JP7499043B2 - Non-aqueous 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。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.
近年、環境・エネルギー問題の解決へ向けて、種々の電気自動車の普及が期待されている。これら電気自動車の普及の鍵を握るモータ駆動用電源などの車載電源として、二次電池の開発が鋭意行われている。二次電池としては、高エネルギー密度、高出力が期待できる非水電解質二次電池に注目が集まっている。 In recent years, the spread of various electric vehicles is expected to help solve environmental and energy problems. Secondary batteries are being developed as on-board power sources for driving motors and other applications, which hold the key to the spread of these electric vehicles. As secondary batteries, non-aqueous electrolyte secondary batteries, which are expected to have high energy density and high output, are attracting attention.
ここで、特許文献1には、長寿命のリチウムイオン二次電池を提供し得る好適な電解液を提供するとともに、容量に優れ、効率的な高容量化が可能なリチウムイオン二次電池を提供することを目的とした技術が開示されている。具体的に、特許文献1に記載の技術は、所定の一般式で表されるリチウム塩を含む電解質と、所定の一般式で表される鎖状カーボネート(自由回転可能な結合が多く存在し、柔軟な化学構造を有する)を含む有機溶媒と、不飽和環状カーボネートとを含む電解液において、前記リチウム塩に対して前記鎖状カーボネートをモル比3~6で含ませるか、前記リチウム塩を1.1~3.8mol/Lの濃度で含ませることで、上記課題の解決を図っている。 Here, Patent Document 1 discloses a technology that aims to provide a suitable electrolyte solution capable of providing a long-life lithium-ion secondary battery, as well as a lithium-ion secondary battery that is excellent in capacity and can be efficiently increased in capacity. Specifically, the technology described in Patent Document 1 aims to solve the above problem by including an electrolyte containing a lithium salt represented by a specific general formula, an organic solvent containing a chain carbonate (having a flexible chemical structure with many freely rotatable bonds) represented by a specific general formula, and an unsaturated cyclic carbonate in an electrolyte solution containing the chain carbonate at a molar ratio of 3 to 6 relative to the lithium salt, or by including the lithium salt at a concentration of 1.1 to 3.8 mol/L.
しかしながら、本発明者らが検討を行ったところ、特許文献1に記載の技術を用いた電池であっても、粘度が高い電解液を用いると十分な電池特性が得られない場合があり、依然として改善の余地が存在することが判明した。 However, the inventors' investigations revealed that even in batteries using the technology described in Patent Document 1, sufficient battery characteristics may not be obtained if a highly viscous electrolyte is used, and that there is still room for improvement.
そこで本発明は、粘度が高い電解液を用いた非水電解質二次電池において、電池特性をよりいっそう向上させうる手段を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention aims to provide a means for further improving the battery characteristics of non-aqueous electrolyte secondary batteries that use highly viscous electrolyte solutions.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その過程で、用いられる電極活物質層の構成によっては、粘度が高い電解液が当該電極活物質層の内部まで十分に浸透しない場合があり、このことが電池性能の低下の原因となっていることを見出した。この知見に基づき、本発明者らは、多孔体への液体の浸透性の指標であるキャピラリー数Caに着目して検討を進めた。その結果、所定のせん断速度における電解液と電極活物質層との間のキャピラリー数Caを所定の範囲内の値に制御することで、粘度が高い電解液を用いた場合であっても電極活物質層への濡れ性を向上させることが可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have conducted intensive research to solve the above problems. In the process, they have found that, depending on the configuration of the electrode active material layer used, a highly viscous electrolyte may not fully penetrate into the electrode active material layer, which causes a decrease in battery performance. Based on this knowledge, the present inventors have focused on the capillary number Ca, which is an index of the permeability of a liquid into a porous body, and have continued their research. As a result, they have found that by controlling the capillary number Ca between the electrolyte and the electrode active material layer at a specified shear rate to a value within a specified range, it is possible to improve the wettability of the electrode active material layer even when a highly viscous electrolyte is used, and have completed the present invention.
すなわち、本発明の一形態によれば、電極活物質および電解液を含有する電極活物質層を含む電極を有する発電要素を備えた非水電解質二次電池が提供される。ここで、当該非水電解質二次電池において、前記電解液の粘性率は、せん断速度10[s-1]において10[mPa・s]以上であり、かつ、せん断速度0.1[s-1]において300[mPa・s]以上である。そして、当該電池は、せん断速度10[s-1]における前記電解液と前記電極活物質層との間のキャピラリー数Caが1.5×10-7以上、2.0×10-6以下である点に特徴を有している。 That is, according to one embodiment of the present invention, there is provided a nonaqueous electrolyte secondary battery including a power generating element having an electrode including an electrode active material layer containing an electrode active material and an electrolyte solution. Here, in the nonaqueous electrolyte secondary battery, the viscosity of the electrolyte solution is 10 [mPa·s] or more at a shear rate of 10 [s −1 ] and 300 [mPa·s] or more at a shear rate of 0.1 [s −1 ]. The battery is characterized in that the capillary number Ca between the electrolyte solution and the electrode active material layer at a shear rate of 10 [s −1 ] is 1.5×10 −7 or more and 2.0×10 −6 or less.
本発明によれば、粘度が高い電解液を用いた非水電解質二次電池において、電池特性をよりいっそう向上させることが可能である。 According to the present invention, it is possible to further improve the battery characteristics of a non-aqueous electrolyte secondary battery using a highly viscous electrolyte solution.
[非水電解質二次電池]
本発明の一形態は、電極活物質および電解液を含有する電極活物質層を含む電極を有する発電要素を備えた非水電解質二次電池であって、前記電解液の粘性率が、せん断速度10[s-1]において10[mPa・s]以上であり、かつ、せん断速度0.1[s-1]において300[mPa・s]以上であり、せん断速度10[s-1]における前記電解液と前記電極活物質層との間のキャピラリー数Caが1.5×10-7以上、2.0×10-6以下である、非水電解質二次電池である。本形態に係る非水電解質二次電池によれば、粘度が高い電解液を用いた非水電解質二次電池において、電池特性をよりいっそう向上させることが可能である。
[Non-aqueous electrolyte secondary battery]
One aspect of the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery including a power generating element having an electrode including an electrode active material layer containing an electrode active material and an electrolyte solution, wherein the viscosity of the electrolyte solution is 10 [mPa·s] or more at a shear rate of 10 [s −1 ] and 300 [mPa·s] or more at a shear rate of 0.1 [s −1 ], and the capillary number Ca between the electrolyte solution and the electrode active material layer at a shear rate of 10 [s −1 ] is 1.5×10 −7 or more and 2.0×10 −6 or less. The nonaqueous electrolyte secondary battery according to this aspect makes it possible to further improve the battery characteristics in a nonaqueous electrolyte secondary battery using an electrolyte solution with high viscosity.
以下、図面を参照しながら、上述した本形態の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 The following describes the above-mentioned embodiment of the present invention with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the claims and is not limited to the following embodiment. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for the convenience of explanation and may differ from the actual ratios.
図1は、本発明に係る全固体非水電解質二次電池の一実施形態である扁平積層型二次電池の外観を表した斜視図である。図2は、図1に示す2-2線に沿う断面図である。積層型とすることで、電池をコンパクトにかつ高容量化することができる。 Figure 1 is a perspective view showing the appearance of a flat laminated secondary battery, which is one embodiment of the all-solid-state nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention. Figure 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 shown in Figure 1. By using a laminated type, the battery can be made compact and have a high capacity.
図1に示すように、積層型二次電池10aは、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極集電板25、負極集電板27が引き出されている。発電要素21は、積層型二次電池10aの電池外装材(ラミネートフィルム29)によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素21は、正極集電板25および負極集電板27を外部に引き出した状態で密封されている。 As shown in FIG. 1, the stacked secondary battery 10a has a flat rectangular shape, with a positive electrode current collector 25 and a negative electrode current collector 27 extending from both sides for extracting power. The power generating element 21 is wrapped in the battery exterior material (laminate film 29) of the stacked secondary battery 10a, and its periphery is heat-sealed, with the power generating element 21 sealed with the positive electrode current collector 25 and the negative electrode current collector 27 extended to the outside.
なお、本形態に係る非水電解質二次電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型の全固体電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型の形状のものでは、その外装材にラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムを含むラミネートフィルムの内部に収容される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment is not limited to a laminated flat shape. A wound all-solid-state battery may be cylindrical, or may be a cylindrical shape that has been deformed to have a rectangular flat shape, and is not particularly limited. The cylindrical shape may be a laminate film or a conventional cylindrical can (metal can) as the exterior material, and is not particularly limited. Preferably, the power generating element is housed inside a laminate film containing aluminum. This form can achieve weight reduction.
また、図1に示す集電板(25、27)の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極集電板25と負極集電板27とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極集電板25と負極集電板27をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図1に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。 There are also no particular limitations on the way the current collectors (25, 27) shown in FIG. 1 are removed. The positive and negative current collectors 25 and 27 may be pulled out from the same side, or the positive and negative current collectors 25 and 27 may each be divided into multiple pieces and removed from each side; they are not limited to what is shown in FIG. 1. In addition, in a wound lithium-ion battery, the terminals may be formed using, for example, a cylindrical can (metal can) instead of tabs.
図2に示すように、本実施形態の積層型二次電池10aは、実際に充放電反応が進行する扁平略矩形の発電要素21が、電池外装材であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極と、電解質層17と、負極とを積層した構成を有している。正極は、正極集電体11’の両面に正極活物質を含有する正極活物質層13が配置された構造を有する。負極は、負極集電体11”の両面に負極活物質を含有する負極活物質層15が配置された構造を有する。電解質層17は、多孔質構造を有するセパレータの空孔内部に電解液が保持された構成を有する。なお、電解液は、正極活物質層13および負極活物質層15の内部にも浸透している。そして、1つの正極活物質層13とこれに隣接する負極活物質層15とが、電解質層17を介して対向するようにして、正極、電解質層および負極がこの順に積層されている。これにより、隣接する正極、電解質層および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型二次電池10aは、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。 As shown in Fig. 2, the stacked secondary battery 10a of this embodiment has a structure in which a flat, approximately rectangular power generating element 21, where the charge/discharge reaction actually proceeds, is sealed inside a laminate film 29, which is the battery exterior material. Here, the power generating element 21 has a structure in which a positive electrode, an electrolyte layer 17, and a negative electrode are laminated. The positive electrode has a structure in which a positive electrode active material layer 13 containing a positive electrode active material is disposed on both sides of a positive electrode current collector 11'. The negative electrode has a structure in which a negative electrode active material layer 15 containing a negative electrode active material is arranged on both sides of a negative electrode current collector 11". The electrolyte layer 17 has a structure in which an electrolyte solution is held inside the pores of a separator having a porous structure. The electrolyte solution also permeates the inside of the positive electrode active material layer 13 and the negative electrode active material layer 15. The positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode are stacked in this order so that one positive electrode active material layer 13 and the adjacent negative electrode active material layer 15 face each other through the electrolyte layer 17. As a result, the adjacent positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode form one single cell layer 19. Therefore, the stacked secondary battery 10a shown in FIG. 1 can be said to have a structure in which a plurality of single cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel.
図2に示すように、発電要素21の両最外層に位置する最外層正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、場合によっては、正極集電体11’および/または負極集電体11”を用いなくともよい。 As shown in FIG. 2, the outermost positive electrode collectors located on both outermost layers of the power generating element 21 each have a positive electrode active material layer 13 disposed on only one side, but active material layers may be provided on both sides. In other words, instead of using a collector dedicated to the outermost layer with an active material layer provided on only one side, a collector with active material layers on both sides may be used as the outermost layer collector as is. In some cases, it is not necessary to use the positive electrode collector 11' and/or the negative electrode collector 11".
正極集電体11’および負極集電体11”は、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板(タブ)25および負極集電板(タブ)27がそれぞれ取り付けられ、電池外装材であるラミネートフィルム29の端部に挟まれるようにしてラミネートフィルム29の外部に導出される構造を有している。正極集電板25および負極集電板27はそれぞれ、必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11’および負極集電体11”に超音波溶接や抵抗溶接などにより取り付けられていてもよい。 The positive electrode collector 11' and the negative electrode collector 11" are respectively attached with a positive electrode collector plate (tab) 25 and a negative electrode collector plate (tab) 27 that are electrically connected to each electrode (positive electrode and negative electrode), and are structured so as to be sandwiched between the ends of the laminate film 29, which is the battery exterior material, and are led out of the laminate film 29. The positive electrode collector plate 25 and the negative electrode collector plate 27 may be attached to the positive electrode collector 11' and the negative electrode collector 11" of each electrode by ultrasonic welding, resistance welding, or the like, respectively, via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown) as necessary.
以下、本形態に係る非水電解質二次電池の主要な構成部材について説明する。 The main components of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment are described below.
[集電体]
集電体は、電極活物質層からの電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Current collector]
The current collector has a function of mediating the movement of electrons from the electrode active material layer. There are no particular limitations on the material constituting the current collector. For example, metals and conductive resins can be used as the material constituting the current collector.
具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材などが用いられてもよい。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specific examples of metals include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition, clad materials of nickel and aluminum, clad materials of copper and aluminum, and the like may be used. Also, a foil in which a metal surface is coated with aluminum may be used. Among these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferred from the viewpoints of electronic conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material to the current collector by sputtering.
また、後者の導電性を有する樹脂としては、非導電性高分子材料に必要に応じて導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 The latter conductive resin includes a resin in which a conductive filler is added as necessary to a non-conductive polymeric material.
非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。 Examples of non-conductive polymeric materials include polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile (PEN), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), or polystyrene (PS). Such non-conductive polymeric materials may have excellent electric potential resistance or solvent resistance.
上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。 A conductive filler can be added to the above conductive polymer material or non-conductive polymer material as necessary. In particular, when the resin that serves as the base material of the collector is made only of a non-conductive polymer, a conductive filler is necessarily required to impart conductivity to the resin.
導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン、ブラックパール、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 The conductive filler can be any material that is conductive, without any particular restrictions. For example, metals and conductive carbon are examples of materials that are excellent in conductivity, potential resistance, or lithium ion blocking properties. There are no particular restrictions on the metal, but it is preferable that the metal contains at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, and Sb, or an alloy or metal oxide containing these metals. There are also no particular restrictions on the conductive carbon. It is preferable that the conductive carbon contains at least one selected from the group consisting of acetylene black, vulcan, black pearl, carbon nanofiber, ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene.
導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、集電体の全質量100質量%に対して5~80質量%である。 There are no particular limitations on the amount of conductive filler added, so long as it is an amount that can impart sufficient conductivity to the current collector, and it is generally 5 to 80% by mass relative to the total mass of the current collector (100% by mass).
なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。 The current collector may be a single layer structure made of a single material, or may be a laminate structure made of an appropriate combination of layers made of these materials. From the viewpoint of reducing the weight of the current collector, it is preferable that the current collector contains at least a conductive resin layer made of a resin having electrical conductivity. Also, from the viewpoint of blocking the movement of lithium ions between the layers of the single cells, a metal layer may be provided on part of the current collector.
