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JP2011086502A - Lithium secondary battery - Google Patents

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JP2011086502A
JP2011086502A JP2009238411A JP2009238411A JP2011086502A JP 2011086502 A JP2011086502 A JP 2011086502A JP 2009238411 A JP2009238411 A JP 2009238411A JP 2009238411 A JP2009238411 A JP 2009238411A JP 2011086502 A JP2011086502 A JP 2011086502A
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JP
Japan
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negative electrode
active material
current collector
material layer
electrode active
Prior art date
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Pending
Application number
JP2009238411A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hidetaka Nishigori
英孝 錦織
Gen Nitta
巖 新田
Kensuke Takechi
憲典 武市
Toru Shiga
亨 志賀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp, Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】電解液を有するリチウム二次電池を提供する。
【解決手段】本発明のリチウム二次電池は、少なくとも正極と、負極と、当該正極と当該負極との間に介在する電解液とを有するリチウム二次電池であって、前記負極は、少なくとも負極集電体と負極活物質層とを備え、前記電解液はイオン液体を含み、前記負極集電体の少なくとも一面側の一部又は全部と前記電解液との間に、前記負極活物質層が介在し、前記電解液、前記負極集電体及び前記負極活物質層の三者が同時に接触する部位が存在しないことを特徴とする。
【選択図】図1
A lithium secondary battery having an electrolytic solution is provided.
The lithium secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery having at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution interposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the negative electrode is at least a negative electrode A current collector and a negative electrode active material layer, wherein the electrolytic solution contains an ionic liquid, and the negative electrode active material layer is interposed between a part or all of at least one side of the negative electrode current collector and the electrolytic solution. There is no intervening portion where the electrolyte solution, the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer are in contact with each other at the same time.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、電解液を有するリチウム二次電池に関する。   The present invention relates to a lithium secondary battery having an electrolytic solution.

二次電池は、化学反応に伴う化学エネルギーの減少分を電気エネルギーに変換し、放電を行うことができる他に、放電時と逆方向に電流を流すことにより、電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積(充電)することが可能な電池のことである。二次電池の中でも、リチウム二次電池は、エネルギー密度が高いため、ノート型のパーソナルコンピューターや、携帯電話機等の電源として幅広く応用されている。   The secondary battery can convert the decrease in chemical energy associated with the chemical reaction into electrical energy and perform discharge. In addition, the secondary battery converts electrical energy into chemical energy by flowing current in the opposite direction to that during discharge. A battery that can be stored (charged). Among secondary batteries, lithium secondary batteries are widely used as power sources for notebook personal computers, mobile phones, and the like because of their high energy density.

リチウム二次電池においては、負極活物質としてグラファイト(Cと表現する)を用いた場合、放電時において、負極では(1)式の反応が進行する。
Li → C + Li + e (1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、正極に到達する。そして、(1)式で生じたリチウムイオン(Li)は、負極と正極に挟持された電解質内を、負極側から正極側に電気浸透により移動する。
In the lithium secondary battery, when graphite (expressed as C 6 ) is used as the negative electrode active material, the reaction of the formula (1) proceeds at the negative electrode during discharge.
C 6 Li → C 6 + Li + + e (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the positive electrode after working with an external load via an external circuit. Then, lithium ions (Li + ) generated in the formula (1) move from the negative electrode side to the positive electrode side by electroosmosis in the electrolyte sandwiched between the negative electrode and the positive electrode.

また、正極活物質としてコバルト酸リチウム(Li0.4CoO)を用いた場合、放電時において、正極では(2)式の反応が進行する。
Li0.4CoO + 0.6Li + 0.6e → LiCoO (2)
充電時においては、負極及び正極において、それぞれ上記式(1)及び式(2)の逆反応が進行し、負極においてはグラファイトインターカレーションによりリチウムが入り込んだグラファイト(CLi)が、正極においてはコバルト酸リチウム(Li0.4CoO)が再生するため、再放電が可能となる。
Further, when lithium cobaltate (Li 0.4 CoO 2 ) is used as the positive electrode active material, the reaction of the formula (2) proceeds at the positive electrode during discharge.
Li 0.4 CoO 2 + 0.6 Li + + 0.6e → LiCoO 2 (2)
At the time of charging, the reverse reactions of the above formulas (1) and (2) proceed in the negative electrode and the positive electrode, respectively, and in the negative electrode, graphite (C 6 Li) into which lithium has entered by graphite intercalation is present in the positive electrode. Since lithium cobaltate (Li 0.4 CoO 2 ) is regenerated, re-discharge is possible.

