JP7228113B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解液二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.
近年、リチウム二次電池等の非水電解液二次電池は、パソコン、携帯端末等のポータブル電源や、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両駆動用電源などに好適に用いられている。 In recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium secondary batteries have been used as portable power sources for personal computers, mobile terminals, etc., and for driving vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HV), and plug-in hybrid vehicles (PHV). It is suitable for use as a power source for electric appliances.
非水電解液二次電池においては、正極活物質層にリン酸三リチウム(Li3PO4)を添加する技術が知られている(例えば、特許文献1および2参照)。Li3PO4は、非水電解液の分解によって生じた酸(例えばフッ化水素(HF))を捕捉する機能を有し、酸との反応成分が負極活物質表面において被膜を形成する。この機能により、特許文献1には、非水電解液二次電池の耐久性を向上させることができることが記載されており、特許文献2には、過充電時の発熱を抑制することができることが記載されている。 In a non-aqueous electrolyte secondary battery, a technique of adding trilithium phosphate (Li 3 PO 4 ) to a positive electrode active material layer is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Li 3 PO 4 has a function of capturing acid (for example, hydrogen fluoride (HF)) generated by decomposition of the non-aqueous electrolyte, and components reacting with the acid form a film on the surface of the negative electrode active material. Patent Document 1 describes that this function can improve the durability of the non-aqueous electrolyte secondary battery, and Patent Document 2 describes that heat generation during overcharging can be suppressed. Are listed.
しかしながら、本発明者が鋭意検討した結果、従来の正極活物質層にLi3PO4が添加された非水電解液二次電池においては、過充電時の発熱抑制性能と、高温保存時の劣化耐性について改善の余地があることを見出した。 However, as a result of extensive studies by the present inventors, it was found that in a conventional non-aqueous electrolyte secondary battery in which Li 3 PO 4 was added to the positive electrode active material layer, the performance of suppressing heat generation during overcharge and deterioration during high-temperature storage It was found that there is room for improvement in terms of resistance.
そこで本発明は、正極活物質層にLi3PO4が添加された非水電解液二次電池であって、過充電時の発熱抑制性能と、高温保存時の劣化耐性とが共に優れる非水電解液二次電池を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a non-aqueous electrolyte secondary battery in which Li 3 PO 4 is added to a positive electrode active material layer, which is excellent in both heat generation suppression performance during overcharge and deterioration resistance during high-temperature storage. An object of the present invention is to provide an electrolyte secondary battery.
ここに開示される非水電解液二次電池は、正極と、負極と、非水電解液と、を備える。前記正極は、正極活物質層を有する。前記正極活物質層は、正極活物質と、Li3PO4と、導電材と、バインダとを含有する。前記正極活物質は、層状構造を有するリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物であり、前記正極活物質層中の前記正極活物質の含有量が、70質量%以上である。前記導電材はアセチレンブラックであり、前記正極活物質層中の前記導電材の含有量が、3質量%以上13質量%以下である。前記バインダは、ポリフッ化ビニリデンであり、前記正極活物質層中の前記バインダの含有量は、2質量%以上10質量%以下である。前記負極は、負極活物質を含有する負極活物質層を有し、前記負極活物質は、天然黒鉛である。レーザ回折散乱法による体積頻度粒度分布測定における累積値が10%となる粒子径をD10、50%となる粒子径をD50、90%となる粒子径をD90としたときに、下記式(1)で表される比の値が、0.28以上0.4以下である。
〔{正極活物質のD90(μm)-正極活物質のD10(μm)}/正極活物質のD50(μm)〕/{Li3PO4の比表面積(m2/g)×Li3PO4のD50(μm)×正極活物質に対するLi3PO4の含有割合(質量%)} ・・・(1)
このような構成によれば、正極活物質層にLi3PO4が添加された非水電解液二次電池であって、過充電時の発熱抑制性能と、高温保存時の劣化耐性とが共に優れる非水電解液二次電池を提供することができる。
A non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein includes a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. The positive electrode has a positive electrode active material layer. The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material, Li 3 PO 4 , a conductive material, and a binder . The positive electrode active material is a lithium-nickel-manganese-cobalt-based composite oxide having a layered structure, and the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is 70% by mass or more. The conductive material is acetylene black, and the content of the conductive material in the positive electrode active material layer is 3% by mass or more and 13% by mass or less. The binder is polyvinylidene fluoride, and the content of the binder in the positive electrode active material layer is 2% by mass or more and 10% by mass or less. The negative electrode has a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and the negative electrode active material is natural graphite. When the particle diameter at which the cumulative value in the volume frequency particle size distribution measurement by the laser diffraction scattering method is 10% is D10, the particle diameter at which 50% is D50, and the particle diameter at which 90% is D90, the following formula (1) is 0.28 or more and 0.4 or less.
