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JP2018032552A - Lithium ion secondary battery - Google Patents

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JP2018032552A
JP2018032552A JP2016164827A JP2016164827A JP2018032552A JP 2018032552 A JP2018032552 A JP 2018032552A JP 2016164827 A JP2016164827 A JP 2016164827A JP 2016164827 A JP2016164827 A JP 2016164827A JP 2018032552 A JP2018032552 A JP 2018032552A
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JP
Japan
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negative electrode
carbon
hard carbon
mass
current cycle
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JP2016164827A
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Japanese (ja)
Inventor
洋 坪内
Hiroshi Tsubouchi
洋 坪内
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】短パルス大電流サイクルおよび長パルス小電流サイクルにおけるLi析出耐性に優れるリチウムイオン二次電池を提供すること。【解決手段】リチウムイオン二次電池は、正極、負極および非水電解質を備える。負極は、負極活物質を含む。負極活物質は、ソフトカーボンおよびハードカーボンを含有する。ハードカーボンは、ソフトカーボンおよびハードカーボンの合計に対して、10質量%以上30質量%以下の質量比率を有する。ソフトカーボンは、0.350nm以上0.360nm以下の(002)面間隔を有する。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion secondary battery excellent in Li precipitation resistance in a short pulse large current cycle and a long pulse small current cycle. A lithium ion secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. The negative electrode includes a negative electrode active material. The negative electrode active material contains soft carbon and hard carbon. The hard carbon has a mass ratio of 10% by mass or more and 30% by mass or less with respect to the total of the soft carbon and the hard carbon. Soft carbon has a (002) plane spacing of 0.350 nm or more and 0.360 nm or less. [Selection diagram] Figure 1

Description

本開示は、リチウムイオン二次電池に関する。   The present disclosure relates to a lithium ion secondary battery.

特開2003−051309号公報(特許文献1)には、リチウムイオン二次電池の負極活物質として、0.370nm以上0.400nm以下の(002)面間隔を有する炭素材料が開示されている。   Japanese Patent Laying-Open No. 2003-051309 (Patent Document 1) discloses a carbon material having a (002) plane spacing of 0.370 nm or more and 0.400 nm or less as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery.

特開2003−051309号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-051309

特許文献1によれば、(002)面間隔(以下「d002」とも記される)が0.370nm以上である炭素材料の内部では、リチウムイオン(Li+)の移動が速いため、入出力特性が向上するとされている。 According to Patent Document 1, since the movement of lithium ions (Li + ) is fast inside a carbon material having a (002) spacing (hereinafter also referred to as “d 002 ”) of 0.370 nm or more, input / output It is said that the characteristics will be improved.

しかし、短いパルス幅で大電流の充放電が繰り返される使用パターン(以下「短パルス大電流サイクル」とも記される)、および長いパルス幅で小電流の充放電が繰り返される使用パターン(以下「長パルス小電流サイクル」とも記される)における入力特性、すなわちリチウム(Li)析出耐性には、改善の余地がある。   However, a usage pattern in which a large current is repeatedly charged and discharged with a short pulse width (hereinafter also referred to as “short pulse high current cycle”) and a usage pattern in which a small current is repeatedly charged and discharged with a long pulse width (hereinafter referred to as “long”). There is room for improvement in the input characteristics (also referred to as “pulse small current cycle”), that is, lithium (Li) precipitation resistance.

以下、本開示の技術的構成および作用効果が説明される。ただし、本開示の作用メカニズムは推定を含んでおり、その正否により本開示の発明の範囲が限定されるべきではない。   Hereinafter, the technical configuration and effects of the present disclosure will be described. However, the action mechanism of the present disclosure includes estimation, and the scope of the invention of the present disclosure should not be limited by the correctness.

本開示のリチウムイオン二次電池は、正極、負極および非水電解質を備える。負極は、負極活物質を含む。負極活物質は、ソフトカーボンおよびハードカーボンを含有する。ハードカーボンは、ソフトカーボンおよびハードカーボンの合計に対して、10質量%以上30質量%以下の質量比率を有する。ソフトカーボンは、0.350nm以上0.360nm以下の(002)面間隔を有する。   The lithium ion secondary battery of the present disclosure includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. The negative electrode includes a negative electrode active material. The negative electrode active material contains soft carbon and hard carbon. Hard carbon has a mass ratio of 10% by mass to 30% by mass with respect to the total of soft carbon and hard carbon. Soft carbon has a (002) plane interval of 0.350 nm or more and 0.360 nm or less.

