JP2012094354A - Lithium ion secondary battery, and battery pack - Google Patents
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Abstract
【課題】充放電の高速化の要請を満たすことができるリチウムイオン二次電池及び、これを用いた電池パックを提供すること。
【解決手段】正極集電体上に正極活物質層を備える正極板と、負極集電体上に負極活物質層を備える負極板と、前記正極板と負極板との間に設けられるセパレータと、非水溶媒を含む電解液とを少なくとも備えたリチウムイオン二次電池において、正極活物質層は、正極活物質粒子と金属酸化物とを含有しており、正極集電体と正極活物質粒子は金属酸化物によって固着されており、正極活物質粒子同士は金属酸化物によって固着されており、負極活物質層が、リチウムチタン複合酸化物を含有する。
【選択図】図1A lithium ion secondary battery capable of satisfying a demand for high speed charge / discharge and a battery pack using the same are provided.
A positive electrode plate having a positive electrode active material layer on a positive electrode current collector, a negative electrode plate having a negative electrode active material layer on a negative electrode current collector, and a separator provided between the positive electrode plate and the negative electrode plate; In the lithium ion secondary battery comprising at least an electrolyte solution containing a non-aqueous solvent, the positive electrode active material layer contains positive electrode active material particles and metal oxides, and the positive electrode current collector and the positive electrode active material particles Is fixed by a metal oxide, the positive electrode active material particles are fixed by a metal oxide, and the negative electrode active material layer contains a lithium titanium composite oxide.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池、および電池パックに関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery and a battery pack.
リチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度、高電圧を有し、また充放電時にいわゆるメモリ効果と呼ばれる完全に放電させる前に電池の充電を行なうと次第に電池容量が減少していく現象が無いことから、携帯機器、ノート型パソコン、ポータブル機器など様々な分野で用いられている。 Lithium ion secondary batteries have a high energy density and high voltage, and there is no phenomenon that the battery capacity gradually decreases when the battery is charged before it is completely discharged, which is called the memory effect during charging and discharging. To portable devices, notebook computers, portable devices, and so on.
現在、地球温暖化防止の対策として、世界規模でCO2排出抑制の取り組みが行われているなかで、石油依存度を低減し、低環境負荷で走行可能とすることで、CO2削減に大いに寄与することができるプラグインハイブリッド自動車、電気自動車に代表される次世代クリーンエネルギー自動車の開発・普及が急務とされている。これらの次世代クリーンエネルギー自動車の駆動力としてリチウムイオン二次電池を利用することができれば、ガソリンに依存する必要がなく、CO2削減に大いに寄与することができ、地球温暖化防止に大いに貢献することができる。一方で、次世代クリーンエネルギー自動車の駆動力としてリチウムイオン二次電池が利用されるためには、充放電の高速化の要請を満足させることが必要とされている。 Currently, as a measure to prevent global warming, efforts to reduce CO 2 emissions are being carried out on a global scale. By reducing the dependence on oil and allowing it to travel with a low environmental load, it can greatly reduce CO 2 emissions. There is an urgent need to develop and promote next-generation clean energy vehicles represented by plug-in hybrid vehicles and electric vehicles that can contribute. If lithium-ion secondary batteries can be used as the driving force for these next-generation clean energy vehicles, there is no need to rely on gasoline, which can greatly contribute to CO 2 reduction and greatly contribute to the prevention of global warming. be able to. On the other hand, in order for a lithium ion secondary battery to be used as a driving force for a next-generation clean energy vehicle, it is necessary to satisfy the demand for faster charge / discharge.
現在、各種の提案がされているリチウムイオン二次電池は、正極板、負極板、セパレータ、及び非水電解液から構成される。正極板としては、金属箔などの集電体表面に、正極活物質粒子が固着されてなる電極活物質層を備えるものが一般的である。また負極板としては、銅やアルミニウムなどの集電体表面に、負極活物質粒子としてグラファイトが固着されてなる電極活物質層を備えるものが一般的である。 Currently, various lithium ion secondary batteries that have been proposed include a positive electrode plate, a negative electrode plate, a separator, and a non-aqueous electrolyte. The positive electrode plate is generally provided with an electrode active material layer in which positive electrode active material particles are fixed to the surface of a current collector such as a metal foil. The negative electrode plate is generally provided with an electrode active material layer in which graphite is fixed as negative electrode active material particles on the surface of a current collector such as copper or aluminum.
上記正極板または負極板である電極板を製造するには、まず、正極活物質粒子または負極活物質粒子である電極活物質粒子、樹脂製バインダー、あるいはさらに、必要に応じて導電材やその他の材料を用い、溶媒中で混練及び/又は分散させて、スラリー状の電極活物質層形成液を調製する。そして電極活物質層形成液を集電体表面に塗布し、次いで乾燥させて集電体上に塗膜を形成し、プレスすることにより電極活物質層を備える電極板が形成される(たとえば、特許文献1、または特許文献2)。
In order to manufacture the electrode plate which is the positive electrode plate or the negative electrode plate, first, the electrode active material particles which are the positive electrode active material particles or the negative electrode active material particles, the resin binder, or further, the conductive material or other materials as necessary. The material is kneaded and / or dispersed in a solvent to prepare a slurry-like electrode active material layer forming liquid. And an electrode plate provided with an electrode active material layer is formed by applying an electrode active material layer forming liquid on the current collector surface, then drying to form a coating film on the current collector, and pressing (for example,
このとき、電極活物質層形成液に含有される電極活物質粒子は、該液に分散する粒子状の金属化合物であって、それ自体だけでは、集電体表面に塗布され、乾燥させ、プレスされても該集電体表面に固着され難く、集電体からすぐに剥離してしまう。そこで、電極活物質層を形成する場合には、樹脂製バインダーを電極活物質層形成液に添加し、この樹脂製バインダーにより、電極活物質粒子を集電体上に固着させるとともに、電極活物質粒子同士を固着させている。 At this time, the electrode active material particles contained in the electrode active material layer forming liquid are particulate metal compounds dispersed in the liquid, and as such, are applied to the surface of the current collector, dried, and pressed. Even if it is done, it will be hard to adhere to the surface of the current collector, and will peel off from the current collector immediately. Therefore, when forming the electrode active material layer, a resin binder is added to the electrode active material layer forming liquid, and the electrode active material particles are fixed on the current collector by the resin binder, and the electrode active material The particles are fixed to each other.
しかしながら、上記特許文献1、特許文献2に提案されている方法により形成される正極板、および負極板を用いてリチウムイオン二次電池を形成した場合には、充放電の高速化の要請を満足させることはできない。この要因としては、以下の(1)、(2)を挙げることができる。(1)負極活物質層中に含有される負極活物質粒子としてのグラファイトは、その構造上リチウムイオンの出し入れを高速ですることができない。(2)上記特許文献1、2に提案されている方法により形成される正極板は、集電体と正極活物質粒子、および正極活物質粒子同士が、樹脂製のバインダーによってのみ固着される構成をとっている。そうすると、この樹脂製のバインダーが脱溶媒和反応に対し阻害的に働き、レート特性が低下することとなる。
However, when a lithium ion secondary battery is formed using the positive electrode plate and the negative electrode plate formed by the methods proposed in
また、リチウムイオン二次電池全体として、充放電の高速化の要求を満たすためには、いずれか一方の電極板のレート特性を向上させるのみでは足らず、双方の電極板(正極板・負極板)のレート特性を向上させる必要がある。しかしながら、現在のところ、レート特性に優れる電極板を双方に備えるリチウムイオン二次電池は存在していない。 Moreover, in order to meet the demand for higher charge / discharge speed as a whole lithium ion secondary battery, it is not only necessary to improve the rate characteristics of either electrode plate, but both electrode plates (positive electrode plate / negative electrode plate). It is necessary to improve the rate characteristics. However, at present, there is no lithium ion secondary battery including both electrode plates with excellent rate characteristics.
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、正極板、負極板の双方を、レート特性に優れる正極板、負極板とすることによって、充放電の高速化の要請を満足させることができるリチウムイオン二次電池を提供すること、および、このリチウムイオン二次電池の作用効果を奏する電池パックを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and by satisfying the demand for speeding up of charge and discharge by making both the positive electrode plate and the negative electrode plate into positive electrode plates and negative electrode plates having excellent rate characteristics. It is an object of the present invention to provide a lithium ion secondary battery that can be used, and to provide a battery pack that exhibits the effects of the lithium ion secondary battery.
上記課題を解決するための本発明は、正極集電体上に正極活物質層を備える正極板と、負極集電体上に負極活物質層を備える負極板と、前記正極板と負極板との間に設けられるセパレータと、非水溶媒を含む電解液とを少なくとも備えたリチウムイオン二次電池であって、前記正極活物質層は、正極活物質粒子と金属酸化物とを含有しており、前記正極集電体と前記正極活物質粒子は前記金属酸化物によって固着されており、前記正極活物質粒子同士は前記金属酸化物によって固着されており、前記負極活物質層が、リチウムチタン複合酸化物を含有することを特徴とする。 The present invention for solving the above problems includes a positive electrode plate having a positive electrode active material layer on a positive electrode current collector, a negative electrode plate having a negative electrode active material layer on a negative electrode current collector, the positive electrode plate and the negative electrode plate, A lithium ion secondary battery comprising at least a separator provided between and an electrolyte containing a nonaqueous solvent, wherein the positive electrode active material layer contains positive electrode active material particles and a metal oxide. The positive electrode current collector and the positive electrode active material particles are fixed by the metal oxide, the positive electrode active material particles are fixed by the metal oxide, and the negative electrode active material layer is formed of a lithium titanium composite. It contains an oxide.
また、前記金属酸化物が、リチウムイオン挿入脱離反応を示す金属酸化物であってもよく、前記金属酸化物が、コバルト、ニッケル、マンガン、鉄、及びチタンの中から選択される1種以上の金属と、リチウムとの複合酸化物であってもよい。 Further, the metal oxide may be a metal oxide exhibiting a lithium ion insertion / release reaction, and the metal oxide is one or more selected from cobalt, nickel, manganese, iron, and titanium. A composite oxide of the above metal and lithium may be used.
また、前記正極活物質層は、隣り合う金属酸化物同士の一部において、結晶格子が連続することにより繋がっている箇所を含んでいてもよい。 In addition, the positive electrode active material layer may include a portion where adjacent crystal oxides are connected by a continuous crystal lattice.
また、上記課題を解決するための本発明は、収納ケースと、正極端子および負極端子を備えるリチウムイオン二次電池と、過充電および過放電保護機能を有する保護回路とを少なくとも備え、前記収納ケースに前記リチウムイオン二次電池および前記保護回路が収納されて構成される電池パックにおいて、前記リチウムイオン二次電池が、上記の特徴を有するリチウムイオン二次電池であることを特徴とする。 In addition, the present invention for solving the above-described problems includes at least a storage case, a lithium ion secondary battery including a positive electrode terminal and a negative electrode terminal, and a protection circuit having an overcharge and overdischarge protection function. In the battery pack in which the lithium ion secondary battery and the protection circuit are housed, the lithium ion secondary battery is a lithium ion secondary battery having the above characteristics.
本発明のリチウムイオン二次電池は、正極板においては、正極集電体と正極活物質粒子は金属酸化物によって固着されており、正極活物質粒子同士も金属酸化物によって固着されている。また、負極板においては負極活物質層中にリチウムチタン複合酸化物が含有されている。この構成により、正極板、負極板ともに、レート特性を向上させることができ、リチウムイオン二次電池全体として、充放電の高速化の要請を満たすことができる。 In the lithium ion secondary battery of the present invention, in the positive electrode plate, the positive electrode current collector and the positive electrode active material particles are fixed by a metal oxide, and the positive electrode active material particles are also fixed by a metal oxide. In the negative electrode plate, a lithium titanium composite oxide is contained in the negative electrode active material layer. With this configuration, both the positive electrode plate and the negative electrode plate can improve rate characteristics, and the lithium ion secondary battery as a whole can meet the demand for faster charge / discharge.
