネルギー密度を実現し得る。
<Main negative electrode
The main negative electrode
炭素材料の性状は特に限定されないが、炭素原子の六角網面構造がより発達していることが好ましい。かかる発達度合い(炭素六角網面構造の配向性)は、黒鉛化度として把握することができる。黒鉛化度は、例えばCuKα線を用いたX線回折法(X-ray diffraction:XRD)によって測定される平均格子面間隔d(002)として表すことができる。炭素材料の平均格子面間隔d(002)は、例えば、0.335nm以上(好ましくは0.336nm以上)であって、0.355nm以下(好ましくは0.339nm以下)であり得る。上記範囲を満たす炭素材料(例えば黒鉛材料)は、配向性に優れ、高いエネルギー密度を実現し得る。 The properties of the carbon material are not particularly limited, but it is preferable that the hexagonal network structure of carbon atoms is more developed. This degree of development (orientation of the carbon hexagonal network structure) can be grasped as the degree of graphitization. The degree of graphitization can be expressed as an average lattice spacing d (002) measured by, for example, X-ray diffraction (XRD) using CuKα rays. The average lattice spacing d (002) of the carbon material is, for example, 0.335 nm or more (preferably 0.336 nm or more) and 0.355 nm or less (preferably 0.339 nm or less). A carbon material (for example, a graphite material) satisfying the above range is excellent in orientation and can realize a high energy density.
炭素材料の性状は特に限定されないが、例えば比表面積は、通常、0.1m2/g以上(典型的には0.5m2/g以上、例えば1m2/g以上)であって、20m2/g以下(典型的には10m2/g以下、好ましくは5m2/g以下)であり得る。また、炭素材料の平均粒径は、通常、30μm以下(典型的には20μm以下、例えば1μm〜15μm、好ましくは5μm以上15μm以下)であり得る。また、炭素材料のタップ密度は、通常、0.1g/cm3以上(典型的には0.5g/cm3以上、例えば0.7g/cm3以上)であって、1.5g/cm3以下(典型的には1.3g/cm3以下、より好ましくは1.2g/cm3以下)であり得る。上記性状(比表面積、平均粒径、タップ密度)のうち1つまたは2つ以上を満たす炭素材料は、ここで開示される構成(すなわち比表面積の比(SL/SM比))を好適に実現し得る。また、メイン負極活物質層242を緻密で導電性の高いものとし得、高いエネルギー密度を実現し得る。さらに、メイン負極活物質層242内に適度な空隙を保持することができるため、非水電解液を好適に浸漬させることができ、高い入出力密度を実現し得る。
Although the property of the carbon material is not particularly limited, for example, the specific surface area is usually 0.1 m 2 / g or more (typically 0.5 m 2 / g or more, for example 1 m 2 / g or more), and 20 m 2 / G or less (typically 10 m 2 / g or less, preferably 5 m 2 / g or less). In addition, the average particle size of the carbon material is usually 30 μm or less (typically 20 μm or less, for example, 1 μm to 15 μm, preferably 5 μm or more and 15 μm or less). The tap density of the carbon material is usually 0.1 g / cm 3 or more (typically 0.5 g / cm 3 or more, for example, 0.7 g / cm 3 or more), and 1.5 g / cm 3 Or less (typically 1.3 g / cm 3 or less, more preferably 1.2 g / cm 3 or less). A carbon material satisfying one or more of the above properties (specific surface area, average particle diameter, tap density) preferably has a configuration disclosed here (that is, a specific surface area ratio ( SL / SM ratio)). Can be realized. Further, the main negative electrode
なお、本明細書中において「平均粒径」とは、一般的な粒度分布測定装置(例えば、株式会社堀場製作所製の型式「LA−920」)を用いて、レーザー回折・光散乱法により測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積50%に相当する粒径(すなわち50%体積平均粒子径。メジアン径ともいう。)をいう。また、本明細書中において「タップ密度」とは、一般的なタッピング式の密度測定装置(例えば、筒井理化学器械社製の型式「TPM−3」)を用いて、JIS K1469に規定される方法により測定した密度をいう。 In this specification, “average particle size” is measured by a laser diffraction / light scattering method using a general particle size distribution measuring apparatus (for example, model “LA-920” manufactured by Horiba, Ltd.). In the volume-based particle size distribution, the particle size corresponding to 50% cumulative from the fine particle side (that is, 50% volume average particle size, also referred to as median size) is meant. Further, in this specification, the “tap density” is a method defined in JIS K1469 using a general tapping type density measuring device (for example, model “TPM-3” manufactured by Tsutsui Rika Kikai Co., Ltd.). It means the density measured by.
メイン負極活物質層242には、上記炭素材料に加え、一般的な非水電解質二次電池において負極活物質層の構成成分として使用され得る1種または2種以上の材料を必要に応じて含有し得る。そのような材料の例として、バインダや各種添加剤(導電材、分散剤、増粘剤等)が挙げられる。
The main negative electrode
バインダとしては、従来から非水電解質二次電池に用いられる物質の1種または2種以上を特に限定なく採用し得る。例えば、水系の液状組成物を用いてメイン負極活物質層242を形成する場合には、水に溶解または分散するポリマー材料を好ましく採用し得る。水に溶解する(水溶性の)ポリマー材料としては、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、酢酸フタル酸セルロース(CAP)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)等のセルロース系ポリマー;ポリビニルアルコール(PVA)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)等のアクリル系ポリマー;ポリウレタン等のウレタン系ポリマー;等が挙げられる。また、水に分散する(水分散性の)ポリマー材料としては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のビニル系重合体;ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のエチレン系ポリマー;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含体(PFA)等のフッ素系樹脂;酢酸ビニル共重合体;スチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)等のゴム類;等が挙げられる。あるいは、有機溶剤系の溶媒(分散媒の主成分が有機溶媒である溶媒)を用いてメイン負極活物質層242を形成する場合には、有機溶剤に分散または溶解するポリマー材料を好ましく採用し得る。かかるポリマー材料としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリ塩化ビニリデン(PVdC)、ポリエチレンオキサイド(PEO)等が挙げられる。
As the binder, one kind or two or more kinds of substances conventionally used in non-aqueous electrolyte secondary batteries can be adopted without particular limitation. For example, when the main negative electrode
導電材としては、従来から非水電解質二次電池に用いられる物質の1種または2種以上を特に限定なく採用し得る。例えば、上記炭素材料として上述したものから選択される1種または2種以上であり得る。あるいは金属繊維(例えばAl、SUS等)、導電性金属粉末(例えばAg、Ni、Cu等)、金属酸化物(例えばZnO、SnO2等)、金属で表面被覆した合成繊維等を用いてもよい。なかでもアセチレンブラックやケッチェンブラック等の炭素材料が好ましい。また、分散剤や増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ブチラール、ポリビニルアルコール、変性ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ポリカルボン酸、酸化スターチ、リン酸スターチ等を採用し得る。なかでも、カルボキシメチルセルロース(CMC、典型的にはナトリウム塩)を好ましく採用し得る。 As the conductive material, one type or two or more types of materials conventionally used in non-aqueous electrolyte secondary batteries can be used without any particular limitation. For example, the carbon material may be one or more selected from those described above. Or metal fibers (e.g. Al, SUS or the like), conductive metal powder (e.g. Ag, Ni, Cu, etc.), metal oxides (e.g. ZnO, SnO 2, etc.), may be used the surface-coated synthetic fiber such as a metal . Of these, carbon materials such as acetylene black and ketjen black are preferred. Examples of the dispersant and thickener include carboxymethyl cellulose (CMC), methyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, butyral, polyvinyl alcohol, modified polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polycarboxylic acid, oxidized starch, and phosphoric acid. Starch or the like can be employed. Of these, carboxymethylcellulose (CMC, typically a sodium salt) can be preferably used.
