JP2007042302A - battery - Google Patents
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Abstract
【課題】 エネルギー密度を向上させると共に、充放電効率を向上させることができる電池を提供する。
【解決手段】 完全充電状態における開回路電圧が4.25V以上6.00V以下の範囲内であり、正極21には、Lia Co1-b M1b O2-c (M1はMn,Ni,Mg,Al,B,Ti,V,Cr,Fe,Cu,Zn,Ga,Y,Zr,Nb,Mo,Sn,Ca,Sr,Wを表す。0.9≦a≦1.1,0≦b≦0.3,−0.1≦c≦0.1である)で表される平均組成を有する第1の正極材料と、Liw Nix Coy Mnz M21-x-y-z O2-v (M2はMg,Al,B,Ti,V,Cr,Fe,Cu,Zn,Ga,Y,Zr,Nb,Mo,Sn,Ca,Sr,Wを表す。−0.1≦v≦0.1,0.9≦w≦1.1,0<x<1,0<y<0.7,0<z<0.5,0≦1−x−y−z≦0.2である)で表される平均組成を有する第2の正極材料とが含まれている。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a battery capable of improving energy density and charge / discharge efficiency.
An open circuit voltage in a fully charged state is in a range of 4.25 V to 6.00 V, and a positive electrode 21 has Li a Co 1-b M1 b O 2-c (M1 is Mn, Ni, Mg, Al, B, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ga, Y, Zr, Nb, Mo, Sn, Ca, Sr, W. 0.9 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.3, −0.1 ≦ c ≦ 0.1), and Li w Ni x Co y Mn z M2 1-xyz O 2-v (M2 represents Mg, Al, B, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ga, Y, Zr, Nb, Mo, Sn, Ca, Sr, W. −0.1 ≦ v ≦ 0. 1,0.9 ≦ w ≦ 1.1, 0 <x <1, 0 <y <0.7, 0 <z <0.5, 0 ≦ 1-xyz ≦ 0.2) A second having an average composition represented by It contains the electrode material.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、複数種の正極材料を用いた電池に関する。 The present invention relates to a battery using a plurality of types of positive electrode materials.
近年、携帯電話、ビデオカメラ、ノートパソコンなどの携帯情報電子機器の普及に伴い、機器の高性能化、小型化、軽量化が急速に発展している。これらの機器に使用される電源には、使い捨ての一次電池や繰り返して使用出来る二次電池が用いられているが、経済性、高性能、小型軽量などの総合的なバランスの良さから、二次電池、特にリチウムイオン二次電池の需要が伸びている。また、これらの携帯情報電子機器では更なる高性能化および小型化が進められており、リチウムイオン二次電池に関しても高エネルギー密度化が要求されている。 In recent years, with the widespread use of portable information electronic devices such as mobile phones, video cameras, and notebook computers, the performance, size, and weight of the devices are rapidly developing. The power source used for these devices is a disposable primary battery or a rechargeable secondary battery. However, because of the good balance of economy, high performance, small size and light weight, the secondary battery is used. There is an increasing demand for batteries, particularly lithium ion secondary batteries. In addition, these portable information electronic devices are being further improved in performance and size, and lithium ion secondary batteries are also required to have higher energy density.
高エネルギー密度化には、単位体積当たりの放電容量が高い正極を用いることが重要であり、例えば、正極活物質としてリチウム(Li)にコバルト(Co),ニッケル(Ni)あるいはマンガン(Mn)などの遷移金属を固溶させた複合酸化物が用いられている。これらの正極活物質では、遷移金属の種類を変えることによって、電気容量、可逆性、作動電圧あるいは安全性などの特性が得られるようになっている。 In order to increase the energy density, it is important to use a positive electrode having a high discharge capacity per unit volume. For example, as the positive electrode active material, lithium (Li), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), etc. A composite oxide in which the transition metal is dissolved is used. In these positive electrode active materials, characteristics such as electric capacity, reversibility, operating voltage, and safety can be obtained by changing the type of transition metal.
例えば、LiCoO2 などのR−3m菱面体岩塩層状複合酸化物を用いた二次電池では、140mAh/g〜160Ah/gの比較的高い容量密度を示すと共に、2.5V〜4.2Vの高い電圧領域では良好な可逆性を示し、更に、優れた充電性を示す。また、LiNiO2 などを用いた二次電池では、180mAh/g〜200Ah/gの高い容量密度を示すが、一方で熱的安定性が十分ではなく、充放電サイクル時に電解液の分解反応により、寿命性能や保存性能が十分ではないという問題が課題とされている。更に、比較的に安価なマンガンを原料として用いた複合酸化物を用いた二次電池、例えば、LiMn2 O4 を用いた二次電池では、容量密度が100mAh/g〜120Ah/gと低く、また、斜方晶系のLiMnO2 を用いた二次電池についても、容量密度が低いという問題が課題とされている。 For example, a secondary battery using an R-3m rhombohedral rock salt layered composite oxide such as LiCoO 2 exhibits a relatively high capacity density of 140 mAh / g to 160 Ah / g and a high value of 2.5 V to 4.2 V. Good reversibility is exhibited in the voltage region, and further excellent chargeability is exhibited. Moreover, the secondary battery using LiNiO 2 or the like shows a high capacity density of 180 mAh / g to 200 Ah / g, but on the other hand, the thermal stability is not sufficient, and due to the decomposition reaction of the electrolyte during the charge / discharge cycle, The problem that the life performance and storage performance are not sufficient is a problem. Furthermore, in a secondary battery using a complex oxide using relatively inexpensive manganese as a raw material, for example, a secondary battery using LiMn 2 O 4 , the capacity density is as low as 100 mAh / g to 120 Ah / g, Further, a secondary battery using orthorhombic LiMnO 2 has a problem of low capacity density.
ところで、従来のリチウムイオン二次電池は、正極にコバルト酸リチウム、負極に炭素材料を用い、充電終止電圧は4.1V〜4.2Vとされている。このように充電終止電圧を設計したリチウムイオン二次電池では、正極に用いられるコバルト酸リチウムなどの正極活物質は、その理論容量に対して50%〜60%程度の容量を活用しているに過ぎない。このため、更に充電電圧を上げることにより、残存容量を活用することが原理的には可能であり、実際に充電時の電圧を4.30V以上にすることにより高エネルギー密度化を図れることが知られている(例えば、特許文献1参照)。 By the way, the conventional lithium ion secondary battery uses lithium cobaltate for the positive electrode and a carbon material for the negative electrode, and the end-of-charge voltage is 4.1V to 4.2V. In the lithium ion secondary battery designed with the end-of-charge voltage in this way, the positive electrode active material such as lithium cobaltate used for the positive electrode utilizes a capacity of about 50% to 60% with respect to its theoretical capacity. Not too much. For this reason, it is theoretically possible to utilize the remaining capacity by further increasing the charging voltage, and it is known that the energy density can be increased by actually setting the charging voltage to 4.30 V or higher. (For example, refer to Patent Document 1).
しかし、充電電圧を高くすると正極近傍における酸化雰囲気が強くなり、正極活物質が崩壊あるいは溶出したり、電解質あるいはセパレータが劣化しやすくなってしまうという問題があった。 However, when the charging voltage is increased, the oxidizing atmosphere in the vicinity of the positive electrode becomes strong, and there is a problem that the positive electrode active material collapses or elutes, and the electrolyte or the separator easily deteriorates.
一方、リチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物は、充電電圧を高くしても熱的安定性が高く、放電容量についても、例えば、充電終止電圧を4.30V以上に設定することにより、160mAh/g〜200mAh/gとなることが開示されている(非特許文献1,特許文献2,3参照)。
しかしながら、リチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物は、正極に対する充填性が低く、単位体積当たりの放電容量が低くなってしまうので、高エネルギー密度化は困難であるという問題があった。 However, the lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide has a problem that it is difficult to increase the energy density because the filling property with respect to the positive electrode is low and the discharge capacity per unit volume is low.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、エネルギー密度を向上させると共に、充放電効率を向上させることができる電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a battery that can improve energy density and charge / discharge efficiency.
本発明による電池は、正極活物質層を有する正極と、負極活物質層を有する負極とがセパレータを介して対向配置されたものであって、一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧が4.25V以上6.00V以下の範囲内であり、正極活物質層は、化1に示した平均組成を有する第1の正極材料と、化2に示した平均組成を有する第2の正極材料とを含むものである。 A battery according to the present invention is a battery in which a positive electrode having a positive electrode active material layer and a negative electrode having a negative electrode active material layer are arranged to face each other via a separator, and the open circuit in a fully charged state per pair of positive electrode and negative electrode The voltage is in the range of 4.25 V to 6.00 V, and the positive electrode active material layer includes the first positive electrode material having the average composition shown in Chemical Formula 1 and the second positive electrode material having the average composition shown in Chemical Formula 2. And a positive electrode material.