また、本発明の電池パックによれば、上記のリチウムイオン二次電池の作用効果が図られた電池パックを提供することができる。 Moreover, according to the battery pack of this invention, the battery pack with which the effect of said lithium ion secondary battery was achieved can be provided.
(リチウムイオン二次電池)
以下、本発明のリチウムイオン二次電池について図1を用いて説明する。なお、図1は、本発明のリチウムイオン二次電池100の一例を示す概略図である。
(Lithium ion secondary battery)
Hereinafter, the lithium ion secondary battery of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the lithium ion
図1に示すように、本発明のリチウムイオン二次電池100は、正極集電体1の一方面側に正極活物質層2が設けられてなる正極板10、及び、これに組合される負極集電体55の一方面側に負極活物質層54が設けられてなる負極板50と、正極板10と負極板50との間に設けられるセパレータ70とから構成され、これらが、外装81、82で構成される容器内に収容され、かつ、容器内に非水電解液90が充填された状態で密封された構成をとる。ここで、本発明のリチウムイオン二次電池100は、正極活物質層2は、正極活物質粒子と金属酸化物とを含有しており、正極集電体1と正極活物質粒子は金属酸化物によって固着されており、正極活物質粒子同士も金属酸化物によって固着されており、負極活物質層54が、リチウムチタン複合酸化物を含有することを特徴とする。以下、本発明のリチウムイオン二次電池100の具体的な構成について説明する。
As shown in FIG. 1, a lithium ion
<<正極板>>
次に、図2を参照して本発明のリチウムイオン二次電池100を構成する正極板10について説明する。なお、図2(a)、(b)は本発明のリチウムイオン二次電池用正極板の断面図である。
<< Positive electrode plate >>
Next, the
図2(a)、(b)に示すように、正極板10は、正極集電体1と、正極集電体1上に形成される正極活物質層2とを備え、正極活物質層2は、正極活物質粒子21と、金属酸化物22とを含有している。そして、正極集電体1と正極活物質粒子21は金属酸化物22によって固着されており、正極活物質粒子21同士も金属酸化物22によって固着されている。以下、正極集電体1、正極活物質層2について更に具体的に説明する。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
<正極集電体>
本発明に用いられる正極集電体1は、一般的にリチウムイオン二次電池用正極板の正極集電体として用いられるものであれば、特に限定されない。例えば、アルミニウム箔、ニッケル箔などの単体又は合金から形成された正極集電体を好ましく用いることができる。なお、正極板10に用いられる正極集電体1は、必要に応じて正極活物質層2の形成が予定される面(正極集電体1の表面)において表面加工処理がなされている集電体1であってもよい。その表面に表面加工処理がなされている正極集電体1としては、導電性物質が集電機能を有する材料の表面に積層された正極集電体、化学研磨処理、コロナ処理、酸素プラズマ処理がなされた正極集電体等が挙げられる。すなわち、正極集電体1には、集電機能を有する材料のみから形成される集電体のみならず、その表面に導電性を担保するための物質が積層されたものや、何らかの表面処理がなされたものも含まれる。
<Positive electrode current collector>
The positive electrode
<正極活物質層>
正極活物質層2は、正極活物質粒子21と、正極集電体1と正極活物質粒子21、および正極活物質粒子21同士を固着させるための金属酸化物22とを含有している。
<Positive electrode active material layer>
The positive electrode
正極活物質層2の層厚について特に限定はなく、一般的には、300nm以上200μm以下程度である。特に、本発明は、金属酸化物22の存在により、正極活物質層2の層厚を上げることなくレート特性を向上させることができ、正極活物質層2の層厚をさらに薄くすることも可能である。
The layer thickness of the positive electrode
また、正極活物質層2は、非水電解液が浸透可能な程度に空隙が存在していることが好ましく、空隙率が10%以上70%以下であることが好ましい。なお、空隙率の測定は、島津製作所製 オートポアIV 9500等で測定可能である。以下、正極活物質粒子21、金属酸化物22について具体的に説明する。
Moreover, it is preferable that the positive electrode
(正極活物質粒子)
正極活物質粒子21は、充放電可能な正極活物質粒子を適宜選択して用いることができ、正極活物質粒子21について特に限定はない。このような正極活物質粒子21としては、例えば、LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiFeO2、Li4Ti5O12、LiFePO4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi0.80Co0.15Al0.05O2、などのリチウム遷移金属複合酸化物などの正極活物質粒子を挙げることができる。
(Positive electrode active material particles)
The positive electrode
これらの正極活物質粒子21の中でも、LiMn2O4を特に好適に使用することができる。LiMn2O4は種々の正極活物質の中でも特に高いレート特性を有することから、本発明の特徴である金属酸化物による固着と相俟って、更なるレート特性の向上が図られ、充放電の高速化を発揮することができる。
Among these positive electrode
正極活物質粒子21の粒子径について特に限定されず、任意の大きさのものを適宜選択して使用することができる。ただし、正極活物質粒子の粒子径が小さいほど、単位重量当たりの表面積を増大し、レート特性の向上を図ることができる。したがって、より高いレート特性を求める場合には、正極活物質粒子21は、粒子径の寸法の小さいもの、具体的には10μm未満であることが好ましく、5μm以下、特に好ましくは1μm以下である。
The particle diameter of the positive electrode
なお、本発明及び本明細書に示す正極活物質粒子21、および後述するリチウムチタン複合酸化物の粒子径は、レーザー回折/散乱式粒度分布測定により測定される平均粒子径(体積中位粒径:D50)である。また、コア体11の粒子径は、測定された電子顕微鏡観察結果のデータを、粒子認識ツールを用いて識別し、認識された粒子の画像から取得した形状データをもとに粒度分布のグラフを作成し、この粒度分布のグラフから算出することができる。粒度分布のグラフは、例えば、電子顕微鏡観察結果を画像解析式粒度分布測定ソフトウェア(株式会社マウンテック製、MAC VIEW)を用いて作成可能である。
In addition, the particle diameter of the positive electrode
(金属酸化物)
図2に示すように、正極板10を構成する正極活物質層2には、金属酸化物22が含有されており、正極集電体1と正極活物質粒子21は金属酸化物22によって固着されており、正極活物質粒子21同士も金属酸化物22によって固着されている。
(Metal oxide)
As shown in FIG. 2, the positive electrode
金属酸化物22としては、正極集電体1と正極活物質粒子21を固着させることができ、また、正極活物質粒子21同士を固着させることができるあらゆる金属酸化物22を適宜選択して使用することができる。
As the
このような金属酸化物22としては、一般的に金属と理解される金属元素、例えば、Li、Be、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Cs、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Fr、Ra、およびCeなどの酸化物や、コバルト、ニッケル、マンガン、鉄、及びチタンの中から選択される1種以上の金属と、リチウムとの複合酸化物、例えば、LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiFeO2、Li4Ti5O12、LiFePO4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2、LiNi0.9Co0.1O2、LiNi0.80Co0.15Al0.05O2、などのリチウム遷移金属複合酸化物などを挙げることができる。
As such a
金属酸化物22は、リチウムイオン挿入脱離反応を示さない金属酸化物22であってもよく、リチウムイオン挿入脱離反応を示す金属酸化物22であってもよい。正極活物質層2中に含有される金属酸化物22が、リチウムイオン挿入脱離反応を示さない金属酸化物である場合には、リチウムイオンと金属酸化物とが電気化学的に反応することがないことから、金属酸化物の電気化学的な反応に伴う膨張や反応物が生じず、結果として正極活物質層2中の金属酸化物22の膨張や欠損などによる劣化を抑制することができるという利点がある。一方、正極活物質層2中に含有される金属酸化物22が、リチウムイオン挿入脱離反応を示す金属酸化物である場合には、この金属酸化物22自体も、活物質として機能し得ることから、正極板10の容量を増大させることができるという利点がある。
The
金属酸化物のリチウムイオン挿入脱離反応の有無については、電気化学測定(サイクリックボルタンメトリー:CV)法により確認することができる。以下に、CV試験について説明する。例えば、電極電位を活物質の適切な電圧範囲において、例えばアルカリ金属イオンとしてリチウムイオンを想定し、金属酸化物としてLiMn2O4であれば、3.0Vから4.3Vまで掃引したのち、再び3.0Vまで戻す作業を3回程度繰り返すものである。走査速度は1mV/秒が好ましい。例えばLiMn2O4であれば、図3に示すように、約3.9V付近にLiMn2O4のリチウムイオン脱離反応に相当する酸化ピークが出現し、約4.1V付近にリチウムイオン挿入反応に相当する還元ピークが出現し、これによってリチウムイオンの挿入脱離反応の有無を確認することができる。また、図4に示すように、ピークが出現しない場合にはリチウムイオンの挿入脱離反応がないと判断することができる。なお、本発明において、金属酸化物が、リチウムイオン挿入脱離反応を示さないとは、金属酸化物固有の電気的性質を意味するものではなく、正極活物質層中に含有される金属酸化物22が、該正極活物質2中に含有される正極活物質粒子に適した電圧範囲において、リチウムイオン挿入脱離反応を示さないことを意味する。正極板において、上記金属酸化物が、実質的にリチウムイオンを挿入脱離しないことが重要だからである。
The presence or absence of a lithium ion insertion / elimination reaction of the metal oxide can be confirmed by an electrochemical measurement (cyclic voltammetry: CV) method. The CV test will be described below. For example, if the electrode potential is within the appropriate voltage range of the active material, for example, lithium ions are assumed as alkali metal ions, and LiMn 2 O 4 is used as the metal oxide, after sweeping from 3.0 V to 4.3 V, again The operation of returning to 3.0 V is repeated about three times. The scanning speed is preferably 1 mV / second. For example, in the case of LiMn 2 O 4 , as shown in FIG. 3, an oxidation peak corresponding to the lithium ion elimination reaction of LiMn 2 O 4 appears in the vicinity of about 3.9 V, and insertion of lithium ions in the vicinity of about 4.1 V. A reduction peak corresponding to the reaction appears, whereby the presence or absence of a lithium ion insertion / extraction reaction can be confirmed. Further, as shown in FIG. 4, when no peak appears, it can be determined that there is no lithium ion insertion / extraction reaction. In the present invention, the fact that the metal oxide does not exhibit a lithium ion insertion / elimination reaction does not mean the electrical properties unique to the metal oxide, but the metal oxide contained in the positive electrode active material layer. 22 means that no lithium ion insertion / release reaction is exhibited in a voltage range suitable for the positive electrode active material particles contained in the positive electrode