メイン負極活物質層242全体に占める炭素材料(典型的には黒鉛材料)の割合は、凡そ50質量%以上とすることが適当であり、通常は90質量%〜99.5質量%(例えば95質量%〜99.5質量%)とすることが好ましい。バインダを使用する場合には、メイン負極活物質層242全体に占めるバインダの割合は例えば凡そ0.5質量%〜10質量%とすることができ、通常は凡そ1質量%〜5質量%とすることが好ましい。増粘剤や分散剤等の各種添加剤を使用する場合には、メイン負極活物質層242全体に占める添加剤の割合は例えば凡そ0.5質量%〜10質量%とすることができ、通常は凡そ1質量%〜5質量%とすることが好ましい。
The proportion of the carbon material (typically graphite material) in the main negative electrode
負極集電体22の単位面積当たりに設けられるメイン負極活物質層242の質量は、負極集電体22の片面当たり5mg/cm2〜30mg/cm2(典型的には7mg/cm2〜20mg/cm2)程度であり得る。なお、この実施形態のように負極集電体22の両面にメイン負極活物質層242を有する構成では、負極集電体22の各々の面に設けられるメイン負極活物質層242の質量を概ね同程度とすることが好ましい。
メイン負極活物質層242に含まれる炭素材料の単位面積当たりの比表面積SMは特に限定されないが、例えば0.02m2/cm2〜0.024m2/cm2程度であり得る。上記範囲を満たす場合、ここで開示される構成(すなわち比表面積の比(SL/SM比))を好適に実現することができる。
Mass of the main negative electrode
The specific surface area S M per unit area of the carbon material contained in the main negative electrode
メイン負極活物質層242の多孔度(空隙率)は特に限定されないが、典型的には後述するLTO層244の多孔度(50体積%〜70体積%)よりも低く、例えば20体積%〜50体積%(好ましくは35体積%〜50体積%)程度であり得る。また、メイン負極活物質層242の片面当たりの平均厚みは、例えば40μm以上(典型的には50μm以上)であって、100μm以下(典型的には80μm以下)程度であり得る。また、メイン負極活物質層242の密度は、例えば0.5g/cm3〜2g/cm3(典型的には1g/cm3〜1.5g/cm3)程度であり得る。上記範囲を満たす場合、メイン負極活物質層242を緻密で導電性の高いものとし得、高いエネルギー密度や耐久性を実現し得る。また、メイン負極活物質層242内には適度な空隙が保持されるため、非水電解質との界面が好適に保たれ、さらに拡散抵抗を低く抑えることができる。したがって、エネルギー密度と入出力特性と耐久性(サイクル特性)とを高いレベルで両立し得る。メイン負極活物質層242の性状(多孔度、厚み、密度)は、例えば後述するプレス処理等によって調整することができる。
The porosity (porosity) of the main negative electrode
なお、層の平均厚みは、上述したマイクロメータや厚み計(例えばロータリーキャリパー計)等を用いた計測のほか、例えば電子顕微鏡(典型的にはSEM)観察によっても確認することができる。 The average thickness of the layer can be confirmed by, for example, observation using an electron microscope (typically SEM) in addition to the measurement using the above-described micrometer, thickness meter (for example, rotary caliper meter) or the like.
<LTO層244>
LTO層244は、リチウムチタン複合酸化物を主体とする。リチウムチタン複合酸化物の還元電位(vs. Li/Li+)は、非水溶媒等によっても若干変動するが凡そ1.5V〜1.6Vであり、他の負極活物質材料(典型的には炭素材料)に比べ高電位で電荷担体を吸蔵し得る。このため、ここで開示される構成の電池を充放電すると、LTO層244(具体的にはLTO層244に含まれるリチウムチタン複合酸化物の層間)を利用して、電荷担体が迅速に吸蔵及び放出され得る。これによって負極活物質層24のリチウム受け入れ性が向上し得、高い入出力特性を発揮し得る。さらに、電荷担体が金属となって負極活物質層24の表面に析出することを抑制し得、高い耐久性を発揮し得る。例えばリチウムイオン二次電池では、リチウムイオンがリチウムとなって負極活物質層24の表面に樹枝状(デンドライト状に)析出することを抑制し得、長期に渡り優れた電池性能を発揮し得る。
<
The
リチウムチタン複合酸化物としては、構成元素にリチウム元素(Li)とチタン元素(Ti)と酸素元素(O)を含む化合物であれば特に限定なく採用し得る。例えば、化学式:Li4Ti5O12、LiTi2O4、Li2Ti3O7等で示される酸化物が例示され、なかでもLi4Ti5O12で示されるスピネル構造を有するチタン酸リチウムを好ましく用いることができる。
ここで、リチウムチタン複合酸化物とは、Li、Tiを構成金属元素とする酸化物のほか、Li、Ti以外に他の少なくとも1種の金属元素(置換的な構成元素)を含む酸化物をも包含する意味である。かかる金属元素は、例えば、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ロジウム(Rh)、ニッケル(Ni)、パラジウム(Pb)、白金(Pt)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、ランタン(La)、セリウム(Ce)のうちの1種または2種以上であり得る。置換的な構成元素の割合は特に限定されないが、例えば当該置換元素とNiとTiとの合計100質量%に対し、10質量%以下とし得る。このようなリチウムチタン複合酸化物(典型的には粒子状)は、従来公知の方法で調製することができる。
Any lithium-titanium composite oxide can be used without particular limitation as long as it is a compound containing lithium element (Li), titanium element (Ti), and oxygen element (O) as constituent elements. For example, oxides represented by chemical formulas: Li 4 Ti 5 O 12 , LiTi 2 O 4 , Li 2 Ti 3 O 7 and the like are exemplified, and among them, lithium titanate having a spinel structure represented by Li 4 Ti 5 O 12 Can be preferably used.