従来のリチウム二次電池においては、電解液に可燃性、揮発性を有する有機溶媒を用いていたため、安全性の向上に対して限界があった。
これに対し、安全性を高めるための取り組みとして、イオン液体を電解液に用いたリチウム二次電池が、従来から知られている。ここでイオン液体とは、100℃以下で液体の塩のことをいい、一般に難燃性、不揮発性を有する。このような難燃性の電解液は、安全性を向上させることができるだけでなく、電位窓(電位領域)が比較的広く、さらに比較的高いイオン伝導性を示すという長所がある。
特許文献1には、電解液にイオン液体を添加したイオン液体添加電解液において、酸素を溶存させたことを特徴とするイオン液体添加電解液の技術が開示されている。
In the conventional lithium secondary battery, an organic solvent having flammability and volatility is used for the electrolytic solution, and thus there is a limit to improving safety.
On the other hand, a lithium secondary battery using an ionic liquid as an electrolyte has been conventionally known as an effort to increase safety. Here, the ionic liquid refers to a salt that is liquid at 100 ° C. or lower, and generally has flame retardancy and non-volatility. Such a flame-retardant electrolyte not only can improve safety, but also has an advantage of having a relatively wide potential window (potential region) and relatively high ion conductivity.
Patent Document 1 discloses a technique of an ionic liquid-added electrolytic solution characterized in that oxygen is dissolved in an ionic liquid-added electrolytic solution obtained by adding an ionic liquid to an electrolytic solution.

特開2009−123382号公報JP 2009-123382 A

特許文献1に開示されたイオン液体添加電解液に関する技術は、電解液分解による電池の失活の可能性については、全く考察がされていない。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、電解液を有するリチウム二次電池を提供することを目的とする。
In the technique relating to the ionic liquid-added electrolyte disclosed in Patent Document 1, no consideration is given to the possibility of battery deactivation due to electrolyte decomposition.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a lithium secondary battery having an electrolytic solution.

本発明のリチウム二次電池は、少なくとも正極と、負極と、当該正極と当該負極との間に介在する電解液とを有するリチウム二次電池であって、前記負極は、少なくとも負極集電体と負極活物質層とを備え、前記電解液はイオン液体を含み、前記負極集電体の少なくとも一面側の一部又は全部と前記電解液との間に、前記負極活物質層が介在し、前記電解液、前記負極集電体及び前記負極活物質層の三者が同時に接触する部位が存在しないことを特徴とする。   The lithium secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery having at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the negative electrode includes at least a negative electrode current collector and A negative electrode active material layer, wherein the electrolytic solution contains an ionic liquid, and the negative electrode active material layer is interposed between part or all of at least one side of the negative electrode current collector and the electrolytic solution, There is no portion where the electrolyte solution, the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer are in contact with each other at the same time.

このような構成のリチウム二次電池は、前記負極集電体が、少なくとも前記負極活物質層によって、完全にイオン液体を含む前記電解液から遮断されているために、前記負極集電体、前記負極活物質層及び前記電解液の三者の同時接触が回避でき、当該三者の反応によるイオン液体の分解を防止することができる。   In the lithium secondary battery having such a configuration, the negative electrode current collector is completely cut off from the electrolyte solution containing the ionic liquid by at least the negative electrode active material layer. Simultaneous contact of the negative electrode active material layer and the electrolyte can be avoided, and decomposition of the ionic liquid due to the reaction of the three can be prevented.

本発明のリチウム二次電池の一形態としては、さらに保護層を備え、前記負極集電体の少なくとも一面側の一部又は全部と前記電解液との間に、前記負極活物質層及び前記保護層が介在するという構成をとることができる。   As one form of the lithium secondary battery of the present invention, a protective layer is further provided, and the negative electrode active material layer and the protection are provided between a part or all of at least one side of the negative electrode current collector and the electrolytic solution. A configuration in which layers are interposed can be employed.