本発明において、正極集電体1と正極活物質粒子21は金属酸化物22によって固着されており、正極活物質粒子21同士も金属酸化物22によって固着されている、という場合には、以下の2つの態様を含む。第1の固着態様は、被固着物間(例えば、正極活物質粒子21と正極集電体1との間、正極活物質粒子21間、あるいは導電材を使用する場合には、導電材と正極活物質粒子21間、導電材粒子間など)に、金属酸化物22が介在して両者を固着させる態様である。第2の固着態様は、被固着物同士が直接接触し、接触部分を囲んで金属酸化物22が存在することによって、被固着物同士を固着させる態様である。本発明では、正極活物質層中において、上記の第1の固着態様、および第2の固着態様の何れかの態様、又は双方の態様が存在している。特に、正極活物質層中に含まれる正極活物質粒子21の粒子径が小さくなるほど、第2の固着態様が増える傾向にある。
In the present invention, when the positive electrode
金属酸化物22は、正極活物質層中に上記の第1の固着態様、あるいは第2の固着態様で被固着物間を固着させるような形状で存在していればよく、金属酸化物22の大きさ、形状について特に限定されることはない。例えば、金属酸化物22が、微小な粒子状であって、多数の微小な粒子状の金属酸化物22が、正極活物質粒子21の1つ、又は2つ以上の集合体の全面又は一部を取り囲むように存在していてもよい。
The
特に、図2(b)に示すように、正極活物質層2は、隣り合う金属酸化物22同士の一部において、結晶格子が連続することにより繋がっている箇所を含んでいることが好ましい。この構成により、膜密着性を向上させレート特性を向上させることができる。上述のとおり、本発明における金属酸化物22は、正極活物質粒子21を正極集電体1上に固着させるためのものであり、図2(b)に示すように、金属酸化物22同士の少なくとも一部において、互いに結晶格子が連続することにより繋がっている箇所を含ませることで、正極活物質層2の膜密着性が向上するものと推察される。そして、この膜密着性の向上がレート特性の向上に寄与するものと思われる。
In particular, as shown in FIG. 2B, the positive electrode
また、正極活物質層2の膜密着性を向上させるという観点からは、隣り合う金属酸化物22同士の結晶格子が連続する部分は、正極活物質層2に有意に存在することがより望ましい。尚、本発明において金属酸化物同士の結晶格子が連続するか否かは、透過型電子顕微鏡で正極活物質層における隣り合う金属酸化物の断面の結晶格子を観察することによって確認することができる。
Further, from the viewpoint of improving the film adhesion of the positive electrode
本発明の正極活物質層において、隣り合う金属酸化物22同士における結晶格子が連続する箇所を含むよう構成するためには、後述する本発明の製造方法に従い本発明の正極板を製造することが望ましい。即ち、本発明の製造方法は、正極活物質層形成液を正極集電体上に塗布して塗膜を形成し、加熱などの手段を実施することによって該塗膜から正極活物質層を形成する。その際、該正極集電体上において、正極活物質粒子の周囲に存在する金属元素含有化合物が熱分解、酸化などの反応を起こして、正極活物質粒子の周囲に金属酸化物が生成される。このとき、隣接する金属酸化物同士(あるいはその前駆体)の一部が接合していると、該接合部分において、両者の結晶成長が同時に進行し易い。上記接合部分において結晶成長が同時に進行する結果、本発明の正極活物質層において、隣り合う金属酸化物同士における結晶格子が連続する箇所を含むよう構成される。
In order to configure the positive electrode active material layer of the present invention to include a portion where the crystal lattices of
また、金属酸化物22が非粒子状であって、正極活物質粒子21と正極集電体1との間、正極活物質粒子21間を、空隙を残して充填する連続体であってもよい。あるいは、金属酸化物22が、正極活物質粒子21の2つ以上の集合体を包囲する膜状、ひだ状、またはこぶ状の連続的な被覆層を形成していてもよい。また、金属酸化物22の表面は、走査型電子顕微鏡レベルで観察した際に、例えば、滑らかな状態で観察されるもの、無数の突起が密集しているもの、粒子間のあるもの、あるいはこれらの組合せなどであってもよく、その表面状態について何ら限定されることはない。つまり、本発明における金属酸化物22は、正極活物質粒子21の少なくとも一部を包囲し、かつ金属酸化物22同士が繋がり、あるいは金属酸化物22が連続体であり、加えて、金属酸化物22のうち正極集電体1の近傍の金属酸化物22が正極集電体1の表面に繋がることによって正極活物質層2を構成するものであればよい。
Further, the
また、本発明は、いわゆる結着物質として樹脂製のバインダーを用いることを禁止するものではなく、樹脂製のバインダーと金属酸化物22とを併せて用い、これらによって正極集電体1と正極活物質粒子21、正極活物質粒子21同士を固着させることとしてもよい。なお、樹脂製のバインダーと金属酸化物22を併せて用いる場合において、樹脂製のバインダーの全質量と金属酸化物22の合計質量に対して、金属酸化物22が占める割合が多くなるほど、レート特性は向上する。このような点を考慮すると、樹脂製のバインダーと金属酸化物22の合計質量に対し、金属酸化物22の占める割合は、50〜100質量%の範囲内であることが好ましい。無論、当該範囲以外である場合であっても、金属酸化物22が含有されている分だけレート特性が向上することはいうまでもない。
In addition, the present invention does not prohibit the use of a resin binder as a so-called binder material, and the resin binder and the
また、本発明において、正極活物質層2中に含有される正極活物質粒子21と金属酸化物22との配合比率について特に限定されることはないが、金属酸化物22の含有量が少なすぎる場合には、正極集電体1と正極活物質粒子21、および正極活物質粒子21同士の固着力を所望の程度まで上げることができなくなるおそれや、レート特性の向上を充分に満足させることができなくなるおそれが生じうる。したがって、この点を考慮すると、正極活物質粒子21の質量比率を100質量部としたときの、金属酸化物22の質量比率は、1質量部以上100質量部以下であることが好ましい。
In the present invention, the mixing ratio of the positive electrode
また、上記正極活物質層2は、正極活物質粒子21、金属酸化物22のみから構成されていてもよいが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、さらなる添加剤を含有させて形成してもよい。たとえば、本発明によれば、カーボンブラック等の導電性の炭素材料に例示される導電材を使用することなく良好な導電性を発揮させることが可能であるが、より優れた導電性が望まれる場合や、活物質粒子の種類などによっては、導電材を使用することとしてもよい。
Further, the positive electrode
(正極板の製造方法)
本発明の正極板10は、上述したように、正極集電体1上に正極活物質層2が設けられてなり、正極活物質層2が、正極活物質粒子21、および金属酸化物22を含有し、且つこの金属酸化物によって、正極集電体1と正極活物質粒子21、および正極活物質粒子21同士が固着されてなる構成をとる。このような構成をとることができれば、正極板10の製造方法について特に限定はないが、本発明においては、以下の方法により、上述した正極板を歩留まり良く製造することができる。以下、好ましい製造方法について具体的に説明する。
(Method for manufacturing positive electrode plate)
As described above, the
上述した正極板10の好ましい製造方法は、塗布工程と加熱工程とから構成される。以下、各工程について説明する。
A preferable manufacturing method of the
(塗布工程)
塗布工程は、上記で説明した正極活物質粒子21と、加熱することで金属酸化物22となる1種又は2種以上の金属元素含有化合物とが含有される正極活物質層形成液を、正極集電体1上の少なくとも一部に塗布して塗膜を形成する工程である。
(Coating process)
In the coating step, a positive electrode active material layer forming liquid containing the positive electrode
金属元素含有化合物は、正極活物質粒子21と正極集電体1、および正極活物質粒子21同士を固着させる金属酸化物22の前駆体である。したがって、正極活物質層形成液中に添加された状態で基板上に塗布され、加熱されたときに、金属酸化物22となることができるいかなる金属元素含有化合物であってもよい。
The metal element-containing compound is a precursor of the
上記金属元素含有化合物としては、リチウム元素含有化合物と、コバルト、ニッケル、マンガン、鉄またはチタンから選択されるいずれかの金属元素を含む金属元素含有化合物の1種あるいは2種以上とを好ましく用いることができる。金属元素含有化合物は、当該化合物内に炭素が含まれていない、無機金属元素含有化合物であってもよいし、あるいは当該化合物内に炭素が含まれて構成される有機金属元素含有化合物であってもよい。本発明および本明細書において、無機金属元素含有化合物及び有機金属含有化合物をあわせて、単に金属元素含有化合物という場合がある。 As the metal element-containing compound, a lithium element-containing compound and one or more metal element-containing compounds containing any metal element selected from cobalt, nickel, manganese, iron or titanium are preferably used. Can do. The metal element-containing compound may be an inorganic metal element-containing compound in which no carbon is contained in the compound, or an organometallic element-containing compound constituted by containing carbon in the compound. Also good. In the present invention and the present specification, the inorganic metal element-containing compound and the organic metal-containing compound may be simply referred to as a metal element-containing compound.
また金属元素含有化合物としては、リチウム元素あるいはコバルト等の他の金属元素の炭酸塩、塩化物、硝酸塩、硫酸塩、過塩素酸塩、酢酸塩、リン酸塩、臭素酸塩等を挙げることができる。中でも、本発明においては、炭酸塩、塩化物、硝酸塩、酢酸塩は汎用品として入手が容易なので、使用することが好ましい。とりわけ、硝酸塩は広範囲の種類の正極集電体に対して製膜性がよいので、好ましく使用される。 Examples of the metal element-containing compound include carbonates, chlorides, nitrates, sulfates, perchlorates, acetates, phosphates, bromates and the like of other metal elements such as lithium element or cobalt. it can. Among them, in the present invention, carbonates, chlorides, nitrates, and acetates are preferable because they are easily available as general-purpose products. In particular, nitrate is preferably used because it has good film forming properties for a wide variety of positive electrode current collectors.