[{D90 (μm) of positive electrode active material − D10 (μm) of positive electrode active material}/D50 (μm) of positive electrode active material]/{specific surface area of Li 3 PO 4 (m 2 /g)×Li 3 PO 4 D50 (μm) of × content ratio of Li 3 PO 4 with respect to positive electrode active material (% by mass)} (1)
According to such a configuration, the non-aqueous electrolyte secondary battery in which Li 3 PO 4 is added to the positive electrode active material layer has both heat generation suppression performance during overcharge and deterioration resistance during high temperature storage. An excellent non-aqueous electrolyte secondary battery can be provided.
以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。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(例えば、本発明を特徴付けない非水電解液二次電池の一般的な構成および製造プロセス)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。また、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。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. Matters other than those specifically mentioned in this specification that are necessary for the implementation of the present invention (for example, the general configuration and manufacturing process of non-aqueous electrolyte secondary batteries that do not characterize the present invention ) can be grasped as a design matter of a person skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be implemented based on the contents disclosed in this specification and common general technical knowledge in the field. Further, in the following drawings, members and portions having the same function are denoted by the same reference numerals. Also, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect the actual dimensional relationships.
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、いわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。
また、「非水電解液二次電池」とは、非水電解液(典型的には、非水溶媒中に支持電解液を含む非水電解液)を備え、電荷担体としてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。
In this specification, the term "secondary battery" generally refers to an electricity storage device that can be repeatedly charged and discharged, and includes so-called storage batteries and electricity storage elements such as electric double layer capacitors.
In addition, a "non-aqueous electrolyte secondary battery" includes a non-aqueous electrolyte (typically, a non-aqueous electrolyte containing a supporting electrolyte in a non-aqueous solvent) and uses lithium ions as charge carriers. , a secondary battery in which charging and discharging are realized by the movement of electric charges accompanying lithium ions between the positive and negative electrodes.
以下、扁平形状の捲回電極体と扁平形状の電池ケースとを有する扁平角型の非水電解液二次電池を例にして、本発明について詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail by taking as an example a flat prismatic non-aqueous electrolyte secondary battery having a flat wound electrode assembly and a flat battery case. It is not intended to be limited to what has been described.