短パルス大電流サイクルおよび長パルス小電流サイクルでは、負極がリチウムイオン(Li+)を受入れきれず、負極の表面にLiが析出することがある。短パルス大電流サイクルでは、主に大電流充電による過電圧により、負極電位が0V(vs.Li/Li+)を下回り、Liが析出すると考えられる。他方、長パルス小電流サイクルでは、負極の表面近傍において、Li+格納サイトが不足しているために、Liが析出すると考えられる。 In a short pulse large current cycle and a long pulse small current cycle, the negative electrode may not accept lithium ions (Li + ), and Li may precipitate on the surface of the negative electrode. In the short pulse large current cycle, it is considered that the negative electrode potential falls below 0 V (vs. Li / Li + ) and Li is precipitated mainly due to overvoltage due to large current charging. On the other hand, in the long pulse small current cycle, it is considered that Li precipitates because the Li + storage site is insufficient in the vicinity of the surface of the negative electrode.

ハードカーボンは、ソフトカーボンよりも高い充電電位を有する。したがって、ソフトカーボンにハードカーボンを混合することにより、過電圧の発生を抑制することができる。さらに、本開示の新たな知見によれば、0.350nm以上0.360nm以下の(002)面間隔(d002)を有するソフトカーボンでは、Li+の挿入抵抗が顕著に低い。これにより、本開示のリチウムイオン二次電池は、短パルス大電流サイクルにおけるLi析出耐性に優れる。 Hard carbon has a higher charging potential than soft carbon. Therefore, the generation of overvoltage can be suppressed by mixing hard carbon with soft carbon. Furthermore, according to the new knowledge of the present disclosure, the insertion resistance of Li + is remarkably low in soft carbon having a (002) plane spacing (d 002 ) of 0.350 nm or more and 0.360 nm or less. Thereby, the lithium ion secondary battery of this indication is excellent in Li precipitation tolerance in a short pulse high current cycle.

ハードカーボンは、ソフトカーボンよりも結晶性が低く、複雑な結晶構造を持つ。その複雑な構造故、ハードカーボンは、黒鉛類似の層間以外にも、Li+を格納できるサイトを複数有する。ソフトカーボンにハードカーボンを混合することにより、長パルス小電流サイクル時のLi+格納サイトの不足を補うことができる。これにより、本開示のリチウムイオン二次電池は、長パルス小電流サイクルにおけるLi析出耐性にも優れる。 Hard carbon is less crystalline than soft carbon and has a complex crystal structure. Due to its complicated structure, hard carbon has a plurality of sites capable of storing Li + in addition to the graphite-like interlayer. By mixing hard carbon with soft carbon, the shortage of the Li + storage site during the long pulse small current cycle can be compensated. Thereby, the lithium ion secondary battery of this indication is excellent also in Li precipitation tolerance in a long pulse small current cycle.

ただし、ハードカーボンは、ソフトカーボンおよびハードカーボンの合計に対して、10質量%以上30質量%以下の質量比率を有するものとする。ハードカーボンが10質量%未満であると、長パルス小電流サイクルにおけるLi析出耐性が十分でない。ハードカーボンが30質量%を超えると、短パルス大電流サイクルにおけるLi析出耐性が低下する。大電流充電に強いソフトカーボンが不足するためと考えられる。   However, hard carbon shall have the mass ratio of 10 mass% or more and 30 mass% or less with respect to the sum total of soft carbon and hard carbon. When the hard carbon is less than 10% by mass, the Li precipitation resistance in a long pulse small current cycle is not sufficient. When hard carbon exceeds 30 mass%, Li precipitation tolerance in a short pulse high current cycle will fall. This is thought to be due to the lack of soft carbon that is resistant to large current charging.

以上より、本開示のリチウムイオン二次電池は、短パルス大電流サイクルおよび長パルス小電流サイクルにおけるLi析出耐性に優れる。   As mentioned above, the lithium ion secondary battery of this indication is excellent in Li precipitation tolerance in a short pulse large current cycle and a long pulse small current cycle.

図1は、短パルス大電流サイクルおよび長パルス小電流サイクルにおける容量維持率と、ハードカーボンの質量比率との関係を示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing the relationship between the capacity retention rate and the mass ratio of hard carbon in a short pulse large current cycle and a long pulse small current cycle. 図2は、短パルス大電流サイクルにおける容量維持率と、ソフトカーボンのd002との関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the capacity retention ratio in a short pulse high current cycle and the d 002 of soft carbon.