このような構成のリチウム二次電池は、前記負極集電体が、少なくとも前記負極活物質層及び前記保護層によって、完全にイオン液体を含む前記電解液から遮断されているために、前記負極集電体、前記負極活物質層及び前記電解液の三者の同時接触が回避でき、当該三者の反応によるイオン液体の分解を防止することができる。   In the lithium secondary battery having such a configuration, the negative electrode current collector is completely cut off from the electrolyte solution containing the ionic liquid by at least the negative electrode active material layer and the protective layer. Simultaneous contact of the three members of the electric body, the negative electrode active material layer, and the electrolytic solution can be avoided, and decomposition of the ionic liquid due to the reaction of the three members can be prevented.

本発明のリチウム二次電池の一形態としては、前記負極集電体の一面側の、少なくとも外周縁部に前記保護層が積層され、当該一面側の当該保護層が積層されていない部位の少なくとも全面に前記負極活物質層が積層されているという構成をとることができる。   As one form of the lithium secondary battery of the present invention, at least a portion of the one side of the negative electrode current collector on which the protective layer is laminated at least on the outer peripheral edge and the protective layer on the one side is not laminated. The negative electrode active material layer can be configured to be laminated on the entire surface.

本発明のリチウム二次電池の一形態としては、前記負極集電体が、前記負極活物質層の外周を取り巻いて設置され、前記負極集電体の一面側の全面及び前記負極活物質層の一部に前記保護層が積層されているという構成をとることができる。   As one form of the lithium secondary battery of the present invention, the negative electrode current collector is installed around the outer periphery of the negative electrode active material layer, and the entire surface of the one surface side of the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer A configuration in which the protective layer is partially laminated can be employed.

本発明のリチウム二次電池の一形態としては、前記負極集電体の一面側の一部又は全部に前記負極活物質層が積層され、前記負極活物質層の、前記負極集電体と接していない面の、少なくとも外周縁部に前記保護層が積層されているという構成をとることができる。   As one form of the lithium secondary battery of the present invention, the negative electrode active material layer is laminated on a part or all of one surface side of the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer is in contact with the negative electrode current collector. It is possible to adopt a configuration in which the protective layer is laminated at least on the outer peripheral edge of the surface that is not.

本発明のリチウム二次電池の一形態としては、前記負極集電体の一面側に、前記負極活物質層が積層され、前記保護層が、前記負極集電体と前記負極活物質層との界面の外周を取り巻いて設置され、前記電解液中に、前記負極集電体、前記負極活物質層及び前記保護層からなる構造体が浸されているという構成をとることができる。   As one form of the lithium secondary battery of the present invention, the negative electrode active material layer is laminated on one surface side of the negative electrode current collector, and the protective layer includes the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer. It can be installed around the outer periphery of the interface, and a structure comprising the negative electrode current collector, the negative electrode active material layer, and the protective layer is immersed in the electrolytic solution.

本発明のリチウム二次電池の一形態としては、リチウム空気電池であるという構成をとることができる。   As one form of the lithium secondary battery of this invention, the structure called a lithium air battery can be taken.

本発明によれば、前記負極集電体が、少なくとも前記負極活物質層によって、完全にイオン液体を含む前記電解液から遮断されているために、前記負極集電体、前記負極活物質層及び前記電解液の三者の同時接触が回避でき、当該三者の反応によるイオン液体の分解を防止することができる。   According to the present invention, since the negative electrode current collector is completely shielded from the electrolyte solution containing the ionic liquid by at least the negative electrode active material layer, the negative electrode current collector, the negative electrode active material layer, and Simultaneous contact of the three electrolyte solutions can be avoided, and decomposition of the ionic liquid due to the reaction of the three parties can be prevented.

