JP2014086179A - Positive electrode for lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】リチウムイオン二次電池の寿命を向上させる手段を提供する。
【解決手段】集電体と、前記集電体上に形成されてなる正極活物質層とを有するリチウムイオン二次電池用正極であって、前記正極活物質層は、正極活物質として、タップ密度と二次粒子の平均粒子径との比が、タップ密度(g/ml)/二次粒子の平均粒子径(μm)=0.07〜0.45であり、かつ真比重が4.19〜4.25であるマンガン酸リチウムを含む、リチウムイオン二次電池用正極。
【選択図】なしA means for improving the life of a lithium ion secondary battery is provided.
A positive electrode for a lithium ion secondary battery having a current collector and a positive electrode active material layer formed on the current collector, wherein the positive electrode active material layer is a tap as a positive electrode active material. The ratio of the density to the average particle diameter of the secondary particles is tap density (g / ml) / average particle diameter of the secondary particles (μm) = 0.07 to 0.45, and the true specific gravity is 4.19. The positive electrode for lithium ion secondary batteries containing the lithium manganate which is -4.25.
[Selection figure] None
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用正極に関する。 The present invention relates to a positive electrode for a lithium ion secondary battery.
近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの電気デバイスの開発が盛んに行われている。 In recent years, in order to cope with global warming, reduction of the amount of carbon dioxide is eagerly desired. In the automobile industry, there is a great expectation for reducing carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV). Electric devices such as secondary batteries for motor drive that hold the key to their practical application. Is being actively developed.
モータ駆動用二次電池としては、全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。リチウムイオン二次電池は、一般に、活物質等がバインダとともに集電体に塗布されてなる活物質層を有する正極および負極が、電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。 As a secondary battery for driving a motor, a lithium ion secondary battery having the highest theoretical energy among all the batteries is attracting attention, and is currently being developed rapidly. Generally, a lithium ion secondary battery has a configuration in which a positive electrode and a negative electrode having an active material layer in which an active material or the like is applied to a current collector together with a binder are connected via an electrolyte layer and stored in a battery case. doing.
上述したような自動車等のモータ駆動用電源として用いられる非水電解質二次電池には、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用非水電解質二次電池と比較して極めて高い出力特性を有することが求められている。このような要求に応えるべく、鋭意研究開発が進められているのが現状である。 The non-aqueous electrolyte secondary battery used as a motor drive power source for automobiles and the like as described above has extremely high output characteristics compared to consumer non-aqueous electrolyte secondary batteries used in mobile phones, notebook computers, etc. It is required to have. At present, research and development is underway to meet such demands.
特許文献1は、マンガン酸リチウム粒子からなる非水電解質二次電池用正極活物質を開示している。該マンガン酸リチウム粒子の平均一次粒子径は3.0〜20.0μmであり、平均二次粒子径D50は2.5〜40.0μmであり、前記平均一次粒子径と前記平均二次粒子径との比は0.5〜1.2である。このような性状を有するマンガン酸リチウム粒子を用いることにより、サイクル特性に優れた非水電解質二次電池が得られるというものである。 Patent document 1 is disclosing the positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary batteries which consists of lithium manganate particle | grains. The average primary particle size of the lithium manganate particles is 3.0 to 20.0 μm, the average secondary particle size D 50 is 2.5 to 40.0 μm, and the average primary particle size and the average secondary particle The ratio with the diameter is 0.5 to 1.2. By using lithium manganate particles having such properties, a nonaqueous electrolyte secondary battery having excellent cycle characteristics can be obtained.
しかしながら、特許文献1に記載の正極活物質は、活物質からのマンガンの溶出に伴い、二次粒子の崩壊が起き、電池の寿命が劣化するという問題があった。 However, the positive electrode active material described in Patent Document 1 has a problem in that secondary particles collapse due to elution of manganese from the active material, and the life of the battery is deteriorated.
そこで、本発明は、リチウムイオン二次電池の寿命を向上させる手段を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the means to improve the lifetime of a lithium ion secondary battery.
本発明者らは、鋭意研究を積み重ねた。その結果、正極活物質に含まれるマンガン酸リチウムのタップ密度と二次粒子の平均粒子径との比、および真密度を所定の範囲とすることにより、上記課題が解決することを見出した。 The inventors of the present invention have accumulated extensive research. As a result, it has been found that the above problem can be solved by setting the ratio of the tap density of lithium manganate contained in the positive electrode active material to the average particle diameter of the secondary particles and the true density within a predetermined range.
マンガン酸リチウムの一次粒子間の結合が強固であるため、マンガンの溶出に伴う二次粒子の崩壊を防止でき、リチウムイオン二次電池の寿命が向上する。 Since the bond between primary particles of lithium manganate is strong, the secondary particles can be prevented from collapsing due to elution of manganese, and the life of the lithium ion secondary battery is improved.
まず、リチウムイオン二次電池の好ましい実施形態として、非水電解質リチウムイオン二次電池について説明するが、以下の実施形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、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。 First, although a nonaqueous electrolyte lithium ion secondary battery will be described as a preferred embodiment of a lithium ion secondary battery, it is not limited to only the following embodiments. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.