例えば、金属酸化物22としてLiCoO2を生成するための金属元素含有化合物としては、Li元素含有化合物、及びCo元素含有化合物を主原料として組み合わせて用いることができ、さらに、必要に応じてその他の原料を組み合わせて用いることもできる。Li元素含有化合物としては、例えば、炭酸リチウム、クエン酸リチウム四水和物、過塩素酸リチウム三水和物、酢酸リチウム二水和物、硝酸リチウム、及びりん酸リチウム等が挙げられ、また、Co元素含有化合物としては、例えば、炭酸コバルト、塩化コバルト(II)六水和物、蟻酸コバルト(II)二水和物、コバルト(III)アセチルアセトナート、コバルト(II)アセチルアセトナート二水和物、酢酸コバルト(II)四水和物、しゅう酸コバルト(II)二水和物、硝酸コバルト(II)六水和物、塩化コバルト(II)アンモニウム六水和物、亜硝酸コバルト(III)ナトリウム、及び硫酸コバルト(II)七水和物等が挙げられる。主原料として用いるLi元素含有化合物、及びCo元素含有化合物の組み合わせ割合(Li:Co=X:1)は、特に限定されないが、1≦X<2であることが好ましく、1≦X≦1.2であることがより好ましい。
For example, as the metal element-containing compound for generating LiCoO 2 as the
また、金属酸化物22としてLiNiO2を生成するための金属元素含有化合物としては、Li元素含有化合物、及びNi元素含有化合物を主原料として組み合わせて用いることができ、さらに、必要に応じてその他の原料を組み合わせて用いることもできる。Li元素含有化合物の例は、上述するLiCoO2を生成する場合と同様であり、また、Ni元素含有化合物としては、例えば、炭酸ニッケル、塩化ニッケル(II)六水和物、酢酸ニッケル(II)四水和物、過塩素酸ニッケル(II)六水和物、臭化ニッケル(II)三水和物、硝酸ニッケル(II)六水和物、ニッケル(II)アセチルアセトナート二水和物、次亜りん酸ニッケル(II)六水和物、及び硫酸ニッケル(II)六水和物等が挙げられる。主原料として用いるLi元素含有化合物、及びNi元素含有化合物の組み合わせ割合(Li:Ni=X:1)は、特に限定されないが、1≦X<2であることが好ましく、1≦X≦1.2であることがより好ましい。
The
また、金属酸化物22としてとしてLiMn2O4を生成するための金属元素含有化合物としては、Li元素含有化合物、及びMn元素含有化合物を主原料として組み合わせて用いることができ、さらに、必要に応じてその他の原料を組み合わせて用いることもできる。Li元素含有化合物の例は、上述するLiCoO2を生成する場合と同様であり、また、Mn元素含有化合物としては、例えば、炭酸マンガン、酢酸マンガン(III)二水和物、硝酸マンガン(II)六水和物、硫酸マンガン(II)五水和物、しゅう酸マンガン(II)二水和物、及びマンガン(III)アセチルアセトナート等が挙げられる。主原料として用いるLi元素含有化合物、及びMn元素含有化合物の組み合わせ割合(Li:Mn=X:1)は、特に限定されないが、0.5≦X<1であることが好ましく、0.5≦X≦0.6であることがより好ましい。
Further, as the metal element-containing compounds to produce LiMn 2 O 4 as the
また、金属酸化物22としてとしてLiFeO2を生成するための金属元素含有化合物としては、Li元素含有化合物、及びFe元素含有化合物を主原料として組み合わせて用いることができ、さらに、必要に応じてその他の原料を組み合わせて用いることもできる。Li元素含有化合物の例は、上述するLiCoO2を生成する場合と同様であり、また、Fe元素含有化合物としては、例えば、塩化鉄(II)四水和物、クエン酸鉄(III)、酢酸鉄(II)、しゅう酸鉄(II)二水和物、硝酸鉄(III)九水和物、乳酸鉄(II)三水和物、及び硫酸鉄(II)七水和物等が挙げられる。主原料として用いるLi元素含有化合物、及びFe元素含有化合物の組み合わせ割合(Li:Fe=X:1)は、特に限定されないが、1≦X<2であることが好ましく、1≦X≦1.2であることがより好ましい。
The metal as the metal element-containing compounds to produce LiFeO 2 as an
また、金属酸化物22としてとしてLi4Ti5O12を生成するための金属元素含有化合物としては、Li元素含有化合物、及びTi元素含有化合物を主原料として組み合わせて用いることができ、さらに、必要に応じてその他の原料を組み合わせて用いることもできる。Li元素含有化合物の例は、上述するLiCoO2を生成する場合と同様であり、また、Ti元素含有化合物としては、例えば、四塩化チタン、及びチタンアセチルアセトナート等が挙げられる。主原料として用いるLi元素含有化合物、及びTi元素含有化合物の組み合わせ割合(Li:Ti=X:1)は、特に限定されないが、0.8≦X<2であることが好ましく、0.8≦X≦1.2であることがより好ましい。
Further, as the metal element-containing compound for producing Li 4 Ti 5 O 12 as the
上述する正極活物質層形成液において、溶媒中における、添加される1種または2種以上の金属元素含有化合物の添加量の合計の比率は、0.01〜5mol/L、特に0.1〜2mol/Lが好ましい。上記濃度を0.01mol/L以上とすることにより、正極集電体1と該集電体表面で生成される正極活物質層2とを良好に密着させることができ、正極用活物質粒子21の固着が図られる。また、上記濃度を、5mol/L以下とすることにより、上記正極活物質層形成液を正極集電体1の表面へ良好に塗布できる程度の良好な粘度を維持することができ、均一な塗膜を形成することができる。
In the positive electrode active material layer forming liquid described above, the ratio of the total amount of one or more metal element-containing compounds added in the solvent is 0.01 to 5 mol / L, particularly 0.1 to 5 mol / L. 2 mol / L is preferred. By setting the concentration to 0.01 mol / L or more, the positive electrode
また、上記正極活物質層形成液には、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、導電材、あるいは、正極活物質層形成液の粘度調整剤である有機物、その他の添加剤を配合してもよい。金属元素含有化合物を溶解させるための溶媒は、該金属元素含有化合物を溶解することができるものであればよく、従来公知の溶媒を適宜選択して用いることができる。例えば、水、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソ−プロパノール、n−ブタノール、イソ−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノール等の低級アルコール、アセチルアセトン、ジアセチル、ベンゾイルアセトン等のケトン類、アセト酢酸エチル、ピルビン酸エチル、ベンゾイル酢酸エチル、ベンゾイル蟻酸エチル等のケトエステル類、トルエン、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール及びこれらの混合溶媒を挙げることができる。 Further, the positive electrode active material layer forming liquid may be blended with a conductive material, an organic substance that is a viscosity adjusting agent of the positive electrode active material layer forming liquid, or other additives within the scope of the present invention. Good. The solvent for dissolving the metal element-containing compound may be any solvent that can dissolve the metal element-containing compound, and a conventionally known solvent can be appropriately selected and used. For example, water, lower alcohols such as NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), methanol, ethanol, n-propanol, iso-propanol, n-butanol, iso-butanol, 2-butanol, t-butanol, acetylacetone, diacetyl And ketones such as benzoylacetone, ketoesters such as ethyl acetoacetate, ethyl pyruvate, ethyl benzoylacetate and ethyl benzoylformate, toluene, ethylene glycol, diethylene glycol, polyethylene glycol, and mixed solvents thereof.
正極活物質層形成液を正極集電体1上に塗工する方法について特に限定はなく、一般的な塗工方法を適宜選択して用いることができる。例えば、印刷法、スピンコート、ディップコート、バーコート、スプレーコート等によって、正極集電体表面の任意の領域に正極活物質層形成液を塗工することができる。また、正極集電体の表面が多孔質であったり、凹凸が多数設けられていたり、三次元立体構造を有したりする場合には、上記の方法以外に手動で塗布することも可能である。なお、本発明において使用する正極集電体は、必要に応じて、予めコロナ処理や酸素プラズマ処理等を行うことで、正極活物質層の成膜性をさらに改善することができる。
The method for coating the positive electrode active material layer forming liquid on the positive electrode
また、正極活物質層形成液の塗工量について特に限定はないが、加熱後の厚みが、上記で説明した正極活物質層の厚みとなるような範囲で塗工されていることが好ましい。 Moreover, there is no limitation in particular about the coating amount of a positive electrode active material layer formation liquid, However, It is preferable to apply in the range in which the thickness after a heating becomes the thickness of the positive electrode active material layer demonstrated above.
(加熱工程)
加熱工程は、上記で説明した塗布工程において形成された塗膜を加熱して溶媒を蒸発させるとともに、金属元素含有化合物から金属酸化物22を生成する工程である。具体的には、金属元素含有化合物を熱分解して、金属酸化物22を生成する工程である。そして、該加熱工程を経ることで、正極集電体1と正極活物質粒子21、及び正極活物質粒子21同士は、金属酸化物22によって固着された正極板10が製造される。
(Heating process)
The heating step is a step of heating the coating film formed in the coating step described above to evaporate the solvent and generating the
加熱工程における加熱温度については、用いられる金属元素含有化合物を熱分解することができる温度であればよく、したがってこれらの種類に応じて適宜設定することができる。 About the heating temperature in a heating process, what is necessary is just the temperature which can thermally decompose the metal element containing compound used, Therefore Therefore, according to these kind, it can set suitably.
また、金属元素含有化合物が熱分解する温度で、塗膜を加熱することができる加熱方法あるいは加熱装置であれば、加熱方法について特に限定されることはない。例えば、ホットプレート、オーブン、加熱炉、赤外線ヒーター、ハロゲンヒーター、熱風送風機等のいずれかを使用するか、あるいは2以上を組み合わせて使用する方法を挙げることができる。 In addition, the heating method is not particularly limited as long as the heating method or the heating apparatus can heat the coating film at a temperature at which the metal element-containing compound is thermally decomposed. For example, a method of using any one of a hot plate, an oven, a heating furnace, an infrared heater, a halogen heater, a hot air blower, etc., or a combination of two or more can be mentioned.
また、上記加熱工程における加熱雰囲気についても、特に限定されず、正極板を製造するために用いられる材料や加熱温度、金属元素の酸素ポテンシャルなどを勘案して適宜決定することができる。例えば、空気雰囲気である場合には、特別な雰囲気の調整が必要なく、簡易に加熱工程を実施することができる点で好ましい。特に正極集電体としてアルミ箔を用いる場合には、空気雰囲気下において加熱工程を実施しても、該アルミ箔が酸化するおそれがないので、好ましく加熱工程を実施することができる。 Further, the heating atmosphere in the heating step is not particularly limited, and can be appropriately determined in consideration of the material used for manufacturing the positive electrode plate, the heating temperature, the oxygen potential of the metal element, and the like. For example, an air atmosphere is preferable in that a special atmosphere adjustment is not necessary and the heating process can be easily performed. In particular, when an aluminum foil is used as the positive electrode current collector, the heating step can be preferably performed because there is no possibility that the aluminum foil is oxidized even if the heating step is performed in an air atmosphere.
一方、正極集電体として銅箔を用いる場合には、空気雰囲気下で加熱工程を実施すると酸化してしまい、望ましくない。したがって、かかる場合には、不活性ガス雰囲気下、あるいは還元ガス雰囲気下あるいは不活性ガスと還元ガスの混合ガス雰囲気下で加熱することが好ましい。なお、酸素ガスが充分に含有されない雰囲気下で加熱工程を実施する場合において、正極活物質層中に金属酸化物からなる正極活物質を生成する場合には、金属元素含有化合物中における金属元素の酸化は、正極活物質層形成液中に含有される化合物中の酸素と金属元素とが結合することによって実現される必要があるので、使用する化合物中に酸素元素が含有される化合物を用いる必要がある。 On the other hand, when a copper foil is used as the positive electrode current collector, it is not desirable because it is oxidized when the heating step is performed in an air atmosphere. Therefore, in such a case, it is preferable to heat in an inert gas atmosphere, a reducing gas atmosphere, or a mixed gas atmosphere of an inert gas and a reducing gas. In the case where the heating step is performed in an atmosphere that does not contain sufficient oxygen gas, when a positive electrode active material made of a metal oxide is generated in the positive electrode active material layer, the metal element in the metal element-containing compound Oxidation needs to be realized by the combination of oxygen and metal elements in the compound contained in the positive electrode active material layer forming liquid. Therefore, it is necessary to use a compound containing oxygen element in the compound to be used. There is.
本発明において、不活性ガス雰囲気または還元ガス雰囲気は、特に特定の雰囲気に限定されず、従来公知のこれらの雰囲気下において適宜実施することができるが、たとえば、不活性ガス雰囲気としてはアルゴンガス、窒素ガス、還元ガス雰囲気としては、水素ガス、一酸化炭素ガス、あるいは上記不活性ガスと上記還元ガスを混合したガス雰囲気などが挙げられる。 In the present invention, the inert gas atmosphere or the reducing gas atmosphere is not particularly limited to a specific atmosphere, and can be appropriately carried out under these conventionally known atmospheres. Examples of the inert gas atmosphere include argon gas, Examples of the nitrogen gas and reducing gas atmosphere include hydrogen gas, carbon monoxide gas, or a gas atmosphere in which the inert gas and the reducing gas are mixed.