Here, the lithium-titanium composite oxide is an oxide containing at least one other metal element (substituent constituent element) in addition to Li and Ti, in addition to an oxide containing Li and Ti as constituent metal elements. Is also meant to encompass. Such metal elements include, for example, magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), scandium (Sc), titanium (Ti), zirconium (Zr), vanadium (V), niobium (Nb), chromium (Cr ), Molybdenum (Mo), tungsten (W), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), rhodium (Rh), nickel (Ni), palladium (Pb), platinum (Pt), copper (Cu ), Zinc (Zn), boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn), lanthanum (La), cerium (Ce) 1) or two or more thereof. The ratio of the substitutional constituent element is not particularly limited, but may be, for example, 10% by mass or less with respect to the total of 100% by mass of the substitutional element, Ni, and Ti. Such a lithium titanium composite oxide (typically particulate) can be prepared by a conventionally known method.
リチウムチタン複合酸化物の比表面積は特に限定されないが、通常、1m2/g以上(典型的には2m2/g以上)であって、30m2/g以下(典型的には20m2/g以下、好ましくは10m2/g以下)であり得る。また、リチウムチタン複合酸化物の平均粒径は、例えば10μm以下(典型的には0.1μm以上10μm以下、好ましくは1μm以上5μm以下)であり得る。上記性状(比表面積、平均粒径)のうち1つまたは2つを満たすリチウムチタン複合酸化物は、ここで開示される構成(すなわちLTO層244の多孔度および比表面積の比(SL/SM比))を好適に実現し得る。すなわち、上記構成によればLTO層244内に適度な空隙を確保し得るため電荷担体が浸透し易く、負極集電体22近傍のメイン負極活物質層242まで電荷担体が好適に行き渡り易い。このため、負極活物質層24内の拡散抵抗を低く抑えることができ、負極活物質層24の反応性を向上し得る。また、上記構成によればLTO層244内に好適な導電経路(導電パス)を形成し得るため、高い入出力特性を実現し得る。
The specific surface area of the lithium-titanium composite oxide is not particularly limited, but is usually 1 m 2 / g or more (typically 2 m 2 / g or more) and 30 m 2 / g or less (typically 20 m 2 / g). Hereinafter, it may be preferably 10 m 2 / g or less. The average particle size of the lithium titanium composite oxide may be, for example, 10 μm or less (typically 0.1 μm to 10 μm, preferably 1 μm to 5 μm). The lithium-titanium composite oxide satisfying one or two of the above properties (specific surface area, average particle diameter) has a configuration disclosed herein (that is, the ratio of the porosity and specific surface area of the LTO layer 244 (S L / S M ratio)) can be suitably realized. That is, according to the above configuration, an appropriate void can be secured in the
LTO層244には、上記リチウムチタン複合酸化物に加え、一般的な非水電解質二次電池において負極活物質層の構成成分として使用され得る1種または2種以上の材料を、必要に応じて含有し得る。そのような材料として、例えばバインダや各種添加剤(分散剤、増粘剤、導電剤等)が挙げられる。バインダや各種添加剤は、例えばメイン負極活物質層242用として上述したものであり得る。好適な一態様では、メイン負極活物質層242とLTO層244とに同種のバインダを用いる。これにより、メイン負極活物質層242−LTO層244間の界面における密着性が高まり、負極活物質層24全体の抵抗をより一層低減することができる。また、好適な他の一態様では、LTO層244内に導電材を含んでいる。一般に、LTO層244の主成分であるリチウムチタン複合酸化物は、例えば低SOC領域(すなわち充電状態(State of Charge)の低い領域)において導電性が低下し易い傾向にある。このため、導電材を含むことで層内の導電性を向上させることができ、本発明の効果をより高いレベルで発揮することができる。
For the
LTO層244全体に占めるリチウムチタン複合酸化物は、凡そ50質量%以上とすることが適当であり、通常は90質量%〜99質量%(例えば90質量%〜95質量%)とすることが好ましい。導電材を使用する場合には、LTO層244全体に占める導電材の割合は例えば凡そ1質量%〜20質量%とすることができ、通常は凡そ1質量%〜10質量%とすることが好ましい。バインダを使用する場合には、LTO層244全体に占めるバインダの割合は例えば凡そ1質量%〜10質量%とすることができ、通常は凡そ1質量%〜5質量%とすることが好ましい。増粘剤や分散剤等の各種添加剤を使用する場合には、LTO層244全体に占める添加剤の割合は例えば凡そ1質量%〜10質量%とすることができ、通常は凡そ1質量%〜5質量%とすることが好ましい。
The lithium titanium composite oxide occupying the
負極集電体22の単位面積当たりに設けられるLTO層244の質量は、負極集電体22の片面当たり0.5mg/cm2〜10mg/cm2(典型的には0.5mg/cm2〜1.5mg/cm2)程度であり得る。なお、図4に示す実施形態のように負極集電体22の両面にメイン負極活物質層242およびLTO層244を有する構成では、負極集電体22の各々の面に設けられるLTO層244の質量を概ね同程度とすることが好ましい。
LTO層244の多孔度(空隙率)は、典型的にはメイン負極活物質層242の多孔度(20体積%〜50体積%)よりも高く、50体積%〜70体積%であり得る。多孔度を50体積%以上とすることで電荷担体が負極活物質層24に浸透し易くなり、負極活物質層24全体を効率よく使用し得る。このため、反応性や入出力特性を向上させることができる。また、多孔度を70体積%以下とすることでLTO層244内に好適な導電パスを形成し得、抵抗の増大を抑制し得る。加えて、負極活物質層24の形状を長期に渡り維持し得る、高い耐久性を実現し得る。
The porosity (porosity) of the
好ましい一態様では、LTO層244の平均厚みが、負極活物質層24全体の厚みを100%とした時に1%以上20%以下(例えば、5%以上10%以下)である。上記範囲にある場合、本発明の効果をより一層高いレベルで発揮し得る。すなわち、LTO層244の(片面当たりの)平均厚みは、例えば3μm以上(典型的には3.5μm以上、例えば4μm以上)であって、30μm以下(典型的には20μm以下)とすることが好ましい。また、LTO層244の密度は、例えば0.5g/cm3〜2g/cm3(典型的には1g/cm3〜1.5g/cm3)程度であり得る。なお、LTO層244の性状(多孔度、厚み、密度)は、例えば後述するプレス処理等によって調整することができる。
In a preferred embodiment, the average thickness of the
このような構造の負極20を作製する方法は特に限定されないが、例えば以下のようにして行い得る。先ず、(i)炭素材料と必要に応じて用いられる材料とを適当な溶媒に分散させたメイン負極活物質層形成用スラリー(ペースト状、インク状のものを包含する。以下同様。)と;(ii)リチウムチタン複合酸化物と必要に応じて用いられる材料とを適当な溶媒に分散させたLTO層形成用スラリーと;を、それぞれ調製する。上記溶媒としては水性溶媒および有機溶媒のいずれも使用可能であり、例えば水を用いることができる。