リチウムイオン二次電池の電解質の形態で区別した場合に、特に制限はない。例えば、非水電解液をセパレータに含浸させた液体電解質型電池、ポリマー電池とも称される高分子ゲル電解質型電池および固体高分子電解質(全固体電解質)型電池のいずれにも適用されうる。高分子ゲル電解質および固体高分子電解質に関しては、これらを単独で使用することもできるし、これら高分子ゲル電解質や固体高分子電解質をセパレータに含浸させて使用することもできる。 There is no particular limitation when distinguished by the electrolyte form of the lithium ion secondary battery. For example, the present invention can be applied to any of a liquid electrolyte type battery in which a separator is impregnated with a nonaqueous electrolytic solution, a polymer gel electrolyte type battery also called a polymer battery, and a solid polymer electrolyte (all solid electrolyte) type battery. With respect to the polymer gel electrolyte and the solid polymer electrolyte, these can be used alone, or the polymer gel electrolyte or the solid polymer electrolyte can be used by impregnating the separator.
図1は、扁平型(積層型)の双極型ではない非水電解質リチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型電池」ともいう)の基本構成を模式的に表した断面概略図である。図1に示すように、本実施形態の積層型電池10aは、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、外装体である電池外装材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層13が配置された構造を有する。負極は、負極集電体12の両面に負極活物質層15が配置された構造を有する。具体的には、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、負極、電解質層および正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。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a basic configuration of a non-aqueous electrolyte lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “stacked battery”) that is not a flat (stacked) bipolar type. As shown in FIG. 1, the
なお、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、図1とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層負極集電体が位置するようにし、該最外層負極集電体の片面または両面に負極活物質層が配置されているようにしてもよい。
In addition, although the positive electrode
正極集電体11および負極集電体12は、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板25および負極集電板27がそれぞれ取り付けられ、電池外装材29の端部に挟まれるようにして電池外装材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12に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。
The positive electrode
図2は、双極型非水電解質リチウムイオン二次電池(以下、単に「双極型電池」ともいう)10bの基本構成を模式的に表した断面概略図である。図2に示す双極型電池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。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing the basic configuration of a bipolar nonaqueous electrolyte lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “bipolar battery”) 10b. The
図2に示すように、双極型電池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、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、電解質層17は、基材としてのセパレータの面方向中央部に電解質が保持されてなる構成を有する。この際、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とが電解質層17を介して向き合うように、各双極型電極23および電解質層17が交互に積層されている。すなわち、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との間に電解質層17が挟まれて配置されている。
As shown in FIG. 2, the
隣接する正極活物質層13、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。また、電解質層17からの電解液の漏れによる液絡を防止する目的で、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。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。ただし、正極側の最外層集電体11aの両面に正極活物質層13が形成されてもよい。同様に、負極側の最外層集電体11bの両面に負極活物質層15が形成されてもよい。
The adjacent positive electrode
さらに、図2に示す双極型電池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25が配置され、これが延長されて電池外装材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27が配置され、同様にこれが延長されて電池の外装であるラミネートフィルム29から導出している。
Furthermore, in the
図2に示す双極型電池10bにおいては、通常、各単電池層19の周囲にシール部31が設けられる。このシール部31は、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する目的で設けられる。かようなシール部31の設置により、長期間の信頼性および安全性が確保され、高品質の双極型電池10bが提供されうる。
In the
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必要がある。よって、発電要素21を電池外装材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。
Note that the number of stacks of the unit cell layers 19 is adjusted according to a desired voltage. Further, in the
なお、本明細書中、「集電体」と記載する場合、正極集電体、負極集電体、双極型電池用集電体のすべてを指す場合もあるし、一つのみを指す場合もある。同様に、「活物質層」と記載する場合、正極活物質層,負極活物質層の両方を指す場合もあるし、片方のみを指す場合もある。同様に、「活物質」と記載する場合、正極活物質、負極活物質の両方を指す場合もあるし、片方のみを指す場合もある。 In addition, in this specification, when describing as “current collector”, it may indicate all of the positive electrode current collector, the negative electrode current collector, and the bipolar battery current collector, or may refer to only one. is there. Similarly, when describing as "active material layer", both a positive electrode active material layer and a negative electrode active material layer may be pointed out, and only one side may be pointed out. Similarly, when describing as "active material", both a positive electrode active material and a negative electrode active material may be pointed out, and only one side may be pointed out.
特許文献1では、平均一次粒子径、平均二次粒子径、および前記平均一次粒子径と前記平均二次粒子径との比が特定の範囲にあるマンガン酸リチウム粒子からなる非水電解質二次電池用正極活物質が開示されている。しかしながら、このような性状を有するマンガン酸リチウム粒子は、一次粒子間の結合が弱く隙間があり、充放電を繰り返した際にその隙間からマンガンが溶出する。したがって、マンガン酸リチウムの一次粒子の滑落が起き、二次粒子が崩壊し、二次電池の寿命が劣化するという問題があった。 In Patent Document 1, a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising lithium manganate particles having an average primary particle diameter, an average secondary particle diameter, and a ratio of the average primary particle diameter to the average secondary particle diameter in a specific range. A positive electrode active material is disclosed. However, the lithium manganate particles having such properties have weak bonds between primary particles and gaps, and manganese is eluted from the gaps when charging and discharging are repeated. Therefore, there is a problem that the primary particles of lithium manganate slip off, the secondary particles collapse, and the life of the secondary battery deteriorates.