[負極活物質層]
負極活物質層は、放電時にリチウムイオン等のイオンを放出し、充電時にリチウムイオン等のイオンを吸蔵できる負極活物質を含む。負極活物質の種類としては、特に制限されないが、炭素材料、金属酸化物および金属活物質が挙げられる。炭素材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、高配向性グラファイト(HOPG)、ハードカーボン、ソフトカーボン等が挙げられる。また、金属酸化物としては、例えば、Nb2O5、Li4Ti5O12等が挙げられる。さらに、ケイ素系負極活物質やスズ系負極活物質が用いられてもよい。ここで、ケイ素およびスズは第14族元素に属し、非水電解質二次電池の容量を大きく向上させうる負極活物質であることが知られている。これらの単体は単位体積(質量)あたり多数の電荷担体(リチウムイオン等)を吸蔵および放出しうることから、高容量の負極活物質となる。ここで、ケイ素系負極活物質としては、Si単体を用いることが好ましい。また同様に、Si相とケイ素酸化物相との2相に不均化されたSiOx(0.3≦x≦1.6)などのケイ素酸化物を用いることも好ましい。この際、xの範囲は0.5≦x≦1.5であることがより好ましく、0.7≦x≦1.2であることがさらに好ましい。さらには、ケイ素を含有する合金(ケイ素含有合金系負極活物質)が用いられてもよい。一方、スズ元素を含む負極活物質(スズ系負極活物質)としては、Sn単体、スズ合金(Cu-Sn合金、Co-Sn合金)、アモルファススズ酸化物、スズケイ素酸化物等が挙げられる。このうち、アモルファススズ酸化物としてはSnB0.4P0.6O3.1が例示される。また、スズケイ素酸化物としてはSnSiO3が例示される。また、負極活物質として、リチウムを含有する金属を用いてもよい。このような負極活物質は、リチウムを含有する活物質であれば特に限定されず、金属リチウムのほか、リチウム含有合金が挙げられる。リチウム含有合金としては、例えば、Liと、In、Al、SiおよびSnの少なくとも1種との合金が挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。本発明は、充放電時の負極活物質の膨張収縮が大きい場合に特に優れた効果を奏するものである。このような観点と、高容量であるという点で、負極活物質は、炭素材料、金属リチウム、ケイ素系負極活物質またはスズ系負極活物質を含むことが好ましい。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material that can release ions such as lithium ions during discharge and occlude ions such as lithium ions during charge. The type of negative electrode active material is not particularly limited, but includes carbon materials, metal oxides, and metal active materials. Examples of carbon materials include natural graphite, artificial graphite, mesocarbon microbeads (MCMB), highly oriented graphite (HOPG), hard carbon, and soft carbon. Examples of metal oxides include Nb 2 O 5 , Li 4 Ti 5 O 12 , and the like. Furthermore, silicon-based negative electrode active materials and tin-based negative electrode active materials may be used. Here, silicon and tin belong to the 14th group of elements, and are known to be negative electrode active materials that can greatly improve the capacity of non-aqueous electrolyte secondary batteries. These simple substances can occlude and release a large number of charge carriers (lithium ions, etc.) per unit volume (mass), making them high-capacity negative electrode active materials. Here, it is preferable to use Si simple substance as the silicon-based negative electrode active material. Similarly, it is also preferable to use silicon oxide such as SiO x (0.3≦x≦1.6) disproportionated into two phases of Si phase and silicon oxide phase. In this case, the range of x is more preferably 0.5≦x≦1.5, and even more preferably 0.7≦x≦1.2. Furthermore, an alloy containing silicon (silicon-containing alloy-based negative electrode active material) may be used. On the other hand, as the negative electrode active material containing tin element (tin-based negative electrode active material), Sn simple substance, tin alloy (Cu-Sn alloy, Co-Sn alloy), amorphous tin oxide, tin silicon oxide, etc. are mentioned. Among them, SnB 0.4 P 0.6 O 3.1 is exemplified as the amorphous tin oxide. Furthermore, SnSiO 3 is exemplified as the tin silicon oxide. Furthermore, a metal containing lithium may be used as the negative electrode active material. Such a negative electrode active material is not particularly limited as long as it is an active material containing lithium, and in addition to metallic lithium, lithium-containing alloys are mentioned. Examples of the lithium-containing alloy include an alloy of Li and at least one of In, Al, Si, and Sn. In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination. Of course, negative electrode active materials other than those mentioned above may be used. The present invention is particularly effective when the negative electrode active material expands and contracts greatly during charging and discharging. From this perspective and in terms of high capacity, the negative electrode active material preferably contains a carbon material, metallic lithium, a silicon-based negative electrode active material, or a tin-based negative electrode active material.
負極活物質の形状は、例えば、粒子状(球状、繊維状)、薄膜状等が挙げられる。負極活物質が粒子形状である場合、その平均粒径(D50)は、例えば、1nm~100μmの範囲内であることが好ましく、より好ましくは10nm~50μmの範囲内であり、さらに好ましくは100nm~20μmの範囲内であり、特に好ましくは1~20μmの範囲内である。なお、本明細書において、活物質の平均粒径(D50)の値は、レーザー回折散乱法によって測定することができる。 The shape of the negative electrode active material can be, for example, particulate (spherical, fibrous), thin film, etc. When the negative electrode active material is particulate, its average particle size (D50) is, for example, preferably in the range of 1 nm to 100 μm, more preferably in the range of 10 nm to 50 μm, even more preferably in the range of 100 nm to 20 μm, and particularly preferably in the range of 1 to 20 μm. In this specification, the average particle size (D50) of the active material can be measured by a laser diffraction scattering method.
負極活物質層における負極活物質の含有量は、特に限定されるものではないが、例えば、40~99質量%の範囲内であることが好ましく、50~90質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably within the range of 40 to 99% by mass, and more preferably within the range of 50 to 90% by mass.
負極活物質層は上述したような負極活物質を含み、必要に応じて、導電助剤、導電部材、バインダなどのその他の添加剤をさらに含む。 The negative electrode active material layer contains the negative electrode active material as described above, and further contains other additives such as a conductive assistant, a conductive material, and a binder, as necessary.
前記導電助剤とは、活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラックなどの炭素材料が挙げられる。負極活物質層が導電助剤を含むと、負極活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。 The conductive assistant is an additive that is blended to improve the conductivity of the active material layer. Examples of the conductive assistant include carbon materials such as carbon black, such as acetylene black. When the negative electrode active material layer contains a conductive assistant, an electronic network is effectively formed inside the negative electrode active material layer, which can contribute to improving the output characteristics of the battery.
導電部材は、負極活物質層中で電子伝導パスを形成する機能を有する。特に、導電部材の少なくとも一部が、負極活物質層の電解質層側に接触する第1主面から集電体側に接触する第2主面までを電気的に接続する導電通路を形成していることが好ましい。このような形態を有することで、負極活物質層中の厚さ方向の電子移動抵抗がさらに低減される。その結果、電池の高レートでの出力特性がよりいっそう向上しうる。なお、導電部材の少なくとも一部が、負極活物質層の電解質層側に接触する第1主面から集電体側に接触する第2主面までを電気的に接続する導電通路を形成しているか否かは、SEMや光学顕微鏡を用いて負極活物質層の断面を観察することにより確認することができる。 The conductive member has the function of forming an electron conduction path in the negative electrode active material layer. In particular, it is preferable that at least a part of the conductive member forms a conductive path that electrically connects from the first main surface that contacts the electrolyte layer side of the negative electrode active material layer to the second main surface that contacts the current collector side. By having such a form, the electron transfer resistance in the thickness direction in the negative electrode active material layer is further reduced. As a result, the output characteristics at high rates of the battery can be further improved. Note that whether or not at least a part of the conductive member forms a conductive path that electrically connects from the first main surface that contacts the electrolyte layer side of the negative electrode active material layer to the second main surface that contacts the current collector side can be confirmed by observing the cross section of the negative electrode active material layer using a SEM or an optical microscope.
導電部材は、繊維状の形態を有する導電性繊維であることが好ましい。具体的には、PAN系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等の炭素繊維、合成繊維の中に導電性のよい金属や黒鉛を均一に分散させてなる導電性繊維、ステンレス鋼のような金属を繊維化した金属繊維、有機物繊維の表面を金属で被覆した導電性繊維、有機物繊維の表面を、導電性物質を含む樹脂で被覆した導電性繊維等が挙げられる。なかでも、導電性に優れ、軽量であることから炭素繊維が好ましい。 The conductive member is preferably a conductive fiber having a fibrous form. Specific examples include carbon fibers such as PAN-based carbon fibers and pitch-based carbon fibers, conductive fibers made by uniformly dispersing metals or graphite with good conductivity in synthetic fibers, metal fibers made by fiberizing metals such as stainless steel, conductive fibers in which the surface of organic fibers is coated with a metal, and conductive fibers in which the surface of organic fibers is coated with a resin containing a conductive substance. Of these, carbon fibers are preferred because of their excellent conductivity and light weight.
負極活物質層に用いられる任意成分のバインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。 The optional binder used in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but examples include the following materials:
ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)(水素原子が他のハロゲン元素にて置換された化合物を含む)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、エチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、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)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-HFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF-PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-ペンタフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-PFP-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-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系フッ素ゴム(VDF-PFMVE-TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド-クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF-CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。 Thermoplastic polymers such as polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride (PVDF) (including compounds in which hydrogen atoms are replaced by other halogen elements), polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polybutene, polyether nitrile, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), ethylene-propylene-diene copolymer, styrene-butadiene-styrene block copolymer and its hydrogenated product, styrene-isoprene-styrene block copolymer and its hydrogenated product, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene Examples of the fluororesin include ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE) and polyvinyl fluoride (PVF); vinylidene fluoride-based fluororubbers such as vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-HFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-based fluororubber (VDF-PFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFP-TFE-based fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethylvinyl ether-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-PFMVE-TFE-based fluororubber), and vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene-based fluororubber (VDF-CTFE-based fluororubber); and epoxy resins. Among these, polyimide, styrene-butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable.
また、本形態において、負極活物質層に含まれうる、導電助剤、バインダなどのその他の添加剤の配合比は、特に限定されない。それらの配合比は、非水電解質二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。 In addition, in this embodiment, the compounding ratio of other additives such as a conductive assistant and a binder that may be contained in the negative electrode active material layer is not particularly limited. The compounding ratio of these additives can be adjusted by appropriately referring to publicly known knowledge about nonaqueous electrolyte secondary batteries.
本形態の非水電解質二次電池において、負極活物質層の厚さは特に制限されず、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、負極活物質層の厚さは、通常1~1500μm程度、好ましくは50~1200μmであり、より好ましくは100~800μmであり、さらに好ましくは200~650μmである。負極活物質層の厚さが大きいほど、十分な容量(エネルギー密度)を発揮するための負極活物質を保持することが可能となる。一方、負極活物質層の厚さが小さいほど、放電レート特性が向上しうる。 In the non-aqueous electrolyte secondary battery of this embodiment, the thickness of the negative electrode active material layer is not particularly limited, and conventionally known knowledge about batteries can be appropriately referred to. As an example, the thickness of the negative electrode active material layer is usually about 1 to 1500 μm, preferably 50 to 1200 μm, more preferably 100 to 800 μm, and even more preferably 200 to 650 μm. The thicker the negative electrode active material layer is, the more the negative electrode active material can be retained to exert sufficient capacity (energy density). On the other hand, the thinner the negative electrode active material layer is, the more the discharge rate characteristics can be improved.
[正極活物質層]
正極活物質層は、正極活物質を含む。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material.
(正極活物質)
正極活物質としては、例えば、LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、Li(Ni-Mn-Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム-遷移金属複合酸化物、リチウム-遷移金属リン酸化合物、リチウム-遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム-遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。より好ましくはリチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が用いられ、さらに好ましくはLi(Ni-Mn-Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)が用いられる。NMC複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属(Mn、NiおよびCoが秩序正しく配置)原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を持ち、遷移金属Mの1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。
(Positive Electrode Active Material)
Examples of the positive electrode active material include lithium-transition metal composite oxides such as LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li(Ni-Mn-Co)O 2 and those in which a part of these transition metals is replaced by other elements, lithium-transition metal phosphate compounds, and lithium-transition metal sulfate compounds. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Preferably, from the viewpoint of capacity and output characteristics, a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material. More preferably, a composite oxide containing lithium and nickel is used, and even more preferably, Li(Ni-Mn-Co)O 2 and those in which a part of these transition metals is replaced by other elements (hereinafter, also simply referred to as "NMC composite oxide") are used. NMC composite oxide has a layered crystal structure in which lithium atomic layers and transition metal (Mn, Ni, and Co arranged in an orderly manner) atomic layers are alternately stacked with oxygen atomic layers interposed between them, and contains one Li atom per transition metal M atom. The amount of Li that can be extracted is twice that of spinel-type lithium manganese oxide, i.e., the supply capacity is doubled, allowing for high capacity.
NMC複合酸化物は、上述したように、遷移金属元素の一部が他の金属元素により置換されている複合酸化物も含む。その場合の他の元素としては、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Cr、Fe、B、Ga、In、Si、Mo、Y、Sn、V、Cu、Ag、Znなどが挙げられ、好ましくは、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crであり、より好ましくは、Ti、Zr、P、Al、Mg、Crであり、サイクル特性向上の観点から、さらに好ましくは、Ti、Zr、Al、Mg、Crである。 As described above, the NMC composite oxide also includes composite oxides in which a part of the transition metal element is replaced by another metal element. In this case, the other elements include Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, Fe, B, Ga, In, Si, Mo, Y, Sn, V, Cu, Ag, and Zn, and preferably Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr, more preferably Ti, Zr, P, Al, Mg, and Cr, and from the viewpoint of improving cycle characteristics, even more preferably Ti, Zr, Al, Mg, and Cr.
NMC複合酸化物は、理論放電容量が高いことから、好ましくは、一般式(1):LiaNibMncCodMxO2(但し、式中、a、b、c、d、xは、0.9≦a≦1.2、0<b<1、0<c≦0.5、0<d≦0.5、0≦x≦0.3、b+c+d+x=1を満たす。MはTi、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crから選ばれる元素で少なくとも1種類である)で表される組成を有する。ここで、aは、Liの原子比を表し、bは、Niの原子比を表し、cは、Mnの原子比を表し、dは、Coの原子比を表し、xは、Mの原子比を表す。サイクル特性の観点からは、一般式(1)において、0.4≦b≦0.6であることが好ましい。なお、各元素の組成は、例えば、プラズマ(ICP)発光分析法により測定できる。 Since the NMC composite oxide has a high theoretical discharge capacity, it preferably has a composition represented by the general formula (1): Li a Ni b Mn c Co d M x O 2 (wherein, a, b, c, d, and x satisfy 0.9≦a≦1.2, 0<b<1, 0<c≦0.5, 0<d≦0.5, 0≦x≦0.3, and b+c+d+x=1. M is at least one element selected from Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr). Here, a represents the atomic ratio of Li, b represents the atomic ratio of Ni, c represents the atomic ratio of Mn, d represents the atomic ratio of Co, and x represents the atomic ratio of M. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that 0.4≦b≦0.6 in the general formula (1). The composition of each element can be measured, for example, by plasma (ICP) emission spectrometry.