図1に示すリチウム二次電池100は、扁平形状の捲回電極体20と非水電解液(図示せず)とが扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)30に収容されることにより構築される密閉型電池である。電池ケース30には外部接続用の正極端子42および負極端子44と、電池ケース30の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように設定された薄肉の安全弁36が設けられている。また、電池ケース30には、非水電解液を注入するための注入口(図示せず)が設けられている。正極端子42は、正極集電板42aと電気的に接続されている。負極端子44は、負極集電板44aと電気的に接続されている。電池ケース30の材質としては、例えば、アルミニウム等の軽量で熱伝導性の良い金属材料が用いられる。
The lithium
捲回電極体20は、図1および図2に示すように、長尺状の正極集電体52の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って正極活物質層54が形成された正極シート50と、長尺状の負極集電体62の片面または両面(ここでは両面)に長手方向に沿って負極活物質層64が形成された負極シート60とが、2枚の長尺状のセパレータシート70を介して重ね合わされて長手方向に捲回された形態を有する。なお、捲回電極体20の捲回軸方向(即ち、上記長手方向に直交するシート幅方向)の両端から外方にはみ出すように形成された正極活物質層非形成部分52a(即ち、正極活物質層54が形成されずに正極集電体52が露出した部分)と負極活物質層非形成部分62a(即ち、負極活物質層64が形成されずに負極集電体62が露出した部分)には、それぞれ正極集電板42aおよび負極集電板44aが接合されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
正極シート50を構成する正極集電体52としては、例えばアルミニウム箔等が挙げられる。
正極活物質層54は、正極活物質と、Li3PO4とを含有する。
正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な材料が用いられ、従来からリチウム二次電池に用いられる物質(例えば層状構造の酸化物やスピネル構造の酸化物)の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。正極活物質の例としては、リチウムニッケル系複合酸化物、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルマンガン系複合酸化物(例、LiNi0.5Mn1.5O4)、リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物(例、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)等のリチウム含有遷移金属酸化物が挙げられる。正極活物質としては、作動電位が4.3V(vs.Li/Li+)未満のものが好ましく、層状構造を有するリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物(特に、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)がより好ましい。正極活物質の含有量は、正極活物質層54中(すなわち、正極活物質層54の全質量に対し)70質量%以上が好ましい。
Examples of the positive electrode
The positive electrode
As the positive electrode active material, a material capable of intercalating and deintercalating lithium ions is used, and one or more of the materials conventionally used in lithium secondary batteries (for example, oxides with a layered structure and oxides with a spinel structure) are used. It can be used without any particular limitation. Examples of positive electrode active materials include lithium-nickel-based composite oxides, lithium-cobalt-based composite oxides, lithium-manganese-based composite oxides, and lithium-nickel-manganese-based composite oxides (eg, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 ). , lithium-nickel-manganese-cobalt-based composite oxides (eg, LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 ) and other lithium-containing transition metal oxides. As the positive electrode active material, one having an operating potential of less than 4.3 V (vs. Li/Li + ) is preferable, and a lithium-nickel-manganese-cobalt-based composite oxide having a layered structure (in particular, LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 ) is more preferred. The content of the positive electrode active material is preferably 70% by mass or more in the positive electrode active material layer 54 (that is, with respect to the total mass of the positive electrode active material layer 54).
正極活物質層54は、正極活物質およびLi3PO4以外の成分を含み得る。その例としては、導電材、バインダ等が挙げられる。
導電材としては、例えばアセチレンブラック(AB)等のカーボンブラックやその他(例、グラファイト等)の炭素材料を好適に使用し得る。正極活物質層54中の導電材の含有量は、1質量%以上15質量%以下が好ましく、3質量%以上13質量%以下がより好ましい。
バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)等を使用し得る。正極活物質層54中のバインダの含有量は、1質量%以上15質量%以下が好ましく、2質量%以上10質量%以下がより好ましい。
The positive electrode
Carbon black such as acetylene black (AB) and other carbon materials (eg, graphite) can be suitably used as the conductive material. The content of the conductive material in the positive electrode
As the binder, for example, polyvinylidene fluoride (PVdF) or the like can be used. The content of the binder in the positive electrode
正極活物質の粒度分布が広いほど、構造安定性の低い正極活物質が混入し、それによって熱安定性が低下して過充電時の発熱量が大きくなると考えられる。そのため、正極活物質由来の発熱量を考慮して、正極活物質の粒度分布について留意することが重要であると考えられる。一方で、Li3PO4の発熱抑制効果をより高度に発揮させるためには、Li3PO4の粒子としての物性と、添加量について留意することが重要であると考えられる。他方で、高温保存時の容量劣化耐性とのバランスを考慮することも重要であると考えられる。 It is considered that the wider the particle size distribution of the positive electrode active material is, the more the positive electrode active material with low structural stability is mixed in, thereby lowering the thermal stability and increasing the amount of heat generated during overcharge. Therefore, it is considered important to pay attention to the particle size distribution of the positive electrode active material in consideration of the amount of heat generated from the positive electrode active material. On the other hand, in order to exhibit the heat generation suppressing effect of Li 3 PO 4 to a higher degree, it is considered important to pay attention to the physical properties of Li 3 PO 4 as particles and the addition amount. On the other hand, it is also important to consider the balance with resistance to capacity deterioration during high-temperature storage.