<<負極板>>
次に、本発明のリチウムイオン二次電池100を構成する負極板50について説明する。負極板50は、負極集電体55上に形成される負極活物質層54とを備え、負極活物質層54が、リチウムチタン複合酸化物を含有している。本発明は、このようにリチウムイオンの出し入れが容易であるリチウムチタン複合酸化物を負極活物質層54中に含有させることで負極板50のレート特性を向上させており、さらに、この負極板50を、上述したレート特性に優れた正極板10と組合せることで、極めて優れた高レートでの充放電特性を得ることができる。以下、負極集電体55、負極活物質層54について更に具体的に説明する。
<< Negative Electrode Plate >>
Next, the
<負極集電体>
負極集電体55について特に限定はなく、リチウムイオン二次電池用負極板に用いられる従来公知の負極集電体55を適宜選択して用いることができる。例えば、アルミニウム箔、ニッケル箔、銅箔などの単体又は合金から形成された負極集電体を好ましく用いることができる。また、正極集電体1と同様、負極集電体55には、その表面に導電性を担保するための物質が積層されたものや、何らかの表面処理がなされたものも含まれる。
<Negative electrode current collector>
There is no limitation in particular about the
負極集電体55の厚みは、一般にリチウムイオン二次電池用負極板の負極集電体として使用可能な厚みであれば特に限定されないが、5〜200μmであることが好ましく、10〜50μmであることがより好ましい。
The thickness of the negative electrode
<負極活物質層>
負極集電体55上に形成される負極活物質層54は、粒子状のリチウムチタン複合酸化物と、結着物質とから構成されており、粒子状のリチウムチタン複合酸化物は、結着物質によって負極集電体55上に固着されているとともに、粒子状のリチウムチタン複合酸化物同士もこの結着物質によって固着されている。これにより、負極集電体55上に負極活物質層54を備える負極板50が形成される。
<Negative electrode active material layer>
The negative electrode
負極活物質層54の層厚について特に限定はないが、レート特性を向上させつつも高容量を得るためには、層厚は、50μm〜150μmであることが好ましい。負極活物質層2の層厚を当該範囲とすることで、負極活物質層54と負極集電体55との距離を短くすることができ負極板50のインピーダンスを下げることができる。
The layer thickness of the negative electrode
また、負極活物質層54は、電解液が浸透可能な程度に空隙が存在していることが好ましい。電解液が浸透可能な範囲であれば、空隙率について特に限定はないが、空隙率が10%未満である場合には、電解液が浸透せずスムーズな充放電を行うことが困難となる虞がある。この点を考慮すると、負極活物質層54の空隙率は、10%以上であることが好ましい。また、空隙率が70%より大きい場合には、体積エネルギー密度を上げることができず、リチウムイオン二次電池を小型化する際の支障となる虞がある。この点を考慮すると、空隙率は70%以下であることが好ましい。なお、空隙率の測定は、島津製作所製 オートポアIV 9500等で測定可能である。
Moreover, it is preferable that the negative electrode
(リチウムチタン複合酸化物)
負極板50を構成する負極活物質層54には、リチウムチタン複合酸化物が含有される。リチウムチタン複合酸化物は、リチウムイオンの出し入れが容易であり、リチウムチタン複合酸化物を含有する負極活物質層54を備える負極板50によれば、負極板のレート特性を向上させることができる。
(Lithium titanium composite oxide)
The negative electrode
リチウムチタン複合酸化物は、リチウム元素とチタン元素とを含有する複合酸化物であって、例えば、Li4Ti5O12、Li2Ti3O7等を挙げることができる。中でも、Li4Ti5O12は、スピネル構造をとっており、リチウムイオンの出し入れが特に速いことから、負極活物質層54に含有されるリチウムチタン複合酸化物として特に好適に用いることができる。
The lithium titanium composite oxide is a composite oxide containing a lithium element and a titanium element, and examples thereof include Li 4 Ti 5 O 12 and Li 2 Ti 3 O 7 . Among these, Li 4 Ti 5 O 12 has a spinel structure, and lithium ions can be taken in and out particularly fast. Therefore, Li 4 Ti 5 O 12 can be particularly preferably used as the lithium titanium composite oxide contained in the negative electrode
リチウムチタン複合酸化物の形状について特に限定はなく、例えば、鱗片形状、偏平形状、紡錘形状、球状のものを用いることができる。また、粒子状のリチウムチタン複合酸化物の粒径についても特に限定はなく、設計される負極活物質層54の厚みなどを勘案して、任意の大きさのものを適宜選択して使用することができる。なお、上記で説明した正極活物質粒子と同様、リチウムチタン複合酸化物の粒子径を小さくすることで、レートと構成の向上を図ることができる。リチウムチタン複合酸化物の粒子径は、10μm未満であることが好ましく、5μm以下、特には1μm以下が好ましい。
The shape of the lithium titanium composite oxide is not particularly limited, and for example, a scale shape, a flat shape, a spindle shape, or a spherical shape can be used. Further, the particle size of the particulate lithium titanium composite oxide is not particularly limited, and a material having an arbitrary size can be appropriately selected and used in consideration of the thickness of the designed negative electrode
(結着物質)
粒子状のリチウムチタン複合酸化物と負極集電体55、および粒子状のリチウムチタン複合酸化物同士を固着させるための結着物質について特に限定はなく、PVdF樹脂等の従来公知の樹脂製のバインダー、金属、金属酸化物等の金属化合物を単独で、或いはこれらを組合せて用いることができる。金属、或いは金属酸化物等の金属化合物で負極集電体55とリチウムチタン複合酸化物、およびリチウムチタン複合酸化物同士を固着させた負極板の製造方法については後述する。
(Binder)
There are no particular limitations on the particulate lithium-titanium composite oxide, the negative electrode
本発明のリチウムイオン二次電池においては、正極板10における正極活物質2中のリチウムが電解液に染み出し、電解液と溶媒和し、リチウムイオンの状態で電解液中に拡散し、負極板における負極活物質層に到達する。そしてリチウムイオンは、脱溶媒和するとともに、リチウムチタン複合酸化物の層間へ挿入し、電子の授与が行われるものと考えられている。負極板50における電解液に溶媒和したリチウムイオンが脱溶媒和し、電子の授与を行うメカニズムの詳細はいまだ明らかではないが、負極活物質層54において、界面電荷移動抵抗が小さいほど、脱溶媒和反応がスムーズにおこなわれ、負極板50における放電レート特性は向上するものと考えられる。このような点を考慮すると、負極集電体55と粒子状のリチウムチタン複合酸化物、およびリチウムチタン複合酸化物とを固着させるための結着物質は、金属や金属酸化物であることが好ましい。金属或いは金属酸化物で、リチウムチタン複合酸化物と負極集電体55、およびリチウムチタン複合酸化物同士を固着させることで、脱溶媒和反応に対する阻害作用がなく、電子の授与が非常にスムーズに行うことができ、その結果、リチウムチタン複合酸化物によるレート特性の向上と相俟って、更なるレート特性の向上を図ることができる。
In the lithium ion secondary battery of the present invention, lithium in the positive electrode
またさらに、本発明において正極板10は、上記で説明したように、金属酸化物22で正極集電体1と正極活物質粒子21、および正極活物質粒子21同士を固着していることから、負極板50の結着物質を金属、或いは金属酸化物とすることで、耐熱性の向上を図ることができる。
Furthermore, in the present invention, as described above, the
結着物質としての金属、金属酸化物等の金属化合物としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属、周期律表第4周期に属する遷移金属、およびこれらの金属酸化物等を好ましく用いることができる。アルカリ金属、アルカリ土類金属は、酸化還元電位が低いことから、リチウムイオン二次電池の負極板50に用いた場合でも安定である。また、周期律表第4周期に属する遷移金属は、化学的に安定で、複数の酸化数を形成することが可能であり、同じ元素でも複数の錯体を形成する。そのため、負極板50に含有される金属としての利便性が高い。このような金属、或いは金属酸化物としては、銅、ニッケル、リチウム、およびこれらの酸化物等を挙げることができる。
As metal compounds such as metals and metal oxides as the binder, alkali metals, alkaline earth metals, transition metals belonging to the fourth period of the periodic table, and metal oxides thereof can be preferably used. Alkali metals and alkaline earth metals are stable even when used in the
(その他の材料)
負極活物質層54は、上述するリチウムチタン複合酸化物及び結着物質のみから構成されていてもよいが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、さらなる添加剤を含有させて形成してもよい。たとえば、本発明において導電材を使用することなく良好な導電性を発揮させることが可能であるが、より優れた導電性が望まれる場合や、負極活物質粒子の種類などによっては、導電材を使用することとしてもよい。
(Other materials)
The negative electrode
(負極板の製造方法)
以下に、本発明の負極板50を製造するための製造方法の一例について説明する。本発明の負極板50の製造方法としては、結着物質として従来公知の樹脂製バインダーを用いる方法と、結着物質として、金属或いは金属酸化物を用いる方法がある。以下、具体的に説明する。
(Method for manufacturing negative electrode plate)
Below, an example of the manufacturing method for manufacturing the
(1)結着物質として樹脂製の結着物質を用いた負極板の製造方法
結着物質として樹脂製の結着物質を用いた負極板の製造方法としては、従来公知の方法を適宜選択して用いることができる。例えば、リチウムチタン複合酸化物と、樹脂製の結着物質とが含有された負極活物質層形成液を、負極集電体55上に塗布・乾燥することで、負極板50を製造することができる。
(1) Method for producing negative electrode plate using resinous binder as binding material As a method for producing negative electrode plate using resinous binder as binder, a conventionally known method is appropriately selected. Can be used. For example, the
樹脂製の結着物質としては、例えば、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリル酸エステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリウレタン樹脂、セルロース樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリビニル樹脂、フッ素樹脂またはポリイミド樹脂等を挙げることができる。中でもフッ素樹脂は樹脂製の結着物質として好ましく、ポリフッ化ビニリデンは特に好ましい。 Examples of the resin binder include polyester resin, polyamide resin, polyacrylate resin, polycarbonate resin, polyurethane resin, cellulose resin, polyolefin resin, polyvinyl resin, fluorine resin, and polyimide resin. Among these, a fluororesin is preferable as a resin binder, and polyvinylidene fluoride is particularly preferable.
負極活物質層形成液は、リチウムチタン複合酸化物、適宜選択した樹脂製の結着物質、及び必要に応じてその他の成分を混合して負極活物質層形成液を調製する。例えば、リチウムチタン複合酸化物と、適宜選択した結着物質とを、トルエン、メチルエチルケトン、N−メチル−2−ピロリドン或いはこれらの混合物のような有機溶剤の中に投入し、さらに必要に応じて導電材を加え、ホモジナイザー、ボールミル、サンドミルまたはロールミル等の分散機により溶解又は分散して調製する。この時の配合割合は、負極活物質層形成液全体を100質量部とした時にリチウムチタン複合酸化物と結着物質の合計量が約40〜80質量部となるようにするのが好ましい。また、リチウムチタン複合酸化物と樹脂製の結着物質との配合割合は従来と同様でよく、リチウムチタン複合酸化物:結着物質=5:5〜9:1(質量比)程度とするのが好ましい。 The negative electrode active material layer forming liquid is prepared by mixing lithium-titanium composite oxide, a suitably selected resin binder, and other components as necessary. For example, lithium-titanium composite oxide and an appropriately selected binder are put into an organic solvent such as toluene, methyl ethyl ketone, N-methyl-2-pyrrolidone, or a mixture thereof, and further conductive as necessary. The material is added and prepared by dissolving or dispersing with a disperser such as a homogenizer, ball mill, sand mill or roll mill. The blending ratio at this time is preferably such that the total amount of the lithium-titanium composite oxide and the binder is about 40 to 80 parts by mass when the entire negative electrode active material layer forming liquid is 100 parts by mass. Further, the blending ratio of the lithium titanium composite oxide and the resin binder may be the same as before, and the lithium titanium composite oxide: binding material = 5: 5 to 9: 1 (mass ratio). Is preferred.