これに対し、本実施形態のリチウムイオン二次電池用正極は、正極活物質に含まれるマンガン酸リチウムのタップ密度(g/ml)と二次粒子の平均粒子径(μm)との比が0.07〜0.45の範囲である。また、該マンガン酸リチウムの真比重が4.19〜4.25の範囲である。このような性状を有するマンガン酸リチウムは、一次粒子間の結合が非常に強く隙間がほとんどなく、マンガンの溶出がほとんど起きないか全く起きない。よって、マンガン酸リチウムの一次粒子の滑落が抑制され、マンガン酸リチウムの二次粒子の崩壊を防止することができる。そして、かような正極を有するリチウムイオン二次電池は寿命が向上する。 On the other hand, in the positive electrode for a lithium ion secondary battery of this embodiment, the ratio between the tap density (g / ml) of lithium manganate contained in the positive electrode active material and the average particle diameter (μm) of secondary particles is 0. The range is from .07 to 0.45. The true specific gravity of the lithium manganate is in the range of 4.19 to 4.25. Lithium manganate having such properties has very strong bonds between primary particles and almost no gaps, and manganese elution hardly occurs or does not occur at all. Therefore, the primary particles of lithium manganate are prevented from slipping and the secondary particles of lithium manganate can be prevented from collapsing. And the life of a lithium ion secondary battery having such a positive electrode is improved.
以下、上記リチウムイオン二次電池に用いられる活物質層について、さらに詳細に説明する。 Hereinafter, the active material layer used for the lithium ion secondary battery will be described in more detail.
[活物質層]
正極活物質層または負極活物質層は活物質を含み、必要に応じて、導電助剤、バインダ、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などのその他の添加剤をさらに含む。
[Active material layer]
The positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer contains an active material, and if necessary, a conductive aid, a binder, an electrolyte (polymer matrix, ion conductive polymer, electrolyte, etc.), and a lithium salt for enhancing ion conductivity. And other additives.
(正極活物質)
正極活物質層は、正極活物質としてマンガン酸リチウムを含む。マンガン酸リチウムは、リチウム、マンガンおよび酸素からなる複合酸化物であり、具体的には、例えば、LiMn2O4等のスピネル構造のマンガン酸リチウム、LiMnO2およびLi2MnO3等を挙げることができる。また、正極活物質として、上記のマンガン酸リチウムだけでなく、これらの材料におけるマンガン原子の一部が、他の金属原子で置換されてなる材料を含んでいてもよい。このとき、マンガン原子を置換する原子は、リチウム、アルミニウム、マグネシウム、コバルト、クロム等から選択される元素の原子である。また、上記マンガン酸リチウムの中でも、LiMn2O4等のスピネル構造を持つものが好ましい。また、例えば、LiCoO2などのコバルト酸リチウムや、LiNiO2などのニッケル酸リチウム、LiFeO2などのリチウム鉄酸化物、LiFePO4などのリン酸鉄リチウム等をマンガン酸リチウムと組み合わせて用いてもよい。
(Positive electrode active material)
The positive electrode active material layer includes lithium manganate as the positive electrode active material. Lithium manganate is a composite oxide composed of lithium, manganese, and oxygen. Specifically, for example, lithium manganate having a spinel structure such as LiMn 2 O 4 , LiMnO 2, and Li 2 MnO 3 can be mentioned. it can. Further, as the positive electrode active material, not only the above lithium manganate, but also a material in which some of the manganese atoms in these materials are substituted with other metal atoms may be included. At this time, the atom replacing the manganese atom is an atom of an element selected from lithium, aluminum, magnesium, cobalt, chromium and the like. Among the lithium manganates, those having a spinel structure such as LiMn 2 O 4 are preferable. Further, for example, lithium cobalt oxide such as LiCoO 2 , lithium nickel oxide such as LiNiO 2 , lithium iron oxide such as LiFeO 2 , lithium iron phosphate such as LiFePO 4, and the like may be used in combination with lithium manganate. .
これらの中でも、好ましくは、コバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウム、およびリン酸鉄リチウムからなる群より選択される少なくとも1種である。これらの活物質を用いることにより、電池の寿命および安全性がより一層向上する。 Among these, Preferably, it is at least 1 sort (s) selected from the group which consists of lithium cobaltate, lithium nickelate, and lithium iron phosphate. By using these active materials, the life and safety of the battery are further improved.
上記のマンガン酸リチウム以外の正極活物質を使用する場合の使用量は正極活物質全体を100重量%として、好ましくは10〜70重量%であり、より好ましくは15〜50重量%である
前記マンガン酸リチウムのタップ密度と二次粒子の平均粒子径との比は、タップ密度(g/ml)/二次粒子の平均粒子径(μm)=0.07〜0.45である。該タップ密度と二次粒子の平均粒子径との比は、好ましくは0.08〜0.35である。
When the positive electrode active material other than lithium manganate is used, the total amount of the positive electrode active material is 100% by weight, preferably 10 to 70% by weight, more preferably 15 to 50% by weight. The ratio of the tap density of lithium acid to the average particle diameter of secondary particles is tap density (g / ml) / average particle diameter of secondary particles (μm) = 0.07 to 0.45. The ratio between the tap density and the average particle diameter of the secondary particles is preferably 0.08 to 0.35.
前記マンガン酸リチウムのタップ密度は、好ましくは1.6〜2.7g/mlであり、より好ましくは1.7〜2.6g/mlである。この範囲であれば、マンガンの溶出に伴うマンガン酸リチウムの二次粒子の崩壊をより一層防止することができる。なお、該タップ密度は、実施例に記載の方法により測定することができる。 The tap density of the lithium manganate is preferably 1.6 to 2.7 g / ml, and more preferably 1.7 to 2.6 g / ml. If it is this range, the decay | disintegration of the lithium manganate secondary particle accompanying manganese elution can be prevented further. The tap density can be measured by the method described in the examples.
前記マンガン酸リチウムの二次粒子の平均粒子径は、好ましくは6〜24μmであり、より好ましくは7〜20μmである。この範囲であれば、マンガンの溶出に伴うマンガン酸リチウムの二次粒子の崩壊をより一層防止することができる。なお、該マンガン酸リチウムの二次粒子の平均粒子径は、実施例に記載の方法により測定することができる。 The average particle diameter of the secondary particles of lithium manganate is preferably 6 to 24 μm, and more preferably 7 to 20 μm. If it is this range, the decay | disintegration of the lithium manganate secondary particle accompanying manganese elution can be prevented further. The average particle diameter of the secondary particles of lithium manganate can be measured by the method described in the examples.