(化1)
Lia Co1-b M1b O2-c
(式中、M1はマンガン,ニッケル,マグネシウム(Mg),アルミニウム(Al),ホウ素(B),チタン(Ti),バナジウム(V),クロム(Cr),鉄(Fe),銅(Cu),亜鉛(Zn),ガリウム(Ga),イットリウム(Y),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),スズ(Sn),カルシウム(Ca),ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。a,bおよびcの値は、0.9≦a≦1.1,0≦b≦0.3,−0.1≦c≦0.1の範囲内である。)
(Chemical formula 1)
Li a Co 1-b M1 b O 2-c
(In the formula, M1 is manganese, nickel, magnesium (Mg), aluminum (Al), boron (B), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), copper (Cu), From zinc (Zn), gallium (Ga), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tin (Sn), calcium (Ca), strontium (Sr) and tungsten (W) Represents at least one of the group consisting of a, b and c in the range of 0.9 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.3, −0.1 ≦ c ≦ 0.1. Within.)
(化2)
Liw Nix Coy Mnz M21-x-y-z O2-v
(式中、M2はマグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,銅,亜鉛,ガリウム,イットリウム,ジルコニウム,ニオブ,モリブデン,スズ,カルシウム,ストロンチウムおよびタングステンからなる群のうちの少なくとも1種を表す。v,w,x,yおよびzの値は、−0.1≦v≦0.1,0.9≦w≦1.1,0<x<1,0<y<0.7,0<z<0.5,0≦1−x−y−z≦0.2の範囲内である。)
(Chemical formula 2)
Li w Ni x Co y Mn z M2 1-xyz O 2-v
(Wherein M2 is at least one selected from the group consisting of magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, tin, calcium, strontium, and tungsten. The values of v, w, x, y and z are −0.1 ≦ v ≦ 0.1, 0.9 ≦ w ≦ 1.1, 0 <x <1, 0 <y <0.7. , 0 <z <0.5, 0 ≦ 1-xyz ≦ 0.2.)
本発明による電池によれば、完全充電時における開回路電圧を4.25V以上6.00V以下の範囲内としたので、高いエネルギー密度を得ることができる。また、化1に示した平均組成を有する第1の正極材料と、化2に示した平均組成を有する第2の正極材料とを混合して用いるようにしたので、よりエネルギー密度を高くすることができると共に、充放電効率を向上させることができる。 According to the battery of the present invention, since the open circuit voltage at the time of full charge is in the range of 4.25V to 6.00V, a high energy density can be obtained. In addition, since the first positive electrode material having the average composition shown in Chemical Formula 1 and the second positive electrode material having the average composition shown in Chemical Formula 2 are mixed and used, the energy density is further increased. In addition, the charge / discharge efficiency can be improved.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施の形態に係る二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池は、電極反応物質としてリチウムを用いている。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、一対の帯状の正極21と帯状の負極22とをセパレータ23を介して対向配置し、巻回した巻回電極体20を有している。電池缶11は、例えばニッケルのめっきがされた鉄により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶11の内部には、巻回電極体20を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板12,13がそれぞれ配置されている。
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a secondary battery according to an embodiment of the present invention. This secondary battery uses lithium as an electrode reactant. This secondary battery is a so-called cylindrical type, and a pair of strip-like
電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、この電池蓋14の内側に設けられた安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)16とが、ガスケット17を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶11の内部は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板15Aが反転して電池蓋14と巻回電極体20との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子16は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
At the open end of the battery can 11, a
巻回電極体20の中心にはセンターピン24が挿入されている。巻回電極体20の正極21にはアルミニウムなどよりなる正極リード25が接続されており、負極22にはニッケルなどよりなる負極リード26が接続されている。正極リード25は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。
A
図2は図1に示した巻回電極体20の一部を拡大して表すものである。正極21は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、正極集電体21Aの片面のみに正極活物質層21Bを設けるようにしてもよい。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム箔などの金属箔により構成されている。正極活物質層21Bは、例えば、正極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料を含んでいる。
FIG. 2 shows an enlarged part of the spirally
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料は、化1に示した平均組成を有する第1の正極材料と、化2に示した平均組成を有する第2の正極材料とを含んでいる。第1の正極材料は、正極活物質層21Bにおける充填量を多くすることができ、エネルギー密度を高くすることができるからである。また、第1の正極材料のみでは、充電電圧を高くした場合に、正極材料,電解質あるいはセパレータが劣化し、充放電効率が低下してしまうが、第2の正極材料を混合することにより、これらの劣化が抑制されるからである。 The positive electrode material capable of inserting and extracting lithium includes a first positive electrode material having an average composition shown in Chemical Formula 1 and a second positive electrode material having an average composition shown in Chemical Formula 2. This is because the first positive electrode material can increase the filling amount in the positive electrode active material layer 21B and can increase the energy density. In addition, with only the first positive electrode material, when the charging voltage is increased, the positive electrode material, the electrolyte, or the separator deteriorates, and the charge / discharge efficiency decreases. However, by mixing the second positive electrode material, It is because deterioration of the is suppressed.
(化1)
Lia Co1-b M1b O2-c
(式中、M1はマンガン,ニッケル,マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,銅,亜鉛,ガリウム,イットリウム,ジルコニウム,ニオブ,モリブデン,スズ,カルシウム,ストロンチウムおよびタングステンからなる群のうちの少なくとも1種を表す。a,bおよびcの値は、0.9≦a≦1.1,0≦b≦0.3,−0.1≦c≦0.1の範囲内である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、aの値は完全放電状態における値を表している。)
(Chemical formula 1)
Li a Co 1-b M1 b O 2-c
(In the formula, M1 is a group consisting of manganese, nickel, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, tin, calcium, strontium, and tungsten. The values of a, b and c are in the range of 0.9 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.3, −0.1 ≦ c ≦ 0.1. Note that the composition of lithium differs depending on the state of charge and discharge, and the value of a represents the value in a fully discharged state.
(化2)
Liw Nix Coy Mnz M21-x-y-z O2-v
(式中、M2はマグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,銅,亜鉛,ガリウム,イットリウム,ジルコニウム,ニオブ,モリブデン,スズ,カルシウム,ストロンチウムおよびタングステンからなる群のうちの少なくとも1種を表す。v,w,x,yおよびzの値は、−0.1≦v≦0.1,0.9≦w≦1.1,0<x<1,0<y<0.7,0<z<0.5,0≦1−x−y−z≦0.2の範囲内である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、wの値は完全放電状態における値を表している。)
(Chemical formula 2)
Li w Ni x Co y Mn z M2 1-xyz O 2-v
(Wherein M2 is at least one selected from the group consisting of magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, copper, zinc, gallium, yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, tin, calcium, strontium, and tungsten. The values of v, w, x, y and z are −0.1 ≦ v ≦ 0.1, 0.9 ≦ w ≦ 1.1, 0 <x <1, 0 <y <0.7. , 0 <z <0.5, 0 ≦ 1-xyz ≦ 0.2 Note that the composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of w is a value in a fully discharged state. Represents.)
第1の正極材料と、第2の正極材料との質量比による割合(第1の正極材料:第2の正極材料)は、5:5から9:1の範囲内であることが好ましく、より好ましくは7:3から9:1である。第1の正極材料の割合が小さいと、エネルギー密度が低下してしまい、第1の正極材料の割合が大きいと、充放電効率が低下してしまうからである。 The ratio by mass ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material (first positive electrode material: second positive electrode material) is preferably in the range of 5: 5 to 9: 1, more Preferably it is 7: 3 to 9: 1. This is because when the proportion of the first positive electrode material is small, the energy density is lowered, and when the proportion of the first positive electrode material is large, the charge / discharge efficiency is lowered.
第1の正極材料の粉体と、第2の正極材料の粉体との混合粉体の密度は、1t/cm3 の圧力でプレスした際に、3.0g/cm3 以上であることが好ましく、3.2g/cm3 以上であればより好ましい。正極21を圧縮成型して作製する際に、粉体の粒径分布を適正化することにより、単位体積当たりの容量を高くすることができるからである。具体的に例を挙げれば、粉体の粒径分布に幅があり、粒径の小さい粉体の割合が20質量%から50質量%の場合には、粒径の大きい粉体の粒径分布を狭くすることにより適正化することができる。
The density of the mixed powder of the first positive electrode material powder and the second positive electrode material powder may be 3.0 g / cm 3 or more when pressed at a pressure of 1 t / cm 3. Preferably, it is more preferably 3.2 g / cm 3 or more. This is because when the
第1の正極材料の粉体と、第2の正極材料の粉体との混合粉体のBET(Brunauer Emmett Teller)法による比表面積は、0.05m2 /g以上10.0m2 /g以下の範囲内であることが好ましく、0.1m2 /g以上5.0m2 /g以下の範囲内でればより好ましい。この範囲内で、電池電圧を高くしても、正極材料と電解液等との反応性を低下させることができるからである。 A powder of a first cathode material, the specific surface area by BET (Brunauer Emmett Teller) method of mixing powders of the powder of the second cathode material, 0.05 m 2 / g or more 10.0 m 2 / g or less It is preferable that it is in the range of 0.1 m 2 / g or more and 5.0 m 2 / g or less. This is because within this range, even if the battery voltage is increased, the reactivity between the positive electrode material and the electrolytic solution can be reduced.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、これらの正極材料に加えて、他の正極材料を混合して用いてもよい。他の正極材料としては、例えば、リチウム酸化物,リチウムリン酸化物,リチウム硫化物あるいはリチウムを含む層間化合物などのリチウム含有化合物が挙げられ、これらの2種以上を混合して用いてもよい。このようなリチウム含有化合物としては、化3に示したスピネル型の構造を有するリチウム複合酸化物、または化4に示したオリビン型の構造を有するリチウム複合リン酸塩などが挙げられ、具体的には、Lid Mn2 O4 (d≒1)あるいはLie FePO4 (e≒1)などがある。 As a positive electrode material capable of inserting and extracting lithium, in addition to these positive electrode materials, other positive electrode materials may be mixed and used. Examples of other positive electrode materials include lithium-containing compounds such as lithium oxide, lithium phosphorus oxide, lithium sulfide, or an intercalation compound containing lithium, and a mixture of two or more of these may be used. Examples of such a lithium-containing compound include a lithium composite oxide having a spinel structure shown in Chemical Formula 3, or a lithium composite phosphate having an olivine structure shown in Chemical Formula 4, and specifically. Is Li d Mn 2 O 4 (d≈1) or Li e FePO 4 (e≈1).