本発明に係るリチウム二次電池の典型例の一部分について、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the cross section cut | disconnected in the lamination direction about a part of typical example of the lithium secondary battery which concerns on this invention. 本発明に係るリチウム二次電池の変形例の一部分について、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the cross section cut | disconnected in the lamination direction about a part of modification of the lithium secondary battery which concerns on this invention. 実施例のリチウム空気二次電池の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the lithium air secondary battery of an Example. 従来技術のリチウム二次電池の負極部分について、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the cross section cut | disconnected in the lamination direction about the negative electrode part of the lithium secondary battery of a prior art. 比較例のリチウム空気二次電池の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the lithium air secondary battery of a comparative example.

本発明のリチウム二次電池は、少なくとも正極と、負極と、当該正極と当該負極との間に介在する電解液とを有するリチウム二次電池であって、前記負極は、少なくとも負極集電体と負極活物質層とを備え、前記電解液はイオン液体を含み、前記負極集電体の少なくとも一面側の一部又は全部と前記電解液との間に、前記負極活物質層が介在し、前記電解液、前記負極集電体及び前記負極活物質層の三者が同時に接触する部位が存在しないことを特徴とする。   The lithium secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery having at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the negative electrode includes at least a negative electrode current collector and A negative electrode active material layer, wherein the electrolytic solution contains an ionic liquid, and the negative electrode active material layer is interposed between part or all of at least one side of the negative electrode current collector and the electrolytic solution, There is no portion where the electrolyte solution, the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer are in contact with each other at the same time.

本発明でいう「リチウム二次電池」とは、LiCoO等の固体の正極活物質を用いるリチウムイオン二次電池、及び、空気や酸素等、気体の正極活物質を用いるリチウム空気二次電池の両方をいずれも含む。すなわち、電極反応においてリチウムイオンが関与する二次電池であれば特に限定されることなく、本発明でいうリチウム二次電池に含まれる。
本発明でいう「前記電解液、前記負極集電体及び前記負極活物質層の三者が同時に接触する部位が存在しない」状態とは、具体的には、負極集電体及び負極活物質層の界面に、電解液が侵入していない状態を指す。
The term “lithium secondary battery” as used in the present invention refers to a lithium ion secondary battery using a solid positive electrode active material such as LiCoO 2 and a lithium air secondary battery using a gas positive electrode active material such as air or oxygen. Both are included. That is, it is not particularly limited as long as it is a secondary battery in which lithium ions are involved in the electrode reaction, and is included in the lithium secondary battery referred to in the present invention.
The state of “there is no site where the three parts of the electrolytic solution, the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer are in contact simultaneously” in the present invention specifically refers to the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer. The state in which the electrolytic solution does not enter the interface.

図4は、従来技術のリチウム二次電池の負極部分について、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。図4に示したように、従来技術のリチウム二次電池においては、負極集電体11に負極活物質層12がそのまま積層した積層体を負極として用いている。図4中の破線で囲って示した部分のように、このようなリチウム二次電池には、負極集電体11、負極活物質層12及びイオン液体4の三者が同時に接触する部位が存在する。
発明者らは、リチウム二次電池の研究開発途上において、図4に示したような三者の共存部位が存在すると、イオン液体が分解され、その結果二次電池の発電性能が低下し、且つ、電池の寿命が短縮されてしまうことを見出した。詳細は明らかではないが、イオン液体分解の理由としては、以下の2つの理由が推測される。すなわち、第1の理由としては、負極集電体として通常用いられるSUS等の不動態から、酸素が脱離し、その結果酸素が脱離した状態の負極集電体によってイオン液体の分解が促進されるためであると考えられる。また、第2の理由としては、負極活物質層中にリチウム金属を、負極集電体中にリチウム金属より腐食電位(すなわち標準電極電位E)が高い金属を組み合わせて用いた場合に、負極集電体、負極活物質層及びイオン液体によって局所的に内部電池が構成されてしまい、その結果イオン液体の分解が部分的に生じるためであると考えられる。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a cross section cut in the stacking direction of the negative electrode portion of the lithium secondary battery of the prior art. As shown in FIG. 4, in the lithium secondary battery of the prior art, a laminated body in which the negative electrode active material layer 12 is laminated as it is on the negative electrode current collector 11 is used as the negative electrode. As shown in a portion surrounded by a broken line in FIG. 4, such a lithium secondary battery has a portion where the negative electrode current collector 11, the negative electrode active material layer 12, and the ionic liquid 4 are in contact with each other at the same time. To do.
In the course of research and development of a lithium secondary battery, the inventors have decomposed the ionic liquid when the three-part coexistence site as shown in FIG. 4 exists, resulting in a decrease in power generation performance of the secondary battery, and It has been found that the battery life is shortened. Although details are not clear, the following two reasons are presumed as the reason for the ionic liquid decomposition. That is, the first reason is that oxygen is desorbed from the passive state of SUS or the like normally used as a negative electrode current collector, and as a result, the decomposition of the ionic liquid is promoted by the negative electrode current collector in a state where oxygen is desorbed. This is considered to be because of this. The second reason is that when lithium metal is used in the negative electrode active material layer and a metal having a higher corrosion potential (ie, standard electrode potential E 0 ) than lithium metal is used in the negative electrode current collector, the negative electrode This is probably because the current collector, the negative electrode active material layer, and the ionic liquid locally constitute an internal battery, resulting in partial decomposition of the ionic liquid.