また、前記マンガン酸リチウムの真密度は、4.19〜4.25である。この真密度の範囲は、金属マンガンなどの不純物をほとんど含まないか全く含まないことを意味しており、真密度がこの範囲内であることにより、上記効果を効率よく得ることができる。該真密度は、好ましくは4.20〜4.24である。なお、該真密度は、実施例に記載の方法により測定することができる。 The true density of the lithium manganate is 4.19 to 4.25. This range of true density means that impurities such as metal manganese are hardly contained or not contained at all. When the true density is within this range, the above effect can be obtained efficiently. The true density is preferably 4.20 to 4.24. The true density can be measured by the method described in the examples.
また、該マンガン酸リチウムの一次粒子の平均粒子径は、1〜5μmであることが好ましく、1.5〜4.5μmであることがより好ましい。該一次粒子の平均粒子径が1μm以上であれば、活物質の比表面積の増大に伴う充放電反応の副反応を抑制することができる。また、5μm以下であれば、活物質粒子内でのリチウム拡散の極端な遅れを引き起こすことがほとんどないか全くなく、リチウムイオン二次電池の寿命が向上する。なお、該マンガン酸リチウムの一次粒子の平均粒子径は、実施例に記載の方法により測定することができる。 Moreover, it is preferable that the average particle diameter of the primary particle of this lithium manganate is 1-5 micrometers, and it is more preferable that it is 1.5-4.5 micrometers. When the average particle diameter of the primary particles is 1 μm or more, side reactions of charge / discharge reactions accompanying an increase in the specific surface area of the active material can be suppressed. If it is 5 μm or less, there is little or no extreme delay in lithium diffusion in the active material particles, and the life of the lithium ion secondary battery is improved. In addition, the average particle diameter of the primary particles of the lithium manganate can be measured by the method described in Examples.
上記のような性状を有するマンガン酸リチウムを製造する方法としては、焼成炉などを用いて、マンガン酸リチウムを焼成する方法が好ましい。一次粒子間の結合が強くなった上記性状を有するマンガン酸リチウムを、効率よく得ることができるからである。この焼成処理の条件を制御することにより、マンガン酸リチウムの一次粒子の平均粒子径、タップ密度と二次粒子の平均粒子径との比、および真密度を所望の値とすることができる。 As a method of producing lithium manganate having the above properties, a method of firing lithium manganate using a firing furnace or the like is preferable. This is because it is possible to efficiently obtain lithium manganate having the above properties in which the bonds between the primary particles are enhanced. By controlling the conditions of this firing treatment, the average particle diameter of primary particles of lithium manganate, the ratio of the tap density to the average particle diameter of secondary particles, and the true density can be set to desired values.
前記マンガン酸リチウムの焼成処理は、2段階で行うことが好ましい。2段階の焼成処理により、上記性状を有するマンガン酸リチウムがさらに効率よく得ることができるからである。この2段階の焼成処理においては、1段階目の焼成処理の焼成温度を700〜900℃とし、かつ2段階目の焼成処理の焼成温度を、1100℃を超え1300℃未満とすることが好ましい。このような焼成温度であれば、上記のような所望の性状を有するマンガン酸リチウムが効率よく得られる。 The firing treatment of the lithium manganate is preferably performed in two stages. This is because lithium manganate having the above properties can be obtained more efficiently by the two-stage baking treatment. In the two-stage baking process, it is preferable that the baking temperature of the first-stage baking process is 700 to 900 ° C., and the baking temperature of the second-stage baking process is more than 1100 ° C. and less than 1300 ° C. If it is such a calcination temperature, the lithium manganate which has the above desired properties will be obtained efficiently.
焼成時間は特に制限されないが、1段階目の焼成時間は4〜10時間であることが好ましく、2段階目の焼成時間は4〜8時間であることが好ましい。 The firing time is not particularly limited, but the first stage firing time is preferably 4 to 10 hours, and the second stage firing time is preferably 4 to 8 hours.
(負極活物質)
負極活物質層は、負極活物質を含む。負極活物質としては、例えば、グラファイト(黒鉛)、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、リチウムチタン複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物、金属材料、リチウム合金系負極材料などが挙げられる。
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material. Examples of the negative electrode active material include carbon materials such as graphite (graphite), soft carbon, and hard carbon, lithium transition metal composite oxides such as lithium titanium composite oxide, metal materials, and lithium alloy negative electrode materials.
負極活物質層に含まれる負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1〜100μm、より好ましくは1〜20μmである。 The average particle diameter of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably 1 to 100 μm, more preferably 1 to 20 μm from the viewpoint of increasing the output.
なお、上記の負極活物質の「粒子径」とは、粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離Lを意味する。負極活物質の「平均粒子径」の値としては、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。 The “particle diameter” of the negative electrode active material means the maximum distance L among the distances between any two points on the particle outline. As the value of the “average particle size” of the negative electrode active material, the particle size of particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The value calculated as the average value of is assumed to be adopted.
正極活物質層および負極活物質層は、バインダを含みうる。 The positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer can include a binder.