(化3)
Lip Mn2-q M4q Or Fs
(式中、M4は、コバルト,ニッケル,マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,銅,亜鉛,モリブデン,スズ,カルシウム,ストロンチウムおよびタングステンからなる群のうちの少なくとも1種を表す。p,q,rおよびsは、0.9≦p≦1.1、0≦q≦0.6、3.7≦r≦4.1、0≦s≦0.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、pの値は完全放電状態における値を表している。)
(Chemical formula 3)
Li p Mn 2-q M4 q O r F s
(In the formula, M4 represents at least one selected from the group consisting of cobalt, nickel, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, copper, zinc, molybdenum, tin, calcium, strontium, and tungsten. p, q, r, and s are values in the range of 0.9 ≦ p ≦ 1.1, 0 ≦ q ≦ 0.6, 3.7 ≦ r ≦ 4.1, and 0 ≦ s ≦ 0.1. (Note that the composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of p represents the value in a fully discharged state.)
(化4)
Lit M5PO4
(式中、M5は、コバルト,マンガン,鉄,ニッケル,マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,ニオブ,銅,亜鉛,モリブデン,カルシウム,ストロンチウム,タングステンおよびジルコニウムからなる群のうちの少なくとも1種を表す。tは、0.9≦t≦1.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、tの値は完全放電状態における値を表している。)
(Chemical formula 4)
Li t M5PO 4
(Wherein M5 represents at least one selected from the group consisting of cobalt, manganese, iron, nickel, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, niobium, copper, zinc, molybdenum, calcium, strontium, tungsten and zirconium. (T is a value in the range of 0.9 ≦ t ≦ 1.1. Note that the composition of lithium varies depending on the state of charge and discharge, and the value of t represents a value in the complete discharge state.)
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、これらの他にも、MnO2 ,V2 O5 ,V6 O13,NiS,MoSなどのリチウムを含まない無機化合物も挙げられる。 In addition to these, examples of the positive electrode material capable of inserting and extracting lithium include inorganic compounds not containing lithium, such as MnO 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 , NiS, and MoS.
正極活物質層21Bは、必要に応じて導電剤および結着剤などを含んでいてもよい。導電剤としては、例えば、アセチレンブラック,黒鉛,ケッチェンブラックなどの炭素系材料が挙げられる。結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン,ポリテトラフルオロエチレン,ポリアミド,カルボキシメチルセルロースあるいはアクリル樹脂が挙げられる。 The positive electrode active material layer 21B may include a conductive agent and a binder as necessary. Examples of the conductive agent include carbon-based materials such as acetylene black, graphite, and ketjen black. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyamide, carboxymethyl cellulose, and acrylic resin.
負極22は、例えば、対向する一対の面を有する負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、負極集電体22Aの片面のみに負極活物質層22Bを設けるようにしてもよい。負極集電体22Aは、例えば、銅箔などの金属箔により構成されている。
The
負極活物質層22Bは、負極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか1種または2種以上を含んで構成されている。
The negative electrode
なお、この二次電池では、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の電気化学当量が、正極21の電気化学当量よりも大きくなっており、充電の途中において負極22にリチウム金属が析出しないようになっている。
In this secondary battery, the electrochemical equivalent of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium is larger than the electrochemical equivalent of the
また、この二次電池は、完全充電時における開回路電圧(すなわち電池電圧)が4.25V以上6.00V以下の範囲内になるように設計されている。よって、完全充電時における開回路電圧が4.20Vの電池よりも、同じ正極活物質であっても、単位質量当たりのリチウムの放出量が多くなるので、それに応じて正極活物質と負極活物質との量が調整されている。これにより高いエネルギー密度が得られるようになっている。特に、完全充電時における開回路電圧が4.25V以上4.50V以下の範囲内とした場合に、上述した第1の正極材料と第2の正極材料とを用いる効果が高くなっている。 In addition, this secondary battery is designed so that the open circuit voltage (that is, the battery voltage) at the time of full charge is in the range of 4.25V to 6.00V. Therefore, even if the positive electrode active material is the same as that of the battery having an open circuit voltage of 4.20 V at the time of full charge, the amount of lithium released per unit mass is increased. Accordingly, the positive electrode active material and the negative electrode active material And the amount has been adjusted. As a result, a high energy density can be obtained. In particular, the effect of using the first positive electrode material and the second positive electrode material described above is high when the open circuit voltage during complete charging is in the range of 4.25 V to 4.50 V.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素,易黒鉛化性炭素,黒鉛,熱分解炭素類,コークス類,ガラス状炭素類,有機高分子化合物焼成体,炭素繊維あるいは活性炭などの炭素材料が挙げられる。このうち、コークス類には、ピッチコークス,ニードルコークスあるいは石油コークスなどがある。有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂等の高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいい、一部には難黒鉛化性炭素または易黒鉛化性炭素に分類されるものもある。また、高分子材料としてはポリアセチレンあるいはポリピロールなどがある。これら炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高い充放電容量を得ることができると共に、良好なサイクル特性を得ることができるので好ましい。特に黒鉛は、電気化学当量が大きく、高いエネルギー密度を得ることができ好ましい。また、難黒鉛化性炭素は、優れた特性が得られるので好ましい。更にまた、充放電電位が低いもの、具体的には充放電電位がリチウム金属に近いものが、電池の高エネルギー密度化を容易に実現することができるので好ましい。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, graphite, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, and fired organic polymer compounds , Carbon materials such as carbon fiber or activated carbon. Among these, examples of coke include pitch coke, needle coke, and petroleum coke. An organic polymer compound fired body is a carbonized material obtained by firing a polymer material such as a phenol resin or a furan resin at an appropriate temperature, and part of it is non-graphitizable carbon or graphitizable carbon. Some are classified as: Examples of the polymer material include polyacetylene and polypyrrole. These carbon materials are preferable because the change in crystal structure that occurs during charge and discharge is very small, a high charge and discharge capacity can be obtained, and good cycle characteristics can be obtained. In particular, graphite is preferable because it has a high electrochemical equivalent and can provide a high energy density. Further, non-graphitizable carbon is preferable because excellent characteristics can be obtained. Furthermore, those having a low charge / discharge potential, specifically, those having a charge / discharge potential close to that of lithium metal are preferable because a high energy density of the battery can be easily realized.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料として炭素材料を用いる場合には、負極活物質層22Bに対する正極活物質層21Bの面積密度比(正極活物質層21Bの面積密度/負極活物質層22Bの面積密度)は、1.70以上2.10以下の範囲内にすれば、好ましい。面積密度が大きいと、負極22の表面に金属リチウムが析出してしまい、充放電効率あるいは安全性などが低下してしまうからである。また、面積密度比が小さいと、電極反応物質であるリチウムとの反応に関与しない負極材料が増加してしまい、エネルギー密度が低下してしまうからである。
When a carbon material is used as the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium, the area density ratio of the positive electrode active material layer 21B to the negative electrode
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、また、リチウムを吸蔵および放出することが可能であり、金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含む材料も挙げられる。このような材料を用いれば、高いエネルギー密度を得ることができるからである。特に、炭素材料と共に用いるようにすれば、高エネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるのでより好ましい。この負極材料は金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、またこれらの1種または2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、本発明において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体,共晶(共融混合物),金属間化合物あるいはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include materials capable of inserting and extracting lithium and containing at least one of a metal element and a metalloid element as a constituent element. . This is because a high energy density can be obtained by using such a material. In particular, the use with a carbon material is more preferable because a high energy density can be obtained and excellent cycle characteristics can be obtained. The negative electrode material may be a single element, alloy or compound of a metal element or metalloid element, or may have at least a part of one or more of these phases. In the present invention, alloys include those containing one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to those composed of two or more metal elements. Moreover, the nonmetallic element may be included. There are structures in which a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or two or more of them coexist.
この負極材料を構成する金属元素あるいは半金属元素としては、例えば、マグネシウム,ホウ素,アルミニウム,ガリウム(Ga),インジウム(In),ケイ素(Si),ゲルマニウム(Ge),スズ,鉛(Pb),ビスマス(Bi),カドミウム(Cd),銀(Ag),亜鉛,ハフニウム(Hf),ジルコニウム,イットリウム,パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)が挙げられる。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。 Examples of the metal element or metalloid element constituting the negative electrode material include magnesium, boron, aluminum, gallium (Ga), indium (In), silicon (Si), germanium (Ge), tin, lead (Pb), Bismuth (Bi), cadmium (Cd), silver (Ag), zinc, hafnium (Hf), zirconium, yttrium, palladium (Pd), or platinum (Pt) can be used. These may be crystalline or amorphous.