次に、長尺状の負極集電体22の片面または両面(ここでは両面)に、上記調製したメイン負極活物質層形成用スラリーを適当量塗布し乾燥させることにより、負極集電体と接するメイン負極活物質層242を形成する。次に、メイン負極活物質層242の片面または両面(ここでは両面)に、上記調製したLTO層形成用スラリーを適当量塗布し乾燥させることにより、LTO層244を形成する。好適な一態様では、上記メイン負極活物質層形成用スラリーの乾燥後、および/または、LTO層形成用スラリーの乾燥後に、適宜プレス処理(例えば、ロールプレス法、平板プレス法)を施すことによって、メイン負極活物質層242および/またはLTO層244の多孔度や厚み、密度を調整する。これにより、図4に示すような二層構造の負極活物質層24を有する負極20を得ることができる。
Although the method for producing the
Next, an appropriate amount of the prepared slurry for forming the main negative electrode active material layer is applied to one side or both sides (here, both sides) of the long negative electrode
なお、図4に示す例では、負極活物質層24は、メイン負極活物質層242およびLTO層244からなる二層構造の形態であるが、積層する層の数に限定はなく、本発明の効果を著しく悪化させない限りにおいて適宜増やすことができる。かかる場合、各層の構成材料(例えば負極活物質、バインダ、導電材等)やその構成比率等については、例えば既に上述したもののなかから適宜選択して用いることができる。
In the example shown in FIG. 4, the negative electrode
≪正極シート10≫
図3に示すように、正極シート10は、長尺状の正極集電体12と、該集電体の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って形成された正極活物質層14であって少なくとも正極活物質を含む正極活物質層14とを備えている。
正極集電体12としては、導電性の良好な金属(例えばアルミニウム、ニッケル等)からなる導電性部材が好ましく用いられる。
≪
As shown in FIG. 3, the
As the positive electrode
正極活物質としては、非水電解質二次電池の正極活物質として使用し得ることが知られている各種の材料の1種または2種以上を、特に限定なく採用し得る。好適例として、層状系、スピネル系等のリチウム複合金属酸化物(LiNiO2、LiCoO2、LiMn2O4、LiFeO2等)が挙げられる。なかでも、構成元素としてLi,Ni,CoおよびMnを含む、層状構造(典型的には、六方晶系に属する層状岩塩型構造)のリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(例えば、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)は、熱安定性に優れ、且つ他の化合物に比べて理論エネルギー密度が高いため好ましく用いることができる。 As the positive electrode active material, one or more of various materials known to be usable as a positive electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery can be employed without any particular limitation. Preferable examples include layered and spinel based lithium composite metal oxides (LiNiO 2 , LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFeO 2, etc.). Among them, lithium nickel cobalt manganese composite oxide (for example, LiNi 1/3 Co) having a layered structure (typically a layered rock salt structure belonging to a hexagonal system) containing Li, Ni, Co, and Mn as constituent elements. 1/3 Mn 1/3 O 2 ) is preferably used because it is excellent in thermal stability and has a higher theoretical energy density than other compounds.
正極活物質層14には、上記正極活物質に加え、一般的な非水電解質二次電池において正極活物質層の構成成分として使用され得る1種または2種以上の材料を必要に応じて含有し得る。そのような材料の例として、導電材やバインダが挙げられる。導電材としては、例えば、種々のカーボンブラック(典型的にはアセチレンブラック、ケッチェンブラック)、コークス、活性炭、黒鉛、炭素繊維、カーボンナノチューブ等の炭素材料を好適に採用し得る。また、バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリエチレンオキサイド(PEO)等のポリマー材料を好適に採用し得る。
The positive electrode
正極活物質層14全体に占める正極活物質の割合は、凡そ60質量%以上(典型的には60質量%〜99質量%)とすることが適当であり、通常は凡そ70質量%〜95質量%であることが好ましい。導電材を使用する場合、正極活物質層14全体に占める導電材の割合は、例えば凡そ2質量%〜20質量%とすることができ、通常は凡そ3質量%〜10質量%とすることが好ましい。バインダを使用する場合、正極活物質層14全体に占めるバインダの割合は、例えば凡そ0.5質量%〜10質量%とすることができ、通常は凡そ1質量%〜5質量%とすることが好ましい。
The proportion of the positive electrode active material in the entire positive electrode
正極集電体12の単位面積当たり設けられる正極活物質層14の質量は、正極集電体12の片面当たり5mg/cm2〜40mg/cm2(典型的には10mg/cm2〜20mg/cm2)程度であり得る。なお、この実施形態のように正極集電体12の両面に正極活物質層14を有する構成では、正極集電体12の各々の面に設けられる正極活物質層14の質量を概ね同程度とすることが好ましい。また、正極活物質層14の密度は、例えば1.5g/cm3〜4g/cm3(典型的には1.8g/cm3〜3g/cm3)程度であり得る。また、正極活物質層14の片面当たりの厚みは、例えば40μm以上(典型的には50μm以上)であって、100μm以下(典型的には80μm以下)とし得る。また、正極活物質層14の多孔度(空隙率)は、例えば5体積%〜40体積%(好ましくは20体積%〜40体積%)とし得る。正極活物質層24の性状を上記範囲とすることで、所望の容量を維持しつつ、抵抗を低く抑えることができる。このため、非水電解質二次電池の出力特性とエネルギー密度とを高いレベルで両立させることができる。正極活物質層24の性状(多孔度、厚み、密度)は、例えば後述するプレス処理によって調整することができる。
The mass of the positive electrode
このような構造の正極シート10を作製する方法は特に限定されないが、例えば以下のようにして行い得る。先ず、正極活物質と必要に応じて用いられる材料とを適当な溶媒に分散させた正極活物質層形成用スラリーを調製する。上記溶媒としては水性溶媒および有機溶媒のいずれも使用可能であり、例えばN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いることができる。次に、このスラリーを長尺状の正極集電体12の片面または両面(ここでは両面)に適当量塗布し、該組成物を乾燥させることにより、正極活物質層12を形成する。好適な一態様では、上記正極活物質層形成用スラリーの乾燥後、適宜プレス処理(例えば、ロールプレス法、平板プレス法)を施すことによって、正極活物質層の多孔度や厚み、密度を調整する。これにより、正極活物質層14を有する正極10(図3)を得ることができる。
Although the method for producing the
≪セパレータ40≫
図3に示すように、代表的な構成では、正極10と負極20との間にセパレータ40が介在される。セパレータを構成する材質としては、正極活物質層14と負極活物質層24とを絶縁するとともに非水電解質の保持機能やシャットダウン機能を有するものであればよい。好適例として、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂から成る多孔質樹脂シート(フィルム)が挙げられる。かかる多孔質樹脂シートは、単層構造であってもよく、二層以上の多層構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。セパレータの厚みは特に限定されないが、通常5μm〜50μm(典型的には10μm〜40μm、例えば10μm〜30μm)とし得る。また、固体状の電解質を用いた非水電解質二次電池(リチウムポリマー電池)では、上記電解質がセパレータを兼ねる構成としてもよい。
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As shown in FIG. 3, in a typical configuration, a
≪電池ケース50≫
電池ケース50の材質としては、例えば、アルミニウム、スチール等の金属材料;ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂材料;が挙げられる。なかでも、放熱性向上やエネルギー密度を高める目的から、比較的軽量な金属(例えばアルミニウムやアルミニウム合金)を好ましく採用し得る。また、電池ケース50の形状(容器の外形)は、例えば円形(円筒形、コイン形、ボタン形)、六面体形(直方体形、立方体形)、袋体形、およびそれらを加工し変形させた形状等であり得る。