以下、本開示の実施形態(以下「本実施形態」と記される)が説明される。ただし、以下の説明は、本開示の発明の範囲を限定するものではない。   Hereinafter, an embodiment of the present disclosure (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described. However, the following description does not limit the scope of the present disclosure.

<リチウムイオン二次電池>
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、正極、負極および非水電解質を備える。正極、負極および非水電解質は、所定の筐体に収納されている。正極および負極は電極群を構成する。電極群は、たとえば、正極および負極が渦巻状に巻回されることにより構成され得る。あるいは電極群は、正極と負極とが交互に積層されることにより構成されてもよい。
<Lithium ion secondary battery>
The lithium ion secondary battery of this embodiment includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. The positive electrode, the negative electrode, and the nonaqueous electrolyte are accommodated in a predetermined housing. The positive electrode and the negative electrode constitute an electrode group. The electrode group can be configured, for example, by winding a positive electrode and a negative electrode in a spiral shape. Alternatively, the electrode group may be configured by alternately stacking positive electrodes and negative electrodes.

筐体は、たとえば、アルミニウム合金製、ステンレス製等である。筐体の外形は、角形(扁平直方体)であってもよいし、円筒形であってもよい。筐体は、所定の密閉性を有する限り、アルミラミネートフィルム製の袋等であってもよい。   The housing is made of, for example, aluminum alloy or stainless steel. The outer shape of the housing may be rectangular (flat rectangular parallelepiped) or cylindrical. The housing may be an aluminum laminate film bag or the like as long as it has a predetermined sealing property.

《負極》
負極は、典型的には帯状のシートである。負極は、負極活物質を含む。負極は、典型的には、集電体および負極合材層を含む。負極は、たとえば、10〜150μm程度の厚さを有する。集電体は、たとえば、銅(Cu)箔等でよい。負極合材層は、たとえば、集電体の表面に塗着されている。負極合材層は、負極活物質およびバインダ等を含む。たとえば、負極合材層は、95〜99.5質量%の負極活物質、および0.5〜5質量%のバインダを含む。バインダは、たとえば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリル酸(PAA)等でよい。
<Negative electrode>
The negative electrode is typically a strip-shaped sheet. The negative electrode includes a negative electrode active material. The negative electrode typically includes a current collector and a negative electrode mixture layer. The negative electrode has a thickness of about 10 to 150 μm, for example. The current collector may be, for example, a copper (Cu) foil. The negative electrode mixture layer is applied to the surface of the current collector, for example. The negative electrode mixture layer includes a negative electrode active material and a binder. For example, the negative electrode mixture layer includes 95 to 99.5% by mass of a negative electrode active material and 0.5 to 5% by mass of a binder. The binder may be, for example, carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR), polyacrylic acid (PAA), and the like.

《ソフトカーボンおよびハードカーボン》
負極活物質は、ソフトカーボンおよびハードカーボンを含む。
「ソフトカーボン」(易黒鉛化性炭素とも称される)は、非黒鉛質炭素(無定形炭素)の一種である。ソフトカーボンは、2000℃以上の熱処理により比較的容易に黒鉛化する。ソフトカーボンは、たとえば、石油コークス、ピッチコークス等が熱処理されることにより生成される。熱処理温度は、たとえば、500〜2000℃程度である。
《Soft carbon and hard carbon》
The negative electrode active material includes soft carbon and hard carbon.
“Soft carbon” (also referred to as graphitizable carbon) is a kind of non-graphitic carbon (amorphous carbon). Soft carbon is graphitized relatively easily by heat treatment at 2000 ° C. or higher. Soft carbon is produced, for example, by heat treating petroleum coke, pitch coke, or the like. The heat treatment temperature is, for example, about 500 to 2000 ° C.

ソフトカーボンは、たとえば、0.5〜10μm程度の平均粒径を有する。本明細書の平均粒径は、レーザ回折散乱法によって測定される体積基準の粒度分布において、微粒側から累積50%の粒径を示す。ソフトカーボンは、たとえば、1〜10m2/g程度のBET比表面積を有する。本明細書のBET比表面積は、BET法により測定される比表面積を示す。 Soft carbon has an average particle diameter of about 0.5 to 10 μm, for example. The average particle size in the present specification indicates a particle size of 50% cumulative from the fine particle side in the volume-based particle size distribution measured by the laser diffraction scattering method. Soft carbon has a BET specific surface area of about 1 to 10 m 2 / g, for example. The BET specific surface area of this specification shows the specific surface area measured by BET method.