負極活物質層形成液を負極集電体55上に塗工する方法について特に限定はなく、一般的な塗工方法を適宜選択して用いることができる。例えば、印刷法、スピンコート、ディップコート、バーコート、スプレーコート等によって、負極集電体表面の任意の領域に負極活物質層形成液を塗工することができる。また、負極集電体の表面が多孔質であったり、凹凸が多数設けられていたり、三次元立体構造を有したりする場合には、上記の方法以外に手動で塗布することも可能である。なお、本発明において使用する負極集電体は、必要に応じて、予めコロナ処理や酸素プラズマ処理等を行うことで、負極活物質層の成膜性をさらに改善することができる。
The method for coating the negative electrode active material layer forming liquid on the negative electrode
また、負極活物質層形成液の塗工量について特に限定はないが、加熱後の厚みが、上記で説明した負極活物質層54の厚みとなるような範囲で塗工されていることが好ましい。
Further, the coating amount of the negative electrode active material layer forming liquid is not particularly limited, but it is preferable that the coating is performed in such a range that the thickness after heating becomes the thickness of the negative electrode
塗工後の乾燥における熱源としては、熱風、赤外線、マイクロ波、高周波、或いはそれらを組み合わせて利用できる。また、乾燥後、得られた負極活物質層54をプレス加工してもよく、プレス加工によって均質性を向上させることができる。
As a heat source in drying after coating, hot air, infrared rays, microwaves, high frequencies, or a combination thereof can be used. In addition, after drying, the obtained negative electrode
(2)結着物質として、金属或いは金属酸化物を用いた負極板の製造方法
(i)結着物質として金属酸化物を用いた負極板
結着物質として金属酸化物を用いた負極板は、リチウムチタン複合酸化物、金属元素を含む結着物質前駆体、溶媒、必要に応じて上記で説明した他の材料とを用いて、負極活物質層形成液を調製し、該液を負極集電体55上に塗工した後に、加熱することにより製造することができる。
(2) Method for producing negative electrode plate using metal or metal oxide as binder material (i) Negative electrode plate using metal oxide as binder material Negative electrode plate using metal oxide as binder material A negative active material layer forming liquid is prepared using a lithium titanium composite oxide, a binder precursor containing a metal element, a solvent, and, if necessary, the other materials described above. After coating on the
負極活物質層形成液の調製に用いられる、結着物質前駆体は、金属元素を含む前駆体であり、金属元素の塩化物、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩、過塩素酸塩、リン酸塩、臭素酸塩等の金属塩や、これらの金属塩の水和物等を挙げることができる。中でも、塩化物、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩は汎用品としての入手が容易であるほか、これらの結着物質前駆体を溶媒に溶解させ、負極活物質層形成液を負極集電体55上に塗工して塗膜を形成し、加熱すると、塩素イオン、炭酸イオン、硝酸イオン、酢酸イオンを容易に塗膜中から消失させることができることから、これらを特に好適に用いることができる。
The binder precursor used for the preparation of the negative electrode active material layer forming liquid is a precursor containing a metal element, such as a chloride, carbonate, nitrate, acetate, perchlorate, phosphate of a metal element. , Metal salts such as bromate, and hydrates of these metal salts. Among them, chlorides, carbonates, nitrates, and acetates are easily available as general-purpose products, and these binder substance precursors are dissolved in a solvent, and the negative electrode active material layer forming liquid is placed on the negative electrode
これらの結着物質前駆体の具体的な例としては、例えば、金属元素が銅である場合には、塩化銅、炭酸銅(II)、硝酸銅、酢酸銅、酢酸銅(II)一水和物等を挙げることができ、金属元素がニッケルである場合には、塩化ニッケル、炭酸ニッケル、硝酸ニッケル、酢酸ニッケル、硝酸ニッケル(II)六水和物、酢酸ニッケル(II)四水和物等を挙げることができ、金属元素がリチウムである場合には、塩化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、酢酸リチウム三水和物等を挙げることができる。 Specific examples of these binder precursors include, for example, when the metal element is copper, copper chloride, copper (II) carbonate, copper nitrate, copper acetate, copper acetate (II) monohydrate. When the metal element is nickel, nickel chloride, nickel carbonate, nickel nitrate, nickel acetate, nickel (II) nitrate hexahydrate, nickel acetate (II) tetrahydrate, etc. When the metal element is lithium, lithium chloride, lithium carbonate, lithium nitrate, lithium acetate, lithium acetate trihydrate, and the like can be given.
上記結着物質前駆体を溶解させるための溶媒は、該前駆体を溶解することができるものであればよく、上記の樹脂製の結着物質の製造方法で説明した溶媒と同様のものを用いることができる。 The solvent for dissolving the binder precursor is not particularly limited as long as it can dissolve the precursor, and the same solvent as described in the method for producing the resin binder is used. be able to.
上述する負極活物質層形成液において、溶媒に対し、添加される1種または2種以上の結着物質前駆体の添加量の合計の比率は、0.01〜20mol/L、特に0.1〜10mol/Lが好ましい。上記濃度を0.01mol/L以上とすることにより、負極集電体55と該集電体55表面で生成される負極活物質層54とを良好に密着させることができ、リチウムチタン複合酸化物の集電体への固着が充分に図られる。また、上記濃度を、20mol/L以下とすることにより、上記負極活物質層形成液を負極集電体55表面へ良好に塗布できる程度の良好な粘度を維持することができ、均一な塗膜を形成することができる。
In the negative electrode active material layer forming liquid described above, the total ratio of one or more binder materials added to the solvent is 0.01 to 20 mol / L, particularly 0.1. 10 mol / L is preferable. By setting the concentration to 0.01 mol / L or more, the negative electrode
結着物質前駆体を含む負極活物質層形成液を負極集電体55上に塗工する方法について特に限定はなく、上記の樹脂製の結着物質を含む負極活物質層形成液と同様の塗工方法を適宜選択して用いることができる。塗工量の厚みについても同様である。
The method for coating the negative electrode active material layer forming liquid containing the binder precursor on the negative electrode
負極活物質層形成液中に含まれる結着物質前駆体を加熱することで、リチウムチタン複合酸化物と、結着物質前駆体の金属が化学反応により酸化されてなる金属酸化物が含まれる塗膜が形成される。形成された塗膜は、リチウムチタン複合酸化物の表面を覆うような状態で金属酸化物が形成され、この金属酸化物によって、リチウムチタン複合酸化物と負極集電体55、およびリチウムチタン複合酸化物同士が固着され、負極板50が製造される
By heating the binder precursor contained in the negative electrode active material layer forming liquid, a coating containing a lithium titanium composite oxide and a metal oxide formed by oxidizing the binder precursor metal by a chemical reaction is included. A film is formed. In the formed coating film, a metal oxide is formed so as to cover the surface of the lithium titanium composite oxide, and the lithium oxide composite oxide, the negative electrode
また、負極活物質層形成液の乾燥についても上記で説明した樹脂製の結着物質を用いた負極板の製造方法と同様の方法を用いることができる。加熱温度は、結着物質前駆体に含まれる金属を酸化させることができる温度以上であればよく、結着物質前駆体に含まれる金属の種類によって異なるが、通常120℃〜800℃の温度範囲である。 In addition, for the drying of the negative electrode active material layer forming liquid, the same method as the method for manufacturing a negative electrode plate using the resin binder described above can be used. The heating temperature only needs to be equal to or higher than the temperature at which the metal contained in the binder precursor can be oxidized, and varies depending on the type of metal contained in the binder precursor, but usually ranges from 120 ° C to 800 ° C. It is.
(ii)結着物質として金属を用いた負極板
上記の如く、結着物質としての金属酸化物に還元処理を施すことで、金属酸化物を金属に還元し、この還元された金属によって、負極集電体55とリチウムチタン複合酸化物、及びリチウムチタン複合酸化物同士を固着させた負極板50を製造することができる。
(Ii) Negative electrode plate using a metal as a binding material As described above, the metal oxide as a binding material is subjected to a reduction treatment to reduce the metal oxide to a metal. The
還元処理方法としては、水素プラズマ雰囲気下で還元処理を行う還元処理方法や、水素、一酸化炭素等、もしくは水素、一酸化炭素を窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスで希釈した還元ガスを用い、該還元ガス雰囲気下で還元を行う還元処理方法を好適に用いることができる。還元ガスは1種の還元ガスを単独で使用してもよく、2種以上のガスを混合して用いることとしてもよい。 As a reduction treatment method, a reduction treatment method in which a reduction treatment is performed in a hydrogen plasma atmosphere, a reduction gas obtained by diluting hydrogen, carbon monoxide, or the like with hydrogen, carbon monoxide, or an inert gas such as nitrogen, helium, argon, or the like. And a reduction treatment method in which reduction is performed in the reducing gas atmosphere can be suitably used. As the reducing gas, one kind of reducing gas may be used alone, or two or more kinds of gases may be mixed and used.
また、還元処理を経ることで形成された負極板50は、負極活物質層54中に酸化物が含まれておらず、初期充電時に還元反応が生ずることもない。これにより、初期充電時における還元反応により、充電反応が妨げられ初期充放電効率が低下することを防止することができる。
Further, the
<<セパレータ>>
本発明のリチウムイオン二次電池100を構成するセパレータについて特に限定はなく、リチウムイオン二次電池の分野で従来公知のセパレータを適宜選択して用いることができる。このようなセパレータとしては、例えば、ポリエチレン製多孔質フィルム等を挙げることができる。
<< Separator >>
There is no limitation in particular about the separator which comprises the lithium ion
(非水電解液)
本発明のリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液90は、一般的に、リチウムイオン二次電池用の非水電解液として用いられるものであれば、特に限定されないが、リチウム塩を有機溶媒に溶解させた非水電解液が好ましく用いられる。
(Non-aqueous electrolyte)
The
上記リチウム塩の例としては、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCl、及びLiBr等の無機リチウム塩;LiB(C6H5)4、LiN(SO2CF3)2、LiC(SO2CF3)3、LiOSO2CF3、LiOSO2C2F5、LiOSO2C4F9、LiOSO2C5F11、LiOSO2C6F13、及びLiOSO2C7F15等の有機リチウム塩;等が代表的に挙げられる。 Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiCl, and LiBr; LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiC ( Organic compounds such as SO 2 CF 3 ) 3 , LiOSO 2 CF 3 , LiOSO 2 C 2 F 5 , LiOSO 2 C 4 F 9 , LiOSO 2 C 5 F 11 , LiOSO 2 C 6 F 13 , and LiOSO 2 C 7 F 15 Typical examples include lithium salts.
リチウム塩の溶解に用いられる有機溶媒としては、環状エステル類、鎖状エステル類、環状エーテル類、及び鎖状エーテル類等が挙げられる。 Examples of the organic solvent used for dissolving the lithium salt include cyclic esters, chain esters, cyclic ethers, and chain ethers.
上記正極板10、負極板50、セパレータ70、非水電解液90を用いて製造されるリチウムイオン電池100の構造としては、従来公知の構造を適宜選択して用いることができる。例えば、上記の正極板10及び負極板50を、セパレータ70を介して渦巻状に巻き回して、電池容器内に収納する構造が挙げられる。また別の態様としては、所定の形状に切り出した正極板10及び負極板50をセパレータ70を介して積層して固定し、これを電池容器内に収納する構造を採用してもよい。いずれの構造においても、正極板10及び負極板50を電池容器内に収納後、正極板に取り付けられたリード線を外装容器に設けられた正極端子に接続し、一方、負極板に取り付けられたリード線を外装容器内に設けられた負極端子に接続し、さらに電池容器内に非水電解液を充填した後、密閉することによってリチウムイオン二次電池が製造される。
As a structure of the
(電池パック)
次に、図5を用いて本発明のリチウムイオン二次電池100を用いて構成される電池パック200について説明する。なお、図5は、本発明の電池パック200の一例を示す概略分解図である。
(Battery pack)
Next, a
図5に示すように電池パック200は、リチウムイオン二次電池100が樹脂容器36a、樹脂容器36b、および端部ケース37に収納されて構成される。また、リチウムイオン二次電池の一端面であって、正極端子32および負極端子33を備える面と、端部ケース37との間には、過充電や過放電を防止するための保護回路基板34が設けられている。
As shown in FIG. 5, the
保護回路基板34は、外部接続コネクタ35を備えており、外部接続コネクタ35は、樹脂容器36aに設けられた外部接続用窓38a、および、端部ケース37に設けられた外部接続用窓38bに挿入され外部端子と接続される。また、保護回路基板34には、図示しない、充放電を制御するための充放電安全回路、外部接続端子とリチウムイオン二次電池100とを導通させるための配線回路などが搭載されている。
The
電池パック200は、本発明のリチウムイオン二次電池100を用いること以外は、従来公知の電池パックの構成を適宜選択することができる。図示しないが、電池パック200は、非水電解液二次電地100と端部ケース37との間に、正極端子32と接続する正極リード板、負極端子33と接続する負極リード板、絶縁体などを適宜備えていてもよい。
The
なお、本発明のリチウムイオン二次電池100は、電池パックへの使用態様以外に、上記保護回路に、さらに過大電流の遮断、電池温度モニター等の機能を備え、且つ、該保護回路をリチウムイオン二次電池に一体化させて取り付けられる態様に用いられてもよい。かかる態様では、電池パックを構成することなく、保護機能および保護回路を備える二次電池として使用することができ、汎用性が高い。なお、上記で説明したいくつかの態様は、例示に過ぎず、あるいは本発明のリチウムイオン二次電池100の使用を何ら限定するものではない。
Note that the lithium ion
次に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明する。以下、特に断りのない限り、部または%は質量基準である。 Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. Hereinafter, unless otherwise specified, parts or% is based on mass.