そこで、本実施形態においては、正極活物質の粒度分布と、Li3PO4の比表面積、粒子径および配合割合との関係を規定している。すなわち、レーザ回折散乱法による体積頻度粒度分布測定における累積値が10%となる粒子径をD10、50%となる粒子径をD50、90%となる粒子径をD90としたときに、下記式(1)で表される比の値が、0.28以上0.4以下である。
〔{正極活物質のD90(μm)-正極活物質のD10(μm)}/正極活物質のD50(μm)〕/{Li3PO4の比表面積(m2/g)×Li3PO4のD50(μm)×正極活物質に対するLi3PO4の含有割合(質量%)} ・・・(1)
Therefore, in the present embodiment, the relationship between the particle size distribution of the positive electrode active material and the specific surface area, particle size and mixing ratio of Li 3 PO 4 is defined. That is, when the particle diameter at which the cumulative value in the volume frequency particle size distribution measurement by the laser diffraction scattering method is 10% is D10, the particle diameter at which the cumulative value is 50% is D50, and the particle diameter at which the cumulative value is 90% is D90, the following formula ( The value of the ratio represented by 1) is 0.28 or more and 0.4 or less.
[{D90 (μm) of positive electrode active material − D10 (μm) of positive electrode active material}/D50 (μm) of positive electrode active material]/{specific surface area of Li 3 PO 4 (m 2 /g)×Li 3 PO 4 D50 (μm) of × content ratio of Li 3 PO 4 with respect to positive electrode active material (% by mass)} (1)
後述の実験結果により実証されているように、上記式(1)で表される比の値が0.28以上0.4以下であることにより、優れた過充電時の発熱抑制性能と、優れた高温保存時の劣化耐性とを両立させることができる。
具体的には、上記式(1)で表される比の値が0.28未満だと、高温保存時の劣化耐性が低下する。一方、上記式(1)で表される比の値が0.4を超えると、過充電時の発熱抑制性能が低下する。
As demonstrated by the experimental results described later, when the value of the ratio represented by the above formula (1) is 0.28 or more and 0.4 or less, excellent heat generation suppression performance during overcharging and excellent It is also possible to achieve both resistance to deterioration during storage at high temperatures.
Specifically, when the value of the ratio represented by the above formula (1) is less than 0.28, the resistance to deterioration during high-temperature storage decreases. On the other hand, when the value of the ratio represented by the above formula (1) exceeds 0.4, the heat generation suppressing performance during overcharge deteriorates.
なお、レーザ回折散乱法による体積頻度粒度分布測定は、公知のレーザ回折散乱法に基づく粒度分布測定装置を用いて行うことができる。
Li3PO4の比表面積は、公知方法に従い測定して求めることができる。例えば、物理ガス吸着法により求めることができる。
The volume frequency particle size distribution measurement by the laser diffraction scattering method can be performed using a known particle size distribution measuring device based on the laser diffraction scattering method.
The specific surface area of Li 3 PO 4 can be obtained by measuring according to a known method. For example, it can be obtained by a physical gas adsorption method.
負極シート60を構成する負極集電体62としては、例えば銅箔等が挙げられる。
負極活物質層64は、負極活物質を含有する。
負極活物質としては、例えば黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン等の炭素材料を使用し得る。黒鉛は、天然黒鉛であっても人造黒鉛であってもよく、黒鉛が非晶質な炭素材料で被覆された形態の非晶質炭素被覆黒鉛であってもよい。
Examples of the negative electrode
The negative electrode
Carbon materials such as graphite, hard carbon, and soft carbon can be used as the negative electrode active material. Graphite may be natural graphite, artificial graphite, or amorphous carbon-coated graphite in which graphite is coated with an amorphous carbon material.