活物質層に用いられるバインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、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、エチレン・プロピレンゴム、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、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)、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、ポリフッ化ビニリデン、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。これらの好適なバインダは、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位、負極電位双方に安定であり活物質層に使用が可能となる。これらのバインダは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。 Although it does not specifically limit as a binder used for an active material layer, For example, the following materials are mentioned. Polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene-butadiene rubber (SBR), isoprene Rubber, butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, ethylene / propylene / diene copolymer, styrene / butadiene / styrene block copolymer and its hydrogenated product, styrene / isoprene / styrene block copolymer and its hydrogenated product, etc. Thermoplastic polymer, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), Tet Fluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyfluorinated Fluorine resin such as vinyl (PVF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-HFP-TFE-based fluorine) Rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-based fluoro rubber (VDF-PFP-based fluoro rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluoro rubber (VDF-PFP-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluorine rubber (VDF-PFMVE-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene fluorine rubber (VDF) Vinylidene fluoride fluororubbers such as (-CTFE fluororubber) and epoxy resins. Among these, polyvinylidene fluoride, polyimide, styrene / butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, and polyamide are more preferable. These suitable binders are excellent in heat resistance, have a very wide potential window, are stable at both the positive electrode potential and the negative electrode potential, and can be used for the active material layer. These binders may be used independently and may use 2 or more types together.
活物質層に含まれうるその他の添加剤としては、例えば、導電助剤、電解質、イオン伝導性ポリマー等が挙げられる。 Examples of other additives that can be included in the active material layer include a conductive additive, an electrolyte, and an ion conductive polymer.
導電助剤とは、正極活物質層または負極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、グラファイト、炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、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 refers to an additive that is blended in order to improve the conductivity of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer. Examples of the conductive auxiliary agent include carbon materials such as carbon black such as acetylene black, graphite, and carbon fiber. When the active material layer contains a conductive additive, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of the output characteristics of the battery.
電解質塩(リチウム塩)としては、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。 Examples of the electrolyte salt (lithium salt) include Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like.
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。 Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers.
正極活物質層および負極活物質層中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水溶媒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。各活物質層の厚さについても特に制限はなく、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、各活物質層の厚さは、2〜100μm程度である。 The compounding ratio of the components contained in the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is not particularly limited. The mixing ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about the non-aqueous solvent secondary battery. The thickness of each active material layer is not particularly limited, and conventionally known knowledge about the battery can be appropriately referred to. For example, the thickness of each active material layer is about 2 to 100 μm.
以上説明したリチウムイオン二次電池は、以下の効果を有する。 The lithium ion secondary battery described above has the following effects.
上記のリチウムイオン二次電池は、正極活物質としてタップ密度と二次粒子の平均粒子径との比、および真密度が特定の範囲にあるマンガン酸リチウムを含む。かような性状を有するマンガン酸リチウムは、一次粒子間の結合が非常に強く隙間がほとんどなく、マンガンの溶出がほとんど起きないか全く起きない。よって、マンガン酸リチウムの一次粒子の滑落が抑制され、マンガン酸リチウムの二次粒子の崩壊を防止することができ、上記リチウムイオン二次電池の寿命が向上する。 The lithium ion secondary battery includes lithium manganate having a ratio of a tap density to an average particle diameter of secondary particles and a true density in a specific range as a positive electrode active material. Lithium manganate having such properties has very strong bonds between primary particles and almost no gaps, and manganese elution hardly occurs or does not occur at all. Thus, the primary particles of lithium manganate are prevented from slipping, the secondary particles of lithium manganate can be prevented from collapsing, and the life of the lithium ion secondary battery is improved.
上記で説明したリチウムイオン二次電池は、正極活物質として用いられるマンガン酸リチウムのタップ密度と二次粒子の平均粒子径との比、および真密度が特定の範囲であることに特徴を有する。以下、その他の主要な構成部材について説明する。 The lithium ion secondary battery described above is characterized in that the ratio between the tap density of the lithium manganate used as the positive electrode active material and the average particle diameter of the secondary particles, and the true density are in a specific range. Hereinafter, other main components will be described.
[集電体]
集電体を構成する材料に特に制限はないが、好適には金属が用いられる。
[Current collector]
There is no particular limitation on the material constituting the current collector, but a metal is preferably used.
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、その他合金等などが挙げられる。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、またはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。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の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅が好ましく、アルミニウムがより好ましい。 Specifically, examples of the metal include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, copper, and other alloys. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plating material of a combination of these metals can be preferably used. Moreover, the foil by which aluminum is coat | covered on the metal surface may be sufficient. Of these, aluminum, stainless steel, and copper are preferable, and aluminum is more preferable from the viewpoint of electron conductivity and battery operating potential.
集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。例えば、高エネルギー密度が要求される大型の電池に用いられるのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。集電体の厚さについても特に制限はない。集電体の厚さは、通常は1〜100μm程度である。 The size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. For example, if it is used for a large battery that requires a high energy density, a current collector having a large area is used. There is no particular limitation on the thickness of the current collector. The thickness of the current collector is usually about 1 to 100 μm.
[電解質層]
電解質層を構成する電解質は、リチウムイオンのキャリヤーとしての機能を有する。電解質としては、かような機能を発揮できるものであれば特に制限されないが、液体電解質またはポリマー電解質が用いられる。
[Electrolyte layer]
The electrolyte constituting the electrolyte layer has a function as a lithium ion carrier. The electrolyte is not particularly limited as long as it can exhibit such a function, but a liquid electrolyte or a polymer electrolyte is used.
液体電解質は、可塑剤である有機溶媒に支持塩である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、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等のカーボネート類が例示される。また、リチウム塩としては、Li(CF3SO2)2N、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiTaF6、LiCF3SO3等の電極の活物質層に添加されうる化合物が同様に採用されうる。 The liquid electrolyte has a form in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent as a plasticizer. Examples of the organic solvent used include carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), and diethyl carbonate (DEC). As the lithium salt, Li (CF 3 SO 2) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF such 6, LiCF 3 SO 3 A compound that can be added to the active material layer of the electrode can be similarly employed.