中でも、この負極材料としては、短周期型周期表における4B族の金属元素あるいは半金属元素を構成元素として含むものが好ましく、特に好ましいのはケイ素およびスズの少なくとも一方を構成元素として含むものである。ケイ素およびスズは、リチウムを吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。 Among these, as the negative electrode material, a material containing a 4B group metal element or a semimetal element in the short-period type periodic table as a constituent element is preferable, and at least one of silicon and tin is particularly preferable as a constituent element. This is because silicon and tin have a large ability to occlude and release lithium, and a high energy density can be obtained.
スズの合金としては、例えば、スズ以外の第2の構成元素として、ケイ素,ニッケル,銅,鉄,コバルト,マンガン,亜鉛,インジウム,銀,チタン,ゲルマニウム,ビスマス,アンチモン(Sb),およびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の第2の構成元素として、スズ,ニッケル,銅,鉄,コバルト,マンガン,亜鉛,インジウム,銀,チタン,ゲルマニウム,ビスマス,アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。 Examples of the tin alloy include, as the second constituent element other than tin, silicon, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony (Sb), and chromium. The thing containing at least 1 sort (s) of the group which consists of is mentioned. As an alloy of silicon, for example, as a second constituent element other than silicon, among the group consisting of tin, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony and chromium The thing containing at least 1 sort (s) of these is mentioned.
スズの化合物あるいはケイ素の化合物としては、例えば、酸素(O)あるいは炭素(C)を含むものが挙げられ、スズまたはケイ素に加えて、上述した第2の構成元素を含んでいてもよい。 Examples of the tin compound or silicon compound include those containing oxygen (O) or carbon (C), and may contain the second constituent element described above in addition to tin or silicon.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、更に、他の金属化合物あるいは高分子材料が挙げられる。他の金属化合物としては、MnO2 ,V2 O5 ,V6 O13)などの酸化物、NiS,MoSなどの硫化物、あるいはLiN3 などのリチウム窒化物が挙げられ、高分子材料としてはポリアセチレン,ポリアニリンあるいはポリピロールなどが挙げられる。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium further include other metal compounds or polymer materials. Examples of other metal compounds include oxides such as MnO 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 ), sulfides such as NiS and MoS, and lithium nitrides such as LiN 3. Examples include polyacetylene, polyaniline, and polypyrrole.
負極活物質層22Bは、必要に応じて導電剤および結着剤を含んでいてもよい。導電剤としては、例えば、人造黒鉛あるいは膨張黒鉛などのグラファイト類、アセチレンブラック,ケッチェンブラック,チャンネルブラックあるいはファーネスブラックなどのカーボンブラック類、炭素繊維あるいは金属繊維などの導電性繊維類、銅粉末あるいはニッケル粉末などの金属粉末類、ポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料が挙げられ、中でも、アセチレンブラック,ケッチェンブラックあるいは炭素繊維が好ましい。導電剤の添加量は、負極材料100質量部に対して0.1質量部以上30質量部以下の範囲内とすることが好ましく、0.5質量部以上10質量部以下の範囲内とすればより好ましい。導電剤には、1種を単独で用いてもよいが、複数種を混合して用いてもよい。結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンあるいはポリフッ化ビニリデンが挙げられ、1種を単独で用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。
The negative electrode
セパレータ23は、例えば、基材層と、正極21に対向する側の面の少なくとも一部、より好ましくは正極21に対向する側の全面、更に好ましくは両面に設けられた表面層とを有している。基材層としては、例えば、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜により構成されており、これら2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリオレフィン製の多孔質膜はショート防止効果に優れ、かつシャットダウン効果による電池の安全性向上を図ることができるので好ましい。特に、ポリエチレンは、100℃以上160℃以下の範囲内においてシャットダウン効果を得ることができ、かつ電気化学的安定性にも優れているので、基材層を構成する材料として好ましい。また、ポリプロピレンも好ましく、他にも化学的安定性を備えた樹脂であればポリエチレンあるいはポリプロピレンと共重合させたり、またはブレンド化することで用いることができる。
The
表面層は、ポリフッ化ビニリデンおよびポリプロピレンのうちの少なくとも1種を含んで構成されている。これにより、化学的安定性が向上し、微小ショートの発生による充放電効率の低下が抑制されるようになっている。なお、表面層ポリプロピレンにより形成する場合には、基材層をポリプロピレンにより形成し単層としてもよい。 The surface layer includes at least one of polyvinylidene fluoride and polypropylene. Thereby, chemical stability improves and the fall of charging / discharging efficiency by generation | occurrence | production of a micro short circuit is suppressed. In addition, when forming with a surface layer polypropylene, it is good also considering a base material layer as a single layer by forming with a polypropylene.
正極21に対向する側の表面層の厚みは、0.1μm以上10μm以下の範囲内が好ましい。厚みが薄いと微小ショートの発生を抑制する効果が低く、厚みが厚いとイオン伝導性が低下してしまうと共に体積容量が低下してしまうからである。
The thickness of the surface layer facing the
セパレータ23の孔径は、正極21あるいは負極22からの溶出物などが透過しない範囲とすれば好ましく、具体的には0.01μm以上1μm以下の範囲内であれば好ましい。また、セパレータ23の厚みは、例えば、10μm以上300μm以下の範囲内であり、15μm以上30μm以下の範囲内であれば好ましい。厚みが薄いと、ショートが発生してしまうことがあり、厚みが厚いと、正極材料の充填量が低下してしまうからである。セパレータ23の空孔率は、電子およびイオンの透過性、素材あるいは厚みにより決定されるが、一般には30体積%以上80体積%以下の範囲内であり、より好ましくは35体積%以上50体積%以下の範囲内である。空孔率が低いとイオン伝導性が低下してしまい、高いとショートが発生することがあるからである。
The pore diameter of the
セパレータ23には、液状の電解質である電解液が含浸されている。この電解液は、溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩とを含んでいる。
The
溶媒としては、炭酸エチレンあるいは炭酸プロピレンなどの環状の炭酸エステルを用いることができ、炭酸エチレンおよび炭酸プロピレンのうちの一方、特に両方を混合して用いることが好ましい。サイクル特性を向上させることができるからである。 As the solvent, cyclic carbonates such as ethylene carbonate or propylene carbonate can be used, and it is preferable to use one of ethylene carbonate and propylene carbonate, particularly a mixture of both. This is because the cycle characteristics can be improved.
溶媒としては、また、これらの環状の炭酸エステルに加えて、炭酸ジエチル,炭酸ジメチル,炭酸エチルメチルあるいは炭酸メチルプロピルなどの鎖状の炭酸エステルを混合して用いることが好ましい。高いイオン伝導性を得ることができるからである。 As the solvent, in addition to these cyclic carbonates, it is preferable to use a mixture of chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate or methylpropyl carbonate. This is because high ionic conductivity can be obtained.
溶媒としては、更にまた、2,4−ジフルオロアニソールあるいは炭酸ビニレンを含むこと好ましい。2,4−ジフルオロアニソールは放電容量を向上させることができ、また、炭酸ビニレンはサイクル特性を向上させることができるからである。よって、これらを混合して用いれば、放電容量およびサイクル特性を向上させることができるので好ましい。 It is preferable that the solvent further contains 2,4-difluoroanisole or vinylene carbonate. This is because 2,4-difluoroanisole can improve discharge capacity, and vinylene carbonate can improve cycle characteristics. Therefore, it is preferable to use a mixture of these because the discharge capacity and cycle characteristics can be improved.
これらの他にも、溶媒としては、炭酸ブチレン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピロニトリル、N,N−ジメチルフォルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、N,N−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、ジメチルスルフォキシドあるいはリン酸トリメチルなどが挙げれる。 In addition to these, examples of the solvent include butylene carbonate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3- Dioxolane, methyl acetate, methyl propionate, acetonitrile, glutaronitrile, adiponitrile, methoxyacetonitrile, 3-methoxypropironitrile, N, N-dimethylformamide, N-methylpyrrolidinone, N-methyloxazolidinone, N, N-dimethyl Examples include imidazolidinone, nitromethane, nitroethane, sulfolane, dimethyl sulfoxide, and trimethyl phosphate.
なお、これらの非水溶媒の少なくとも一部の水素をフッ素で置換した化合物は、組み合わせる電極の種類によっては、電極反応の可逆性を向上させることができる場合があるので、好ましい場合もある。 A compound obtained by substituting at least a part of hydrogen in these non-aqueous solvents with fluorine may be preferable because the reversibility of the electrode reaction may be improved depending on the type of electrode to be combined.
電解質塩としては、例えばリチウム塩が挙げれ、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。リチウム塩としては、LiPF6 ,LiBF4 ,LiAsF6 ,LiClO4 ,LiB(C6 H5 )4 ,LiCH3 SO3 ,LiCF3 SO3 ,LiN(SO2 CF3 )2 ,LiC(SO2 CF3 )3 ,LiAlCl4 ,LiSiF6 ,LiClあるいはLiBrなどが挙げられる。中でも、LiPF6 は高いイオン伝導性を得ることができると共に、サイクル特性を向上させることができるので好ましい。 As electrolyte salt, lithium salt is mentioned, for example, 1 type may be used independently, and 2 or more types may be mixed and used for it. Lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCH 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiAlCl 4 , LiSiF 6 , LiCl, LiBr or the like. Among them, LiPF 6 is preferable because it can obtain high ion conductivity and can improve cycle characteristics.