負極活物質層64は、活物質以外の成分、例えばバインダや増粘剤等を含み得る。バインダとしては、例えばスチレンブタジエンラバー(SBR)等を使用し得る。増粘剤としては、例えばカルボキシメチルセルロース(CMC)等を使用し得る。
The negative electrode
負極活物質層中の負極活物質の含有量は、90質量%以上が好ましく、95質量%以上99質量%以下がより好ましい。負極活物質層中のバインダの含有量は、0.1質量%以上8質量%以下が好ましく、0.5質量%以上3質量%以下がより好ましい。負極活物質層中の増粘剤の含有量は、0.3質量%以上3質量%以下が好ましく、0.5質量%以上2質量%以下がより好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more and 99% by mass or less. The content of the binder in the negative electrode active material layer is preferably 0.1% by mass or more and 8% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or more and 3% by mass or less. The content of the thickener in the negative electrode active material layer is preferably 0.3% by mass or more and 3% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or more and 2% by mass or less.
セパレータ70としては、例えばポリエチレン(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性シート(フィルム)が挙げられる。かかる多孔性シートは、単層構造であってもよく、二層以上の積層構造(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70の表面には、耐熱層(HRL)が設けられていてもよい。
Examples of the
非水電解液は、典型的には、非水溶媒と支持塩とを含有する。
非水溶媒としては、一般的なリチウム二次電池の電解液に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、特に限定なく用いることができる。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)、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F-DMC)、トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)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。
支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4等のリチウム塩(好ましくはLiPF6)を好適に用いることができる。支持塩の濃度は、0.7mol/L以上1.3mol/L以下が好ましい。
A non-aqueous electrolyte typically contains a non-aqueous solvent and a supporting electrolyte.
As the non-aqueous solvent, organic solvents such as various carbonates, ethers, esters, nitriles, sulfones, lactones, etc., which are used in electrolytes of general lithium secondary batteries, can be used without particular limitation. can. Specific examples include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethylmethyl carbonate (EMC), monofluoroethylene carbonate (MFEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), Examples include monofluoromethyldifluoromethyl carbonate (F-DMC), trifluorodimethyl carbonate (TFDMC) and the like. Such non-aqueous solvents can be used singly or in combination of two or more.
Lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 and LiClO 4 (preferably LiPF 6 ) can be suitably used as the supporting salt. The concentration of the supporting salt is preferably 0.7 mol/L or more and 1.3 mol/L or less.
なお、上記非水電解液は、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、上述した成分以外の成分、例えば、ビフェニル(BP)、シクロヘキシルベンゼン(CHB)等のガス発生剤;増粘剤;等の各種添加剤を含んでいてもよい。 The non-aqueous electrolyte contains components other than the components described above, such as gas generating agents such as biphenyl (BP) and cyclohexylbenzene (CHB); thickeners; may contain various additives.
以上のようにして構成されるリチウム二次電池100は、過充電時の発熱が抑制されていると共に、高温保存時の容量劣化が抑制されている。
The lithium
以上のようにして構成されるリチウム二次電池100は、各種用途に利用可能である。好適な用途としては、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。リチウム二次電池100は、典型的には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も使用され得る。
The lithium
なお、一例として扁平形状の捲回電極体20を備える角形のリチウムイオン二次電池100について説明した。しかしながら、ここに開示される非水電解液二次電池は、積層型電極体を備えるリチウムイオン二次電池として構成することもできる。また、ここに開示される非水電解液二次電池は、円筒形リチウムイオン二次電池、ラミネート型リチウムイオン二次電池として構成することもできる。また、ここに開示される非水電解液二次電池は、リチウムイオン二次電池以外の非水電解液二次電池として構成することもできる。
As an example, the prismatic lithium ion
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.