(実施例1)
<正極板1の作製>
Li(CH3COO)・2H2O:10g、Mn(CH3COO)2・4H2O:24gを、メタノール:35gに加えて混合し、金属酸化物を生成する原料液とした。次いで、上記原料液にポリエチレングリコール200:10g、正極活物質粒子としてマンガン酸リチウム(LiMn2O4)粒子:40g、導電材としてグラファイトHS−100:5g、炭素繊維(昭和電工株式会社製、VGCF):0.5gを加え、エクセルオートホモジナイザー(株式会社日本精機製作所)で7000rpmの回転数で15分間混練することによって正極活物質層形成液1を調製した。
Example 1
<Preparation of
Li (CH 3 COO) · 2H 2 O: 10 g and Mn (CH 3 COO) 2 · 4H 2 O: 24 g were added to methanol: 35 g and mixed to obtain a raw material liquid for producing a metal oxide. Next, polyethylene glycol 200: 10 g in the above raw material liquid, lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) particles: 40 g as positive electrode active material particles, graphite HS-100: 5 g as a conductive material, carbon fiber (manufactured by Showa Denko KK, VGCF) ): 0.5 g was added, and the positive electrode active material
次いで、正極集電体として厚さ15μmのアルミ板を準備し、上記で調製した正極活物質層形成液1を、乾燥後の塗工量が110g/m2となる量で、当該正極集電体の一面側にアプリケーターで塗布して正極活物質層形成用塗膜を形成した。次いで、ロールプレス機(株式会社サンクメタル社製:メカ式1ton)を用いて、加圧力:0.1ton/cm、プレス速度10mm/秒の条件で、上記塗膜をプレスした。その後、表面に正極活物質層形成用塗膜が形成された集電体を、常温の電気炉(マッフル炉、デンケン社製、P90)内に設置し、室温から3時間かけて500℃まで徐々に加熱し、正極集電体上に正極活物質層が積層された正極板1を得た。
Next, an aluminum plate having a thickness of 15 μm was prepared as a positive electrode current collector, and the positive electrode active material
<負極板1の作製>
負極活物質として、スピネル型チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)粉末を用意し、この負極活物質:90質量%、導電材としてグラファイトHS−100:5質量%、ポリフッ化ビニリデン(PVdF樹脂):5質量%の割合で配合し、これにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を固形分比率が62%となるように添加した。これをエクセルオートホモジナイザーでNMPを加えながら固形分比率を徐々に低下させた。このスラリーを更に、直径が1mmのジルコニア製ボールをメディアとしてビーズミルで混合し負極活物質層形成液1を得た。
<Preparation of
Spinel type lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) powder is prepared as a negative electrode active material, the negative electrode active material: 90% by mass, graphite HS-100: 5% by mass as a conductive material, polyvinylidene fluoride (PVdF resin) ): 5% by mass, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added thereto so that the solid content ratio was 62%. The solid content ratio was gradually reduced while NMP was added thereto using an Excel auto homogenizer. This slurry was further mixed with a bead mill using a zirconia ball having a diameter of 1 mm as a medium to obtain a negative electrode active material
次いで、厚さ15μmのアルミ箔からなる負極集電体の片面に負極活物質層形成液1を乾燥後の塗工量が66g/m2となる量でアプリケーターで塗布し、乾燥した後、100℃に加熱したロールでロールプレスすることにより負極板1を得た。
Next, the negative electrode active material
<非水電解液の作製>
γ−ブチルラクトン(GBL)にエチレンカーボネート(EC)を体積比で20%混合した有機溶媒に、電解質としてLiBF4を1mol/Lの濃度で溶解させ、非水電解液を得た。
<Preparation of non-aqueous electrolyte>
LiBF 4 as an electrolyte was dissolved at a concentration of 1 mol / L in an organic solvent obtained by mixing 20% by volume of ethylene carbonate (EC) with γ-butyllactone (GBL) to obtain a nonaqueous electrolytic solution.
<コインセルの作製>
上記の方法により作製された正極板と負極板をそれぞれφ15mmに裁断し、セパレータを挟むようにしてコインセル内に設置し、上記の方法で作製された非水電解液を注入し、これを実施例1の試験セルとした。
<Production of coin cell>
The positive electrode plate and the negative electrode plate produced by the above method are each cut to φ15 mm, placed in a coin cell so as to sandwich the separator, and the non-aqueous electrolyte produced by the above method is injected. A test cell was obtained.
(実施例2)
負極板1にかえて、以下の方法で作製された負極板2を形成した以外は実施例1と全て同様にして実施例2の試験セルを得た。
(Example 2)
A test cell of Example 2 was obtained in the same manner as Example 1 except that instead of the
(負極板2の作製)
Li(CH3COO)・2H2O:5gに純水:5gを加えたものと、チタンキレート剤(Ti(O−i−C3H7)2(C6H14O3N)2):20gを混合し、これらをメタノール:35gに加えて混合し、さらに、ポリエチレングリコール200:10g、負極活物質として、スピネル型のリチウムチタン複合酸化物(Li4Ti5O12)粉末:40g、導電材としてグラファイトHS−100:5g、炭素繊維(昭和電工株式会社製、VGCF):0.5gを加え、エクセルオートホモジナイザー(株式会社日本精機製作所)で7000rpmの回転数で15分間混練することによって負極活物質層形成液2を調製した。
(Preparation of negative electrode plate 2)
Li (CH 3 COO) · 2H 2 O: 5 g of pure water: 5 g and titanium chelating agent (Ti (Oi-C 3 H 7 ) 2 (C 6 H 14 O 3 N) 2 ) : 20 g is mixed, and these are added to methanol: 35 g and mixed. Further, polyethylene glycol 200: 10 g, spinel-type lithium titanium composite oxide (Li 4 Ti 5 O 12 ) powder as a negative electrode active material: 40 g, By adding graphite HS-100: 5 g as conductive material and carbon fiber (manufactured by Showa Denko KK, VGCF): 0.5 g, and kneading with an Excel auto homogenizer (Nihon Seiki Seisakusho Co., Ltd.) at a rotational speed of 7000 rpm for 15 minutes. A negative electrode active material
次いで、負極集電体として厚さ15μmのアルミ板を準備し、上記で調製した負極活物質層形成液2を、乾燥後の塗工量が62g/m2となる量で、当該正極集電体の一面側にアプリケーターで塗布して負極活物質層形成用塗膜を形成した。次いで、ロールプレス機(株式会社サンクメタル社製:メカ式1ton)を用いて、加圧力:0.1ton/cm、プレス速度10mm/秒の条件で、上記塗膜をプレスした。その後、表面に負極活物質層形成用塗膜が形成された負極集電体を、常温の電気炉(マッフル炉、デンケン社製、P90)内に設置し、室温から3時間かけて500℃まで徐々に加熱し、負極集電体上に負極活物質層が積層された負極板2を得た。
Next, an aluminum plate having a thickness of 15 μm was prepared as a negative electrode current collector, and the negative electrode active material
(実施例3)
実施例1の正極板1にかえて、以下の方法で作製された正極板2を用いた以外は、全て実施例1と同様にして、実施例3の試験セルを得た。
(Example 3)
A test cell of Example 3 was obtained in the same manner as Example 1 except that the
<正極板2の作製>
Li(CH3COO)・2H2O:10g、Mn(CH3COO)2・4H2O:24gを、メタノール:35gに加えて混合し、金属酸化物を生成する原料液とした。次いで、上記原料液にポリエチレングリコール200:10g、正極活物質粒子としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)粒子:40g、導電材としてグラファイトHS−100:5g、炭素繊維(昭和電工株式会社製、VGCF):0.5gを加え、エクセルオートホモジナイザー(株式会社日本精機製作所)で7000rpmの回転数で15分間混練することによって正極活物質層形成液2を調製した。
<Preparation of
Li (CH 3 COO) · 2H 2 O: 10 g and Mn (CH 3 COO) 2 · 4H 2 O: 24 g were added to methanol: 35 g and mixed to obtain a raw material liquid for producing a metal oxide. Next, polyethylene glycol 200: 10 g in the above raw material liquid, lithium cobaltate (LiCoO 2 ) particles: 40 g as positive electrode active material particles, graphite HS-100: 5 g as a conductive material, carbon fiber (Showa Denko KK, VGCF): 0.5 g was added, and the positive electrode active material
次いで、正極集電体として厚さ15μmのアルミ板を準備し、上記で調製した正極活物質層形成液2を、乾燥後の塗工量が76g/m2となる量で、当該正極集電体の一面側にアプリケーターで塗布して正極活物質層形成用塗膜を形成した。次いで、ロールプレス機(株式会社サンクメタル社製:メカ式1ton)を用いて、加圧力:0.1ton/cm、プレス速度10mm/秒の条件で、上記塗膜をプレスした。その後、表面に正極活物質層形成用塗膜が形成された集電体を、常温の電気炉(マッフル炉、デンケン社製、P90)内に設置し、室温から3時間かけて500℃まで徐々に加熱し、正極集電体上に正極活物質層が積層された正極板2を得た。
Next, an aluminum plate having a thickness of 15 μm was prepared as a positive electrode current collector, and the positive electrode active material
(実施例4)
実施例1の正極板1にかえて、以下の方法で作製された正極板3を用いた以外は、全て実施例1と同様にして、実施例4の試験セルを得た。
Example 4
A test cell of Example 4 was obtained in the same manner as Example 1 except that instead of the
<正極板3の作製>
Li(CH3COO)・2H2O:10g、Co(No3)2・6H2O:29gを、メタノール:35gに加えて混合し、金属酸化物を生成する原料液とした。次いで、上記原料液にポリエチレングリコール200:10g、正極活物質粒子としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)粒子:40g、導電材としてグラファイトHS−100:5g、炭素繊維(昭和電工株式会社製、VGCF):0.5gを加え、エクセルオートホモジナイザー(株式会社日本精機製作所)で7000rpmの回転数で15分間混練することによって正極活物質層形成液3を調製した。
<Preparation of
Li (CH 3 COO) · 2H 2 O: 10 g and Co (No 3 ) 2 · 6H 2 O: 29 g were added to methanol: 35 g and mixed to obtain a raw material liquid for producing a metal oxide. Next, polyethylene glycol 200: 10 g in the above raw material liquid, lithium cobaltate (LiCoO 2 ) particles: 40 g as positive electrode active material particles, graphite HS-100: 5 g as a conductive material, carbon fiber (Showa Denko KK, VGCF): 0.5 g was added, and the positive electrode active material
次いで、正極集電体として厚さ15μmのアルミ板を準備し、上記で調製した正極活物質層形成液3を、乾燥後の塗工量が76g/m2となる量で、当該正極集電体の一面側にアプリケーターで塗布して正極活物質層形成用塗膜を形成した。次いで、ロールプレス機(株式会社サンクメタル社製:メカ式1ton)を用いて、加圧力:0.1ton/cm、プレス速度10mm/秒の条件で、上記塗膜をプレスした。その後、表面に正極活物質層形成用塗膜が形成された集電体を、常温の電気炉(マッフル炉、デンケン社製、P90)内に設置し、室温から3時間かけて500℃まで徐々に加熱し、正極集電体上に正極活物質層が積層された正極板3を得た。
Next, an aluminum plate having a thickness of 15 μm was prepared as a positive electrode current collector, and the positive electrode active material
(実施例5)
実施例1の正極板1にかえて、以下の方法で作製された正極板4を用いた以外は、全て実施例1と同様にして、実施例5の試験セルを得た。
(Example 5)
A test cell of Example 5 was obtained in the same manner as Example 1 except that the positive electrode plate 4 produced by the following method was used instead of the
<正極板4の作製>
樹脂材料としてPVdF樹脂を用い、PVdFの濃度が0.1%となるようNMP溶媒に混合させて調製した樹脂混合液の満たされた浸漬槽に上記の正極板1を浸漬させ、正極活物質層の空隙に上記樹脂混合液を充分に浸透させた。その後、正極板1を上記浸漬層から取りだし、150℃に加温したオーブン内に設置して15分間乾燥させて、樹脂混合液の溶媒を除去した。これによって、正極活物質層中に、樹脂製の結着物質が残留する正極板4を得た。
<Preparation of positive electrode plate 4>
The
(実施例6)
実施例1の正極板1にかえて、以下の方法で作製された正極板5を用いた以外は、全て実施例1と同様にして、実施例6の試験セルを得た。
(Example 6)
A test cell of Example 6 was obtained in the same manner as Example 1 except that the
<正極板5の作製>
樹脂材料としてPVdF樹脂を用い、PVdFの濃度が5%となるようNMP溶媒に混合させて調製した樹脂混合液の満たされた浸漬槽に上記の正極板1を浸漬させ、正極活物質層の空隙に上記樹脂混合液を充分に浸透させた。その後、正極板1を上記浸漬層から取りだし、150℃に加温したオーブン内に設置して15分間乾燥させて、樹脂混合液の溶媒を除去した。これによって、正極活物質層中に、樹脂製の結着物質が残留する正極板5を得た。
<Preparation of
The
(比較例1)
実施例1の正極板1、負極板1を下記の方法で作製された正極板6、負極板3に変更した以外は実施例1と全て同様にして比較例1の試験セルを得た。
(Comparative Example 1)
A test cell of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as Example 1 except that the
<正極板6の作製>
正極活物質として、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)粉末を用意し、この正極活物質:90質量%、導電材としてグラファイトHS−100:5質量%、ポリフッ化ビニリデン(PVdF樹脂):5質量%の割合で配合し、これにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を固形分比率が62%となるように添加した。これをエクセルオートホモジナイザーでNMPを加えながら固形分比率を徐々に低下させた。このスラリーを更に、直径が1mmのジルコニア製ボールをメディアとしてビーズミルで混合し正極活物質層形成液4を得た。
<Preparation of positive electrode plate 6>
Lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) powder is prepared as a positive electrode active material, this positive electrode active material: 90% by mass, graphite HS-100: 5% by mass as a conductive material, polyvinylidene fluoride (PVdF resin): 5% % N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added thereto so that the solid content ratio was 62%. The solid content ratio was gradually reduced while NMP was added thereto using an Excel auto homogenizer. This slurry was further mixed by a bead mill using a zirconia ball having a diameter of 1 mm as a medium to obtain a positive electrode active material layer forming liquid 4.