発明者らは、鋭意努力の結果、電解液、負極集電体及び負極活物質層の三者が同時に接触する部位が存在しない構造を有する本発明に係るリチウム二次電池が、当該三者が関与する反応によるイオン液体の分解を回避できることを見出した。その結果、本発明に係るリチウム二次電池は、電解液を有する従来のリチウム二次電池と比較して、長寿命化が達成できることが明らかとなった。さらに、本発明に係るリチウム二次電池は、電解液の分解物が生じさせる副反応を未然に防止でき、且つ、電解液の分解に伴うガスが生じないため、リチウム二次電池の内圧上昇等の不具合が生じず、安全性を向上させることができることが分かった。   As a result of diligent efforts, the inventors of the present invention have a lithium secondary battery according to the present invention having a structure in which there is no site where the electrolyte solution, the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer are in contact at the same time. It was found that the decomposition of the ionic liquid due to the reaction involved can be avoided. As a result, it has been clarified that the lithium secondary battery according to the present invention can achieve a longer life as compared with a conventional lithium secondary battery having an electrolytic solution. Furthermore, the lithium secondary battery according to the present invention can prevent a side reaction caused by the decomposition product of the electrolytic solution and does not generate a gas accompanying the decomposition of the electrolytic solution. It has been found that safety can be improved without causing the above problems.

図1は、本発明に係るリチウム二次電池の典型例の一部分について、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、図中の二重波線は図の省略を意味している。
本典型例においては、円筒状に加工された負極集電体1を用い、円筒の略平面部分が図1中において上になるように、負極集電体1が配置されている。さらに、円筒状の負極集電体1は、円筒の略平面部分が負極活物質層2で完全に覆われている。
図に示すように、本典型例は、負極集電体1が、容器3中に満たされたイオン液体4と直接に接していない構造をとる。当該構造により、負極集電体、負極活物質層及び電解液の三者の同時接触を回避でき、当該三者の反応によるイオン液体の分解を防止することができる。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section cut in a stacking direction of a part of a typical example of a lithium secondary battery according to the present invention. In addition, the double wavy line in the figure means omission of the figure.
In this typical example, the negative electrode current collector 1 processed into a cylindrical shape is used, and the negative electrode current collector 1 is arranged so that the substantially planar portion of the cylinder is on the top in FIG. Furthermore, in the cylindrical negative electrode current collector 1, a substantially planar portion of the cylinder is completely covered with the negative electrode active material layer 2.
As shown in the figure, this typical example has a structure in which the negative electrode current collector 1 is not in direct contact with the ionic liquid 4 filled in the container 3. With this structure, simultaneous contact of the negative electrode current collector, the negative electrode active material layer, and the electrolyte can be avoided, and decomposition of the ionic liquid due to the reaction of the three parties can be prevented.

本発明のリチウム二次電池の一形態としては、さらに保護層を備え、前記負極集電体の少なくとも一面側の一部又は全部と前記電解液との間に、前記負極活物質層及び前記保護層が介在するという構成をとることができる。   As one form of the lithium secondary battery of the present invention, a protective layer is further provided, and the negative electrode active material layer and the protection are provided between a part or all of at least one side of the negative electrode current collector and the electrolytic solution. A configuration in which layers are interposed can be employed.