Examples of the material of the
≪非水電解質≫
非水電解質としては、非水溶媒中に支持塩(例えば、リチウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩等。リチウムイオン二次電池ではリチウム塩。)を溶解または分散させたものを好ましく採用し得る。あるいは、液状の非水電解質にポリマーが添加され固体状(典型的には、いわゆるゲル状)となったものでもよい。支持塩としては、一般的な非水電解質二次電池と同様のものを適宜選択して採用し得、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、Li(CF3SO2)2N、LiCF3SO3等のリチウム塩を用いることができる。このような支持塩は、1種を単独で、または2種以上を組み合わせて用いることができる。特に好ましいリチウム塩としては、LiPF6が挙げられる。また、非水電解質は上記支持塩の濃度が0.7mol/L〜1.3mol/Lの範囲内となるように調製することが好ましい。
≪Nonaqueous electrolyte≫
As the nonaqueous electrolyte, a solution obtained by dissolving or dispersing a supporting salt (for example, lithium salt, sodium salt, magnesium salt, etc., or lithium salt in a lithium ion secondary battery) in a nonaqueous solvent can be preferably used. Alternatively, the liquid non-aqueous electrolyte may be added with a polymer to form a solid (typically a so-called gel). As the supporting salt, the same salt as that of a general nonaqueous electrolyte secondary battery can be appropriately selected and adopted. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N Lithium salts such as LiCF 3 SO 3 can be used. Such a supporting salt can be used singly or in combination of two or more. Particularly preferred lithium salts, LiPF 6 and the like. The nonaqueous electrolyte is preferably prepared so that the concentration of the supporting salt is in the range of 0.7 mol / L to 1.3 mol / L.
非水溶媒としては、一般的な非水電解質二次電池において非水電解液として用いられる各種のカーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の有機溶媒を、特に限定なく採用し得る。具体例として、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等が例示される。このような非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。さらに、非水電解質中には、本発明の目的を大きく損なわない限度で、各種添加剤を適宜添加することもできる。かかる添加剤は、例えば、電池の出力性能の向上、保存性の向上(保存中における容量低下の抑制等)、サイクル特性の向上、初期充放電効率の向上等の1または2以上の目的で使用され得る。好ましい添加剤の例として、フルオロリン酸塩(典型的にはジフルオロリン酸塩、例えばジフルオロリン酸リチウム)、リチウムビスオキサレートボレート(LiBOB)、ビニレンカーボネート(VC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)等が挙げられる。 As the non-aqueous solvent, organic solvents such as various carbonates, ethers, esters, nitriles, sulfones, and lactones used as non-aqueous electrolytes in general non-aqueous electrolyte secondary batteries are particularly limited. It can be adopted without. Specific examples include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC) and the like. Such a non-aqueous solvent can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types as appropriate. Furthermore, various additives can be appropriately added to the non-aqueous electrolyte as long as the object of the present invention is not significantly impaired. Such additives are used for one or more purposes such as, for example, improvement of battery output performance, improvement of storage stability (inhibition of capacity decrease during storage, etc.), improvement of cycle characteristics, improvement of initial charge / discharge efficiency, etc. Can be done. Examples of preferred additives include fluorophosphates (typically difluorophosphates such as lithium difluorophosphate), lithium bisoxalate borate (LiBOB), vinylene carbonate (VC), fluoroethylene carbonate (FEC), etc. Is mentioned.
ここで開示される非水電解質二次電池は各種用途に利用可能であるが、より広い温度域において、優れた電池性能を発揮し得ることを特徴とする。従って、広範な温度域において、高いエネルギー密度や入出力密度が要求される用途で好ましく用いることができる。かかる用途としては、例えば車両に搭載されるモーター用の動力源(駆動用電源)が挙げられる。車両の種類は特に限定されないが、例えばプラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)、電気自動車(EV)、電気トラック、原動機付自転車、電動アシスト自転車、電動車いす、電気鉄道等が挙げられる。なお、かかる非水電解質二次電池は、それらの複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態で使用されてもよい。 The non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed here can be used for various applications, but is characterized in that it can exhibit excellent battery performance in a wider temperature range. Therefore, it can be preferably used in applications requiring high energy density and input / output density in a wide temperature range. As such an application, for example, a power source (drive power source) for a motor mounted on a vehicle can be cited. The type of vehicle is not particularly limited, and examples include plug-in hybrid vehicles (PHV), hybrid vehicles (HV), electric vehicles (EV), electric trucks, motorbikes, electric assist bicycles, electric wheelchairs, electric railways, and the like. . Such a non-aqueous electrolyte secondary battery may be used in the form of an assembled battery formed by connecting a plurality of them in series and / or in parallel.