一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲルポリマー電解質(ゲル電解質)と、電解液を含まない真性ポリマー電解質とに分類される。 On the other hand, the polymer electrolyte is classified into a gel polymer electrolyte containing an electrolytic solution (gel electrolyte) and an intrinsic polymer electrolyte containing no electrolytic solution.
ゲルポリマー電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマー(ホストポリマー)に、上記の液体電解質が注入されてなる構成を有する。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、各層間のイオン伝導性を遮断することで容易になる点で優れている。マトリックスポリマー(ホストポリマー)として用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系ポリマーには、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。 The gel polymer electrolyte has a configuration in which the liquid electrolyte is injected into a matrix polymer (host polymer) made of an ion conductive polymer. The use of a gel polymer electrolyte as the electrolyte is superior in that the fluidity of the electrolyte is lost and the ion conductivity between the layers is easily cut off. Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer (host polymer) include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. In such polyalkylene oxide polymers, electrolyte salts such as lithium salts can be well dissolved.
真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーにリチウム塩が溶解してなる構成を有し、有機溶媒を含まない。したがって、電解質として真性ポリマー電解質を用いることで電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上し得る。 The intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a lithium salt is dissolved in the above matrix polymer and does not contain an organic solvent. Therefore, by using an intrinsic polymer electrolyte as the electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the battery reliability can be improved.
ゲル電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。 The matrix polymer of the gel electrolyte or the intrinsic polymer electrolyte can exhibit excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed.
これらの電解質は、1種単独であってもよいし、2種以上を組み合わせてもよい。 These electrolytes may be used alone or in combination of two or more.
なお、電解質層が液体電解質やゲル電解質から構成される場合には、電解質層にセパレータを用いてもよい。セパレータの具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンといったポリオレフィンや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、ガラス繊維などからなる微多孔膜が挙げられる。 In addition, when an electrolyte layer is comprised from a liquid electrolyte or a gel electrolyte, you may use a separator for an electrolyte layer. Specific examples of the separator include a microporous film made of a polyolefin such as polyethylene or polypropylene, a hydrocarbon such as polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVdF-HFP), glass fiber, or the like.
[シール部]
シール部31は、図2に示す双極型電池10bに特有の部材であり、電解質層17の漏れを防止する目的で単電池層19の外周部に配置されている。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。図2に示す形態において、シール部31は、隣接する2つの単電池層19を構成するそれぞれの集電体11で挟持され、電解質層17の基材であるセパレータの外周縁部を貫通するように、単電池層19の外周部に配置されている。シール部31の構成材料としては、例えば、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、ポリイミドなどが挙げられる。なかでも、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が好ましい。
[Seal part]
The
[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。また、図2に示すように最外層集電体(11a、11b)を延長することにより集電板としてもよいし、別途準備したタブを最外層集電体に接続してもよい。
[Positive electrode current collector and negative electrode current collector]
The material which comprises a current collector plate (25, 27) is not restrict | limited in particular, The well-known highly electroconductive material conventionally used as a current collector plate for lithium ion secondary batteries can be used. As a constituent material of the current collector plate, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable. From the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferable, and aluminum is particularly preferable. Note that the positive electrode
[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 lead and negative lead]
Moreover, although illustration is abbreviate | omitted, you may electrically connect between the
[電池外装材]
電池外装材29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、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。
[Battery exterior materials]
As the
なお、上記のリチウムイオン二次電池は、従来公知の製造方法により製造することができる。 In addition, said lithium ion secondary battery can be manufactured with a conventionally well-known manufacturing method.
[リチウムイオン二次電池の外観構成]
図3は、二次電池の代表的な実施形態である扁平なリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
[Appearance structure of lithium ion secondary battery]
FIG. 3 is a perspective view showing the appearance of a flat lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of the secondary battery.
図3に示すように、扁平なリチウムイオン二次電池50では、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タブ58、負極タブ59が引き出されている。発電要素57は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極タブ58および負極タブ59を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素57は、先に説明した図1および図2に示すリチウムイオン二次電池10の発電要素21に相当するものである。発電要素57は、正極(正極活物質層)13、電解質層17および負極(負極活物質層)15で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。
As shown in FIG. 3, the flat lithium ion
なお、上記リチウムイオン二次電池は、積層型の扁平な形状のものに制限されるものではない。巻回型のリチウムイオン二次電池では、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ラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。 The lithium ion secondary battery is not limited to a stacked flat shape. The wound lithium ion secondary battery may have a cylindrical shape, or may have a shape that is a flattened rectangular shape by deforming such a cylindrical shape. There is no particular limitation. In the said cylindrical shape thing, a laminate film may be used for the exterior material, and the conventional cylindrical can (metal can) may be used, for example, It does not restrict | limit. Preferably, the power generation element is covered with an aluminum laminate film. With this configuration, weight reduction can be achieved.
また、図3に示すタブ58、59の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極タブ58と負極タブ59とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極タブ58と負極タブ59と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3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。
Also, the removal of the
上記リチウムイオン二次電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、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好適に利用することができる。 The lithium ion secondary battery is used as a power source for driving a vehicle or an auxiliary power source that requires a high volume energy density and a high volume output density as a large capacity power source for an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a fuel cell vehicle, and a hybrid fuel cell vehicle It can be suitably used.