「ハードカーボン」(難黒鉛化性炭素とも称される)は、非黒鉛質炭素の一種である。ハードカーボンは、2500℃以上の熱処理によっても黒鉛構造が発達し難い。ハードカーボンは、ソフトカーボンよりもLi+との反応性が低い。しかしハードカーボンは、Li+格納サイトを豊富に有する。ハードカーボンは、樹脂等が炭化されることにより生成される。ハードカーボンの原料としては、たとえば、フェノール樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリイミド等が挙げられる。炭化温度は、たとえば、1000〜1500℃程度である。ハードカーボンは、たとえば、0.5〜10μm程度の平均粒径を有する。ハードカーボンは、たとえば、1〜10m2/g程度のBET比表面積を有する。 “Hard carbon” (also referred to as non-graphitizable carbon) is a kind of non-graphitic carbon. Hard carbon hardly develops a graphite structure even by heat treatment at 2500 ° C. or higher. Hard carbon is less reactive with Li + than soft carbon. However, hard carbon has abundant Li + storage sites. Hard carbon is generated by carbonizing a resin or the like. Examples of the hard carbon raw material include phenol resin, polyacrylonitrile, polyimide, and the like. Carbonization temperature is about 1000-1500 degreeC, for example. Hard carbon has an average particle diameter of about 0.5 to 10 μm, for example. Hard carbon, for example, has a BET specific surface area of about 1 to 10 m 2 / g.

ハードカーボンは、ソフトカーボンおよびハードカーボンの合計に対して、10質量%以上30質量%以下の質量比率を有する。ハードカーボンが10質量%未満であると、長パルス小電流サイクルにおけるLi析出耐性が十分でない。ハードカーボンが30質量%を超えると、短パルス大電流サイクルにおけるLi析出耐性が低下する。   Hard carbon has a mass ratio of 10% by mass to 30% by mass with respect to the total of soft carbon and hard carbon. When the hard carbon is less than 10% by mass, the Li precipitation resistance in a long pulse small current cycle is not sufficient. When hard carbon exceeds 30 mass%, Li precipitation tolerance in a short pulse high current cycle will fall.

長パルス小電流サイクルにおけるLi析出耐性と、短パルス大電流サイクルにおけるLi析出耐性とのバランスの観点から、ハードカーボンは、好ましくは10質量%以上20質量%以下の質量比率を有する。なお負極活物質がソフトカーボンおよびハードカーボンを含む限り、本実施形態に期待される効果が損なわれない範囲で、負極活物質が黒鉛を含むことも許容される。   From the viewpoint of the balance between the Li precipitation resistance in the long pulse small current cycle and the Li precipitation resistance in the short pulse high current cycle, the hard carbon preferably has a mass ratio of 10% by mass to 20% by mass. As long as the negative electrode active material contains soft carbon and hard carbon, the negative electrode active material is allowed to contain graphite as long as the effects expected in the present embodiment are not impaired.

《(002)面間隔》
本実施形態のソフトカーボンは、0.350nm以上0.360nm以下の(002)面間隔(d002)を有する。この範囲のd002では、Li+の挿入抵抗が顕著に低い。d002が0.350nm以上であることにより、Li+の挿入に伴う格子体積の変化量(膨張量)が小さくなるためと考えられる。しかしd002が0.360nmを超えると、ソフトカーボン表面の電子密度が低下するため、Li+の挿入反応が進行し難くなると考えられる。
<< (002) spacing>
The soft carbon of this embodiment has a (002) plane spacing (d 002 ) of 0.350 nm or more and 0.360 nm or less. At d 002 in this range, the insertion resistance of Li + is remarkably low. It is considered that when d 002 is 0.350 nm or more, the change amount (expansion amount) of the lattice volume accompanying the insertion of Li + becomes small. However, if d 002 exceeds 0.360 nm, the electron density on the soft carbon surface decreases, and it is considered that the Li + insertion reaction does not proceed easily.