以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 EXAMPLES Examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.
[非水電解質二次電池の構築]
<正極の作製>
正極活物質としてのLi[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2粉末(LNCM)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)とを、これらの材料の質量比がLNCM:PVdF:AB=94:3:3となり、且つ固形分濃度が約50質量%となるようにN−メチルピロリドン(NMP)と混合して、正極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、厚み凡そ15μmの長尺状アルミニウム箔(正極集電体)の片面に、目付量が10mg/cm2(固形分基準)となるようにローラコート法で帯状に塗布して乾燥(乾燥温度120℃、1分間)することにより、正極活物質層を形成した。これをロールプレス機で圧延し、厚みが凡そ32.5μmで密度が2.9g/cm3の正極活物質層を正極集電体の片面に備えた正極シート(総厚み47.5μm)を得た。そして、上記正極シートを、正極活物質層(凡そ40mm×40mm)と、該正極活物質層の非形成部(タブ)とを備えた形状で切り出した。
[Construction of non-aqueous electrolyte secondary battery]
<Preparation of positive electrode>
Li [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ] O 2 powder (LNCM) as a positive electrode active material, polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder, and acetylene black (AB) as a conductive material The positive electrode active material layer is mixed with N-methylpyrrolidone (NMP) so that the mass ratio of these materials is LNCM: PVdF: AB = 94: 3: 3 and the solid content concentration is about 50 mass%. A forming slurry was prepared. This slurry was applied to one side of a long aluminum foil (positive electrode current collector) having a thickness of about 15 μm in a belt shape by a roller coating method so as to have a basis weight of 10 mg / cm 2 (solid content basis) and dried ( The positive electrode active material layer was formed by performing a drying temperature of 120 ° C. for 1 minute. This was rolled with a roll press to obtain a positive electrode sheet (total thickness 47.5 μm) having a positive electrode active material layer having a thickness of about 32.5 μm and a density of 2.9 g / cm 3 on one side of the positive electrode current collector. It was. And the said positive electrode sheet was cut out in the shape provided with the positive electrode active material layer (about 40 mm x 40 mm) and the non-formation part (tab) of this positive electrode active material layer.
<負極の作製>
まず、負極活物質としての天然黒鉛粉末(C)と、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、これらの材料の質量比がC:SBR:CMC=98:1:1となり、且つ固形分濃度が約45質量%となるようにイオン交換水と混合して、メイン負極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、厚み凡そ10μmの長尺状銅箔(負極集電体)の片面に、表1の例1〜例27に示す目付量(固形分基準)となるようにローラコート法で帯状に塗布して乾燥(乾燥温度120℃、1分間)することにより、メイン負極活物質層を形成した。これをロールプレス機で圧延することによって、メイン負極活物質層の性状を調整した。得られたメイン負極活物質層の性状を既に上述した手法により測定し、その結果を表1の『平均厚み』、『比表面積SM』、『多孔度』の欄にそれぞれ示す。なお、かかる値は負極集電体の片面のみにメイン負極活物質層を設けた場合の値である。
<Production of negative electrode>
First, natural graphite powder (C) as a negative electrode active material, styrene butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener, the mass ratio of these materials is C: SBR: A main negative electrode active material layer forming slurry was prepared by mixing with ion-exchanged water so that CMC = 98: 1: 1 and the solid content concentration was about 45 mass%. This slurry is formed into a strip shape by a roller coating method on one side of a long copper foil (negative electrode current collector) having a thickness of about 10 μm so as to have a basis weight (based on solid content) shown in Examples 1 to 27 in Table 1. The main negative electrode active material layer was formed by applying and drying (drying temperature 120 ° C., 1 minute). The property of the main negative electrode active material layer was adjusted by rolling this with a roll press. The properties of the obtained main negative electrode active material layer were measured by the method described above, and the results are shown in the columns of “average thickness”, “specific surface area S M ”, and “porosity” in Table 1, respectively. This value is a value when the main negative electrode active material layer is provided only on one surface of the negative electrode current collector.
次に、負極活物質としてのチタン酸リチウム(LTO:Li4/3Ti5/3O4)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、これらの材料の質量比がLTO:AB:SBR:CMC=93:5:1:1となり、且つ固形分濃度が約45質量%となるようにイオン交換水と混合して、LTO層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、上記形成したメイン負極活物質層の表面に、表1の例1〜例27に示す目付量(固形分基準)となるようにローラコート法で帯状に塗布して乾燥(乾燥温度120℃、1分間)することにより、LTO層を形成した。これをロールプレス機で圧延することによって、LTO層の性状を調整した。これにより、負極集電体の片面に負極活物質層を備えた負極シートを得た。なお、負極活物質層は、例1〜例26ではメイン負極活物質層とLTO層との二層構造であり、例27ではメイン負極活物質層のみの単層構造である。そして、上記負極シートを、負極活物質層(凡そ45mm×45mm)と、該負極活物質層の非形成部(タブ)とを備えた形状で切り出した。
また、上記調製したスラリーを別途負極集電体上に塗布してLTO層を形成し、LTO層の性状を既に上述した手法により測定した。その結果を表1の『平均厚み』、『単位面積当たりの比表面積(SL)』、『多孔度』の欄にそれぞれ示す。また、LTO層に含まれるリチウムチタン複合酸化物の単位面積当たりの比表面積(SL)を、メイン負極活物質層に含まれる炭素材料の単位面積当たりの比表面積(SM)で除した値(すなわちSL/SM比)を、併せて表1の該当欄に示す。
Next, lithium titanate (LTO: Li 4/3 Ti 5/3 O 4 ) as the negative electrode active material, acetylene black (AB) as the conductive material, styrene butadiene rubber (SBR) as the binder, Carboxymethylcellulose (CMC) as a sticking agent is ionized so that the mass ratio of these materials is LTO: AB: SBR: CMC = 93: 5: 1: 1 and the solid content concentration is about 45 mass%. The slurry for LTO layer formation was prepared by mixing with exchange water. This slurry was applied to the surface of the formed main negative electrode active material layer in a belt shape by a roller coating method so as to have a basis weight (based on solid content) shown in Examples 1 to 27 of Table 1 and dried (drying temperature). (120 ° C., 1 minute) to form an LTO layer. The properties of the LTO layer were adjusted by rolling this with a roll press. This obtained the negative electrode sheet | seat provided with the negative electrode active material layer on the single side | surface of the negative electrode collector. The negative electrode active material layer has a two-layer structure including a main negative electrode active material layer and an LTO layer in Examples 1 to 26, and in Example 27 has a single-layer structure including only the main negative electrode active material layer. And the said negative electrode sheet was cut out in the shape provided with the negative electrode active material layer (about 45 mm x 45 mm) and the non-formation part (tab) of this negative electrode active material layer.