一般に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)は、材料の純度向上および電子伝導性向上という観点から、容量および出力特性に寄与することが知られている。Ti等は、結晶格子中の遷移金属を一部置換するものである。サイクル特性の観点からは、遷移元素の一部が他の金属元素により置換されていることが好ましく、特に一般式(1)において0<x≦0.3であることが好ましい。Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、SrおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1種が固溶することにより結晶構造が安定化されるため、その結果、充放電を繰り返しても電池の容量低下が防止でき、優れたサイクル特性が実現し得ると考えられる。 In general, nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn) are known to contribute to capacity and output characteristics from the viewpoint of improving the purity of the material and improving the electronic conductivity. Ti and the like partially replace the transition metals in the crystal lattice. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that a part of the transition element is replaced by another metal element, and it is particularly preferable that 0<x≦0.3 in the general formula (1). Since at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr and Cr is dissolved in solid solution, the crystal structure is stabilized, and as a result, it is thought that the capacity of the battery can be prevented from decreasing even when the battery is repeatedly charged and discharged, and excellent cycle characteristics can be realized.
より好ましい実施形態としては、一般式(1)において、b、cおよびdが、0.44≦b≦0.51、0.27≦c≦0.31、0.19≦d≦0.26であることが、容量と寿命特性とのバランスを向上させるという観点からは好ましい。例えば、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2は、一般的な民生電池で実績のあるLiCoO2、LiMn2O4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2などと比較して、単位重量あたりの容量が大きく、エネルギー密度の向上が可能となることでコンパクトかつ高容量の電池を作製できるという利点を有しており、航続距離の観点からも好ましい。なお、より容量が大きいという点ではLiNi0.8Co0.1Al0.1O2がより有利である。他方、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2はLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2並みに優れた寿命特性を有している。 As a more preferred embodiment, in the general formula (1), b, c, and d are 0.44≦b≦0.51, 0.27≦c≦0.31, and 0.19≦d≦0.26, which is preferable from the viewpoint of improving the balance between capacity and life characteristics. For example, LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 has a large capacity per unit weight compared to LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , which are proven in general consumer batteries, and has the advantage of being able to produce a compact and high-capacity battery by improving the energy density, which is also preferable from the viewpoint of range. Note that LiNi 0.8 Co 0.1 Al 0.1 O 2 is more advantageous in terms of larger capacity. On the other hand, LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 has excellent life characteristics comparable to LiNi1 / 3Mn1 / 3Co1 / 3O2 .
場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム-遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 In some cases, two or more types of positive electrode active materials may be used in combination. From the viewpoint of capacity and output characteristics, a lithium-transition metal composite oxide is preferably used as the positive electrode active material. Of course, positive electrode active materials other than those mentioned above may also be used.
正極活物質層に含まれる正極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1~30μmであり、より好ましくは5~20μmである。 The average particle size of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but from the viewpoint of achieving high output, it is preferably 1 to 30 μm, and more preferably 5 to 20 μm.
また、正極活物質層15は、負極活物質層13について上述したのと同様に、必要に応じて、導電助剤、導電部材、バインダなどのその他の添加剤をさらに含む。 In addition, the positive electrode active material layer 15 may further contain other additives such as a conductive assistant, a conductive material, and a binder, as necessary, in the same manner as described above for the negative electrode active material layer 13.
正極(正極活物質層)は、通常のスラリーを塗布(コーティング)する方法のほか、スパッタ法、蒸着法、CVD法、PVD法、イオンプレーティング法および溶射法のいずれかの方法によって形成することができる。 The positive electrode (positive electrode active material layer) can be formed by a method other than the usual method of applying (coating) a slurry, or by any of the following methods: sputtering, vapor deposition, CVD, PVD, ion plating, and thermal spraying.
[電解質層]
本形態に係る非水電解質二次電池の電解質層は、セパレータに電解液が含浸されてなる構成を有する。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment has a structure in which a separator is impregnated with an electrolytic solution.
電解液(液体電解質)は、リチウムイオンのキャリヤーとしての機能を有する。電解液層を構成する電解液(液体電解質)は、有機溶媒にリチウム塩が溶解した形態を有する。用いられる有機溶媒としては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、プロピオン酸メチル(MP)、酢酸メチル(MA)、ギ酸メチル(MF)、4-メチルジオキソラン(4MeDOL)、ジオキソラン(DOL)、2-メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメトキシエタン(DME)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、およびγ-ブチロラクトン(GBL)などが挙げられる。中でも、有機溶媒は、急速充電特性および出力特性をより向上できるとの観点から、好ましくは鎖状カーボネートであり、より好ましくはジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)からなる群から選択される少なくとも1種であり、より好ましくはエチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)から選択される。 The electrolyte (liquid electrolyte) functions as a carrier for lithium ions. The electrolyte (liquid electrolyte) that constitutes the electrolyte layer has a form in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent. Examples of organic solvents that can be used include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propionate (MP), methyl acetate (MA), methyl formate (MF), 4-methyldioxolane (4MeDOL), dioxolane (DOL), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), tetrahydrofuran (THF), dimethoxyethane (DME), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl sulfoxide (DMSO), and gamma-butyrolactone (GBL). Among these, from the viewpoint of further improving the rapid charging characteristics and output characteristics, the organic solvent is preferably a chain carbonate, more preferably at least one selected from the group consisting of diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC), and more preferably selected from ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC).
リチウム塩としては、Li(FSO2)2N(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド;LiFSI)、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。中でも、リチウム塩は、電池出力および充放電サイクル特性の観点から、好ましくはLi(FSO2)2N(LiFSI)である。 Examples of the lithium salt include Li( FSO2 ) 2N (lithium bis(fluorosulfonyl)imide; LiFSI), Li( C2F5SO2 ) 2N , LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , LiAsF6 , and LiCF3SO3 . Among these, the lithium salt is preferably Li( FSO2 ) 2N ( LiFSI ) from the viewpoints of battery output and charge /discharge cycle characteristics.
電解液は、上述した成分以外の添加剤をさらに含有してもよい。かような化合物の具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、ジフェニルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、1,2-ジビニルエチレンカーボネート、1-メチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-メチル-2-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-2-ビニルエチレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、ビニルオキシメチルエチレンカーボネート、アリルオキシメチルエチレンカーボネート、アクリルオキシメチルエチレンカーボネート、メタクリルオキシメチルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、プロパルギルエチレンカーボネート、エチニルオキシメチルエチレンカーボネート、プロパルギルオキシエチレンカーボネート、メチレンエチレンカーボネート、1,1-ジメチル-2-メチレンエチレンカーボネートなどが挙げられる。これらの添加剤は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、添加剤を電解液に使用する場合の使用量は、適宜調整することができる。 The electrolyte may further contain additives other than the above-mentioned components. Specific examples of such compounds include, for example, ethylene carbonate, vinylene carbonate, methylvinylene carbonate, dimethylvinylene carbonate, phenylvinylene carbonate, diphenylvinylene carbonate, ethylvinylene carbonate, diethylvinylene carbonate, vinylethylene carbonate, 1,2-divinylethylene carbonate, 1-methyl-1-vinylethylene carbonate, 1-methyl-2-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-1-vinylethylene carbonate, 1-ethyl-2-vinylethylene carbonate, and 1-ethyl-2-vinylethylene carbonate. Examples of the additives include ethylene carbonate, vinyl vinylene carbonate, allyl ethylene carbonate, vinyloxymethyl ethylene carbonate, allyloxymethyl ethylene carbonate, acryloxymethyl ethylene carbonate, methacryloxymethyl ethylene carbonate, ethynyl ethylene carbonate, propargyl ethylene carbonate, ethynyloxymethyl ethylene carbonate, propargyloxyethylene carbonate, methylene ethylene carbonate, and 1,1-dimethyl-2-methylene ethylene carbonate. These additives may be used alone or in combination of two or more. In addition, the amount of additive used in the electrolyte can be appropriately adjusted.
本形態に係る非水電解質二次電池は、電解液の粘性率が比較的大きい範囲に特定されている点に特徴の1つがある。すなわち、本形態に係る非水電解質二次電池は、粘度が高い電解液を用いることを特徴とするものである。具体的に、本形態に係る非水電解質二次電池に含まれる電解液の粘性率は、せん断速度10[s-1]において10[mPa・s]以上であり、かつ、せん断速度0.1[s-1]において300[mPa・s]以上である。 One of the features of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment is that the viscosity of the electrolyte is specified to be in a relatively large range. That is, the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment is characterized by using an electrolyte having a high viscosity. Specifically, the viscosity of the electrolyte contained in the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment is 10 [mPa·s] or more at a shear rate of 10 [s −1 ] and 300 [mPa·s] or more at a shear rate of 0.1 [s −1 ].
ここで一般に、電解液のような溶液の粘性率はせん断速度(流体の厚さ方向における流速の勾配)に応じて変化することが知られている。そして、比較的粘度が小さい溶液であれば、せん断速度が低下してもその粘性率はほとんど変化しない(ニュートン粘性)。これに対し、粘度が大きい溶液では、せん断速度の低下に応じて非線形性を示し、途中で急激に粘性率が上昇するパターンを示すようになる(非ニュートン粘性)。このため、本形態においては、まず、電池を構成する電解液の粘性率として従来着目されることもあった比較的せん断速度が大きい領域の代表値として、せん断速度が10[s-1]のときの粘性率を10[mPa・s]以上と規定している。そして、上述したような高粘度の電解液が示す非線形性をも考慮すべく、比較的せん断速度が小さい領域の代表値として、せん断速度が0.1[s-1]のときの粘性率についても300[mPa・s]以上であることが必要としたものである。このように、せん断速度が0.1[s-1]ときわめて小さい領域における電解液の粘性率に着目するということは、二次電池の技術分野においてはこれまでまったく検討がなされてこなかった。その意味で、本願発明は従来の技術とはまったく異なる技術的思想に基づき完成されたものであるということができる。なお、後述する比較例1~2に示すように、上記の規定を満たすような(高粘度の)電解液を用いた場合に、詳細については後述する電解液と電極活物質層との間のキャピラリー数Caが本願所定の範囲から外れると、電解液の電極活物質の表面に対する濡れ性が低下してしまう。これに対し、後述する参考例1に示すように、上記の規定を満たさない(低粘度の)電解液を用いた場合には、上記キャピラリー数Caが本願所定の範囲から外れたとしても電解液の電極活物質の表面に対する濡れ性の低下は見られず、電池特性に及ぼす悪影響もほとんどないと考えられる。以上をまとめると、上述した電解液の粘性率に関する規定は、本願発明の課題が生じるための前提条件として位置付けることができるのである。 Here, it is generally known that the viscosity of a solution such as an electrolyte changes depending on the shear rate (the gradient of the flow rate in the thickness direction of the fluid). If the solution has a relatively low viscosity, the viscosity hardly changes even if the shear rate decreases (Newtonian viscosity). In contrast, a solution with a high viscosity shows nonlinearity in response to a decrease in the shear rate, and shows a pattern in which the viscosity increases suddenly in the middle (non-Newtonian viscosity). For this reason, in this embodiment, the viscosity at a shear rate of 10 [s −1 ] is specified as 10 [mPa·s] or more as a representative value of a region with a relatively high shear rate that has been previously noted as the viscosity of an electrolyte constituting a battery. In addition, in order to take into account the nonlinearity exhibited by the electrolyte with a high viscosity as described above, the viscosity at a shear rate of 0.1 [s −1 ] is also required to be 300 [mPa·s] or more as a representative value of a region with a relatively low shear rate. Thus, in the technical field of secondary batteries, no study has been conducted at all on the viscosity of the electrolyte in a region where the shear rate is as small as 0.1 [s −1 ]. In that sense, it can be said that the present invention has been completed based on a technical idea that is completely different from the conventional technology. As shown in Comparative Examples 1 and 2 described later, when a (high-viscosity) electrolyte satisfying the above-mentioned provision is used, if the capillary number Ca between the electrolyte and the electrode active material layer, which will be described in detail later, falls outside the range specified in the present application, the wettability of the electrolyte to the surface of the electrode active material is reduced. On the other hand, as shown in Reference Example 1 described later, when a (low-viscosity) electrolyte not satisfying the above-mentioned provision is used, even if the capillary number Ca falls outside the range specified in the present application, no decrease in the wettability of the electrolyte to the surface of the electrode active material is observed, and it is considered that there is almost no adverse effect on the battery characteristics. In summary, the above-mentioned provision regarding the viscosity of the electrolyte can be positioned as a prerequisite for the occurrence of the problem of the present invention.
上述した電解液の粘性率の値について、せん断速度が10[s-1]のときの粘性率は必須に10[mPa・s]以上であるが、好ましくは20[mPa・s]以上であり、さらに好ましくは30[mPa・s]以上であり、特に好ましくは40[mPa・s]以上であり、最も好ましくは50[mPa・s]以上である。なお、せん断速度が10[s-1]のときの粘性率の上限値について特に制限はないが、通常は1×105[mPa・s]以下である。また、せん断速度が0.1[s-1]のときの粘性率は必須に300[mPa・s]以上であるが、好ましくは350[mPa・s]以上であり、さらに好ましくは400[mPa・s]以上であり、特に好ましくは450[mPa・s]以上であり、最も好ましくは500[mPa・s]以上である。なお、せん断速度が0.1[s-1]のときの粘性率の上限値について特に制限はないが、通常は1×1010[mPa・s]以下である。電解液の粘性率の値としては、後述する実施例の欄に記載の手法により測定した値を採用するものとする。また、電解液の粘性率の値は、電解液を構成する有機溶媒の種類や添加剤の種類または添加量を適宜選択することにより変化させることができる。さらに、電解液に含ませるリチウム塩の濃度を増加させることによっても、電解液の粘性率を上昇させることができる。なお、本形態において、電池のレート特性やサイクル耐久性といった電池特性を向上させるという観点から、電解液におけるリチウム塩の濃度は、好ましくは2.5mol/L以上であり、より好ましくは3.0mol/L以上であり、さらに好ましくは3.5mol/L以上であり、より好ましくは4.0mol/L以上であり、最も好ましくは4.5mol/L以上である。一方、電解液におけるリチウム塩の濃度の上限値について特に制限はないが、通常は6.0mol/L以下であればよい。 Regarding the value of the viscosity of the above-mentioned electrolyte, when the shear rate is 10 [s −1 ], the viscosity is essentially 10 [mPa·s] or more, preferably 20 [mPa·s] or more, more preferably 30 [mPa·s] or more, particularly preferably 40 [mPa·s] or more, and most preferably 50 [mPa·s] or more. There is no particular limit to the upper limit of the viscosity when the shear rate is 10 [s −1 ], but it is usually 1×10 5 [mPa·s] or less. In addition, when the shear rate is 0.1 [s −1 ], the viscosity is essentially 300 [mPa·s] or more, preferably 350 [mPa·s] or more, more preferably 400 [mPa·s] or more, particularly preferably 450 [mPa·s] or more, and most preferably 500 [mPa·s] or more. In addition, there is no particular limit to the upper limit of the viscosity when the shear rate is 0.1 [s −1 ], but it is usually 1×10 10 [mPa·s] or less. The value of the viscosity of the electrolyte solution is the value measured by the method described in the Examples section described later. In addition, the value of the viscosity of the electrolyte solution can be changed by appropriately selecting the type of organic solvent constituting the electrolyte solution and the type or amount of additives added. Furthermore, the viscosity of the electrolyte solution can be increased by increasing the concentration of the lithium salt contained in the electrolyte solution. In this embodiment, from the viewpoint of improving battery characteristics such as the rate characteristics and cycle durability of the battery, the concentration of the lithium salt in the electrolyte solution is preferably 2.5 mol/L or more, more preferably 3.0 mol/L or more, even more preferably 3.5 mol/L or more, more preferably 4.0 mol/L or more, and most preferably 4.5 mol/L or more. On the other hand, there is no particular limit to the upper limit of the concentration of the lithium salt in the electrolyte solution, but it is usually 6.0 mol/L or less.