本明細書の「d002」は、粉末X線回折法により測定される。炭素材料の(002)回折線は、典型的には、2θ=25〜28°付近に現れる。「d002」はBraggの式:
002=λ/(2sinθ)
により求められる。式中「λ」はX線の波長を示す。「θ」はBragg角を示す。Bragg角は、回折角(2θ)の1/2である。
“D 002 ” in the present specification is measured by a powder X-ray diffraction method. The (002) diffraction line of the carbon material typically appears around 2θ = 25 to 28 °. “D 002 ” is the Bragg equation:
d 002 = λ / (2 sin θ)
Is required. In the formula, “λ” indicates the wavelength of X-rays. “Θ” indicates the Bragg angle. The Bragg angle is ½ of the diffraction angle (2θ).

測定には一般的なX線回折装置(XRD)が使用される。X線にはCuKα線が使用される。1つのサンプルに対して、測定は複数回(たとえば3回以上)行われる。複数回の平均値がサンプルのd002として採用される。 A general X-ray diffractometer (XRD) is used for the measurement. CuKα rays are used for X-rays. The measurement is performed a plurality of times (for example, three times or more) for one sample. The average value of a plurality of times is adopted as d 002 of the sample.

XRDの測定条件は、たとえば、次のとおりである。
ターゲット:Cu
管電圧:40kV
管電流:40mA
モノクロメータ:黒鉛
Divergence Slit(DS):0.5°
Scattering Slit(SS):開放
Receiving Slit(RS):0.5mm
走査範囲:20〜40°
走査速度:0.1sec/step
The measurement conditions of XRD are as follows, for example.
Target: Cu
Tube voltage: 40 kV
Tube current: 40 mA
Monochromator: Graphite Divergence Slit (DS): 0.5 °
Scattering Slit (SS): Opening Receiving Slit (RS): 0.5 mm
Scanning range: 20-40 °
Scanning speed: 0.1 sec / step

短パルス大電流サイクルにおけるLi析出耐性の観点から、ソフトカーボンのd002は、0.355nmに近づく程好ましい。ハードカーボンは、たとえば、0.380nm以上0.400nm以下のd002を有してもよい。 From the viewpoint of Li precipitation resistance in a short pulse high current cycle, d 002 of soft carbon is preferable as it approaches 0.355 nm. Hard carbon, for example, may have a 0.400nm following d 002 more than 0.380 nm.

《正極》
正極は、典型的には帯状のシートである。正極は、正極活物質を含む。正極は、典型的には、集電体および正極合材層を含む。正極は、たとえば、10〜150μm程度の厚さを有する。集電体は、たとえば、アルミニウム(Al)箔等でよい。正極合材層は、たとえば、集電体の表面に塗着されている。正極合材層は、正極活物質、導電材およびバインダ等を含む。たとえば、正極合材層は、80〜98質量%の正極活物質、1〜10質量%の導電材、および1〜10質量%のバインダを含む。
《Positive electrode》
The positive electrode is typically a strip-shaped sheet. The positive electrode includes a positive electrode active material. The positive electrode typically includes a current collector and a positive electrode mixture layer. The positive electrode has a thickness of about 10 to 150 μm, for example. The current collector may be, for example, an aluminum (Al) foil. The positive electrode mixture layer is applied to the surface of the current collector, for example. The positive electrode mixture layer includes a positive electrode active material, a conductive material, a binder, and the like. For example, the positive electrode mixture layer includes 80 to 98% by mass of a positive electrode active material, 1 to 10% by mass of a conductive material, and 1 to 10% by mass of a binder.

正極活物質は、たとえば、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、LiMn24、LiNi1/3Co1/3Mn1/32等のリチウム含有金属酸化物;LiFePO4等のリチウム含有リン酸塩等でよい。導電材は、たとえば、アセチレンブラック、ファーネスブラック等のカーボンブラック;気相成長炭素繊維(VGCF)等でよい。バインダは、たとえば、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)等でよい。 Examples of the positive electrode active material include lithium-containing metal oxides such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ; lithium-containing phosphorus such as LiFePO 4 An acid salt or the like may be used. The conductive material may be, for example, carbon black such as acetylene black or furnace black; vapor grown carbon fiber (VGCF) or the like. For example, the binder may be polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), or the like.

《非水電解質》
非水電解質は、典型的には液体電解質(電解液)である。ただし、非水電解質は、ゲル状電解質であってもよいし、固体電解質であってもよい。
《Nonaqueous electrolyte》
The non-aqueous electrolyte is typically a liquid electrolyte (electrolytic solution). However, the nonaqueous electrolyte may be a gel electrolyte or a solid electrolyte.