<評価用リチウムイオン二次電池の作製>
分散機を用いて、導電材としてのアセチレンブラック(AB)、PVdFおよびN-メチルピロリドン(NMP)が混合されたペーストを得た。このペーストに、正極活物質としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(LNCM)と、Li3PO4との混合粉体を投入した後、固形分を均一に分散させ、正極活物質層形成用スラリーを調製した。なお、正極活物質形成用スラリーは、LNCM:Li3PO4:AB:PVdF=90-x:x:8:2(質量比)となるように調製した。このスラリーを、厚さ15μmの長尺状のアルミニウム箔の両面に帯状に塗布して乾燥した後、プレスすることにより、正極シートを作製した。
また、負極活物質としての天然黒鉛(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、C:SBR:CMC=98:1:1の質量比でイオン交換水と混合して、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、厚さ10μmの長尺状の銅箔の両面に帯状に塗布して乾燥した後、プレスすることにより、負極シートを作製した。
また、セパレータシートとして、PP/PE/PPの三層構造を有する2枚の厚さ20μmの多孔性ポリオレフィンシートを用意した。
作製した正極シートと負極シートと用意した2枚のセパレータシートとを重ね合わせ、捲回して捲回電極体を作製した。このとき、正極シートと負極シートとの間にセパレータが介在するようにした。正極シートと負極シートにそれぞれ電極端子を取り付け、これを、注液口を有する電池ケースに収容した。
続いて、電池ケースの注液口から非水電解液を注入し、当該注液口を気密に封止した。なお、非水電解液には、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3:4:3の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPF6を1.0mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。
このようにして、評価用リチウムイオン二次電池を作製し、粒度分布の異なる正極物質を使用する;粒径と比表面積の異なるLi3PO4を使用する;Li3PO4の仕込み比xを変化させるという手法の少なくとも1つを行うことにより、下記式(1)で表される比の値が異なる評価用リチウムイオン二次電池をいくつか作製した。
〔{正極活物質のD90(μm)+正極活物質のD10(μm)}/正極活物質のD50(μm)〕/{Li3PO4の比表面積(m2/g)×Li3PO4のD50(μm)×正極活物質に対するLi3PO4の含有割合(質量%)} ・・・(1)
<Production of lithium-ion secondary battery for evaluation>
A dispersing machine was used to obtain a paste in which acetylene black (AB), PVdF and N-methylpyrrolidone (NMP) as conductive materials were mixed. After adding a mixed powder of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (LNCM) as a positive electrode active material and Li 3 PO 4 to this paste, the solid content was uniformly dispersed, A slurry for forming a positive electrode active material layer was prepared. The slurry for forming the positive electrode active material was prepared so that LNCM:Li 3 PO 4 :AB:PVdF=90−x:x:8:2 (mass ratio). This slurry was applied in strips on both sides of a long aluminum foil having a thickness of 15 μm, dried, and then pressed to prepare a positive electrode sheet.
In addition, natural graphite (C) as a negative electrode active material, styrene-butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickening agent were combined in a ratio of C:SBR:CMC=98:1:1. A slurry for forming a negative electrode active material layer was prepared by mixing with ion-exchanged water at a mass ratio. This slurry was coated on both sides of a long copper foil having a thickness of 10 μm in a strip shape, dried, and then pressed to prepare a negative electrode sheet.
As a separator sheet, two porous polyolefin sheets having a thickness of 20 μm and having a three-layer structure of PP/PE/PP were prepared.
The prepared positive electrode sheet, negative electrode sheet, and two prepared separator sheets were superimposed and wound to prepare a wound electrode assembly. At this time, a separator was interposed between the positive electrode sheet and the negative electrode sheet. An electrode terminal was attached to each of the positive electrode sheet and the negative electrode sheet, and these were housed in a battery case having a liquid inlet.
Subsequently, a non-aqueous electrolyte was injected from the liquid inlet of the battery case, and the liquid inlet was airtightly sealed. The non-aqueous electrolyte contains LiPF6 as a supporting salt in a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 3:4:3. A solution dissolved at a concentration of 1.0 mol/L was used.
In this way, a lithium ion secondary battery for evaluation is produced, using positive electrode materials with different particle size distributions; using Li 3 PO 4 with different particle sizes and specific surface areas; Several lithium-ion secondary batteries for evaluation having different ratio values represented by the following formula (1) were produced by performing at least one method of changing.