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、例えば、第1の正極材料および第2の正極材料と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーを作製する。次いで、この正極合剤スラリーを正極集電体21Aに塗布し溶剤を乾燥させ、ロールプレス機などにより圧縮成型することにより正極活物質層21Bを形成し、正極21を形成する。
First, for example, a first positive electrode material and a second positive electrode material, a conductive agent, and a binder are mixed to prepare a positive electrode mixture, and this positive electrode mixture is mixed with N-methyl-2-pyrrolidone or the like. A paste-like positive electrode mixture slurry is prepared by dispersing in a solvent. Next, the positive electrode mixture slurry is applied to the positive electrode
また、例えば、負極材料と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の負極合剤スラリーを作製する。次いで、この負極合剤スラリーを負極集電体22Aに塗布し溶剤を乾燥させ、ロールプレス機などにより圧縮成型することにより負極活物質層22Bを形成し、負極22を作製する。
Further, for example, a negative electrode material and a binder are mixed to prepare a negative electrode mixture, and the negative electrode mixture is dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a paste-like negative electrode mixture slurry. Make it. Next, the negative electrode mixture slurry is applied to the negative electrode
続いて、正極集電体21Aに正極リード25を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード26を溶接などにより取り付ける。そののち、正極21と負極22とをセパレータ23を介して巻回し、正極リード25の先端部を安全弁機構15に溶接すると共に、負極リード26の先端部を電池缶11に溶接して、巻回した正極21および負極22を一対の絶縁板12,13で挟み電池缶11の内部に収納する。正極21および負極22を電池缶11の内部に収納したのち、電解液を電池缶11の内部に注入し、セパレータ23に含浸させる。そののち、電池缶11の開口端部に電池蓋14,安全弁機構15および熱感抵抗素子16をガスケット17を介してかしめることにより固定する。これにより、図1に示した二次電池が形成される。
Subsequently, the positive electrode lead 25 is attached to the positive electrode
この二次電池では、充電を行うと、正極活物質層21Bからリチウムイオンが放出され、電解液を介して、負極活物質層22Bに含まれるリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料に吸蔵される。次いで、放電を行うと、負極活物質層22B中のリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料に吸蔵されたリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極活物質層21Bに吸蔵される。ここでは、正極21に第1の正極材料および第2の正極材料が含まれているので、完全充電時における開回路電圧を高くしても、よりエネルギー密度が高くなると共に、充放電効率が改善される。
In this secondary battery, when charged, lithium ions are released from the positive electrode active material layer 21B, and the negative electrode material that can occlude and release lithium contained in the negative electrode
このように本実施の形態に係る二次電池によれば、完全充電時における開回路電圧を4.25V以上6.00V以下の範囲内としたので、高いエネルギー密度を得ることができる。また、第1の正極材料と、第2の正極材料とを混合して用いるようにしたので、よりエネルギー密度を高くすることができると共に、充放電効率を向上させることができる。 As described above, according to the secondary battery according to the present embodiment, the open circuit voltage at the time of full charge is in the range of 4.25 V or more and 6.00 V or less, so that a high energy density can be obtained. In addition, since the first positive electrode material and the second positive electrode material are mixed and used, the energy density can be further increased and the charge / discharge efficiency can be improved.
特に、第1の正極材料と、第2の正極材料との質量比による割合(第1の正極材料:第2の正極材料)を、5:5から9:1の範囲内とするようにすれば、または負極活物質層22Bに炭素材料を含む場合に、負極活物質層22Bに対する正極活物質層21Bの面積密度比(正極活物質層21Bの面積密度/負極活物質層22Bの面積密度)を1.70以上2.10以下の範囲内とするようにすれば、より高い効果を得ることができる。
In particular, the ratio by mass ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material (first positive electrode material: second positive electrode material) should be within a range of 5: 5 to 9: 1. If the negative electrode
更に、セパレータ23の正極側の少なくとも一部をポリフッ化ビニリデンおよびポリプロピレンのうちの少なくとも一方よりなるようにすれば、更に充放電効率を向上させることができる。
Furthermore, if at least a part of the
更に、本発明の具体的な実施例について、詳細に説明する Furthermore, specific examples of the present invention will be described in detail.
(実施例1−1〜1−7)
まず、水酸化リチウム(LiOH)と、Co0.98Al0.01Mg0.01(OH)2 で表される共沈水酸化物とを、リチウムと他の金属元素の合計とのモル比がLi:(Co+Al+Mg)=1:1となるように混合し、この混合物を空気中において800℃で12時間熱処理することにより、平均組成がLiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 で表される第1の正極材料を作製した。次いで、得られた第1の正極材料を粉砕して、BETによる比表面積が0.44m2 /g、平均粒子径が6.2μmのものと、BETによる比表面積が0.20m2 /g、平均粒子径が16.7μmのものとを作製し、これらを15:85の質量比で混合した。
(Examples 1-1 to 1-7)
First, lithium hydroxide (LiOH) and a coprecipitated hydroxide represented by Co 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 (OH) 2 are mixed at a molar ratio of lithium and the other metal elements of Li: (Co + Al + Mg) = The mixture was mixed at 1: 1, and this mixture was heat-treated in air at 800 ° C. for 12 hours to produce a first positive electrode material having an average composition represented by LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 . Next, the obtained first positive electrode material was pulverized to have a BET specific surface area of 0.44 m 2 / g, an average particle diameter of 6.2 μm, and a BET specific surface area of 0.20 m 2 / g, Those having an average particle diameter of 16.7 μm were prepared, and these were mixed at a mass ratio of 15:85.
また、水酸化リチウムと、Ni0.5 Co0.2 Mn0.3 (OH)2 で表される共沈水酸化物とを、リチウムと他の金属元素の合計とのモル比がLi:(Ni+Co+Mn)=1:1となるように混合し、この混合物を空気中において1000℃で20時間熱処理することにより、平均組成がLiNi0.5 Co0.2 Mn0.3 O2 で表される第2の正極材料を作製した。次いで、得られた第2の正極材料を粉砕した。粉砕後のBETによる比表面積は0.38m2 /g、平均粒子径は11.5μmであった。 The molar ratio of lithium hydroxide and the coprecipitated hydroxide represented by Ni 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 (OH) 2 to the total of lithium and other metal elements is Li: (Ni + Co + Mn) = 1: 1. The mixture was heat-treated in air at 1000 ° C. for 20 hours to produce a second positive electrode material having an average composition represented by LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 . Next, the obtained second positive electrode material was pulverized. The specific surface area by BET after pulverization was 0.38 m 2 / g, and the average particle size was 11.5 μm.
なお、作製した第1の正極材料および第2の正極材料についてCuKαによるX線回折測定を行ったところ、共にR−3m菱面体層状岩塩構造を有していることが確認された。 In addition, when the X-ray-diffraction measurement by CuK (alpha) was performed about the produced 1st positive electrode material and 2nd positive electrode material, it was confirmed that both have R-3m rhombohedral layered rock salt structure.