液体電解質は、非プロトン性溶媒および支持電解質塩を含む。非プロトン性溶媒は、たとえば、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合物でよい。環状カーボネートとしては、たとえば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)等が挙げられる。鎖状カーボネートとしては、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)およびジエチルカーボネート(DEC)等が挙げられる。環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合比率は、体積比で「環状カーボネート:鎖状カーボネート=1:9〜5:5」程度である。   The liquid electrolyte includes an aprotic solvent and a supporting electrolyte salt. The aprotic solvent may be, for example, a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and the like. Examples of the chain carbonate include ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMC), and diethyl carbonate (DEC). The mixing ratio of the cyclic carbonate and the chain carbonate is about “cyclic carbonate: chain carbonate = 1: 9 to 5: 5” in volume ratio.

支持電解質塩は、非プロトン性溶媒に溶解している。支持電解質塩としては、たとえば、LiPF6、LiBF4、Li[(FSO2)2N]等が挙げられる。支持電解質塩は、たとえば、0.5〜2.0mоl/l程度の濃度を有する。 The supporting electrolyte salt is dissolved in an aprotic solvent. Examples of the supporting electrolyte salt include LiPF 6 , LiBF 4 , Li [(FSO 2 ) 2 N], and the like. The supporting electrolyte salt has a concentration of about 0.5 to 2.0 mol / l, for example.

《セパレータ》
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、セパレータを備えていてもよい。セパレータは多孔質膜である。セパレータは、正極と負極との間に配置される。セパレータは、正極と負極とを隔離すると共に、内部の空隙に非水電解質を保持する。
<< Separator >>
The lithium ion secondary battery of this embodiment may include a separator. The separator is a porous membrane. The separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and holds the nonaqueous electrolyte in the internal void.

セパレータは、たとえば、ポリエチレン(PE)製、ポリプロピレン(PP)製等の多孔質膜であり得る。セパレータは、多層構造を有していてもよい。たとえば、セパレータは、PP製の多孔質膜、PE製の多孔質膜、およびPP製の多孔質膜がこの順序で積層されることにより、構成されていてもよい。セパレータは、たとえば、5〜30μm程度の厚さを有する。   The separator may be a porous film made of, for example, polyethylene (PE) or polypropylene (PP). The separator may have a multilayer structure. For example, the separator may be configured by laminating a porous film made of PP, a porous film made of PE, and a porous film made of PP in this order. For example, the separator has a thickness of about 5 to 30 μm.

以下、実施例が説明される。ただし、以下の例は、本開示の発明の範囲を限定するものではない。   Examples will be described below. However, the following examples do not limit the scope of the invention of the present disclosure.

<リチウムイオン二次電池の作製>
以下の構成を備えるリチウムイオン二次電池(実施例1〜7、比較例1〜5)が作製された。以下では、リチウムイオン二次電池が「電池」と略記される場合がある。
<Production of lithium ion secondary battery>
Lithium ion secondary batteries (Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5) having the following configurations were manufactured. Hereinafter, the lithium ion secondary battery may be abbreviated as “battery”.

《電池構成》
正極活物質:LiNi1/3Co1/3Mn1/32
負極活物質:ソフトカーボン(BET比表面積;約5m2/g),ハードカーボン(BET比表面積;約5m2/g)
セパレータ:PP/PE/PPの3層構造を有する多孔質膜
非水電解質:LiPF6(1mоl/l),EC:DMC:EMC(3:4:3vоl)
筐体:円筒形筐体
正負容量比(負極容量÷正極容量):1.2
定格容量:500mAh
<Battery configuration>
Cathode active material: LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2
Negative electrode active material: soft carbon (BET specific surface area: about 5 m 2 / g), hard carbon (BET specific surface area: about 5 m 2 / g)
Separator: Porous membrane having a three-layer structure of PP / PE / PP Nonaqueous electrolyte: LiPF 6 (1 mol / l), EC: DMC: EMC (3: 4: 3 vol)
Case: Cylindrical case Positive / negative capacity ratio (negative electrode capacity / positive electrode capacity): 1.2
Rated capacity: 500mAh

ソフトカーボンおよびハードカーボンの合計に対するハードカーボンの質量比率、ならびにソフトカーボンのd002は、下記表1に記載されている。d002は前述の方法により測定された。 The mass ratio of hard carbon to the total of soft carbon and hard carbon, and d 002 of soft carbon are shown in Table 1 below. d 002 was measured by the method described above.