ここで、保護層とは、イオン液体を含む電解液が負極集電体に接触しないように、負極集電体を電解液から保護する層のことを指す。
保護層に用いることができる材料としては、イオン液体を含む電解液に対する耐性を有する材料であり、且つ、リチウム二次電池の発電性能に影響を及ぼす材料でなければ、特に限定されないが、気密性を高く保つことができる材料であることが好ましい。
上記条件を備える保護層としては、具体的には、シール材を用いることが好ましく、より具体的には、ゴムガスケット、Oリング、メタルガスケット等のガスケットや、リップパッキン、オイルシール等のパッキン等を用いることができる。これらのシール材としては、天然ゴム、合成ゴム、テフロン(登録商標)等の有機材料製のシール材、鉄合金、セラミック、黒鉛、石綿等の無機材料製のシール材をいずれも用いることができる。
Here, the protective layer refers to a layer that protects the negative electrode current collector from the electrolytic solution so that the electrolytic solution containing the ionic liquid does not contact the negative electrode current collector.
The material that can be used for the protective layer is not particularly limited as long as it is a material that has resistance to an electrolytic solution containing an ionic liquid and does not affect the power generation performance of the lithium secondary battery. It is preferable that the material can maintain high.
Specifically, as the protective layer having the above conditions, it is preferable to use a sealing material, more specifically, gaskets such as rubber gaskets, O-rings, metal gaskets, packings such as lip packings, oil seals, etc. Can be used. As these sealing materials, any of sealing materials made of organic materials such as natural rubber, synthetic rubber and Teflon (registered trademark), and sealing materials made of inorganic materials such as iron alloy, ceramic, graphite, and asbestos can be used. .

図2は、本発明に係るリチウム二次電池の変形例の一部分について、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、図中の二重波線は図の省略を意味している。
図2(a)には、本発明に係るリチウム二次電池の第1の変形例、すなわち、負極集電体の一面側の、少なくとも外周縁部に保護層が積層され、当該一面側の当該保護層が積層されていない部位の少なくとも全面に負極活物質層が積層されているという構成例を示す。
図2(a)に示すように、本第1の変形例は、負極集電体1の一面側の外周縁部にシール材9が載置され、さらに、負極集電体1の中央部に負極活物質層2が塗布された構造を有している。なお、負極活物質層2の外周縁部は、シール材9と隙間なく接している。このようなリチウム二次電池においては、負極集電体1の一面側と電解液4との間に、負極活物質層2又は保護層となるシール材9が介在しているため、電解液4が負極集電体1側に漏れ出すことが無く、したがって、電解液、負極集電体及び負極活物質層の三者が同時に接触することがない。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross section cut in the stacking direction of a part of a modification of the lithium secondary battery according to the present invention. In addition, the double wavy line in the figure means omission of the figure.
FIG. 2 (a) shows a first modification of the lithium secondary battery according to the present invention, that is, a protective layer is laminated at least on the outer peripheral edge of one surface of the negative electrode current collector, A configuration example in which a negative electrode active material layer is stacked on at least the entire surface of a portion where the protective layer is not stacked is shown.
As shown in FIG. 2 (a), in the first modification, a seal material 9 is placed on the outer peripheral edge of one surface side of the negative electrode current collector 1, and further, in the central portion of the negative electrode current collector 1. The negative electrode active material layer 2 is applied. The outer peripheral edge of the negative electrode active material layer 2 is in contact with the sealing material 9 without any gap. In such a lithium secondary battery, since the sealing material 9 serving as the negative electrode active material layer 2 or the protective layer is interposed between the one surface side of the negative electrode current collector 1 and the electrolytic solution 4, the electrolytic solution 4 Does not leak to the negative electrode current collector 1 side, and therefore, the electrolyte solution, the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer do not contact at the same time.