上記リチウムイオン二次電池用正極を、以下の実施例および比較例を用いてさらに詳細に説明するが、以下の実施例のみに限定されるわけではない。なお、正極活物質の一次粒子の平均粒子径、二次粒子の平均粒子径、真密度、およびタップ密度は、下記の方法により測定した。 Although the said positive electrode for lithium ion secondary batteries is demonstrated still in detail using a following example and a comparative example, it is not necessarily limited only to a following example. The average particle diameter of primary particles of the positive electrode active material, the average particle diameter of secondary particles, the true density, and the tap density were measured by the following methods.
一次粒子の平均粒子径:セイコーインスツル株式会社製、高性能収束イオンビーム装置(型番:SMI3050R)を用い、粒子の断面の一次粒子400個の平均粒子径を測定
二次粒子の平均粒子径:株式会社島津製作所製、レーザ回折式粒度分布測定装置(型番:SALD−3100)にて測定
真密度:株式会社島津製作所製、乾式自動密度計 アキュピック II 1340にて測定
タップ密度:500回タップ後の嵩密度を測定。
Average particle diameter of primary particles: Measured average particle diameter of 400 primary particles of a cross section of particles using a high performance focused ion beam apparatus (model number: SMI3050R) manufactured by Seiko Instruments Inc. Average particle diameter of secondary particles: Made by Shimadzu Corporation, measured by a laser diffraction particle size distribution analyzer (model number: SALD-3100) True density: Made by Shimadzu Corporation, dry automatic densitometer Measured by Accupic II 1340 Tap density: After 500 taps Measure bulk density.
(実施例1)
・正極の作製
焼成炉を用い、第1段階目に800℃で5時間焼成し、その後第2段階目に1200℃で6時間焼成したマンガン酸リチウムを正極活物質として用いた。
Example 1
-Production of positive electrode Using a firing furnace, lithium manganate which was fired at 800 ° C for 5 hours in the first stage and then fired at 1200 ° C for 6 hours in the second stage was used as the positive electrode active material.
正極活物質、バインダとしてPVdF(ポリフッ化ビニリデン)、および導電助剤としてカーボン粉末をそれぞれ90:5:5(重量比)でNMP(N−メチル−2−ピロリドン)に分散させて正極スラリーを作製した。アルミニウム箔に前記正極スラリーを、ダイコーターを用いて塗布し乾燥し、正極を得た。その際、正極スラリーの塗布量は、正極の容量が負極の容量の90%となる量とした。 A positive electrode active material, PVdF (polyvinylidene fluoride) as a binder, and carbon powder as a conductive auxiliary agent are each dispersed in NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) at 90: 5: 5 (weight ratio) to prepare a positive electrode slurry. did. The positive electrode slurry was applied to an aluminum foil using a die coater and dried to obtain a positive electrode. At that time, the amount of the positive electrode slurry applied was such that the positive electrode capacity was 90% of the negative electrode capacity.
・負極の作製
負極活物質としてグラファイト粉末、およびバインダとしてPVdF(ポリフッ化ビニリデン)をそれぞれ95:5(重量比)でNMPに分散させて負極スラリーを作製した。銅箔に前記負極スラリーを、ダイコーターを用いて塗布し乾燥し、負極を得た。
-Preparation of negative electrode A negative electrode slurry was prepared by dispersing graphite powder as a negative electrode active material and PVdF (polyvinylidene fluoride) as a binder in NMP at 95: 5 (weight ratio). The negative electrode slurry was applied to a copper foil using a die coater and dried to obtain a negative electrode.
・電池の作製
セパレータとして、ポリエチレン製微多孔質膜(厚さ25μm)を準備した。また、電解液として、1M LiPF6/(EC:DEC)(EC:DEC=1:1 体積比)を準備した。
-Battery preparation As a separator, a polyethylene microporous membrane (
上記で作製した正極、負極、およびセパレータをそれぞれ1枚ずつ用意し、負極/セパレータ/正極の順に積層して、発電要素を作製した。 Each of the positive electrode, negative electrode, and separator prepared above was prepared and laminated in the order of negative electrode / separator / positive electrode to prepare a power generation element.
得られた発電要素を外装であるアルミラミネートシート製のバッグ中に載置し、上記で準備した電解液を注液した。真空条件下において、両電極に接続された電流取り出しタブが導出するようにアルミラミネートシート製バッグの開口部を封止し、試験用セルを完成させた。 The obtained power generation element was placed in a bag made of an aluminum laminate sheet as an exterior, and the electrolytic solution prepared above was injected. Under vacuum conditions, the opening of the aluminum laminate sheet bag was sealed so that the current extraction tabs connected to both electrodes were led out to complete the test cell.
(実施例2)
マンガン酸リチウムの2段階目の焼成温度を1250℃としたこと以外は、実施例1と同様の方法で試験用セルを作製した。
(Example 2)
A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature of the second stage of lithium manganate was 1250 ° C.
(実施例3)
マンガン酸リチウムの2段階目の焼成温度を1150℃としたこと以外は、実施例1と同様の方法で試験用セルを作製した。
(Example 3)
A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature of the second stage of lithium manganate was 1150 ° C.
(実施例4)
マンガン酸リチウムの1段階目の焼成温度を750℃としたこと以外は、実施例1と同様の方法で試験用セルを作製した。
(Example 4)
A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the first stage calcination temperature of lithium manganate was 750 ° C.
(実施例5)
マンガン酸リチウムの1段階目の焼成温度を850℃としたこと以外は、実施例1と同様の方法で試験用セルを作製した。
(Example 5)
A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the first stage calcination temperature of lithium manganate was 850 ° C.