<評価>
以下のようにして、電池が評価された。以下では、電流レートの単位として「C」が使用される。「1C」は、1時間の充電で0%のSOCが100%のSOCに達する電流レートを示す。「SOC(State Of Charge)」は、電池の満充電容量に対する現在の充電容量の比率を示す。
<Evaluation>
The battery was evaluated as follows. In the following, “C” is used as the unit of the current rate. “1C” indicates a current rate at which 0% SOC reaches 100% SOC after charging for one hour. “SOC (State Of Charge)” indicates the ratio of the current charge capacity to the full charge capacity of the battery.

《短パルス大電流サイクル試験》
サイクル前の電池容量が測定された。25℃環境において電池のSOCが70%に調整された。−10℃に設定された恒温槽内に電池が配置された。以下のパルス充電およびパルス放電の一巡が1サイクルと定義され、1000サイクルが実行された。
パルス充電:40C×5sec
パルス放電:40C×5sec
《Short pulse high current cycle test》
The battery capacity before cycling was measured. The battery SOC was adjusted to 70% in a 25 ° C. environment. The battery was placed in a thermostat set to −10 ° C. One cycle of the following pulse charge and pulse discharge was defined as one cycle, and 1000 cycles were executed.
Pulse charging: 40C x 5sec
Pulse discharge: 40C x 5sec

サイクル後の電池容量が測定された。サイクル後の電池容量がサイクル前の電池容量で除されることにより、容量維持率が算出された。結果は下記表1に示されている。下記表1の「短パルス大電流サイクル」の各欄に示される値は、比較例2の容量維持率が100とされたときの相対値である。この試験で低下した容量は、Liの析出による不可逆容量であると考えられる。この試験での容量維持率が高い程、短パルス大電流サイクルにおけるLi析出耐性に優れることを示している。   The battery capacity after cycling was measured. The capacity retention rate was calculated by dividing the battery capacity after the cycle by the battery capacity before the cycle. The results are shown in Table 1 below. The values shown in each column of “Short Pulse High Current Cycle” in Table 1 below are relative values when the capacity retention rate of Comparative Example 2 is 100. The capacity decreased in this test is considered to be an irreversible capacity due to Li precipitation. It is shown that the higher the capacity retention rate in this test, the better the Li precipitation resistance in a short pulse high current cycle.

《長パルス小電流サイクル試験》
サイクル前の電池容量が測定された。25℃環境において電池のSOCが70%に調整された。25℃に設定された恒温槽内に電池が配置された。以下のパルス充電およびパルス放電の一巡が1サイクルと定義され、1000サイクルが実行された。
パルス充電:10C×100sec
パルス放電:10C×100sec
《Long pulse small current cycle test》
The battery capacity before cycling was measured. The battery SOC was adjusted to 70% in a 25 ° C. environment. The battery was placed in a thermostat set at 25 ° C. One cycle of the following pulse charge and pulse discharge was defined as one cycle, and 1000 cycles were executed.
Pulse charging: 10C x 100sec
Pulse discharge: 10C x 100sec

サイクル後の電池容量が測定された。サイクル後の電池容量がサイクル前の電池容量で除されることにより、容量維持率が算出された。結果は下記表1に示されている。下記表1の「長パルス小電流サイクル」の各欄に示される値は、比較例2の容量維持率が100とされたときの相対値である。この試験で低下した容量は、Liの析出による不可逆容量であると考えられる。この試験での容量維持率が高い程、長パルス小電流サイクルにおけるLi析出耐性に優れることを示している。   The battery capacity after cycling was measured. The capacity retention rate was calculated by dividing the battery capacity after the cycle by the battery capacity before the cycle. The results are shown in Table 1 below. The values shown in each column of “Long pulse small current cycle” in Table 1 below are relative values when the capacity retention rate of Comparative Example 2 is 100. The capacity decreased in this test is considered to be an irreversible capacity due to Li precipitation. It is shown that the higher the capacity retention rate in this test, the better the Li precipitation resistance in a long pulse small current cycle.