続いて、作製した第1の正極材料および第2の正極材料を用い、図1,2に示した二次電池を作製した。まず、第1の正極材料および第2の正極材料と、導電剤としてケッチェンブラックと、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを混合して正極合剤を調製した。その際、実施例1−1〜1−7で第1の正極材料と第2の正極材料との割合を表1に示したように変化させた。正極合剤におけるケッチェンブラックおよびポリフッ化ビニリデンの割合は同一とした。次いで、この正極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーとし、厚み20μmの帯状アルミニウム箔よりなる正極集電体21Aの両面に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極活物質層21Bを形成し正極21を作製した。その際、実施例1−1〜1−7で、正極活物質層21Bの面積密度は同一とし、ロールプレス機により加える圧力も同一とした。実施例1−1〜1−7の正極活物質層21Bについて体積密度を調べたところ、実施例1−1は3.6g/cm3 、実施例1−2は3.6g/cm3 、実施例1−3は3.5g/cm3 、実施例1−4は3.4g/cm3 、実施例1−5は3.35g/cm3 、実施例1−6は3.3g/cm3 、実施例1−7は3.2g/cm3 であった。それらの結果を表1に示す。続いて、正極集電体21Aにニッケル製の正極リード25を取り付けた。
Subsequently, the secondary battery shown in FIGS. 1 and 2 was produced using the produced first positive electrode material and second positive electrode material. First, a positive electrode mixture was prepared by mixing the first positive electrode material and the second positive electrode material, ketjen black as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride as a binder. At that time, in Examples 1-1 to 1-7, the ratio between the first positive electrode material and the second positive electrode material was changed as shown in Table 1. The ratio of ketjen black and polyvinylidene fluoride in the positive electrode mixture was the same. Next, this positive electrode mixture is dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a positive electrode mixture slurry, which is applied to both surfaces of a positive electrode
また、負極材料として、BETによる比表面積が0.58m2 /gの粒状人造黒鉛粉末と、導電剤として気相成長炭素繊維と、結着剤としてポリフッ化ビニリデンとを混合して負極合剤を調製した。次いで、この負極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーとし、厚み12μmの帯状銅箔よりなる負極集電体22Aの両面に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して負極活物質層22Bを形成し負極22を作製した。負極活物質層22Bについて体積密度を調べたところ、1.80g/cm3 であった。続いて、負極集電体22Aにニッケル製の負極リード26を取り付けた。その際、正極材料と負極材料の量を調節し、完全充電時における開回路電圧が4.40Vであり、負極22の容量がリチウムの吸蔵および放出による容量成分により表されるように設計した。負極活物質層22Bに対する正極活物質層21Bの面積密度比は、表1に示した通りである。
Further, as a negative electrode material, a granular artificial graphite powder having a BET specific surface area of 0.58 m 2 / g, a vapor-grown carbon fiber as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride as a binder are mixed to prepare a negative electrode mixture. Prepared. Next, this negative electrode mixture is dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to form a negative electrode mixture slurry, which is applied to both surfaces of a negative electrode
正極21および負極22をそれぞれ作製したのち、微多孔質膜のセパレータ23を用意し、負極22,セパレータ23,正極21,セパレータ23の順に積層してこの積層体を渦巻状に多数回巻回し、ジェリーロール型の巻回電極体20を作製した。セパレータ23には、厚みが20μmであり、ポリエチレン層の両面にポリプロピレン層を設けた3層構造のものを用いた。また、実施例1−1〜1−7のいずれについても巻回電極体20の外径が17.19mmとなるように、それぞれ正極21および負極22の巻回方向における長さを調節した。
After each of the
巻回電極体20を作製したのち、巻回電極体20を一対の絶縁板12,13で挟み、負極リード26を電池缶11に溶接すると共に、正極リード25を安全弁機構15に溶接して、巻回電極体20を電池缶11の内部に収納した。そののち、電池缶11の内部に電解液を注入し、ガスケット17を介して電池蓋14を電池缶11にかしめることにより、実施例1−1〜1−7について外径18mm、高さ65mmの円筒型二次電池を得た。電解液には、炭酸エチレン15質量%、炭酸プロピレン12質量%、炭酸エチルメチル5質量%、炭酸ジメチル67質量%、炭酸ビニレン1質量%とを混合した溶媒に、電解質塩としてLiPF6 を1.5mol/kgとなるように溶解させたものを用いた。
After producing the
実施例1−1〜1−7に対する比較例1−1として、第1の正極材料を用いず、平均組成がLiNi0.5 Co0.2 Mn0.3 O2 で表される第2の正極材料のみを用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−7と同様にして二次電池を作製した。また、比較例1−2として、第2の正極材料を用いず、平均組成がLiCo0.98Al0.01Mg0.01O2 で表される第1の正極材料のみを用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−7と同様にして二次電池を作製した。比較例1−1,1−2についても、実施例1−1〜1−7と同様にして、正極活物質層21Bの体積密度を調べたところ、それぞれ表1に示した通りであった。 As Comparative Example 1-1 with respect to Examples 1-1 to 1-7, the first positive electrode material was not used, and only the second positive electrode material having an average composition represented by LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 was used. Except for this, secondary batteries were fabricated in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7. Further, as Comparative Example 1-2, the other examples were used except that the second positive electrode material was not used and only the first positive electrode material having an average composition represented by LiCo 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2 was used. Secondary batteries were fabricated in the same manner as 1-1 to 1-7. Also in Comparative Examples 1-1 and 1-2, the volume density of the positive electrode active material layer 21B was examined in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7, and each was as shown in Table 1.
更に、比較例1−3〜1−11として、第1の正極材料と第2の正極材料との割合を表1に示したように変化させると共に、完全充電時における開回路電圧が4.20Vとなるように正極材料と負極材料との量を調節したことを除き、他は実施例1−1〜1−7と同様にして二次電池を作製した。比較例1−3〜1−11についても、実施例1−1〜1−7と同様にして、正極活物質層21Bの体積密度を調べたところ、それぞれ表2に示した通りであった。 Furthermore, as Comparative Examples 1-3 to 1-11, the ratio between the first positive electrode material and the second positive electrode material was changed as shown in Table 1, and the open circuit voltage during full charge was 4.20 V. A secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7 except that the amounts of the positive electrode material and the negative electrode material were adjusted so that Also in Comparative Examples 1-3 to 1-11, the volume density of the positive electrode active material layer 21B was examined in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7, and each was as shown in Table 2.
得られた実施例1−1〜1−7および比較例1−1〜1−11の二次電池について25℃で充放電を行い、5サイクル目の放電容量、並びに200サイクル目の放電容量維持率および放電容量を調べた。その際、充電は2400mAで上限電圧まで定電流充電をしたのち、上限電圧で充電電流が10mAに減衰するまで行い、放電は2400mAの定電流で端子電圧が3.0Vに達するまで行った。上限電圧は、実施例1−1〜1−7および比較例1−1,1−2では4.40Vとし、比較例1−3〜1−11では4.2Vとした。200サイクル目の容量維持率は、2サイクル目の放電容量に対する200サイクル目の放電容量の比率(200サイクル目の放電容量/2サイクル目の放電容量)×100(%)とした求めた。得られた結果を表1,2に示す。なお、放電容量は、正極活物質層21Bの1g当たりまたは1cm3 当たりの値であり、電池の放電容量(mAh)/正極活物質層21Bの量(gまたはcm3 )により求めた。 The obtained secondary batteries of Examples 1-1 to 1-7 and Comparative Examples 1-1 to 1-11 were charged and discharged at 25 ° C., and the discharge capacity at the fifth cycle and the discharge capacity at the 200th cycle were maintained. The rate and discharge capacity were examined. At that time, charging was performed at a constant current of 2400 mA up to the upper limit voltage, and then the charging current was attenuated to 10 mA at the upper limit voltage, and discharging was performed at a constant current of 2400 mA until the terminal voltage reached 3.0V. The upper limit voltage was 4.40 V in Examples 1-1 to 1-7 and Comparative Examples 1-1 and 1-2, and 4.2 V in Comparative Examples 1-3 to 1-11. The capacity maintenance rate at the 200th cycle was determined as the ratio of the discharge capacity at the 200th cycle to the discharge capacity at the second cycle (discharge capacity at the 200th cycle / discharge capacity at the second cycle) × 100 (%). The obtained results are shown in Tables 1 and 2. The discharge capacity is a value per 1 g or 1 cm 3 of the positive electrode active material layer 21B, and was obtained by the battery discharge capacity (mAh) / the amount of the positive electrode active material layer 21B (g or cm 3 ).
表1に示したように、第1の正極材料と第2の正極材料とを混合して用いた実施例1−1〜1−7によれば、第2の正極材料のみを用いた比較例1−1に比べて、正極活物質層21Bの体積密度が向上し、それにより単位体積当たりの放電容量を向上させることができた。また、実施例1−1〜1−7によれば、第1の正極材料のみを用いた比較例1−2に比べて、放電容量維持率を向上させることができた。一方、表2に示したように、完全充電時における開回路電圧を4.20Vとした比較例1−3〜1−11では、第1の正極材料と第2の正極材料とを混合しても、放電容量維持率の向上は見られなかった。 As shown in Table 1, according to Examples 1-1 to 1-7 using a mixture of the first positive electrode material and the second positive electrode material, comparative examples using only the second positive electrode material Compared to 1-1, the volume density of the positive electrode active material layer 21B was improved, and thereby the discharge capacity per unit volume could be improved. Moreover, according to Examples 1-1 to 1-7, the discharge capacity retention ratio could be improved as compared with Comparative Example 1-2 using only the first positive electrode material. On the other hand, as shown in Table 2, in Comparative Examples 1-3 to 1-11 in which the open circuit voltage during full charge was 4.20 V, the first positive electrode material and the second positive electrode material were mixed. However, the improvement of the discharge capacity maintenance rate was not seen.
すなわち、完全充電時における開回路電圧を4.20Vよりも高くしても、第1の正極材料と第2の正極材料とを混合して用いるようにすれば、放電容量および放電容量維持率について共に高い値を得られることが分かった。 That is, even if the open circuit voltage during full charge is higher than 4.20 V, if the first positive electrode material and the second positive electrode material are mixed and used, the discharge capacity and the discharge capacity maintenance rate It was found that both can obtain high values.
また、第1の正極材料の割合を低下させるに従い、正極活物質層21Bの体積密度は低下し、単位体積当たりの放電容量は低下する傾向が見られた。すなわち、第1の正極材料と第2の正極材料との質量比による割合(第1の正極材料:第2の正極材料)は、5:5から9:1の範囲内であることが好ましく、より好ましくは7:3から9:1であることが分かった。 Further, as the ratio of the first positive electrode material was decreased, the volume density of the positive electrode active material layer 21B decreased, and the discharge capacity per unit volume tended to decrease. That is, the ratio by mass ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material (first positive electrode material: second positive electrode material) is preferably in the range of 5: 5 to 9: 1. More preferably, it was found to be 7: 3 to 9: 1.