[{D90 (μm) of positive electrode active material+D10 (μm) of positive electrode active material}/D50 (μm) of positive electrode active material]/{specific surface area of Li 3 PO 4 (m 2 /g)×Li 3 PO 4 D50 (μm) of × content ratio of Li 3 PO 4 with respect to positive electrode active material (% by mass)} (1)
<過充電時の発熱量評価>
上記作製した各評価用リチウム二次電池に、初期充電として、0.3Cの電流値で4.10Vまで定電流充電した後、0.3の電流値で3.00Vまで定電流放電した。その後、各評価用リチウム二次電池の電池ケースに熱電対を取り付けて温度を測定した。その後5.1Vまで充電を行い、温度を測定した。そして、充電前後での温度差(すなわち温度上昇量)を求めた。発熱量の指標として、基準となる温度差を100とした場合の、各評価用リチウム二次電池の温度差の測定値の比を求めた。結果を図3に示す。
<Evaluation of calorific value during overcharging>
Each evaluation lithium secondary battery prepared above was subjected to constant current charging to 4.10 V at a current value of 0.3 C as an initial charge, and then constant current discharge to 3.00 V at a current value of 0.3. After that, a thermocouple was attached to the battery case of each evaluation lithium secondary battery to measure the temperature. After that, the battery was charged to 5.1 V and the temperature was measured. Then, the temperature difference (that is, the amount of temperature rise) before and after charging was obtained. As an index of the amount of heat generated, a ratio of measured values of temperature difference of each lithium secondary battery for evaluation was obtained with respect to a reference temperature difference of 100. The results are shown in FIG.
<高温保存時の容量劣化耐性評価>
上記作製した各評価用リチウムイオン二次電池を25℃の恒温槽内に置いた。各評価用リチウムイオン二次電池を、初期充電として、0.3Cの電流値で4.10Vまで定電流充電した後、0.3の電流値で3.00Vまで定電流放電した。次に、0.2Cの電流値で4.10Vまで定電流充電した後、電流値が1/50Cになるまで定電圧充電を行い、満充電状態とした。その後、0.2Cの電流値で3.00Vまで定電流放電した。このときの放電容量を測定し、これを初期容量とした。
上記の各評価用リチウムイオン二次電池を、0.3Cの電流値でSOC100%になるまで充電した後、60℃の恒温槽内で1ヶ月間保存した。上記と同じ方法で各評価用リチウムイオン二次電池の放電容量を測定し、このときの放電容量を、高温保存後の電池容量として求めた。(高温保存後の電池容量/初期容量)×100として、容量維持率(%)を求めた。容量維持率の基準値を100とした場合の、各評価用リチウム二次電池の容量維持率の測定値の比を求めた。結果を図4に示す。
<Evaluation of resistance to capacity deterioration during high-temperature storage>
Each lithium ion secondary battery for evaluation produced as described above was placed in a constant temperature bath at 25°C. Each lithium ion secondary battery for evaluation was subjected to constant current charging to 4.10 V at a current value of 0.3 C as an initial charge, and then constant current discharge to 3.00 V at a current value of 0.3. Next, after constant current charging to 4.10 V with a current value of 0.2 C, constant voltage charging was performed until the current value became 1/50 C, and the battery was in a fully charged state. After that, constant current discharge was performed at a current value of 0.2C to 3.00V. The discharge capacity at this time was measured and taken as the initial capacity.
Each of the lithium ion secondary batteries for evaluation was charged at a current value of 0.3 C until the SOC reached 100%, and then stored in a constant temperature bath at 60° C. for one month. The discharge capacity of each lithium-ion secondary battery for evaluation was measured by the same method as described above, and the discharge capacity at this time was determined as the battery capacity after high-temperature storage. The capacity retention rate (%) was calculated as (battery capacity after high temperature storage/initial capacity)×100. The ratio of the measured values of the capacity retention rate of each lithium secondary battery for evaluation was determined when the reference value of the capacity retention rate was set to 100. The results are shown in FIG.