Figure 2018032552
Figure 2018032552

<結果>
上記表1に示されるように、ハードカーボンが10質量%以上30質量%以下であり、かつソフトカーボンのd002が0.350nm以上0.360nm以下である実施例は、短パルス大電流サイクルにおけるLi析出耐性、および長パルス小電流サイクルにおけるLi析出耐性の両方に優れている。対照的に、同条件を満たさない比較例は、短パルス大電流サイクルにおけるLi析出耐性、および長パルス小電流サイクルにおけるLi析出耐性の少なくとも一方が十分でない。
<Result>
As shown in Table 1 above, examples in which the hard carbon is 10% by mass or more and 30% by mass or less and the d 002 of the soft carbon is 0.350 nm or more and 0.360 nm or less are used in a short pulse high current cycle. It is excellent in both Li precipitation resistance and Li precipitation resistance in a long pulse small current cycle. In contrast, in the comparative example that does not satisfy the same condition, at least one of the Li precipitation resistance in the short pulse high current cycle and the Li precipitation resistance in the long pulse small current cycle are not sufficient.

図1は、短パルス大電流サイクルおよび長パルス小電流サイクルにおける容量維持率と、ハードカーボンの質量比率との関係を示すグラフである。図1には、上記表1中の実施例3〜5および比較例2〜4の結果が示されている。実施例3〜5および比較例2〜4では、いずれもソフトカーボンのd002が0.355nmである。 FIG. 1 is a graph showing the relationship between the capacity retention rate and the mass ratio of hard carbon in a short pulse large current cycle and a long pulse small current cycle. FIG. 1 shows the results of Examples 3 to 5 and Comparative Examples 2 to 4 in Table 1 above. In Examples 3 to 5 and Comparative Examples 2 to 4, d 002 of the soft carbon is 0.355 nm.

図1に示されるように、ハードカーボンが10質量%以上になると、長パルス小電流サイクルの容量維持率が大幅に向上している。ハードカーボンの混合により、Li+格納サイトの不足が補われるためと考えられる。さらに、ハードカーボンが10質量%以上になると、短パルス大電流サイクルの容量維持率も向上している。ハードカーボンの混合により、過電圧の発生が抑制されるためと考えられる。 As shown in FIG. 1, when the hard carbon content is 10% by mass or more, the capacity retention rate of the long pulse small current cycle is greatly improved. It is thought that the shortage of the Li + storage site is compensated by the mixing of hard carbon. Furthermore, when the hard carbon is 10% by mass or more, the capacity retention rate of the short pulse high current cycle is also improved. It is considered that the generation of overvoltage is suppressed by mixing hard carbon.

しかし、ハードカーボンが30質量%を超えると、短パルス大電流サイクルの容量維持率が低下している。大電流充電に強いソフトカーボンが不足するためと考えられる。   However, when the hard carbon exceeds 30% by mass, the capacity retention rate of the short pulse large current cycle is lowered. This is thought to be due to the lack of soft carbon that is resistant to large current charging.

図2は、短パルス大電流サイクルにおける容量維持率と、ソフトカーボンのd002との関係を示すグラフである。図2には、上記表1中の実施例1〜7および比較例1〜5の結果が示されている。図2に示されるように、d002が0.350nm以上0.360nm以下の範囲において、短パルス大電流サイクルの容量維持率が突出して高くなっている。この範囲において、ソフトカーボンへのLi+の挿入抵抗が顕著に低いためと考えられる。 FIG. 2 is a graph showing the relationship between the capacity retention ratio in a short pulse high current cycle and the d 002 of soft carbon. FIG. 2 shows the results of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 5 in Table 1 above. As shown in FIG. 2, d 002 is at 0.360nm following range of 0.350 nm, the capacity retention rate short pulse high-current cycle is higher projects. In this range, it is considered that the insertion resistance of Li + into soft carbon is remarkably low.

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiments and examples disclosed herein are illustrative in all aspects and should not be construed as being restrictive. The scope of the present disclosure is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

Claims (1)

正極、
負極および
非水電解質
を備え、
前記負極は、負極活物質を含み、
前記負極活物質は、ソフトカーボンおよびハードカーボンを含有し、
前記ハードカーボンは、前記ソフトカーボンおよび前記ハードカーボンの合計に対して、10質量%以上30質量%以下の質量比率を有し、
前記ソフトカーボンは、0.350nm以上0.360nm以下の(002)面間隔を有する、
リチウムイオン二次電池。
Positive electrode,
With negative electrode and non-aqueous electrolyte,
The negative electrode includes a negative electrode active material,
The negative electrode active material contains soft carbon and hard carbon,
The hard carbon has a mass ratio of 10% by mass to 30% by mass with respect to the total of the soft carbon and the hard carbon.
The soft carbon has a (002) plane spacing of 0.350 nm or more and 0.360 nm or less,
Lithium ion secondary battery.
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