(実施例2−1,2−2)
第2の正極材料の平均組成をLiNi0.33Co0.33Mn0.33O2 とし、第1の正極材料と第2の正極材料との割合を表3に示したように変化させたことを除き、他は実施例1−1〜1−7と同様にして二次電池を作製した。この第2の正極材料におけるニッケルとコバルトとマンガンとのモル比は1:1:1である。なお、第2の正極材料は、水酸化リチウムと、Ni0.33Co0.33Mn0.33(OH)2 で表される共沈水酸化物とを、リチウムと他の金属元素の合計とのモル比がLi:(Ni+Co+Mn)=1:1となるように混合し、この混合物を空気中において1000℃で20時間熱処理したのち、粉砕することにより作製した。粉砕後における第2の正極材料のBETによる比表面積は0.42m2 /g、平均粒子径は10.3μmであった。この第2の正極材料についてもCuKαによるX線回折測定を行ったところ、共にR−3m菱面体層状岩塩構造を有していることが確認された。また、実施例2−1,2−2についても、実施例1−1〜1−7と同様にして、正極活物質層21Bの体積密度を調べたところ、それぞれ表3に示した通りであった。
(Examples 2-1 and 2-2)
Except that the average composition of the second positive electrode material was LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 and the ratio of the first positive electrode material and the second positive electrode material was changed as shown in Table 3, Secondary batteries were fabricated in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7. The molar ratio of nickel, cobalt, and manganese in the second positive electrode material is 1: 1: 1. Note that the second positive electrode material contains lithium hydroxide and a coprecipitated hydroxide represented by Ni 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 (OH) 2 , and the molar ratio of lithium to the total of other metal elements is Li: The mixture was prepared so that (Ni + Co + Mn) = 1: 1, and the mixture was heat-treated in air at 1000 ° C. for 20 hours and then pulverized. The specific surface area by BET of the second positive electrode material after pulverization was 0.42 m 2 / g, and the average particle size was 10.3 μm. When the X-ray diffraction measurement by CuKα was performed also for the second positive electrode material, it was confirmed that both had an R-3m rhombohedral layered rock salt structure. Also, in Examples 2-1 and 2-2, the volume density of the positive electrode active material layer 21B was examined in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7. It was.
実施例2−1,2−2に対する比較例2−1として、第1の正極材料を用いず、平均組成がLiNi0.33Co0.33Mn0.33O2 で表される第2の正極材料のみを用いたことを除き、他は実施例2−1,2−2と同様にして二次電池を作製した。比較例2−1についても、実施例1−1〜1−7と同様にして、正極活物質層21Bの体積密度を調べたところ、表3に示した通りであった。 As Comparative Example 2-1 with respect to Examples 2-1 and 2-2, the first positive electrode material was not used, and only the second positive electrode material having an average composition represented by LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 was used. Except for this, a secondary battery was fabricated in the same manner as in Examples 2-1 and 2-2. Also in Comparative Example 2-1, when the volume density of the positive electrode active material layer 21B was examined in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7, it was as shown in Table 3.
得られた実施例2−1,2−2および比較例2−1の二次電池についても、実施例1−1〜1−7と同様にして充放電を行い、5サイクル目の放電容量、並びに200サイクル目の放電容量維持率および放電容量を調べた。それらの結果を比較例1−2の結果と共に表3に示す。 For the obtained secondary batteries of Examples 2-1 and 2-2 and Comparative Example 2-1, charge and discharge were performed in the same manner as in Examples 1-1 to 1-7, and the discharge capacity at the fifth cycle, In addition, the discharge capacity retention ratio and discharge capacity at the 200th cycle were examined. The results are shown in Table 3 together with the results of Comparative Example 1-2.
表3に示したように、実施例2−1,2−2によれば、実施例1−1〜1−7と同様に、第2の正極材料のみを用いた比較例2−1に比べて単位体積当たりの放電容量を向上させることができ、また、第1の正極材料のみを用いた比較例1−2に比べて放電容量維持率を向上させることができた。すなわち、化1に示した第1の正極材料と、化2に示した第2の正極材料とを混合して用いるようにすれば好ましいことが分かった。 As shown in Table 3, according to Examples 2-1 and 2-2, compared with Comparative Example 2-1 using only the second positive electrode material, as in Examples 1-1 to 1-7. Thus, the discharge capacity per unit volume could be improved, and the discharge capacity retention rate could be improved as compared with Comparative Example 1-2 using only the first positive electrode material. That is, it has been found that it is preferable to use a mixture of the first positive electrode material shown in Chemical formula 1 and the second positive electrode material shown in Chemical formula 2.
(実施例3−1〜3−4)
完全充電時における開回路電圧が4.25V,4.35V,4.45V,4.50Vとなるように正極材料と負極材料との量を調節したことを除き、他は実施例1−2と同様にして二次電池を作製した。実施例3−1〜3−4に対する比較例3−1として、完全充電時における開回路電圧が4.20Vとなるように正極材料と負極材料との量を調節したことを除き、他は実施例1−2と同様にして二次電池を作製した。実施例3−1〜3−4および比較例3−1についても、実施例1−2と同様にして、正極活物質層21Bの体積密度を調べたところ、それぞれ表4に示した通りであった。
(Examples 3-1 to 3-4)
Except that the amounts of the positive electrode material and the negative electrode material were adjusted so that the open circuit voltages at the time of full charge were 4.25 V, 4.35 V, 4.45 V, and 4.50 V, other than that of Example 1-2 Similarly, a secondary battery was produced. As Comparative Example 3-1 with respect to Examples 3-1 to 3-4, except that the amounts of the positive electrode material and the negative electrode material were adjusted so that the open circuit voltage at the time of full charge was 4.20 V. A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-2. For Examples 3-1 to 3-4 and Comparative Example 3-1, the volume density of the positive electrode active material layer 21B was examined in the same manner as in Example 1-2. The results were as shown in Table 4, respectively. It was.
得られた実施例3−1〜3−4および比較例3−1の二次電池についても、実施例1−2と同様にして充放電を行い、5サイクル目の放電容量、並びに200サイクル目の放電容量維持率および放電容量を調べた。それらの結果を実施例1−2の結果と共に表4に示す。 The obtained secondary batteries of Examples 3-1 to 3-4 and Comparative Example 3-1 were charged and discharged in the same manner as in Example 1-2, and the discharge capacity at the fifth cycle and the 200th cycle The discharge capacity retention rate and the discharge capacity were investigated. The results are shown in Table 4 together with the results of Example 1-2.
表4に示したように、完全充電時における開回路電圧を高くするに従い、5サイクル目の放電容量は向上し、200サイクル目の放電容量は向上したのち低下する傾向が見られた。すなわち、完全充電時における開回路電圧を4.20Vよりも高くするようにすれば、エネルギー密度を向上させることができることが分かった。また、4.25Vから4.45Vの範囲内とすれば、200サイクル後においても高い容量を得られ、特に、4.40Vとすれば好ましいことが分かった。 As shown in Table 4, as the open circuit voltage during full charge was increased, the discharge capacity at the fifth cycle was improved, and the discharge capacity at the 200th cycle was improved and then decreased. That is, it was found that the energy density can be improved if the open circuit voltage at the time of full charge is made higher than 4.20V. In addition, it was found that if the voltage is in the range of 4.25 V to 4.45 V, a high capacity can be obtained even after 200 cycles, and in particular, 4.40 V is preferable.
(実施例4−1〜4−5)
負極活物質層22Bに対する正極活物質層21Bの面積密度比を変化させたことを除き、他は実施例1−2と同様にして二次電池を作製した。得られた実施例4−1〜4−5の二次電池についても、実施例1−2と同様にして充放電を行い、5サイクル目の放電容量、並びに200サイクル目の放電容量維持率および放電容量を調べた。それらの結果を実施例1−2の結果と共に表5に示す。
(Examples 4-1 to 4-5)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-2, except that the area density ratio of the positive electrode active material layer 21B to the negative electrode
表5に示したように、負極活物質層22Bに対する正極活物質層21Bの面積密度比を低くするに従い、電池内に充填される正極活物質の量が減少するので、単位体積当たりの放電容量は低下する傾向が見られた。すなわち、負極活物質層22Bに対する正極活物質層21Bの面積密度比は、1.70以上とすることが好ましいことが分かった。
As shown in Table 5, as the area density ratio of the positive electrode active material layer 21B to the negative electrode
(実施例5−1〜5−5)
セパレータ23の構成を変えたことを除き、他は実施例1−2と同様にして二次電池を作製した。セパレータ23には、実施例5−1ではポリエチレンの単層膜を用い、実施例5−2ではポリプロピレンの単層膜を用いた。実施例5−1,5−2におけるセパレータ23の厚みはいずれも実施例1−2と同様に20μmとした。また、実施例5−3〜5−5では、実施例1−2と同様にポリエチレン層の両面にポリプロピレン層を設けた3層構造のものを用い、その厚みを15μm、23μmまたは30μmと変化させた。
(Examples 5-1 to 5-5)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-2 except that the configuration of the
実施例5−1〜5−5に対する比較例5−1,5−2として、完全充電時における開回路電圧が4.20Vとなるように正極材料と負極材料との量を調節したことを除き、他は実施例5−1または実施例1−2と同様にして二次電池を作製した。 As Comparative Examples 5-1 and 5-2 with respect to Examples 5-1 to 5-5, except that the amounts of the positive electrode material and the negative electrode material were adjusted so that the open circuit voltage at the time of full charge was 4.20 V Other than that, a secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 5-1 or Example 1-2.