本形態に係る非水電解質二次電池のもう1つの特徴は、せん断速度10[s-1]における前記電解液と前記電極活物質層との間のキャピラリー数Caが1.5×10-7以上、2.0×10-6以下であるという点にある。 Another feature of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment is that the capillary number Ca between the electrolyte and the electrode active material layer at a shear rate of 10 [s -1 ] is 1.5 x 10 -7 or more and 2.0 x 10 -6 or less.
ここで、キャピラリー数Caとは、流体力学において定義され、毛管値とも称されるパラメータである。このキャピラリー数Caは、粘性力と異なる流体間の境界に作用する表面張力との比として定義され、多孔体への液体浸透性の指標となる。具体的に、キャピラリー数Caは、下記の式で表される。 Here, the capillary number Ca is a parameter defined in fluid mechanics and is also called the capillary value. This capillary number Ca is defined as the ratio of the viscous force to the surface tension acting on the boundary between different fluids, and is an index of liquid permeability into a porous body. Specifically, the capillary number Ca is expressed by the following formula:
Ca=μ×V/γ
式中、μは液体(ここでは、電解液)の粘性係数であり、Vは代表流速(=空孔中心の流速)であり、γは液体(電解液)の表面張力である。ここで、せん断速度vsは、上記Vを用いてvs=V/r(rは空孔(ここでは、電極活物質層の有する空孔)の空孔半径)と表されることから、キャピラリー数Caは、以下のように表現される。
Ca=μ×V/γ
In the formula, μ is the viscosity coefficient of the liquid (here, the electrolyte), V is the representative flow velocity (= the flow velocity at the center of the pore), and γ is the surface tension of the liquid (electrolyte). Here, the shear rate v s is expressed as v s = V/r (r is the pore radius of the pore (here, the pore in the electrode active material layer)) using the above V, so the capillary number Ca is expressed as follows:
Ca=μ×vs×r/γ
上述したように、本発明者らの検討によれば、せん断速度(vs)が10[s-1]のときの電解液と電極活物質層との間のキャピラリー数Caを所定の範囲内の値に制御することで、上記で定義される高粘度の電解液を用いた場合であっても電極活物質層への濡れ性を向上させることが可能であることを見出したのである。
Ca=μ× vs ×r/γ
As described above, according to the studies of the present inventors, it has been found that by controlling the capillary number Ca between the electrolyte and the electrode active material layer when the shear rate (v s ) is 10 [s −1 ] to a value within a predetermined range, it is possible to improve the wettability of the electrolyte to the electrode active material layer even when an electrolyte having a high viscosity as defined above is used.
具体的に、本形態に係る非水電解質二次電池において、せん断速度10[s-1]における電解液と電極活物質層との間のキャピラリー数Caは、1.5×10-7以上、2.0×10-6以下であることが必須である。また、電解液と電極活物質層との間の濡れ性をよりいっそう向上させるという観点から、このキャピラリー数Caは、好ましくは1.3×10-6以下である。また、他の実施形態において、キャピラリー数Caは、好ましくは1.7×10-7以上、8.5×10-7以下であり、さらに好ましくは4.2×10-7以上、7.7×10-7以下であり、特に好ましくは4.8×10-7以上、5.9×10-7以下である。なお、本形態に係る非水電解質二次電池においては、少なくとも1つの正極活物質層または少なくとも1つの負極活物質層が、電解液との間で上記所定のキャピラリー数Caの規定を満足していればよい。ただし、本発明の作用効果をよりいっそう向上させるという観点からは、電池を構成するすべての正極活物質層または電池を構成するすべての負極活物質層が、電解液との間で上記所定のキャピラリー数Caの規定を満足していることが好ましく、電池を構成するすべての正極活物質層および電池を構成するすべての負極活物質層が、電解液との間で上記所定のキャピラリー数Caの規定を満足していることが特に好ましい。 Specifically, in the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment, the capillary number Ca between the electrolyte and the electrode active material layer at a shear rate of 10 [s −1 ] is essential to be 1.5×10 −7 or more and 2.0×10 −6 or less. In addition, from the viewpoint of further improving the wettability between the electrolyte and the electrode active material layer, this capillary number Ca is preferably 1.3×10 −6 or less. In another embodiment, the capillary number Ca is preferably 1.7×10 −7 or more and 8.5×10 −7 or less, more preferably 4.2×10 −7 or more and 7.7×10 −7 or less, and particularly preferably 4.8×10 −7 or more and 5.9×10 −7 or less. In addition, in the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment, at least one positive electrode active material layer or at least one negative electrode active material layer may satisfy the above-mentioned predetermined capillary number Ca between the electrolyte. However, from the viewpoint of further improving the effects of the present invention, it is preferable that all of the positive electrode active material layers constituting the battery or all of the negative electrode active material layers constituting the battery satisfy the above-mentioned prescribed capillary number Ca between themselves and the electrolyte, and it is particularly preferable that all of the positive electrode active material layers constituting the battery and all of the negative electrode active material layers constituting the battery satisfy the above-mentioned prescribed capillary number Ca between themselves and the electrolyte.
電解液と電極活物質層との間のキャピラリー数Caを上記所定の範囲内の値に制御することで、電解液と電極活物質層との濡れ性が向上するメカニズムは完全には明らかとはなっていない。ただし、以下のようなメカニズムが推定されている。すなわち、従来の非水電解質二次電池に用いられている1M程度の希薄な電解液であれば、電解液の粘度も低いことから、電極活物質層における細孔構造との関係を特に考慮しなくとも、空孔の奥深くまで電解液を浸透させることが可能であった。一方、高濃度の電解液のように電解液の粘度が高くなると、電解液が空孔の奥まで浸透しにくくなる。特に、空孔径が比較的大きい場合には電解液が浸透しなくなるという問題があることが判明した。これに対し、電解液と電極活物質層との間のキャピラリー数Caを上記の範囲内の値に制御することで、キャピラリー力による浸透現象が生じるようになる結果、高粘度の電解液であっても電極活物質層の空孔の奥深くまで浸透して空孔の壁面を濡らすことが可能となるものと推定されている。そして、このように高粘度の電解液が空孔の奥まで浸透することができれば、電極活物質と電解液との接触面積が増大し、電極反応がよりいっそう効率的に進行しやすくなり、電池性能の向上に寄与するものと考えられる。 The mechanism by which the wettability between the electrolyte and the electrode active material layer is improved by controlling the capillary number Ca between the electrolyte and the electrode active material layer to a value within the above-mentioned specified range is not completely clear. However, the following mechanism is presumed. That is, if the electrolyte is a dilute electrolyte of about 1M used in conventional non-aqueous electrolyte secondary batteries, the viscosity of the electrolyte is low, so it was possible to make the electrolyte penetrate deep into the pores without particularly considering the relationship with the pore structure in the electrode active material layer. On the other hand, if the viscosity of the electrolyte increases, such as in the case of a high-concentration electrolyte, it becomes difficult for the electrolyte to penetrate deep into the pores. In particular, it has been found that there is a problem in that the electrolyte does not penetrate when the pore diameter is relatively large. On the other hand, it is presumed that by controlling the capillary number Ca between the electrolyte and the electrode active material layer to a value within the above-mentioned range, a permeation phenomenon due to capillary force occurs, and as a result, even a highly viscous electrolyte can penetrate deep into the pores of the electrode active material layer and wet the wall surface of the pores. If such a highly viscous electrolyte can penetrate deep into the pores, the contact area between the electrode active material and the electrolyte increases, making it easier for the electrode reaction to proceed more efficiently, which is thought to contribute to improved battery performance.
なお、キャピラリー数Caを算出する際には、電解液の表面張力およびせん断速度10[s-1]のときの粘性率、電極活物質層の空孔半径(空孔直径(D50)の1/2)の値が必要であるが、これらの各種パラメータの値としては、後述する実施例の欄に記載の手法により測定した値を採用するものとする。ここで、キャピラリー数Caの値を変化させる手法としては、電解液の粘性率を変化させる手法や、電極活物質層の空孔半径を変化させる手法が挙げられる。そして、上述したように、電解液の粘性率の値は、電解液を構成する有機溶媒の種類や添加剤の種類または添加量を適宜選択することにより変化させることができる。一方、電極活物質層の空孔半径の値は、電極活物質層を製造する際に施すプレス処理の条件や処理回数を適宜選択することにより変化させることが可能である。 In addition, when calculating the capillary number Ca, the surface tension of the electrolyte, the viscosity at a shear rate of 10 [s −1 ], and the pore radius (1/2 of the pore diameter (D50)) of the electrode active material layer are required, but the values of these various parameters are measured by the method described in the Examples section below. Here, examples of a method for changing the value of the capillary number Ca include a method for changing the viscosity of the electrolyte and a method for changing the pore radius of the electrode active material layer. As described above, the value of the viscosity of the electrolyte can be changed by appropriately selecting the type of organic solvent constituting the electrolyte and the type or amount of additive. On the other hand, the value of the pore radius of the electrode active material layer can be changed by appropriately selecting the conditions of the press treatment and the number of treatments performed when producing the electrode active material layer.
電極活物質層の空孔直径の値として、ここでは、後述する実施例の欄において測定している体積基準の50%累積径(D50)の値を採用するものとする。電解液と電極活物質層との間の濡れ性をよりいっそう向上させるという観点から、このD50の値は、好ましくは0.2~1.0μmであり、より好ましくは0.5~1.0μmであり、さらに好ましくは0.7~0.9μmである。また、同様に後述する実施例の欄において測定している体積基準の10%累積径(D10)の値は、好ましくは0.01~0.5μmであり、より好ましくは0.01~0.3μmであり、さらに好ましくは0.01~0.25μmであり、特に好ましくは0.01~0.2μmである。また、電極活物質層の空孔率(この値も実施例に記載の手法で測定する)は、好ましくは20~30%であり、より好ましくは22~27%であり、さらに好ましくは24~26%である。 As the value of the pore diameter of the electrode active material layer, the value of the 50% cumulative diameter (D50) on a volume basis measured in the Examples section described later is adopted here. From the viewpoint of further improving the wettability between the electrolyte and the electrode active material layer, the value of this D50 is preferably 0.2 to 1.0 μm, more preferably 0.5 to 1.0 μm, and even more preferably 0.7 to 0.9 μm. Similarly, the value of the 10% cumulative diameter (D10) on a volume basis measured in the Examples section described later is preferably 0.01 to 0.5 μm, more preferably 0.01 to 0.3 μm, even more preferably 0.01 to 0.25 μm, and particularly preferably 0.01 to 0.2 μm. The porosity of the electrode active material layer (this value is also measured by the method described in the Examples section) is preferably 20 to 30%, more preferably 22 to 27%, and even more preferably 24 to 26%.
本形態に係る非水電解質二次電池において、電解質層にはセパレータが用いられる。セパレータは、電解質を保持して正極と負極との間のリチウムイオン伝導性を確保する機能、および正極と負極との間の隔壁としての機能を有する。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery according to this embodiment, a separator is used in the electrolyte layer. The separator has the function of retaining the electrolyte to ensure lithium ion conductivity between the positive electrode and the negative electrode, and the function of acting as a partition between the positive electrode and the negative electrode.
セパレータの形態としては、例えば、上記電解液を吸収保持するポリマーや繊維からなる多孔性シートのセパレータや不織布セパレータ等を挙げることができる。 Examples of the separator's form include a porous sheet separator made of a polymer or fiber that absorbs and retains the electrolyte, and a nonwoven fabric separator.
ポリマーないし繊維からなる多孔性シートのセパレータとしては、例えば、微多孔質(微多孔膜)を用いることができる。該ポリマーないし繊維からなる多孔性シートの具体的な形態としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン;これらを複数積層した積層体(例えば、PP/PE/PPの3層構造をした積層体など)、ポリイミド、アラミド、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVdF-HFP)等の炭化水素系樹脂、ガラス繊維などからなる微多孔質(微多孔膜)セパレータが挙げられる。 For example, a microporous (microporous membrane) separator made of a porous sheet made of a polymer or fiber can be used. Specific forms of the porous sheet made of the polymer or fiber include, for example, polyolefins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); laminates of multiple layers of these (for example, a laminate with a three-layer structure of PP/PE/PP), polyimide, aramid, hydrocarbon resins such as polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), glass fibers, and microporous (microporous membrane) separators.
微多孔質(微多孔膜)セパレータの厚みとして、使用用途により異なることから一義的に規定することはできない。1例を示せば、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)、燃料電池自動車(FCV)などのモータ駆動用二次電池などの用途においては、単層あるいは多層で4~60μmであることが望ましい。前記微多孔質(微多孔膜)セパレータの微細孔径は、最大で1μm以下(通常、数十nm程度の孔径である)であることが望ましい。 The thickness of the microporous (microporous membrane) separator cannot be unequivocally defined, as it varies depending on the intended use. As an example, in applications such as secondary batteries for driving motors in electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), fuel cell vehicles (FCVs), etc., it is desirable for the single layer or multilayer to be 4 to 60 μm. It is desirable for the micropore diameter of the microporous (microporous membrane) separator to be a maximum of 1 μm or less (usually a pore diameter of about several tens of nm).
不織布セパレータとしては、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル;PP、PEなどのポリオレフィン;ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを、単独または混合して用いる。また、不織布のかさ密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性が得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。さらに、不織布セパレータの厚さは、電解質層と同じであればよく、好ましくは5~200μmであり、特に好ましくは10~100μmである。 As the nonwoven separator, conventional materials such as cotton, rayon, acetate, nylon, polyester; polyolefins such as PP and PE; polyimide, aramid, etc., may be used alone or in combination. The bulk density of the nonwoven fabric is not particularly limited as long as sufficient battery characteristics can be obtained with the impregnated polymer gel electrolyte. Furthermore, the thickness of the nonwoven fabric separator may be the same as that of the electrolyte layer, and is preferably 5 to 200 μm, and particularly preferably 10 to 100 μm.
また、セパレータとしては多孔質基体に耐熱絶縁層が積層されたセパレータ(耐熱絶縁層付セパレータ)であることが好ましい。耐熱絶縁層は、無機粒子およびバインダを含むセラミック層である。耐熱絶縁層付セパレータは融点または熱軟化点が150℃以上、好ましくは200℃以上である耐熱性の高いものを用いる。耐熱絶縁層を有することによって、温度上昇の際に増大するセパレータの内部応力が緩和されるため熱収縮抑制効果が得られうる。その結果、電池の電極間ショートの誘発を防ぐことができるため、温度上昇による性能低下が起こりにくい電池構成になる。また、耐熱絶縁層を有することによって、耐熱絶縁層付セパレータの機械的強度が向上し、セパレータの破膜が起こりにくい。さらに、熱収縮抑制効果および機械的強度の高さから、電池の製造工程でセパレータがカールしにくくなる。 The separator is preferably a separator in which a heat-resistant insulating layer is laminated on a porous substrate (separator with heat-resistant insulating layer). The heat-resistant insulating layer is a ceramic layer containing inorganic particles and a binder. The separator with heat-resistant insulating layer is a highly heat-resistant one with a melting point or thermal softening point of 150°C or higher, preferably 200°C or higher. By having a heat-resistant insulating layer, the internal stress of the separator that increases when the temperature rises is alleviated, so that a heat shrinkage suppression effect can be obtained. As a result, the induction of short circuits between the electrodes of the battery can be prevented, resulting in a battery configuration in which performance deterioration due to temperature rise is unlikely to occur. In addition, by having a heat-resistant insulating layer, the mechanical strength of the separator with heat-resistant insulating layer is improved, and the separator is less likely to break. Furthermore, due to the heat shrinkage suppression effect and high mechanical strength, the separator is less likely to curl during the battery manufacturing process.