図3より、上記式(1)で表される比の値が、0.4以下である場合に、過充電時の発熱抑制性能に優れることがわかる。また、図4より、上記式(1)で表される比の値が、0.28以上である場合に、高温保存時の劣化耐性に優れることがわかる。
したがって、上記式(1)で表される比の値が、0.28以上0.4以下である場合に、優れた過充電時の発熱抑制性能と、優れた高温保存時の劣化耐性とを両立できることがわかる。
すなわち、ここに開示される非水電解液二次電池によれば、充電時の発熱抑制性能と、高温保存時の劣化耐性とが共に優れる非水電解液二次電池が提供されることがわかる。
From FIG. 3, it can be seen that when the value of the ratio represented by the above formula (1) is 0.4 or less, the heat generation suppressing performance during overcharge is excellent. Further, from FIG. 4, it can be seen that when the value of the ratio represented by the above formula (1) is 0.28 or more, the deterioration resistance during high-temperature storage is excellent.
Therefore, when the value of the ratio represented by the above formula (1) is 0.28 or more and 0.4 or less, excellent heat generation suppression performance during overcharge and excellent deterioration resistance during high temperature storage are achieved. I know that they can be compatible.
That is, according to the non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein, it can be seen that a non-aqueous electrolyte secondary battery that is excellent in both heat generation suppression performance during charging and deterioration resistance during high-temperature storage is provided. .
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。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
20 捲回電極体
30 電池ケース
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極シート(正極)
52 正極集電体
52a 正極活物質層非形成部分
54 正極活物質層
60 負極シート(負極)
62 負極集電体
62a 負極活物質層非形成部分
64 負極活物質層
70 セパレータシート(セパレータ)
100 リチウム二次電池
20
52 positive electrode
62 Negative electrode
100 lithium secondary battery
Claims (1)
前記正極は、正極活物質層を有し、
前記正極活物質層は、正極活物質と、Li3PO4と、導電材と、バインダと、を含有し、
前記正極活物質は、層状構造を有するリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物であり、前記正極活物質層中の前記正極活物質の含有量が、70質量%以上であり、
前記導電材はアセチレンブラックであり、前記正極活物質層中の前記導電材の含有量が、3質量%以上13質量%以下であり、
前記バインダは、ポリフッ化ビニリデンであり、前記正極活物質層中の前記バインダの含有量は、2質量%以上10質量%以下であり、
前記負極は、負極活物質を含有する負極活物質層を有し、
前記負極活物質は、天然黒鉛であり、
レーザ回折散乱法による体積頻度粒度分布測定における累積値が10%となる粒子径をD10、50%となる粒子径をD50、90%となる粒子径をD90としたときに、下記式(1)で表される比の値が、0.28以上0.4以下である、
非水電解液二次電池。
〔{正極活物質のD90(μm)-正極活物質のD10(μm)}/正極活物質のD50(μm)〕/{Li3PO4の比表面積(m2/g)×Li3PO4のD50(μm)×正極活物質に対するLi3PO4の含有割合(質量%)} ・・・(1) A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte,
The positive electrode has a positive electrode active material layer,
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material, Li3PO4 , a conductive material, and a binder,
The positive electrode active material is a lithium-nickel-manganese-cobalt-based composite oxide having a layered structure, and the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is 70% by mass or more,
The conductive material is acetylene black, and the content of the conductive material in the positive electrode active material layer is 3% by mass or more and 13% by mass or less ,
The binder is polyvinylidene fluoride, and the content of the binder in the positive electrode active material layer is 2% by mass or more and 10% by mass or less ,
The negative electrode has a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material,
The negative electrode active material is natural graphite,
When the particle diameter at which the cumulative value in the volume frequency particle size distribution measurement by the laser diffraction scattering method is 10% is D10, the particle diameter at which 50% is D50, and the particle diameter at which 90% is D90, the following formula (1) The value of the ratio represented by is 0.28 or more and 0.4 or less,
Non-aqueous electrolyte secondary battery.
[{D90 (μm) of positive electrode active material − D10 (μm) of positive electrode active material}/D50 (μm) of positive electrode active material]/{specific surface area of Li 3 PO 4 (m 2 /g)×Li 3 PO 4 D50 (μm) of × content ratio of Li 3 PO 4 with respect to positive electrode active material (% by mass)} (1)
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