Moreover, the prepared slurry was separately applied on a negative electrode current collector to form an LTO layer, and the properties of the LTO layer were measured by the method described above. The results are shown in the columns of “average thickness”, “specific surface area per unit area (S L )”, and “porosity” in Table 1. Further, a value obtained by dividing the specific surface area (S L ) per unit area of the lithium titanium composite oxide contained in the LTO layer by the specific surface area (S M ) per unit area of the carbon material contained in the main negative electrode active material layer (Ie, S L / SM ratio) is also shown in the corresponding column of Table 1.
<リチウムイオン二次電池の構築>
上記切り出した正極シートと負極シートとを、セパレータ(ここでは、厚さ20μm、大きさ47mm×47mm、ポリプロピレン(PP)/ポリエチレン(PE)/ポリプロピレン(PP)の3層構造多孔質シートを用いた。)を介して対面に配置し、電極体を作製した。そして、該電極体の正極集電体の端部に正極端子を、負極集電体の端部に負極端子を溶接により其々接合した。かかる電極体をラミネートシートに収容し、非水電解質(ここでは、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを3:3:4の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6を凡そ1.0mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。)を注液した。そして真空に引きながら、ラミネートシートを熱融着して、ラミネートシート型のリチウムイオン二次電池(例1〜例27)を構築した。この電池を2枚のガラス板とクリップを用いて挟み込み、活物質層の対向部を加圧した状態で以下の試験に供した。
<Construction of lithium ion secondary battery>
The cut out positive electrode sheet and negative electrode sheet were separated using a separator (here, a thickness of 20 μm, a size of 47 mm × 47 mm, a three-layer structure porous sheet of polypropylene (PP) / polyethylene (PE) / polypropylene (PP)). )) To face each other to produce an electrode body. And the positive electrode terminal was joined to the edge part of the positive electrode collector of this electrode body, and the negative electrode terminal was joined to the edge part of the negative electrode collector, respectively. Such an electrode body is accommodated in a laminate sheet, and a non-aqueous electrolyte (here, a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 3: 3: 4). Then, LiPF 6 as a supporting salt dissolved in a concentration of about 1.0 mol / L was used. Then, the laminate sheet was heat-sealed while being evacuated to construct a laminate sheet type lithium ion secondary battery (Examples 1 to 27). This battery was sandwiched between two glass plates and a clip, and subjected to the following test in a state where the facing portion of the active material layer was pressurized.
<コンディショニング>
上記構築した電池に対し、以下の手順1、2に従ってコンディショニングを施した。
[手順1]:1Cの定電流充電にて4.1Vに到達した後、5分間休止する。
[手順2]:手順1の後、定電圧充電にて1.5時間充電し、5分間休止する。
<Conditioning>
The battery thus constructed was conditioned according to the following procedures 1 and 2.
[Procedure 1] After reaching 4.1 V by constant current charging at 1 C, pause for 5 minutes.
[Procedure 2]: After Procedure 1, the battery is charged with constant voltage charging for 1.5 hours and rests for 5 minutes.
<定格容量(初期容量)の測定>
上記コンディショニング後の電池について、温度25℃、3.0Vから4.1Vの電圧範囲で、以下の手順1〜3に従って定格容量を測定した。
[手順1]:1Cの定電流放電によって3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10秒間休止する。
[手順2]:1Cの定電流充電によって4.1Vに到達後、定電圧充電にて2.5時間充電し、その後、10秒間休止する。
[手順3]:0.5Cの定電流放電によって、3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10秒間停止する。
そして、手順3における定電流放電から定電圧放電に至る放電における放電容量(CCCV放電容量)を定格容量とした。例1〜例27の電池は、全て定格容量が凡そ25mAhであることを確認した。
<Measurement of rated capacity (initial capacity)>
About the battery after the said conditioning, the rated capacity was measured in the voltage range of the temperature of 25 degreeC and 3.0V to 4.1V according to the following procedures 1-3.
[Procedure 1] After reaching 3.0 V by constant current discharge of 1 C, discharge by constant voltage discharge for 2 hours, and then rest for 10 seconds.
[Procedure 2] After reaching 4.1 V by constant current charging at 1 C, charging is performed for 2.5 hours by constant voltage charging, and then paused for 10 seconds.
[Procedure 3]: After reaching 3.0 V by constant current discharge of 0.5 C, discharge at constant voltage discharge for 2 hours, and then stop for 10 seconds.
And the discharge capacity (CCCV discharge capacity) in the discharge from the constant current discharge in the procedure 3 to the constant voltage discharge was made into the rated capacity. The batteries of Examples 1 to 27 were all confirmed to have a rated capacity of about 25 mAh.