耐熱絶縁層における無機粒子は、耐熱絶縁層の機械的強度や熱収縮抑制効果に寄与する。無機粒子として使用される材料は特に制限されない。例えば、ケイ素、アルミニウム、ジルコニウム、チタンの酸化物(SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2)、水酸化物、および窒化物、ならびにこれらの複合体が挙げられる。これらの無機粒子は、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、マイカなどの鉱物資源由来のものであってもよいし、人工的に製造されたものであってもよい。また、これらの無機粒子は1種のみが単独で使用されてもよいし、2種以上が併用されてもよい。これらのうち、コストの観点から、シリカ(SiO2)またはアルミナ(Al2O3)を用いることが好ましく、アルミナ(Al2O3)を用いることがより好ましい。 The inorganic particles in the heat-resistant insulating layer contribute to the mechanical strength and thermal contraction suppression effect of the heat-resistant insulating layer. The material used as the inorganic particles is not particularly limited. For example, oxides (SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , TiO 2 ), hydroxides, and nitrides of silicon, aluminum, zirconium, and titanium, as well as composites thereof, can be mentioned. These inorganic particles may be derived from mineral resources such as boehmite, zeolite, apatite, kaolin, mullite, spinel, olivine, and mica, or may be artificially produced. In addition, only one type of these inorganic particles may be used alone, or two or more types may be used in combination. Among these, from the viewpoint of cost, it is preferable to use silica (SiO 2 ) or alumina (Al 2 O 3 ), and it is more preferable to use alumina (Al 2 O 3 ).
耐熱性粒子の目付けは、特に限定されるものではないが、5~15g/m2であることが好ましい。この範囲であれば、十分なイオン伝導性が得られ、また、耐熱強度を維持する点で好ましい。 The basis weight of the heat-resistant particles is not particularly limited, but is preferably 5 to 15 g/m 2. Within this range, sufficient ion conductivity is obtained, and it is preferable in terms of maintaining heat resistant strength.
耐熱絶縁層におけるバインダは、無機粒子どうしや、無機粒子と樹脂多孔質基体層とを接着させる役割を有する。当該バインダによって、耐熱絶縁層が安定に形成され、また多孔質基体層および耐熱絶縁層の間の剥離を防止される。 The binder in the heat-resistant insulating layer serves to bond the inorganic particles together and between the inorganic particles and the resin porous substrate layer. The binder ensures that the heat-resistant insulating layer is formed stably and prevents peeling between the porous substrate layer and the heat-resistant insulating layer.
耐熱絶縁層に使用されるバインダは、特に制限はなく、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ポリアクリロニトリル、セルロース、エチレン-酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)、アクリル酸メチルなどの化合物がバインダとして用いられうる。このうち、カルボキシメチルセルロース(CMC)、アクリル酸メチル、またはポリフッ化ビニリデン(PVDF)を用いることが好ましい。これらの化合物は、1種のみが単独で使用されてもよいし、2種以上が併用されてもよい。 The binder used in the heat-resistant insulating layer is not particularly limited, and compounds such as carboxymethylcellulose (CMC), polyacrylonitrile, cellulose, ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene rubber, butadiene rubber, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl fluoride (PVF), and methyl acrylate can be used as the binder. Of these, it is preferable to use carboxymethylcellulose (CMC), methyl acrylate, or polyvinylidene fluoride (PVDF). These compounds may be used alone or in combination of two or more.
耐熱絶縁層におけるバインダの含有量は、耐熱絶縁層100重量%に対して、2~20重量%であることが好ましい。バインダの含有量が2重量%以上であると、耐熱絶縁層と多孔質基体層との間の剥離強度を高めることができ、セパレータの耐振動性を向上させることができる。一方、バインダの含有量が20重量%以下であると、無機粒子の隙間が適度に保たれるため、十分なリチウムイオン伝導性を確保することができる。 The binder content in the heat-resistant insulating layer is preferably 2 to 20% by weight, based on 100% by weight of the heat-resistant insulating layer. If the binder content is 2% by weight or more, the peel strength between the heat-resistant insulating layer and the porous substrate layer can be increased, and the vibration resistance of the separator can be improved. On the other hand, if the binder content is 20% by weight or less, the gaps between the inorganic particles are appropriately maintained, ensuring sufficient lithium ion conductivity.
耐熱絶縁層付セパレータの熱収縮率は、150℃、2gf/cm2条件下、1時間保持後にMD、TDともに10%以下であることが好ましい。このような耐熱性の高い材質を用いることで、発熱量が高くなり電池内部温度が150℃に達してもセパレータの収縮を有効に防止することができる。その結果、電池の電極間ショートの誘発を防ぐことができるため、温度上昇による性能低下が起こりにくい電池構成になる。 The heat shrinkage rate of the separator with heat-resistant insulation layer is preferably 10% or less in both MD and TD after being held for 1 hour under conditions of 150°C and 2 gf/cm2. By using such a highly heat-resistant material, it is possible to effectively prevent the separator from shrinking even if the heat generation amount increases and the internal temperature of the battery reaches 150°C. As a result, it is possible to prevent the induction of short circuits between the electrodes of the battery, resulting in a battery configuration in which performance degradation due to temperature rise is unlikely to occur.
[正極集電板および負極集電板]
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板25と負極集電板27とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
[Positive and negative current collector plates]
The material constituting the current collector plate (25, 27) is not particularly limited, and a known highly conductive material conventionally used as a current collector plate for a lithium ion secondary battery can be used. As the material constituting the current collector plate, for example, a metal material such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof is preferable. From the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferable, and aluminum is particularly preferable. In addition, the same material may be used for the positive electrode current collector plate 25 and the negative electrode current collector plate 27, or different materials may be used.
[正極リードおよび負極リード]
また、図示は省略するが、集電体(11’、11”)と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
[Positive and negative electrode leads]
Although not shown in the figures, the current collectors (11', 11") and the current collector plates (25, 27) may be electrically connected via positive and negative electrode leads. As the constituent materials of the positive and negative electrode leads, materials used in known lithium ion secondary batteries may be similarly adopted. Note that the portion removed from the exterior is preferably covered with a heat-resistant insulating heat-shrink tube or the like so as to prevent contact with peripheral devices or wiring, causing electric leakage and affecting products (e.g., automobile parts, particularly electronic devices, etc.).
[電池外装材]
電池外装材としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図1および図2に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができることから、外装体はアルミニウムを含むラミネートフィルムがより好ましい。
[Battery exterior material]
As the battery exterior material, a known metal can case can be used, and a bag-shaped case using a laminate film 29 containing aluminum, which can cover the power generating element as shown in Figures 1 and 2, can be used. The laminate film can be, for example, a three-layer laminate film formed by laminating PP, aluminum, and nylon in this order, but is not limited thereto. A laminate film is desirable from the viewpoint of being excellent in high output and cooling performance and being suitable for use in batteries for large equipment for EVs and HEVs. In addition, since the group pressure applied from the outside to the power generating element can be easily adjusted, a laminate film containing aluminum is more preferable as the exterior body.
本形態に係る積層型二次電池は、複数の単電池層が並列に接続された構成を有することにより、高容量でサイクル耐久性に優れるものである。したがって、本形態に係る積層型二次電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The stacked secondary battery according to the present embodiment has a configuration in which multiple single cell layers are connected in parallel, and thus has high capacity and excellent cycle durability. Therefore, the stacked secondary battery according to the present embodiment is suitable for use as a power source for driving EVs and HEVs.
[非水電解質二次電池の製造方法]
本形態に係る非水電解質二次電池の製造方法は、特に制限されないが、一例としては、まず、電極(正極および負極)を作製する。電極の作製方法としては、電極活物質スラリーを調製し、前記電極活物質スラリーを集電体の表面に塗工し、乾燥させた後にプレス処理を施することにより電極活物質層を作製するという手法が挙げられる。そして、得られた正極および負極をセパレータを介して積層し、外装体であるアルミラミネートフィルム等からなるパックの内部に入れる。その後、電解液を注液し、真空に封止することにより電池を作製することができる。
[Method of manufacturing non-aqueous electrolyte secondary battery]
The method for producing the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment is not particularly limited, but as an example, first, electrodes (positive and negative electrodes) are produced. As a method for producing the electrodes, an electrode active material layer is produced by preparing an electrode active material slurry, applying the electrode active material slurry to the surface of a current collector, drying the electrode active material slurry, and then performing a pressing process. Then, the obtained positive and negative electrodes are laminated with a separator interposed therebetween, and placed inside a pack made of an aluminum laminate film or the like, which is an exterior body. Then, an electrolyte is poured in and the pack is sealed in a vacuum to produce a battery.
ここで、上述した形態に係る非水電解質二次電池を作製するためには、まず、電解液の粘性率を所定の範囲内の値に制御する必要がある。電解液の粘性率を制御するには、上述したように、電解液を構成する有機溶媒の種類や添加剤の種類または添加量を適宜選択すればよい。 Here, in order to produce the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the above-mentioned embodiment, it is first necessary to control the viscosity of the electrolyte solution to a value within a predetermined range. To control the viscosity of the electrolyte solution, as described above, the type of organic solvent constituting the electrolyte solution and the type or amount of additives added may be appropriately selected.
一方、上述した形態に係る非水電解質二次電池を作製するためには、電解液と電極活物質層との間のキャピラリー数Caを所定の範囲内の値に制御する必要がある。キャピラリー数Caを制御するには、例えば、電極活物質層を作製する際のプレス処理の条件や処理回数を適宜選択すればよい。電極活物質層の作製の際にプレス処理を施すためのプレス手段としては、特に限定されず、例えば、カレンダーロール、平板プレス等が用いられうる。プレス圧についても特に限定されないが、通常は10~30kN程度のプレス圧を採用すればよい。ここで、プレス圧を大きくしたり、プレス回数を増やしたりすると、乾燥した塗膜(電極活物質層の前駆体)に適度のクラックが発生し、空孔直径が比較的小さい空孔が多数生じることになる。その結果、キャピラリー数Caの式における空孔半径(r)の項が小さくなり、キャピラリー数Caの値も小さくなる。この場合、空孔直径が比較的小さい空孔が多数生じるものの、電極活物質層における空孔率の値はそれほど低下しない。したがって、本願発明におけるキャピラリー数Caの制御は、従来の技術における単なる空孔率の制御とはまったく異なる技術的思想に基づくものであるといえる。すなわち、本発明の他の形態によれば、上述した本発明の一形態に係る非水電解質二次電池を製造する方法もまた、提供される。当該製造方法は、前記電極における前記電極活物質層を作製する際に、電極活物質を含む電極活物質スラリーを集電体の表面に塗工し、乾燥させた後にプレス処理を施す工程を含む。そして、せん断速度10[s-1]における前記電解液と前記電極活物質層との間のキャピラリー数Caが1.5×10-7以上、2.0×10-6以下となるように、前記プレス処理のプレス圧またはプレス処理の回数を選択することを特徴とするものである。 On the other hand, in order to prepare the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the above-mentioned embodiment, it is necessary to control the capillary number Ca between the electrolyte and the electrode active material layer to a value within a predetermined range. To control the capillary number Ca, for example, the conditions of the press treatment and the number of times of treatment when preparing the electrode active material layer may be appropriately selected. The press means for performing the press treatment when preparing the electrode active material layer is not particularly limited, and for example, a calendar roll, a flat plate press, etc. may be used. The press pressure is also not particularly limited, but a press pressure of about 10 to 30 kN may usually be adopted. Here, if the press pressure is increased or the number of times of pressing is increased, moderate cracks will occur in the dried coating film (precursor of the electrode active material layer), and a large number of pores with a relatively small pore diameter will be generated. As a result, the term of the pore radius (r) in the formula for the capillary number Ca will become smaller, and the value of the capillary number Ca will also become smaller. In this case, although a large number of pores with a relatively small pore diameter are generated, the value of the porosity in the electrode active material layer will not decrease so much. Therefore, the control of the capillary number Ca in the present invention is based on a technical idea that is completely different from the simple control of the porosity in the conventional technology. That is, according to another aspect of the present invention, a method for producing a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the above-mentioned aspect of the present invention is also provided. The production method includes a step of applying an electrode active material slurry containing an electrode active material to a surface of a current collector when preparing the electrode active material layer in the electrode, drying the electrode active material slurry, and then performing a press treatment. The press pressure or the number of press treatments is selected so that the capillary number Ca between the electrolyte and the electrode active material layer at a shear rate of 10 [s −1 ] is 1.5×10 −7 or more and 2.0×10 −6 or less.
なお、電極の作製時におけるプレス処理の回数については、プレス圧によっても変動しうるため一義的には規定しにくいが、好ましくは2~7回であり、より好ましくは3~5回である。 The number of times the pressing process is performed when making the electrode is difficult to define because it can vary depending on the pressing pressure, but it is preferably 2 to 7 times, and more preferably 3 to 5 times.
なお、発電要素には正極タブ、負極タブを溶接により接合する。必要に応じて、溶接後に余分なタブ等をトリミングにより除去するのが望ましい。接合方法としては特に制限されるものではないが、超音波溶接機にて行うのが、接合時に発熱(加熱)せず、極めて短時間で接合できるため、熱による電極活物質層(負極活物質層および正極活物質層)の劣化を防止できる点で優れている。この際、正極タブと、負極タブとは、同じ辺(同じ取出し側)で対向(対峙)するように配置することができる。これにより、各正極の正極タブを1つに束ねて1つの正極集電板として外装体から取り出すことができる。同様に各負極の負極タブを1つに束ねて1つの負極集電板として外装体から取り出すことができる。また、正極集電板(正極集電タブ)と、負極集電板(負極集電タブ)とが、反対の辺(異なる取出し辺)となるように配置してもよい。 The positive and negative tabs are joined to the power generating element by welding. If necessary, it is desirable to remove excess tabs by trimming after welding. There are no particular limitations on the joining method, but using an ultrasonic welding machine is advantageous in that it does not generate heat (heat) during joining and can be joined in an extremely short time, preventing deterioration of the electrode active material layers (negative and positive active material layers) due to heat. In this case, the positive and negative tabs can be arranged so that they face each other on the same side (same removal side). This allows the positive electrode tabs of each positive electrode to be bundled together and removed from the exterior as a single positive electrode current collector. Similarly, the negative electrode tabs of each negative electrode can be bundled together and removed from the exterior as a single negative electrode current collector. The positive electrode current collector (positive electrode current collector tab) and the negative electrode current collector (negative electrode current collector tab) may also be arranged so that they are on opposite sides (different removal sides).
また、発電要素を外装体で覆う方法は制限されず、従来公知の知見が適宜参照される。一例としては、発電要素を電池外装体に用いるラミネートフィルムで、上下から、正極集電板(正極集電タブ)と、負極集電板(負極集電タブ)を電池外装体の外部に取り出せるようにして、挟み込む。 There are no limitations on the method for covering the power generating element with the exterior body, and conventionally known knowledge may be referenced as appropriate. As one example, the power generating element is sandwiched between a laminate film used for the battery exterior body, with the positive electrode current collector plate (positive electrode current collector tab) and the negative electrode current collector plate (negative electrode current collector tab) sandwiched from above and below so that they can be removed from the battery exterior body.