(実施例6)
正極活物質として、実施例1と同様に作製したマンガン酸リチウムとコバルト酸リチウムとを50:50(重量比)で混合したものを用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で試験用セルを作製した。
(Example 6)
For the test in the same manner as in Example 1, except that a mixture of lithium manganate and lithium cobaltate prepared in the same manner as in Example 1 at 50:50 (weight ratio) was used as the positive electrode active material. A cell was produced.
(実施例7)
正極活物質として、実施例1と同様に作製したマンガン酸リチウムとニッケル酸リチウムとを50:50(重量比)で混合したものを用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で試験用セルを作製した。
(Example 7)
For the test in the same manner as in Example 1, except that a mixture of lithium manganate and lithium nickelate prepared in the same manner as in Example 1 at 50:50 (weight ratio) was used as the positive electrode active material. A cell was produced.
(実施例8)
正極活物質として、実施例1と同様に作製したマンガン酸リチウムとリン酸鉄リチウムとを50:50(重量比)で混合したものを用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で試験用セルを作製した。
(Example 8)
Tested in the same manner as in Example 1 except that a mixture of lithium manganate and lithium iron phosphate prepared in the same manner as in Example 1 at 50:50 (weight ratio) was used as the positive electrode active material. A cell was prepared.
(実施例9)
マンガン酸リチウムの1段階目の焼成温度を700℃としたこと以外は、実施例1と同様の方法で試験用セルを作製した。
Example 9
A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the first stage baking temperature of lithium manganate was set to 700 ° C.
(実施例10)
マンガン酸リチウムの1段階目の焼成温度を900℃としたこと以外は、実施例1と同様の方法で試験用セルを作製した。
(Example 10)
A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the first stage baking temperature of lithium manganate was set to 900 ° C.
(比較例1)
マンガン酸リチウムの1段階目の焼成温度を900℃とし、2段階目の焼成温度を1300℃としたこと以外は、実施例1と同様の方法で試験用セルを作製した。
(Comparative Example 1)
A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the first stage baking temperature of lithium manganate was 900 ° C. and the second stage baking temperature was 1300 ° C.
(比較例2)
マンガン酸リチウムの1段階目の焼成温度を700℃とし、2段階目の焼成温度を1100℃としたこと以外は、実施例1と同様の方法で試験用セルを作製した。
(Comparative Example 2)
A test cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that the first stage baking temperature of lithium manganate was 700 ° C. and the second stage baking temperature was 1100 ° C.
(比較例3)
マンガン酸リチウムの1段階目の焼成温度を950℃としたこと以外は、実施例1と同様の方法で試験用セルを作製した。
(Comparative Example 3)
A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature of the first stage of lithium manganate was 950 ° C.
(比較例4)
マンガン酸リチウムの1段階目の焼成温度を650℃としたこと以外は、実施例1と同様の方法で試験用セルを作製した。
(Comparative Example 4)
A test cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the first stage calcination temperature of lithium manganate was 650 ° C.
[評価]
各実施例および各比較例で得られた試験用セルについて、25℃で0.2C/4.2V、CC/CV充電を7時間行った。次いで、10分間の休止後、0.2C CC放電で2.5Vまで放電を行った。その後、55℃で1C/4.2V CC/CV充電(0.015Cカット)、1C CC放電(2.5V電圧カット)のサイクルを繰り返し、1サイクル目の放電容量に対する300サイクル目における放電容量の値を容量維持率として算出した。結果を下記表1に示す。
[Evaluation]
About the test cell obtained by each Example and each comparative example, 0.2C / 4.2V and CC / CV charge were performed for 7 hours at 25 degreeC. Next, after a 10-minute rest, the battery was discharged to 2.5 V with 0.2 C CC discharge. After that, the cycle of 1C / 4.2V CC / CV charge (0.015C cut) and 1C CC discharge (2.5V voltage cut) was repeated at 55 ° C. The value was calculated as a capacity retention rate. The results are shown in Table 1 below.
上記表1から明らかなように、正極活物質として、タップ密度と二次粒子の平均粒子径との比、および真比重が所定の範囲であるマンガン酸リチウムを含む実施例の試験用セルは、容量維持率に優れていることが分かる。 As apparent from Table 1 above, as the positive electrode active material, the ratio of the tap density to the average particle diameter of the secondary particles, and the test cell of the example including lithium manganate having a true specific gravity within a predetermined range, It can be seen that the capacity retention rate is excellent.
10a、10b、50 リチウムイオン二次電池、
11 正極集電体、
12 負極集電体、
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、57 発電要素、
25 正極集電板、
27 負極集電板、
29、52 電池外装材、
31 シール部、
58 正極タブ、
59 負極タブ。
10a, 10b, 50 lithium ion secondary battery,
11 positive electrode current collector,
12 negative electrode current collector,
13 positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21, 57 power generation element,
25 positive current collector,
27 negative current collector,
29, 52 Battery exterior material,
31 seal part,
58 positive electrode tab,
59 Negative electrode tab.
Claims (5)
前記正極活物質層は、正極活物質として、タップ密度と二次粒子の平均粒子径との比が、タップ密度(g/ml)/二次粒子の平均粒子径(μm)=0.07〜0.45であり、かつ真比重が4.19〜4.25であるマンガン酸リチウムを含む、リチウムイオン二次電池用正極。 A positive electrode for a lithium ion secondary battery having a current collector and a positive electrode active material layer formed on the current collector,
As the positive electrode active material, the positive electrode active material layer has a ratio between the tap density and the average particle diameter of the secondary particles as follows: tap density (g / ml) / secondary particle average particle diameter (μm) = 0.07 A positive electrode for a lithium ion secondary battery, comprising lithium manganate having a true specific gravity of 0.45 and 4.19 to 4.25.
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