<入力IV抵抗測定>
次に、入力IV抵抗測定を行った。具体的には、先ず25℃の環境下において、完全に放電状態(SOC0%)の状態の電池を0.2C(5mA)の定電流で充電し、SOC60%の充電状態に調整した。そして、このときの電圧値を初期電圧(V0)とした。次に、0℃の環境下において、10C(250mA)の定電流で30秒間のパルス電流印加を行い、30秒後の電池電圧(V1)を測定した。この試験における電流値と電圧値の変化を図5に模式的に示す。そして、30秒後の電池電圧(V1)から初期電圧(V0)を差し引いて、入力電流の値(250mA)で除すことにより、入力側のIV抵抗を測定した。結果を、表1の該当欄および図6に示す。なお、表1中の(A)〜(F)のアルファベットは、図6中の対応するグラフを示している。
<Input IV resistance measurement>
Next, input IV resistance measurement was performed. Specifically, first, a battery in a completely discharged state (SOC 0%) was charged at a constant current of 0.2 C (5 mA) in an environment of 25 ° C. and adjusted to a charged state of
先ず、LTO層の好適な多孔度について検討する。ここでは、図6の(B)のグラフに示す例6〜例10に係る結果を代表例として説明する。表1に示すように、LTO層の多孔度を40体積%とした例6の電池では、LTO層を形成しなかった例27の電池に比べて入力側のIV抵抗が増加した。この原因としては、LTO層の多孔度が低すぎるため、リチウムイオンがメイン負極活物質層まで十分に行き渡らず、反応性の高いLTO層に集中したことが考えられる。すなわち、LTO層に電流が集中したため、時間の経過とともに負極活物質層内に分極を生じたことが考えられる。これに対し、例7〜例9の電池では、IV抵抗が低く、リチウムイオンの受け入れ性が向上していた。これは、LTO層の多孔度を50体積%以上とすることで、リチウムイオンがメイン負極活物質層まで十分に拡散し、負極活物質層内でイオンの分配が良好に行われたためと考えられる。また、LTO層の多孔度が70%を過ぎるとIV抵抗は再び増加の方向に転じ、例10の電池(LTO層の多孔度80%)では、LTO層を形成しなかった例27の電池よりもIV抵抗が高くなった。この原因としては、多孔度が高すぎたためにLTO層内の導電ネットワークが不十分となり、電子伝導性が低下したためと考えられる。かかる結果は、本発明の技術的意義を示すものである。
First, a suitable porosity of the LTO layer will be examined. Here, the results according to Examples 6 to 10 shown in the graph of FIG. 6B will be described as representative examples. As shown in Table 1, in the battery of Example 6 in which the porosity of the LTO layer was 40% by volume, the IV resistance on the input side increased as compared with the battery of Example 27 in which the LTO layer was not formed. This is probably because the porosity of the LTO layer is too low, so that lithium ions did not reach the main negative electrode active material layer sufficiently and concentrated in the highly reactive LTO layer. That is, it is conceivable that since the current was concentrated in the LTO layer, polarization occurred in the negative electrode active material layer over time. On the other hand, in the batteries of Examples 7 to 9, the IV resistance was low and the acceptability of lithium ions was improved. This is considered to be because when the porosity of the LTO layer was 50% by volume or more, lithium ions were sufficiently diffused to the main negative electrode active material layer, and ions were distributed well in the negative electrode active material layer. . In addition, when the porosity of the LTO layer exceeded 70%, the IV resistance started to increase again, and the battery of Example 10 (porosity of the
次に、比表面積の比(すなわちSL/SM比)、すなわち(A)〜(F)のグラフの関係について検討する。表1および図6に示すように、SL/SM比が0.047だった(E)のグラフ(例21〜例23)では、十分なリチウム受け入れ性の効果が発揮されていなかった。これは、SL/SM比(すなわち、メイン負極活物質層に含まれる炭素材料の比表面積に対する、LTO層に含まれるリチウムチタン複合酸化物の比表面積。)が小さすぎたため、LTO層形成の効果が小さかったことが考えられる。また、SL/SM比が0.25だった(F)のグラフ(例24〜例26)では、リチウムチタン複合酸化物の比表面積が大きすぎたために、上記と同様にLTO層へリチウムイオンが集中し、十分なリチウム受け入れ性の効果が発揮されていなかった。かかる結果は、本発明の技術的意義を示すものである。 Next, the relationship between the specific surface area ratios (namely, the S L / SM ratio), that is, the graphs of (A) to (F) will be examined. As shown in Table 1 and FIG. 6, S L / S M ratio in the graph (Example 21 to Example 23) of was 0.047 (E), sufficient lithium acceptance of the effect has not been demonstrated. This is because the S L / SM ratio (that is, the specific surface area of the lithium-titanium composite oxide contained in the LTO layer relative to the specific surface area of the carbon material contained in the main negative electrode active material layer) was too small. It is conceivable that the effect of was small. Further, in the graph of (F) (Example 24 to Example 26) in which the S L / SM ratio was 0.25, the specific surface area of the lithium titanium composite oxide was too large. Ions were concentrated and sufficient lithium-accepting effect was not exhibited. This result shows the technical significance of the present invention.
以上のように、ここで開示される構成によれば、負極活物質層全体の反応性を向上させることができ、エネルギー密度や入出力密度、耐久性に優れた非水電解質二次電池を実現し得る。 As described above, according to the configuration disclosed herein, the reactivity of the entire negative electrode active material layer can be improved, and a nonaqueous electrolyte secondary battery excellent in energy density, input / output density, and durability is realized. Can do.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
10 正極シート
12 正極集電体
14 正極活物質層
20 負極シート
22 負極集電体
24 負極活物質層
242 メイン負極活物質層
244 LTO層
40 セパレータシート
50 電池ケース
52 ケース本体
54 蓋体
55 安全弁
70 正極端子
72 負極端子
80 捲回電極体
100 非水電解質二次電池
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記負極は、負極集電体と、該集電体上に形成された負極活物質層と、を備え、
前記負極活物質層は、少なくとも(i)前記負極集電体表面に形成され、且つ炭素材料を主体とするメイン負極活物質層と、(ii)該メイン負極活物質層上に形成され、且つリチウムチタン複合酸化物を主体とするLTO層と、を備え、
ここで、前記LTO層の多孔度は50体積%以上70体積%以下であり、
前記メイン負極活物質層に含まれる前記炭素材料の単位面積当たりの比表面積SM(m2/cm2)に対する、前記LTO層に含まれる前記リチウムチタン複合酸化物の単位面積当たりの比表面積SL(m2/cm2)の比(SL/SM)が、0.065以上0.2以下であることを特徴とする、非水電解質二次電池。 A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte,
The negative electrode comprises a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer formed on the current collector,
The negative electrode active material layer includes at least (i) a main negative electrode active material layer formed on the surface of the negative electrode current collector and mainly composed of a carbon material; and (ii) formed on the main negative electrode active material layer; An LTO layer mainly composed of lithium titanium composite oxide,
Here, the porosity of the LTO layer is 50% by volume or more and 70% by volume or less,
The specific surface area S per unit area of the lithium titanium composite oxide contained in the LTO layer relative to the specific surface area S M (m 2 / cm 2 ) per unit area of the carbon material contained in the main negative electrode active material layer A nonaqueous electrolyte secondary battery, wherein a ratio of L (m 2 / cm 2 ) (S L / S M ) is 0.065 or more and 0.2 or less.
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