次に、上下のラミネートフィルムの外周部(封止部)のうち3辺を熱圧着して封止する。外周部のうち3辺を熱圧着して封止することで、3辺封止体を得る。この際、正極集電板(正極集電タブ)、負極集電板(負極集電タブ)を取り出す辺の熱封止部は、封止しておくのが好ましい。これは、その後の注液時に、これらの正極集電板、負極集電板が開口部にあると、注液時に電解液が飛び散るなどする恐れがあるためである。 Next, three sides of the outer periphery (sealed portion) of the upper and lower laminate films are sealed by thermocompression. By thermocompression sealing three sides of the outer periphery, a three-sided sealed body is obtained. At this time, it is preferable to seal the heat-sealed portion of the side from which the positive electrode current collector plate (positive electrode current collector tab) and negative electrode current collector plate (negative electrode current collector tab) are taken out. This is because if these positive electrode current collector plate and negative electrode current collector plate are in the opening during the subsequent electrolyte injection, there is a risk that the electrolyte will splash out during the electrolyte injection.
なお、上記においては、積層構造の電池の説明を行ったが、積層型に限定されず、電池の構成としては、角形、ペーパー型、円筒型、コイン型等、種々の形状を採用することができる。 Although the above describes a battery with a stacked structure, the battery is not limited to a stacked structure, and various shapes such as a rectangular, paper-shaped, cylindrical, or coin-shaped battery can be used.
続いて、注液装置にて3辺封止体の残る1辺の開口部より、3辺封止体内部に、電解液を注入する。これによりセパレータに電解質を含浸した電解質層が形成される。この際、電解質が3辺封止体内部の積層体、特にセパレータおよび電極活物質層にできるだけ早く含浸できるように、3辺封止体は、真空ポンプに連結された真空ボックスに収納することが好ましい。さらに、減圧して内部を高真空状態にした状態で注入を行うのが望ましい。注入後、3辺封止体を真空ボックスから取出し、いったん減圧を解除することが好ましく、大気圧に戻すことがより好ましい。本発明者らの検討によれば、このようにして減圧-減圧解除の工程を行うことにより、高粘度の電解液であっても電極活物質層の空孔の内部にまで十分に浸透させることが可能であることが見出されたのである。 Next, the electrolyte is injected into the three-side sealed body through the opening of the remaining side of the three-side sealed body using a liquid injection device. This forms an electrolyte layer in which the separator is impregnated with the electrolyte. At this time, it is preferable to store the three-side sealed body in a vacuum box connected to a vacuum pump so that the electrolyte can be impregnated into the laminate inside the three-side sealed body, particularly the separator and the electrode active material layer, as quickly as possible. Furthermore, it is preferable to perform the injection while reducing the pressure and creating a high vacuum inside. After the injection, it is preferable to remove the three-side sealed body from the vacuum box and release the reduced pressure once, and more preferably to return it to atmospheric pressure. According to the inventors' investigations, it has been found that by performing the steps of reducing pressure and releasing the reduced pressure in this manner, even a highly viscous electrolyte can be sufficiently penetrated into the pores of the electrode active material layer.
最後に、3辺封止体の内部を再度高真空状態にして、残る1辺を封止する。このようにして、正極と負極とがセパレータを介して対向するように積層された単電池層を積層した、ラミネートタイプ(積層構造)の非水電解質二次電池を得ることができる。ただし、最初の高真空状態を維持したまま残る1辺を封止した場合であっても特に支障がなければ、上述した減圧-減圧解除の工程を行うことは必須ではない。 Finally, the inside of the three-side sealed body is again placed in a high vacuum state, and the remaining side is sealed. In this way, a laminate-type (laminated structure) non-aqueous electrolyte secondary battery can be obtained, in which single cell layers are stacked such that the positive electrode and the negative electrode face each other via a separator. However, if there is no particular problem in sealing the remaining side while maintaining the initial high vacuum state, it is not essential to carry out the above-mentioned depressurization-release process.
以上、非水電解質二次電池の一実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。 Although one embodiment of a nonaqueous electrolyte secondary battery has been described above, the present invention is not limited to the configuration described in the above embodiment, and can be modified as appropriate based on the claims.
例えば、本発明に係る非水電解質二次電池が適用される電池の種類として、集電体の一方の面に電気的に結合した正極活物質層と、集電体の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層とを有する双極型電極を含む、双極型(バイポーラ型)の電池も挙げられる。 For example, the type of battery to which the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention can be applied includes a bipolar battery that includes a bipolar electrode having a positive electrode active material layer electrically bonded to one surface of a current collector and a negative electrode active material layer electrically bonded to the opposite surface of the current collector.
図3は、本発明に係る全固体リチウムイオン二次電池の一実施形態である双極型(バイポーラ型)の二次電池(以下、単に「双極型二次電池」とも称する)を模式的に表した断面図である。図3に示す双極型二次電池10bは、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装体であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。 Figure 3 is a cross-sectional view that shows a bipolar secondary battery (hereinafter, simply referred to as a "bipolar secondary battery") that is one embodiment of the all-solid-state lithium-ion secondary battery according to the present invention. The bipolar secondary battery 10b shown in Figure 3 has a structure in which a roughly rectangular power generating element 21, where the actual charge and discharge reaction proceeds, is sealed inside a laminate film 29 that is the battery exterior body.
図3に示すように、本形態の双極型二次電池10bの発電要素21は、集電体11の一方の面に電気的に結合した正極活物質層13が形成され、集電体11の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層15が形成された複数の双極型電極23を有する。各双極型電極23は、固体電解質層17を介して積層されて発電要素21を形成する。なお、固体電解質層17は、固体電解質が層状に成形されてなる構成を有する。図3に示すように、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15との間に固体電解質層17が挟まれて配置されている。 As shown in FIG. 3, the power generating element 21 of the bipolar secondary battery 10b of this embodiment has a plurality of bipolar electrodes 23 in which a positive electrode active material layer 13 electrically connected to one surface of the current collector 11 is formed, and a negative electrode active material layer 15 electrically connected to the opposite surface of the current collector 11 is formed. Each bipolar electrode 23 is stacked via a solid electrolyte layer 17 to form the power generating element 21. The solid electrolyte layer 17 has a structure in which a solid electrolyte is formed into a layer. As shown in FIG. 3, the solid electrolyte layer 17 is sandwiched and arranged between the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of another bipolar electrode 23 adjacent to the one bipolar electrode 23.
隣接する正極活物質層13、固体電解質層17、および負極活物質層15は、一つの単電池層19を構成する。したがって、双極型二次電池10bは、単電池層19が積層されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の最外層に位置する正極側の最外層集電体11aには、片面のみに正極活物質層13が形成されている。また、発電要素21の最外層に位置する負極側の最外層集電体11bには、片面のみに負極活物質層15が形成されている。また、単電池層19の外周部にはシール部(絶縁層)31が配置されている。これにより、電解質層17からの電解液の漏れによる液絡を防止し、電池内で隣り合う集電体11どうしが接触したり、発電要素21における単電池層19の端部の僅かな不揃いなどに起因する短絡が起こったりするのを防止している。 Adjacent positive electrode active material layer 13, solid electrolyte layer 17, and negative electrode active material layer 15 constitute one single cell layer 19. Therefore, it can be said that the bipolar secondary battery 10b has a configuration in which the single cell layers 19 are stacked. The positive electrode active material layer 13 is formed only on one side of the outermost current collector 11a on the positive electrode side, which is located in the outermost layer of the power generation element 21. The negative electrode active material layer 15 is formed only on one side of the outermost current collector 11b on the negative electrode side, which is located in the outermost layer of the power generation element 21. A seal portion (insulating layer) 31 is disposed on the outer periphery of the single cell layer 19. This prevents liquid junctions due to leakage of electrolyte from the electrolyte layer 17, and prevents contact between adjacent current collectors 11 in the battery and short circuits caused by slight misalignment of the ends of the single cell layers 19 in the power generation element 21.
シール部は、双極型二次電池(直列積層型電池)に特有の部材であり、電解質層からの電解液の漏れを防止する機能を有する。このほかにも、電池内で隣り合う集電体同士が接触したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こったりするのを防止することもできる。シール部の構成材料としては、特に制限されないが、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ゴム、ポリイミド等が用いられうる。これらのうち、耐蝕性、耐薬品性、製膜性、経済性などの観点からは、ポリオレフィン樹脂を用いることが好ましい。 The sealing portion is a component specific to bipolar secondary batteries (series-stacked batteries) and has the function of preventing leakage of the electrolyte from the electrolyte layer. In addition, it can also prevent contact between adjacent current collectors in the battery and short circuits caused by slight irregularities at the ends of the stacked electrodes. There are no particular limitations on the material that can be used to make the sealing portion, but polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, epoxy resins, rubber, polyimide, etc. can be used. Of these, it is preferable to use polyolefin resins from the standpoints of corrosion resistance, chemical resistance, film-forming properties, and economy.
さらに、図3に示す双極型二次電池10bでは、正極側の最外層集電体11aに隣接するように正極集電板(正極タブ)25が配置され、これが延長されて電池外装体であるラミネートフィルム29から導出している。一方、負極側の最外層集電体11bに隣接するように負極集電板(負極タブ)27が配置され、同様にこれが延長されてラミネートフィルム29から導出している。 Furthermore, in the bipolar secondary battery 10b shown in FIG. 3, a positive electrode current collector (positive electrode tab) 25 is disposed adjacent to the outermost current collector 11a on the positive electrode side, and is extended to lead out from the laminate film 29, which is the battery outer casing. On the other hand, a negative electrode current collector (negative electrode tab) 27 is disposed adjacent to the outermost current collector 11b on the negative electrode side, and is similarly extended to lead out from the laminate film 29.
なお、単電池層19の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。また、双極型二次電池10bでは、電池の厚みを極力薄くしても十分な出力が確保できれば、単電池層19の積層回数を少なくしてもよい。双極型二次電池10bでも、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、発電要素21を電池外装体であるラミネートフィルム29に減圧封入し、正極集電板25および負極集電板27をラミネートフィルム29の外部に取り出した構造とするのがよい。 The number of times the cell layers 19 are stacked is adjusted according to the desired voltage. In addition, in the bipolar secondary battery 10b, the number of times the cell layers 19 are stacked may be reduced if sufficient output can be ensured even if the thickness of the battery is made as thin as possible. In order to prevent external impacts and environmental deterioration during use, the bipolar secondary battery 10b is also preferably structured such that the power generating element 21 is vacuum sealed in the laminate film 29, which is the battery exterior, and the positive electrode current collector 25 and the negative electrode current collector 27 are exposed to the outside of the laminate film 29.
[組電池]
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
[Battery pack]
A battery pack is a device that consists of multiple batteries connected together. More specifically, it is a device that uses at least two batteries and is configured in series or parallel or both. By connecting them in series or parallel, it is possible to freely adjust the capacity and voltage.
電池が複数、直列にまたは並列に接続して装脱着可能な小型の組電池を形成することもできる。そして、この装脱着可能な小型の組電池をさらに複数、直列にまたは並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池(電池モジュール、電池パックなど)を形成することもできる。何個の電池を接続して組電池を作製するか、また、何段の小型組電池を積層して大容量の組電池を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 A small, removable battery pack can be formed by connecting multiple batteries in series or in parallel. Then, multiple such small, removable battery packs can be further connected in series or in parallel to form a large-capacity, high-output battery pack (battery module, battery pack, etc.) suitable for vehicle drive power sources and auxiliary power sources that require high volumetric energy density and high volumetric output density. How many batteries are connected to form a battery pack, and how many stages of small battery packs are stacked to form a large-capacity battery pack, can be determined according to the battery capacity and output of the vehicle (electric vehicle) in which it is to be installed.
[車両]
電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両に搭載することができる。本発明では、長期信頼性に優れた高寿命の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を、例えば、自動車ならばハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。
[vehicle]
The battery or a battery pack formed by combining a plurality of batteries can be mounted on a vehicle. In the present invention, a battery with excellent long-term reliability and long life can be configured, so that by mounting such a battery, a plug-in hybrid electric vehicle with a long EV driving distance or an electric vehicle with a long driving distance per charge can be configured. For example, if the battery or a battery pack formed by combining a plurality of batteries is used in a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, or an electric vehicle (all of which include four-wheeled vehicles (commercial vehicles such as passenger cars, trucks, and buses, and light vehicles, etc.), as well as two-wheeled vehicles (motorcycles) and three-wheeled vehicles), it becomes a vehicle with a long life and high reliability. However, the use is not limited to automobiles, and it can be applied to various power sources of other vehicles, for example, mobile bodies such as trains, and can also be used as a mounted power source for an uninterruptible power supply device, etc.
以下、実施例および比較例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに何ら限定されるわけではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[実施例1]
<正極の作製>
正極活物質であるLiNi0.5Mn0.3Co0.2O(平均粒子径:15μm)95質量%、導電助剤であるカーボンナノチューブ2質量%、およびバインダであるポリフッ化ビニリデン3質量%からなる固形分を用意した。この固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を適量添加し、混合して、正極活物質スラリーを作製した。次に、得られた正極活物質スラリーを、集電体であるアルミニウム箔(厚み20μm)の片面に塗布し、乾燥させた。その後、得られた積層体を20kNのロールプレスを用いて圧縮する操作を5回行って、本実施例の正極を作製した。
[Example 1]
<Preparation of Positive Electrode>
A solid content consisting of 95% by mass of LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O (average particle size: 15 μm) as a positive electrode active material, 2% by mass of carbon nanotubes as a conductive assistant, and 3% by mass of polyvinylidene fluoride as a binder was prepared. An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a slurry viscosity adjusting solvent was added to this solid content and mixed to prepare a positive electrode active material slurry. Next, the obtained positive electrode active material slurry was applied to one side of an aluminum foil (thickness 20 μm) as a current collector and dried. Thereafter, the obtained laminate was compressed five times using a roll press of 20 kN to prepare the positive electrode of this example.
このようにして得られた正極を構成する正極活物質層の断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察し、ソフトウェア:Image-Pro Premier(Media Cybernetics製)を用いた画像解析によって空孔部分を円にフィッティングし、得られた空孔分布から、空孔直径の体積基準の50%累積径(D50)および10%累積径(D10)を算出した。その結果、本実施例の正極活物質層のD50は0.7μmであり、D10は0.2μmであった。また、上記の画像解析によって算出された正極活物質層の空孔率は24%であった。 The cross section of the positive electrode active material layer constituting the positive electrode thus obtained was observed using a scanning electron microscope (SEM), and the pores were fitted to a circle by image analysis using software Image-Pro Premier (manufactured by Media Cybernetics). From the obtained pore distribution, the 50% cumulative diameter (D50) and 10% cumulative diameter (D10) of the pore diameter on a volume basis were calculated. As a result, the D50 of the positive electrode active material layer in this example was 0.7 μm, and the D10 was 0.2 μm. In addition, the porosity of the positive electrode active material layer calculated by the above image analysis was 24%.