得られた実施例5−1〜5−5および比較例5−1,5−2の二次電池についても、実施例1−2と同様にして充放電を行い、5サイクル目の放電容量、並びに200サイクル目の放電容量維持率および放電容量を調べた。それらの結果を実施例1−2の結果と共に表5に示す。 For the obtained secondary batteries of Examples 5-1 to 5-5 and Comparative Examples 5-1 and 5-2, charging and discharging were performed in the same manner as in Example 1-2, and the discharge capacity at the fifth cycle was In addition, the discharge capacity retention ratio and discharge capacity at the 200th cycle were examined. The results are shown in Table 5 together with the results of Example 1-2.
表6に示したように、実施例5−1〜5−5によれば、比較例5−1,5−2よりも容量を向上させることができた。また、ポリエチレンの単層膜を用いた実施例5−1よりも、ポリプロピレンの単層膜または表面をポリプロピレン層とした実施例1−2,5−2〜5−5の方が、より高い容量維持率をうることができた。更に、セパレータ23の厚みを厚くするに従い、容量維持率は向上するが、正極活物質の充填量が低下するので、容量は低下した。
As shown in Table 6, according to Examples 5-1 to 5-5, the capacity could be improved as compared with Comparative Examples 5-1 and 5-2. Also, the capacity of Examples 1-2, 5-2 to 5-5 in which a polypropylene single layer film or a polypropylene layer was used as a surface was higher than Example 5-1 using a polyethylene single layer film. The maintenance rate was obtained. Furthermore, as the thickness of the
すなわち、完全充電時における開回路電圧を4.20Vよりも高くした電池において、セパレータ23の正極23側の少なくとも一部をポリプロピレンにより構成するようにすれば、より好ましいことが分かった。また、セパレータ23の厚みは、15μm以上30μm以下の範囲内とすることが好ましいことが分かった。
That is, it has been found that it is more preferable if at least a part of the
(実施例6−1,6−2)
負極22の構成を変えたことを除き、他は実施例1−2と同様にして二次電池を作製した。実施例6−1では、負極集電体22Aにスパッタリング法によりケイ素よりなる厚み5.0μmの負極活物質層22Bを形成し、負極22を作製した。実施例6−2では、負極材料として銅55質量%、スズ45質量%の銅スズ合金を用いたことを除き、他は実施例1−2と同様にして負極22を作製した。
(Examples 6-1 and 6-2)
A secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-2, except that the configuration of the
実施例6−1,6−2に対する比較例6−1〜6−4として、第1の正極材料または第2の正極材料のみを用いたこを除き、他は実施例6−1または実施例6−2と同様にして二次電池を作製した。 As Comparative Examples 6-1 to 6-4 with respect to Examples 6-1 and 6-2, except that only the first positive electrode material or the second positive electrode material was used, Example 6-1 or Example 6 was otherwise used. A secondary battery was produced in the same manner as in Example-2.
得られた実施例6−1ー,6−2および比較例6−1〜6−4の二次電池についても、実施例1−2と同様にして充放電を行い、5サイクル目の放電容量、並びに200サイクル目の放電容量維持率および放電容量を調べた。それらの結果を実施例1−2および比較例1−1,1−2の結果と共に表7に示す。 For the obtained secondary batteries of Examples 6-1 and 6-2 and Comparative Examples 6-1 to 6-4, charging and discharging were performed in the same manner as in Example 1-2, and the discharge capacity at the fifth cycle was In addition, the discharge capacity retention ratio and the discharge capacity at the 200th cycle were examined. The results are shown in Table 7 together with the results of Example 1-2 and Comparative Examples 1-1 and 1-2.
表7に示したように、第1の正極材料と第2の正極材料とを混合して用いるようにすれば、他の負極材料を用いても、放電容量および放電容量維持率について共に高い値を得られることが分かった。 As shown in Table 7, if the first positive electrode material and the second positive electrode material are mixed and used, even if other negative electrode materials are used, both the discharge capacity and the discharge capacity retention ratio are high. I found out that
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態および実施例においては、巻回構造を有する二次電池について説明したが、本発明は、正極および負極を折り畳んだりあるいは積み重ねた構造を有する二次電池についても同様に適用することができる。加えて、いわゆるコイン型,ボタン型あるいは角型などの二次電池についても適用することができる。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiments and examples, the secondary battery having a winding structure has been described. However, the present invention is similarly applied to a secondary battery having a structure in which the positive electrode and the negative electrode are folded or stacked. be able to. In addition, the present invention can also be applied to a so-called coin type, button type, or square type secondary battery.
また、上記実施の形態および実施例においては、電解液を用いる場合について説明したが、本発明は、他の電解質を用いる場合についても適用することができる。他の電解質としては、例えば、電解液を高分子化合物に保持させたいわゆるゲル状の電解質、またはイオン伝導性を有する高分子化合物に電解質塩を分散させたものなどが挙げられる。 Further, although cases have been described with the above embodiment and examples where an electrolytic solution is used, the present invention can also be applied to cases where other electrolytes are used. Examples of other electrolytes include so-called gel electrolytes in which an electrolytic solution is held in a polymer compound, or electrolyte salts dispersed in a polymer compound having ion conductivity.
11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構,15A…ディスク板、16…熱感抵抗素子、17…ガスケット、20…巻回電極体、21…正極、21A…正極集電体、21B…正極活物質層、22…負極、22A…負極集電体、22B…負極活物質層、23…セパレータ、24…センターピン、25…正極リード、26…負極リード DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Battery can, 12, 13 ... Insulation board, 14 ... Battery cover, 15 ... Safety valve mechanism, 15A ... Disc board, 16 ... Heat sensitive resistance element, 17 ... Gasket, 20 ... Winding electrode body, 21 ... Positive electrode, 21A ... positive electrode current collector, 21B ... positive electrode active material layer, 22 ... negative electrode, 22A ... negative electrode current collector, 22B ... negative electrode active material layer, 23 ... separator, 24 ... center pin, 25 ... positive electrode lead, 26 ... negative electrode lead
Claims (4)
一対の正極および負極当たりの完全充電状態における開回路電圧が4.25V以上6.00V以下の範囲内であり、
前記正極活物質層は、化1に示した平均組成を有する第1の正極材料と、化2に示した平均組成を有する第2の正極材料とを含む
ことを特徴とする電池。
(化1)
Lia Co1-b M1b O2-c
(式中、M1はマンガン(Mn),ニッケル(Ni),マグネシウム(Mg),アルミニウム(Al),ホウ素(B),チタン(Ti),バナジウム(V),クロム(Cr),鉄(Fe),銅(Cu),亜鉛(Zn),ガリウム(Ga),イットリウム(Y),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),スズ(Sn),カルシウム(Ca),ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。a,bおよびcの値は、0.9≦a≦1.1,0≦b≦0.3,−0.1≦c≦0.1の範囲内である。)
(化2)
Liw Nix Coy Mnz M21-x-y-z O2-v
(式中、M2はマグネシウム(Mg),アルミニウム(Al),ホウ素(B),チタン(Ti),バナジウム(V),クロム(Cr),鉄(Fe),銅(Cu),亜鉛(Zn),ガリウム(Ga),イットリウム(Y),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),スズ(Sn),カルシウム(Ca),ストロンチウム(Sr)およびタングステン(W)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。v,w,x,yおよびzの値は、−0.1≦v≦0.1,0.9≦w≦1.1,0<x<1,0<y<0.7,0<z<0.5,0≦1−x−y−z≦0.2の範囲内である。) A battery in which a positive electrode having a positive electrode active material layer and a negative electrode having a negative electrode active material layer are arranged to face each other via a separator,
The open circuit voltage in a fully charged state per pair of positive electrode and negative electrode is in the range of 4.25V to 6.00V,
The positive electrode active material layer includes a first positive electrode material having an average composition shown in Chemical Formula 1 and a second positive electrode material having an average composition shown in Chemical Formula 2.
(Chemical formula 1)
Li a Co 1-b M1 b O 2-c
(In the formula, M1 is manganese (Mn), nickel (Ni), magnesium (Mg), aluminum (Al), boron (B), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe). , Copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tin (Sn), calcium (Ca), strontium (Sr) And at least one member selected from the group consisting of tungsten (W), and the values of a, b, and c are 0.9 ≦ a ≦ 1.1, 0 ≦ b ≦ 0.3, and −0.1 ≦ c. Within the range of ≦ 0.1.)
(Chemical formula 2)
Li w Ni x Co y Mn z M2 1-xyz O 2-v
(Wherein M2 is magnesium (Mg), aluminum (Al), boron (B), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), copper (Cu), zinc (Zn) , Gallium (Ga), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tin (Sn), calcium (Ca), strontium (Sr) and tungsten (W) The values of v, w, x, y and z are -0.1 ≦ v ≦ 0.1, 0.9 ≦ w ≦ 1.1, 0 <x <1, 0 <y. <0.7, 0 <z <0.5, 0 ≦ 1-xyz ≦ 0.2.
前記負極活物質層に対する前記正極活物質層の面積密度比(正極活物質層の面積密度/負極活物質層の面積密度)は、1.70以上2.10以下の範囲内であることを特徴とする請求項1記載の電池。 The negative electrode active material layer includes a carbon material,
The area density ratio of the positive electrode active material layer to the negative electrode active material layer (area density of the positive electrode active material layer / area density of the negative electrode active material layer) is in the range of 1.70 to 2.10. The battery according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1記載の電池。
The battery according to claim 1, wherein at least a part of the separator on the positive electrode side is made of at least one of polyvinylidene fluoride and polypropylene.
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