次いで、厚さ15μmのアルミ箔からなる正極集電体の片面に正極活物質層形成液4を乾燥後の塗工量が117g/m2となる量でアプリケーターで塗布し、乾燥した後、100℃に加熱したロールでロールプレスすることにより正極板6を得た。 Next, the positive electrode active material layer forming liquid 4 was applied to one side of a positive electrode current collector made of aluminum foil having a thickness of 15 μm with an applicator in an amount such that the coating amount after drying was 117 g / m 2, and dried. The positive electrode plate 6 was obtained by roll pressing with a roll heated to ° C.
<負極板3の作製>
負極活物質としてグラファイトを用い、負極集電体として厚さ10μmの銅箔を用い、乾燥後の塗工量を32g/m2となる量にした以外は、負極板1と全て同様にして負極板3を得た。
<Preparation of
The negative electrode is the same as the
(電池特性評価)
充電試験:
実施例1〜実施例6、比較例1の試験セルを、25℃の環境下で、電圧が2.8V(充電終止電圧)に達するまで定電流で定電流充電し、当該電圧が2.8Vに達した後は、電圧が2.8Vを上回らないように、当該電流(放電レート:1C)が5%以下となるまで減らしていき、定電圧で充電を行ない、満充電させた後、10分間休止させた。なお、ここで、上記「1C」とは、実施例1〜実施例6の試験セルを用いて定電流放電して、1時間で放電終了となる電流値(放電終止電圧に達する電流値)のことを意味する。
(Battery characteristics evaluation)
Charging test:
The test cells of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 were charged with a constant current at a constant current until the voltage reached 2.8 V (end-of-charge voltage) in an environment of 25 ° C., and the voltage was 2.8 V. In order to prevent the voltage from exceeding 2.8 V, the current (discharge rate: 1 C) is reduced until it becomes 5% or less, and charging is performed at a constant voltage, and after full charging, 10 Paused for a minute. Here, “1C” means a current value (current value that reaches the discharge end voltage) at which constant current discharge is performed using the test cells of Examples 1 to 6 and discharge ends in 1 hour. Means that.
放電試験:
その後、満充電された各実施例の試験セルを、25℃の環境下で、電圧が2.8V(満充電電圧)から1.1V(放電終止電圧)になるまで、定電流(放電レート:1C)で定電流放電し、縦軸にセル電圧(V)、横軸に放電時間(h)をとり、放電曲線を作成し、作用極(実施例1〜実施例6の正極板)の放電容量(mAh)を求め、当該作用極の単位活物質質量当たりの放電容量(mAh/g)に換算した。
Discharge test:
Thereafter, the fully charged test cell of each example was subjected to a constant current (discharge rate :) until the voltage changed from 2.8 V (full charge voltage) to 1.1 V (discharge end voltage) in an environment of 25 ° C. 1C), constant current discharge, cell voltage (V) on the vertical axis, discharge time (h) on the horizontal axis, a discharge curve is created, and discharge of the working electrode (positive electrode plate of Examples 1 to 6) The capacity (mAh) was determined and converted to a discharge capacity (mAh / g) per unit active material mass of the working electrode.
なお、比較例1の試験セルにおいては、上記の充電終止電圧を4.2V、放電終止電圧を2.5Vに設定して放電試験、充電試験を行った。 In the test cell of Comparative Example 1, a discharge test and a charge test were performed with the charge end voltage set to 4.2 V and the discharge end voltage set to 2.5 V.
続いて、各実施例の試験セルについて定電流(放電レート:1C、放電終了時間:1時間)での定電流放電試験を行い、1Cレートにおける作用極の放電容量を求め、単位活物質質量当たりの放電容量(mAh/g)に換算した。次いで、1Cレートにおける定電流放電試験を基準として、5倍の定電流(放電レート5C、放電終了時間:12分)、10倍の定電流(放電レート10C、放電終了時間:6分)、40倍の定電流(放電レート40C、放電終了時間:90秒)の定電流放電試験を行い、各放電レートにおける作用極の放電容量(mAh)を求め、単位活物質質量当たりの放電容量(mAh/g)に換算した。 Subsequently, the test cell of each example was subjected to a constant current discharge test at a constant current (discharge rate: 1C, discharge end time: 1 hour), and the discharge capacity of the working electrode at the 1C rate was determined. Was converted to a discharge capacity (mAh / g). Next, based on the constant current discharge test at 1C rate, 5 times constant current (discharge rate 5C, discharge end time: 12 minutes), 10 times constant current (discharge rate 10C, discharge end time: 6 minutes), 40 A constant current discharge test at a double constant current (discharge rate 40C, discharge end time: 90 seconds) was performed to determine the discharge capacity (mAh) of the working electrode at each discharge rate, and the discharge capacity per unit active material mass (mAh / Converted to g).
<放電容量維持率(%)の算出>
実施例及び比較例の試験セルの放電レート特性を評価するため、上述のとおり得られた各放電レートにおける単位活物質質量当たりの各放電容量(mAh/g)を用い、以下に示す式1により放電容量維持率(%)を求めた。上記放電試験により得られた単位質量当たりの放電容量(mAh/g)及び放電容量維持率(%)を表1に示す。
<Calculation of discharge capacity maintenance rate (%)>
In order to evaluate the discharge rate characteristics of the test cells of Examples and Comparative Examples, each discharge capacity (mAh / g) per unit active material mass at each discharge rate obtained as described above was used. The discharge capacity retention rate (%) was determined. Table 1 shows the discharge capacity (mAh / g) and discharge capacity retention rate (%) per unit mass obtained by the above discharge test.
上記の表からも分かるように、本発明の実施例1〜実施例6のリチウムイオン二次電池は、何れも正極板においては、正極活物質粒子が金属酸化物で固着された態様をとり、また、負極板においては、負極活物質層中にリチウムチタン複合酸化物が含有されていることから、優れた放電容量維持率が得られた。一方、正極板、負極板双方とも、本発明の範囲外である比較例1は、実施例と比較して放電容量維持率が低い。このことより、本発明のリチウムイオン二次電池によれば、充放電の高速化の要請を十分に満たすことができる。 As can be seen from the above table, each of the lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 6 of the present invention takes an aspect in which the positive electrode active material particles are fixed with a metal oxide in the positive electrode plate, Moreover, in the negative electrode plate, since the lithium-titanium composite oxide was contained in the negative electrode active material layer, an excellent discharge capacity retention rate was obtained. On the other hand, in both the positive electrode plate and the negative electrode plate, Comparative Example 1, which is outside the scope of the present invention, has a lower discharge capacity retention rate than the Examples. From this, according to the lithium ion secondary battery of this invention, the request | requirement of the speeding-up of charging / discharging can fully be satisfy | filled.
1・・・正極集電体
2・・・正極活物質層
10・・・正極板
21・・・正極活物質粒子
22・・・結着物質
32・・・正極端子
33・・・負極端子
34・・・保護回路基板
35・・・外部接続コネクタ
36a、36b・・・樹脂容器
37・・・端部ケース
38a、38b・・・外部接続窓
50・・・負極板
54・・・負極活物質層
55・・・負極集電体
70・・・セパレータ
81、82・・・外装
90・・・非水電解液
100・・・リチウムイオン二次電池
200・・・電池パック
DESCRIPTION OF
Claims (5)
負極集電体上に負極活物質層を備える負極板と、
前記正極板と負極板との間に設けられるセパレータと、
非水溶媒を含む電解液とを少なくとも備えたリチウムイオン二次電池であって、
前記正極活物質層は、正極活物質粒子と金属酸化物とを含有しており、
前記正極集電体と前記正極活物質粒子は前記金属酸化物によって固着されており、前記正極活物質粒子同士は前記金属酸化物によって固着されており、
前記負極活物質層が、リチウムチタン複合酸化物を含有することを特徴とするリチウムイオン二次電池。 A positive electrode plate comprising a positive electrode active material layer on a positive electrode current collector;
A negative electrode plate comprising a negative electrode active material layer on a negative electrode current collector;
A separator provided between the positive electrode plate and the negative electrode plate;
A lithium ion secondary battery comprising at least an electrolyte solution containing a non-aqueous solvent,
The positive electrode active material layer contains positive electrode active material particles and a metal oxide,
The positive electrode current collector and the positive electrode active material particles are fixed by the metal oxide, and the positive electrode active material particles are fixed by the metal oxide,
The lithium ion secondary battery, wherein the negative electrode active material layer contains a lithium titanium composite oxide.
前記リチウムイオン二次電池が、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池であることを特徴とする電池パック。 A storage case, at least a lithium ion secondary battery having a positive electrode terminal and a negative electrode terminal, and a protection circuit having an overcharge and overdischarge protection function, the lithium ion secondary battery and the protection circuit being stored in the storage case In the battery pack configured as
The battery pack, wherein the lithium ion secondary battery is the lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4.
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