<負極の作製>
負極活物質である黒鉛(平均粒子径:20μm)96質量%、導電助剤であるアセチレンブラック1質量%、並びにバインダであるスチレン-ブタジエンゴム(SBR)2質量%およびカルボキシメチルセルロース(CMC)1質量%からなる固形分を用意した。この固形分に対し、スラリー粘度調整溶媒であるN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を適量添加し、混合して、負極活物質スラリーを作製した。次に、得られた負極活物質スラリーを、集電体である銅箔(厚み20μm)の片面に塗布し、乾燥させた。このようにして、本実施例の負極を作製した。
<Preparation of negative electrode>
A solid content consisting of 96% by mass of graphite (average particle size: 20 μm) as a negative electrode active material, 1% by mass of acetylene black as a conductive assistant, and 2% by mass of styrene-butadiene rubber (SBR) and 1% by mass of carboxymethyl cellulose (CMC) as binders was prepared. An appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a slurry viscosity adjusting solvent was added to this solid content and mixed to prepare a negative electrode active material slurry. Next, the obtained negative electrode active material slurry was applied to one side of a copper foil (thickness 20 μm) as a current collector and dried. In this way, the negative electrode of this example was prepared.
<電解液の調製>
非水溶媒であるジメチルカーボネート(DMC)にリチウム塩であるLi(FSO2)2N(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド;LiFSI)を4mol/L(4M)の濃度で溶解させて、本実施例の電解液を調製した。
<Preparation of Electrolyte Solution>
The electrolyte solution of this example was prepared by dissolving lithium salt Li(FSO 2 ) 2 N (lithium bis(fluorosulfonyl)imide; LiFSI) at a concentration of 4 mol/L (4 M) in dimethyl carbonate (DMC) which is a non-aqueous solvent.
このようにして得られた電解液について、レオメーター:MCR302(アントンパール製)を用いて、せん断速度-粘性率特性を計測した。この際、せん断速度の計測範囲は0.01~1000[s-1]とした。そして、得られたせん断速度-粘性率特性を示すグラフから、せん断速度が0.1[s-1]および10[s-1]のときの粘性率を読み取ったところ、それぞれ500[mPa・s]および51[mPa・s]であった。また、上記で得られた電解液の表面張力をJIS K2241:2017に規定されるリング法(輪環法)により測定したところ、30[mN/m]であった。 The shear rate-viscosity characteristics of the electrolyte thus obtained were measured using a rheometer: MCR302 (manufactured by Anton Paar). At this time, the measurement range of the shear rate was set to 0.01 to 1000 [s −1 ]. Then, from the graph showing the obtained shear rate-viscosity characteristics, the viscosity was read at shear rates of 0.1 [s −1 ] and 10 [s −1 ], and was 500 [mPa·s] and 51 [mPa·s], respectively. In addition, the surface tension of the electrolyte obtained above was measured by the ring method (ring method) specified in JIS K2241:2017, and was 30 [mN/m].
そして、上記で作製した正極を構成する正極活物質層の空孔半径(上記D50の1/2)の値と、上記で調製した電解液の粘性率および表面張力の値とから、せん断速度10[s-1]における電解液と正極活物質層との間のキャピラリー数Caを算出したところ、6.0×10 -6 であった。 The capillary number Ca between the electrolyte and the positive electrode active material layer at a shear rate of 10 [s -1 ] was calculated from the pore radius (½ of the above D50) of the positive electrode active material layer constituting the positive electrode produced above and the viscosity and surface tension of the electrolyte prepared above, and was found to be 6.0 × 10-6 .
<試験用セルの作製>
上記で得られた正極を12.4cm2、負極を13.8cm2のサイズに裁断した。そして、正極の集電体(アルミニウム箔)にはアルミニウム端子付きアルミニウム箔を積層した。一方、負極の集電体(銅箔)にはニッケル端子付き銅箔を積層した。
<Preparation of test cell>
The positive electrode and the negative electrode obtained above were cut to a size of 12.4 cm 2 and 13.8 cm 2 , respectively. An aluminum foil with an aluminum terminal was laminated on the current collector (aluminum foil) of the positive electrode. Meanwhile, a copper foil with a nickel terminal was laminated on the current collector (copper foil) of the negative electrode.
次いで、セパレータ(セルガード社製、セルガード(登録商標)3501、ポリプロピレン(PP)製)を正極および負極の電極活物質層側に挿入して、積層体とした。この積層体を外装体である熱融着型アルミラミネートフィルム(厚み150μm)に挟み、上記で調製した電解液を注入後、外装体の内部を真空まで減圧し、いったん減圧を解除して大気圧まで戻した後、再度真空まで減圧して封止することにより、正極活物質層と負極活物質層とがセパレータを介して対向するように積層された発電要素を有するパウチ型リチウムイオン電池(試験用セル)を作製した。 Next, a separator (Celgard (registered trademark) 3501, made of polypropylene (PP) by Celgard) was inserted on the electrode active material layer side of the positive and negative electrodes to form a laminate. This laminate was sandwiched between an exterior body made of a heat-sealed aluminum laminate film (thickness 150 μm), and the electrolyte prepared above was injected. The inside of the exterior body was then depressurized to a vacuum, the depressurization was released once and returned to atmospheric pressure, and then the pressure was reduced to a vacuum again and sealed, thereby producing a pouch-type lithium-ion battery (test cell) having a power generation element in which the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer are stacked so that they face each other with the separator interposed therebetween.
<試験用セルの評価(電気二重層容量(Cdl)の測定)>
上記で作製した試験用セルについて、充放電を実施する前に、電気化学インピーダンス(EIS)測定により、電極活物質層の質量あたりの電気二重層容量(Cdl)を測定した。なお、充放電の実施前にEIS測定を行う場合には、電極活物質表面にSEI被膜が形成されることによる影響を考慮する必要がない。したがって、測定される電気二重層容量(Cdl)の値は電解液と電極活物質の表面との接触面積の大きさを反映したものとなる。また、電気化学反応において電荷移動過程が律速する場合の等価回路から取得されるインピーダンスZは下記式で表される。よってここでは、EIS測定により取得されるインピーダンスZから下記式に基づいてCdlを測定した。結果を下記の表1に示す。なお、表1に示す電気二重層容量(Cdl)の値は、後述する参考例1における電気二重層容量(Cdl)の値を基準としたときの相対値である。
<Evaluation of Test Cell (Measurement of Electric Double Layer Capacity (C dl ))>
For the test cell prepared above, before charging and discharging, the electric double layer capacity (C dl ) per mass of the electrode active material layer was measured by electrochemical impedance (EIS). In addition, when EIS measurement is performed before charging and discharging, it is not necessary to consider the influence of the formation of an SEI film on the surface of the electrode active material. Therefore, the value of the measured electric double layer capacity (C dl ) reflects the size of the contact area between the electrolyte and the surface of the electrode active material. In addition, the impedance Z obtained from the equivalent circuit when the charge transfer process is rate-limiting in the electrochemical reaction is expressed by the following formula. Therefore, here, C dl was measured based on the impedance Z obtained by EIS measurement based on the following formula. The results are shown in Table 1 below. In addition, the value of the electric double layer capacity (C dl ) shown in Table 1 is a relative value when the value of the electric double layer capacity (C dl ) in Reference Example 1 described later is used as a reference.
Z=Rs+Rc/(1+jωRcCdl)
式中、Rsは溶液抵抗であり、Rcは電荷移動抵抗であり、Cdlは電気二重層容量であり、jは虚数単位であり、ωは角周波数(=2πf(fは周波数である))である。
Z = Rs + Rc / (1 + jωRcCdl )
In the formula, Rs is the solution resistance, Rc is the charge transfer resistance, Cdl is the electric double layer capacitance, j is the imaginary unit, and ω is the angular frequency (=2πf, where f is frequency).
[実施例2]
本実施例では、電解液におけるリチウム塩(LiFSI)の濃度を3.5mol/L(3.5M)としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、電解液を調製した。当該電解液について、上記と同様の手法によりせん断速度-粘性率特性を計測したところ、せん断速度が0.1[s-1]および10[s-1]のときの粘性率はそれぞれ400[mPa・s]および26[mPa・s]であった。そして、当該電解液の表面張力は29[mN/m]であった。
[Example 2]
In this example, an electrolyte solution was prepared in the same manner as in Example 1, except that the concentration of the lithium salt (LiFSI) in the electrolyte solution was 3.5 mol/L (3.5M). The shear rate-viscosity characteristics of the electrolyte solution were measured in the same manner as above, and the viscosity was 400 [mPa·s] and 26 [mPa·s] at shear rates of 0.1 [s −1 ] and 10 [s −1 ], respectively. The surface tension of the electrolyte solution was 29 [mN/m].
上記電解液を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本実施例のパウチ型リチウムイオン電池(試験用セル)を作製した。なお、せん断速度10[s-1]における電解液と正極活物質層との間のキャピラリー数Caは3.1×10 -6 と算出された。そして、得られた試験用セルについて、上記と同様の手法により、電気二重層容量(Cdl)を測定した。結果を下記の表1に示す。 A pouch-type lithium ion battery (test cell) of this example was produced in the same manner as in Example 1 described above, except that the above electrolyte was used. The capillary number Ca between the electrolyte and the positive electrode active material layer at a shear rate of 10 [s -1 ] was calculated to be 3.1 x 10 -6 . The electric double layer capacity (Cdl) of the obtained test cell was then measured in the same manner as above. The results are shown in Table 1 below.
[実施例3]
本実施例では、正極を作製する際のロールプレス処理の回数を3回としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、正極を作製した。このようにして作製された正極を構成する正極活物質層の空孔分布から、空孔直径の体積基準の50%累積径(D50)および10%累積径(D10)を算出したところ、本実施例の正極活物質層の空孔直径のD50は0.9μmであり、D10は0.25μmであった。そして、当該正極活物質層の空孔率は26%であった。
[Example 3]
In this example, the positive electrode was produced by the same method as in Example 1 described above, except that the number of roll press treatments when producing the positive electrode was three. From the pore distribution of the positive electrode active material layer constituting the positive electrode produced in this way, the 50% cumulative diameter (D50) and 10% cumulative diameter (D10) of the pore diameter on a volume basis were calculated, and the D50 of the pore diameter of the positive electrode active material layer of this example was 0.9 μm, and the D10 was 0.25 μm. The porosity of the positive electrode active material layer was 26%.
上記正極を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本実施例のパウチ型リチウムイオン電池(試験用セル)を作製した。なお、せん断速度10[s-1]における電解液と正極活物質層との間のキャピラリー数Caは7.7×10 -6 と算出された。そして、得られた試験用セルについて、上記と同様の手法により、電気二重層容量(Cdl)を測定した。結果を下記の表1に示す。 A pouch-type lithium ion battery (test cell) of this example was produced in the same manner as in Example 1 described above, except that the above positive electrode was used. The capillary number Ca between the electrolyte and the positive electrode active material layer at a shear rate of 10 [s -1 ] was calculated to be 7.7 x 10 -6 . The electric double layer capacity (Cdl) of the obtained test cell was then measured in the same manner as above. The results are shown in Table 1 below.
[比較例1]
本比較例では、正極を作製する際のロールプレス処理の回数を2回としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、正極を作製した。このようにして作製された正極を構成する正極活物質層の空孔分布から、空孔直径の体積基準の50%累積径(D50)および10%累積径(D10)を算出したところ、本比較例の正極活物質層の空孔直径のD50は1.5μmであり、D10は0.35μmであった。そして、当該正極活物質層の空孔率は28%であった。
[Comparative Example 1]
In this comparative example, the positive electrode was produced by the same method as in Example 1 described above, except that the number of roll press treatments when producing the positive electrode was two. From the pore distribution of the positive electrode active material layer constituting the positive electrode produced in this way, the 50% cumulative diameter (D50) and 10% cumulative diameter (D10) of the pore diameter on a volume basis were calculated, and the D50 of the pore diameter of the positive electrode active material layer of this comparative example was 1.5 μm, and the D10 was 0.35 μm. The porosity of the positive electrode active material layer was 28%.
上記正極を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本比較例のパウチ型リチウムイオン電池(試験用セル)を作製した。なお、せん断速度10[s-1]における電解液と正極活物質層との間のキャピラリー数Caは1.3×10 -5 と算出された。そして、得られた試験用セルについて、上記と同様の手法により、電気二重層容量(Cdl)を測定した。結果を下記の表1に示す。 A pouch-type lithium ion battery (test cell) of this comparative example was produced in the same manner as in Example 1 described above, except that the above positive electrode was used. The capillary number Ca between the electrolyte and the positive electrode active material layer at a shear rate of 10 [s -1 ] was calculated to be 1.3 x 10 -5 . The electric double layer capacity (Cdl) of the obtained test cell was then measured in the same manner as above. The results are shown in Table 1 below.
[比較例2]
本比較例では、正極を作製する際のロールプレス処理の回数を1回としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、正極を作製した。このようにして作製された正極を構成する正極活物質層の空孔分布から、空孔直径の体積基準の50%累積径(D50)および10%累積径(D10)を算出したところ、本比較例の正極活物質層の空孔直径のD50は4μmであり、D10は1.3μmであった。そして、当該正極活物質層の空孔率は40%であった。
[Comparative Example 2]
In this comparative example, the positive electrode was produced by the same method as in Example 1 described above, except that the number of roll press treatments when producing the positive electrode was one. From the pore distribution of the positive electrode active material layer constituting the positive electrode produced in this way, the 50% cumulative diameter (D50) and 10% cumulative diameter (D10) of the pore diameter on a volume basis were calculated, and the D50 of the pore diameter of the positive electrode active material layer of this comparative example was 4 μm, and the D10 was 1.3 μm. And the porosity of the positive electrode active material layer was 40%.
上記正極を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本比較例のパウチ型リチウムイオン電池(試験用セル)を作製した。なお、せん断速度10[s-1]における電解液と正極活物質層との間のキャピラリー数Caは3.4×10 -5 と算出された。そして、得られた試験用セルについて、上記と同様の手法により、電気二重層容量(Cdl)を測定した。結果を下記の表1に示す。 A pouch-type lithium ion battery (test cell) of this comparative example was produced in the same manner as in Example 1 described above, except that the above positive electrode was used. The capillary number Ca between the electrolyte and the positive electrode active material layer at a shear rate of 10 [s −1 ] was calculated to be 3.4×10 −5 . The electric double layer capacity (Cdl) of the obtained test cell was then measured in the same manner as above. The results are shown in Table 1 below.
[参考例1]
本参考例では、電解液におけるリチウム塩(LiFSI)の濃度を2mol/L(2M)としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、電解液を調製した。当該電解液について、上記と同様の手法によりせん断速度-粘性率特性を計測したところ、せん断速度が0.1[s-1]および10[s-1]のときの粘性率はそれぞれ50[mPa・s]および12[mPa・s]であった。そして、当該電解液の表面張力は30[mN/m]であった。
[Reference Example 1]
In this reference example, an electrolyte solution was prepared in the same manner as in Example 1, except that the concentration of the lithium salt (LiFSI) in the electrolyte solution was 2 mol/L (2M). When the shear rate-viscosity characteristics of the electrolyte solution were measured in the same manner as above, the viscosity was 50 [mPa·s] and 12 [mPa·s] when the shear rate was 0.1 [s −1 ] and 10 [s −1 ], respectively. The surface tension of the electrolyte solution was 30 [mN/m].
上記電解液を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、本参考例のパウチ型リチウムイオン電池(試験用セル)を作製した。なお、せん断速度10[s-1]における電解液と正極活物質層との間のキャピラリー数Caは1.4×10 -6 と算出された。そして、得られた試験用セルについて、上記と同様の手法により、電気二重層容量(Cdl)を測定した。結果を下記の表1に示す。なお、上述したように、表1に示す電気二重層容量(Cdl)の値は、本参考例における電気二重層容量(Cdl)の値を基準としたときの相対値である。 A pouch-type lithium ion battery (test cell) of this reference example was produced in the same manner as in Example 1 described above, except that the above electrolyte was used. The capillary number Ca between the electrolyte and the positive electrode active material layer at a shear rate of 10 [s −1 ] was calculated to be 1.4×10 −6 . The electric double layer capacity (Cdl) of the obtained test cell was then measured in the same manner as above. The results are shown in Table 1 below. As described above, the electric double layer capacity (Cdl) values shown in Table 1 are relative values based on the electric double layer capacity (Cdl) value in this reference example.
[参考例2]
本参考例では、電解液におけるリチウム塩(LiFSI)の濃度を2mol/L(2M)としたこと以外は、上述した比較例1と同様の手法により、本参考例のパウチ型リチウムイオン電池(試験用セル)を作製した。なお、本参考例では、せん断速度10[s-1]における電解液と正極活物質層との間のキャピラリー数Caは3.0×10
-6 と算出された。そして、得られた試験用セルについて、上記と同様の手法により、電気二重層容量(Cdl)の測定を試みた。しかしながら、本参考例の試験用セルでは電気二重層容量(Cdl)を測定することができなかった。これは、電解液がうまく正極活物質層内に浸透しなかったためであると考えられた。
[Reference Example 2]
In this reference example, except that the concentration of the lithium salt (LiFSI) in the electrolyte was 2 mol/L (2M), a pouch-type lithium ion battery (test cell) of this reference example was produced by the same method as in Comparative Example 1 described above. In this reference example, the capillary number Ca between the electrolyte and the positive electrode active material layer at a shear rate of 10 [s −1 ] was calculated to be 3.0×10 −6 . Then, for the obtained test cell, the electric double layer capacity (Cdl) was measured by the same method as above. However, the electric double layer capacity (Cdl) could not be measured in the test cell of this reference example. This was thought to be because the electrolyte did not penetrate well into the positive electrode active material layer.
[実施例4]
本実施例では、正極を作製する際のロールプレス処理の圧力および回数を下記の表2に示すように変更したこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、正極を作製した。このようにして作製された正極を構成する正極活物質層の空孔分布から、空孔直径の体積基準の50%累積径(D50)を算出したところ、本実施例の正極活物質層の空孔直径のD50は1.0μmであった。
[Example 4]
In this example, a positive electrode was produced in the same manner as in Example 1 described above, except that the pressure and number of times of the roll press treatment in producing the positive electrode were changed as shown in the following Table 2. From the pore distribution of the positive electrode active material layer constituting the positive electrode produced in this manner, the 50% cumulative diameter (D50) of the pore diameter on a volume basis was calculated, and the D50 of the pore diameter of the positive electrode active material layer of this example was 1.0 μm.
上記で作製した正極を構成する正極活物質層に、実施例1で調製した電解液を適量垂らして浸透させ、その状態で凍結させることにより観察試料を作製した。なお、せん断速度10[s-1]における電解液と正極活物質層との間のキャピラリー数Caは8.5×10 -6 と算出された。 An observation sample was prepared by dropping an appropriate amount of the electrolyte solution prepared in Example 1 onto the positive electrode active material layer constituting the positive electrode prepared above, allowing it to permeate, and freezing it in that state. The capillary number Ca between the electrolyte solution and the positive electrode active material layer at a shear rate of 10 [ s ] was calculated to be 8.5 × 10 .
このようにして作製された観察試料について、低温(-160~-270℃)での観察を可能とする設備(クライオホルダーなど)を装着した透過型電子顕微鏡(TEM)を用いるクライオ電子顕微鏡法により観察を行い、正極活物質層の空孔内部への電解液の浸透状態を確認した。結果を下記の表2に示す。なお、電解液が空孔内部へ浸透していた場合は〇とし、浸透していなかった場合は×とした。 The observation samples thus prepared were observed by cryo-electron microscopy using a transmission electron microscope (TEM) equipped with equipment (such as a cryo-holder) that allows observation at low temperatures (-160 to -270°C) to confirm the state of electrolyte penetration into the pores of the positive electrode active material layer. The results are shown in Table 2 below. Note that if the electrolyte had penetrated into the pores, it was marked with an ◯, and if it had not, it was marked with an ×.
[実施例5]
本実施例では、正極を作製する際のロールプレス処理の圧力および回数を下記の表2に示すように変更したこと以外は、上述した実施例4と同様の手法により、正極を作製した。このようにして作製された正極を構成する正極活物質層の空孔分布から、空孔直径の体積基準の50%累積径(D50)を算出したところ、本実施例の正極活物質層の空孔直径のD50は0.5μmであった。
[Example 5]
In this example, a positive electrode was produced in the same manner as in Example 4 described above, except that the pressure and number of times of the roll press treatment in producing the positive electrode were changed as shown in the following Table 2. From the pore distribution of the positive electrode active material layer constituting the positive electrode produced in this manner, the 50% cumulative diameter (D50) of the pore diameter on a volume basis was calculated, and the D50 of the pore diameter of the positive electrode active material layer in this example was 0.5 μm.
このようにして作製された正極を用いて、上記と同様の手法により観察試料を作製し、クライオ電子顕微鏡法による観察を行った。結果を下記の表2に示す。なお、せん断速度10[s-1]における電解液と正極活物質層との間のキャピラリー数Caは4.3×10 -6 と算出された。 Using the positive electrode thus produced, an observation sample was produced in the same manner as above, and observed by cryo-electron microscopy. The results are shown in Table 2 below. The capillary number Ca between the electrolyte and the positive electrode active material layer at a shear rate of 10 [s -1 ] was calculated to be 4.3 x 10-6 .
[実施例6]
本実施例では、正極を作製する際のロールプレス処理の圧力および回数を下記の表2に示すように変更したこと以外は、上述した実施例4と同様の手法により、正極を作製した。このようにして作製された正極を構成する正極活物質層の空孔分布から、空孔直径の体積基準の50%累積径(D50)を算出したところ、本実施例の正極活物質層の空孔直径のD50は0.2μmであった。
[Example 6]
In this example, a positive electrode was produced in the same manner as in Example 4 described above, except that the pressure and number of times of the roll press treatment in producing the positive electrode were changed as shown in the following Table 2. From the pore distribution of the positive electrode active material layer constituting the positive electrode produced in this manner, the 50% cumulative diameter (D50) of the pore diameter on a volume basis was calculated, and the D50 of the pore diameter of the positive electrode active material layer of this example was 0.2 μm.
このようにして作製された正極を用いて、上記と同様の手法により観察試料を作製し、クライオ電子顕微鏡法による観察を行った。結果を下記の表2に示す。なお、せん断速度10[s-1]における電解液と正極活物質層との間のキャピラリー数Caは1.7×10 -6 と算出された。 Using the positive electrode thus produced, an observation sample was produced in the same manner as above, and observed by cryo-electron microscopy. The results are shown in Table 2 below. The capillary number Ca between the electrolyte and the positive electrode active material layer at a shear rate of 10 [s -1 ] was calculated to be 1.7 x 10-6 .
[比較例3]
本比較例では、正極を作製する際のロールプレス処理の圧力および回数を下記の表2に示すように変更したこと以外は、上述した実施例4と同様の手法により、正極を作製した。このようにして作製された正極を構成する正極活物質層の空孔分布から、空孔直径の体積基準の50%累積径(D50)を算出したところ、本実施例の正極活物質層の空孔直径のD50は5.0μmであった。
[Comparative Example 3]
In this comparative example, a positive electrode was produced in the same manner as in Example 4 described above, except that the pressure and number of times of the roll press treatment in producing the positive electrode were changed as shown in the following Table 2. From the pore distribution of the positive electrode active material layer constituting the positive electrode produced in this manner, the 50% cumulative diameter (D50) of the pore diameter on a volume basis was calculated, and the D50 of the pore diameter of the positive electrode active material layer of this example was 5.0 μm.
このようにして作製された正極を用いて、上記と同様の手法により観察試料を作製し、クライオ電子顕微鏡法による観察を行った。結果を下記の表2に示す。なお、せん断速度10[s-1]における電解液と正極活物質層との間のキャピラリー数Caは4.3×10 -5 と算出された。 Using the positive electrode thus produced, an observation sample was produced in the same manner as above, and observed by cryo-electron microscopy. The results are shown in Table 2 below. The capillary number Ca between the electrolyte and the positive electrode active material layer at a shear rate of 10 [s -1 ] was calculated to be 4.3 x 10-5 .
[比較例4]
本比較例では、正極を作製する際のロールプレス処理の圧力および回数を下記の表2に示すように変更したこと以外は、上述した実施例4と同様の手法により、正極を作製した。このようにして作製された正極を構成する正極活物質層の空孔分布から、空孔直径の体積基準の50%累積径(D50)を算出したところ、本実施例の正極活物質層の空孔直径のD50は0.05μmであった。
[Comparative Example 4]
In this comparative example, a positive electrode was produced in the same manner as in Example 4 described above, except that the pressure and number of times of roll press treatment in producing the positive electrode were changed as shown in the following Table 2. From the pore distribution of the positive electrode active material layer constituting the positive electrode produced in this manner, the 50% cumulative diameter (D50) of the pore diameter on a volume basis was calculated, and the D50 of the pore diameter of the positive electrode active material layer of this example was 0.05 μm.
このようにして作製された正極を用いて、上記と同様の手法により観察試料を作製し、クライオ電子顕微鏡法による観察を行った。結果を下記の表2に示す。なお、せん断速度10[s-1]における電解液と正極活物質層との間のキャピラリー数Caは4.3×10 -7 と算出された。 Using the positive electrode thus produced, an observation sample was produced in the same manner as above, and observed by cryo-electron microscopy. The results are shown in Table 2 below. The capillary number Ca between the electrolyte and the positive electrode active material layer at a shear rate of 10 [s -1 ] was calculated to be 4.3 x 10-7 .
表1に示す結果から、せん断速度10[s-1]における前記電解液と前記電極活物質層との間のキャピラリー数Caが1.5×10-7以上、2.0×10-6以下の範囲内の値である実施例1~3では、粘度が高い電解液を用いた場合であっても、電気二重層容量(Cdl)の値の低下が抑制されていることがわかる。これに対し、粘度が高い電解液を用いているにもかかわらずキャピラリー数Caが上記の範囲を外れている比較例1~2では、電気二重層容量(Cdl)の値の低下が確認された。したがって、本発明の構成とすることにより、電気二重層容量(Cdl)が低下するのを抑制することができることが示された。なお、電気二重層容量(Cdl)の値は、電極活物質層と電解液との濡れ性(さらに言えば、電極活物質層を構成する空孔内部への電解液の浸透性)の指標である。よって、電気二重層容量(Cdl)の低下を抑制できる本発明の構成によれば、電池特性のよりいっそうの向上もまた、期待できるのである。この事実は、表2において本発明の実施例においては正極活物質層の空孔内部への電解液の浸透が確認できたことによっても裏付けられるものである。 From the results shown in Table 1, in Examples 1 to 3 in which the capillary number Ca between the electrolyte and the electrode active material layer at a shear rate of 10 [s −1 ] is in the range of 1.5×10 −7 or more and 2.0×10 −6 or less, it can be seen that even when a high-viscosity electrolyte is used, the decrease in the value of the electric double layer capacity (C dl ) is suppressed. In contrast, in Comparative Examples 1 and 2 in which the capillary number Ca is outside the above range despite the use of a high-viscosity electrolyte, a decrease in the value of the electric double layer capacity (C dl ) was confirmed. Therefore, it was shown that the configuration of the present invention can suppress the decrease in the electric double layer capacity (C dl ). The value of the electric double layer capacity (C dl ) is an index of the wettability between the electrode active material layer and the electrolyte (more specifically, the permeability of the electrolyte into the inside of the pores constituting the electrode active material layer). Therefore, according to the configuration of the present invention in which the decrease in the electric double layer capacity (C dl ) can be suppressed, further improvement in the battery characteristics can also be expected. This fact is also supported by the fact that in Table 2, it was confirmed that the electrolyte solution penetrated into the pores of the positive electrode active material layer in the examples of the present invention.
なお、粘度が高い電解液を用いていない参考例1では、キャピラリー数Caが本願所定の範囲を外れる場合であっても、電気二重層容量(Cdl)の低下は観察されなかった。これは、電気二重層容量(Cdl)の低下という課題が、粘度が高い電解液を用いた場合に特異的に生じることを裏付けるものである。 In addition, in Reference Example 1, which does not use a highly viscous electrolyte, even when the capillary number Ca is outside the range specified in the present application, no decrease in the electric double layer capacity (C dl ) was observed. This supports the idea that the problem of a decrease in the electric double layer capacity (C dl ) occurs specifically when a highly viscous electrolyte is used.
10a 積層型二次電池、
10b 双極型二次電池、
11 集電体、
11’ 正極集電体、
11” 負極集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
23 双極型電極、
25 正極集電板(正極タブ)、
27 負極集電板(負極タブ)、
29 ラミネートフィルム
31 シール部。
10a: stacked secondary battery;
10b bipolar secondary battery;
11 current collector,
11' positive electrode current collector,
11″ negative electrode current collector,
11a: outermost current collector on the positive electrode side;
11b: outermost current collector on the negative electrode side;
13 positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generating element,
23 bipolar electrodes,
25 Positive electrode current collector (positive electrode tab),
27 negative electrode current collector (negative electrode tab),
29 Laminating film 31 Sealing portion.
Claims (5)
前記電解液の粘性率が、せん断速度10[s-1]において10[mPa・s]以上であり、かつ、せん断速度0.1[s-1]において300[mPa・s]以上であり、
せん断速度10[s-1]における前記電解液と前記電極活物質層との間のキャピラリー数Caが3.1×10 -6 以上、6.0×10 -6 以下である、非水電解質二次電池。 A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a power generating element having an electrode including an electrode active material layer containing an electrode active material and an electrolyte solution,
The viscosity of the electrolyte is 10 [mPa·s] or more at a shear rate of 10 [s −1 ] and 300 [mPa·s] or more at a shear rate of 0.1 [s −1 ];
The nonaqueous electrolyte secondary battery has a capillary number Ca between the electrolyte and the electrode active material layer at a shear rate of 10 [s −1 ] of 3.1×10 −6 or more and 6.0×10 −6 or less .
前記電極における前記電極活物質層を作製する際に、電極活物質を含む電極活物質スラリーを集電体の表面に塗工し、乾燥させた後にプレス処理を施す工程を含み、
せん断速度10[s-1]における前記電解液と前記電極活物質層との間のキャピラリー数Caが3.1×10 -6 以上、6.0×10 -6 以下となるように、前記プレス処理のプレス圧またはプレス処理の回数を選択することを特徴とする、非水電解質二次電池の製造方法。 A method for producing a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 4, comprising the steps of:
When preparing the electrode active material layer in the electrode, the method includes a step of applying an electrode active material slurry containing an electrode active material to a surface of a current collector, drying the slurry, and then performing a press treatment;
a pressing pressure or a number of times of pressing is selected so that a capillary number Ca between the electrolyte and the electrode active material layer at a shear rate of 10 [s -1 ] is 3.1 x 10-6 or more and 6.0 x 10-6 or less .
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