図2(b)には、本発明に係るリチウム二次電池の第2の変形例、すなわち、負極集電体が、負極活物質層の外周を取り巻いて設置され、負極集電体の一面側の全面及び負極活物質層の一部に保護層が積層されているという構成例を示す。
図2(b)に示すように、本第2の変形例は、負極活物質層2の周囲を負極集電体1がとり囲んでおり、さらに、負極集電体1の一面側全体と、負極活物質層2の一面側の縁にパッキン10が載置され、さらに、パッキン10の一面側にシール材9が載置された構造を有している。このようなリチウム二次電池においては、負極集電体1の一面側と電解液4との間に、負極活物質層2又は保護層となるシール材9及びパッキン10が介在しているため、電解液4が負極集電体1側に漏れ出すことが無く、電解液、負極集電体及び負極活物質層の三者が同時に接触することがない。
FIG. 2B shows a second modification of the lithium secondary battery according to the present invention, that is, the negative electrode current collector is installed around the outer periphery of the negative electrode active material layer. An example of a structure in which a protective layer is laminated on the entire surface and a part of the negative electrode active material layer is shown.
As shown in FIG. 2 (b), in the second modification, the negative electrode current collector 1 surrounds the negative electrode active material layer 2, and further, the entire one surface side of the negative electrode current collector 1, The packing 10 is placed on the edge of the one surface side of the negative electrode active material layer 2, and the sealing material 9 is placed on the one surface side of the packing 10. In such a lithium secondary battery, since the negative electrode active material layer 2 or the sealing material 9 serving as a protective layer and the packing 10 are interposed between the one surface side of the negative electrode current collector 1 and the electrolytic solution 4, The electrolyte solution 4 does not leak to the negative electrode current collector 1 side, and the three components of the electrolyte solution, the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer do not contact at the same time.

図2(c)には、本発明に係るリチウム二次電池の第3の変形例、すなわち、負極集電体の一面側の一部又は全部に負極活物質層が積層され、負極活物質層の、負極集電体と接していない面の、少なくとも外周縁部に保護層が積層されているという構成例を示す。
図2(c)に示すように、本第3の変形例は、負極集電体1の一面側に負極活物質層2が積層され、さらに、負極活物質層2の一面側の縁にシール材9が載置された構造を有している。本第3の変形例の場合には、必ずしも負極集電体1の全面に負極活物質層2が積層されている必要はない。このようなリチウム二次電池においては、負極集電体1の一面側と電解液4との間に負極活物質層2又は保護層となるシール材9が介在しているため、電解液4が負極集電体1側に漏れ出すことが無く、電解液、負極集電体及び負極活物質層の三者が同時に接触することがない。
FIG. 2C shows a third modification of the lithium secondary battery according to the present invention, that is, a negative electrode active material layer laminated on a part or all of one surface side of the negative electrode current collector. The structural example that the protective layer is laminated | stacked at least on the outer periphery part of the surface which is not in contact with the negative electrode collector is shown.
As shown in FIG. 2C, in the third modification, a negative electrode active material layer 2 is laminated on one surface side of the negative electrode current collector 1, and a seal is formed on the edge of one surface side of the negative electrode active material layer 2. It has a structure in which the material 9 is placed. In the case of the third modification, the negative electrode active material layer 2 is not necessarily laminated on the entire surface of the negative electrode current collector 1. In such a lithium secondary battery, since the negative electrode active material layer 2 or the sealing material 9 serving as a protective layer is interposed between the one surface side of the negative electrode current collector 1 and the electrolytic solution 4, the electrolytic solution 4 is There is no leakage to the negative electrode current collector 1 side, and the three components of the electrolytic solution, the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer do not contact at the same time.

図2(d)には、本発明に係るリチウム二次電池の第4の変形例、すなわち、負極集電体の一面側に、負極活物質層が積層され、保護層が、負極集電体と負極活物質層との界面の外周を取り巻いて設置され、電解液中に、負極集電体、負極活物質層及び保護層からなる構造体(以下、単に構造体と称する)が浸されているという構成例を示す。
図2(d)に示すように、本第4の変形例は、負極集電体1の一面側に負極活物質層2が積層され、さらに、負極集電体1と負極活物質層2との界面の周囲にシール材9が塗布された構造を有している。このようなリチウム二次電池においては、構造体を電解液4中に載置した場合にも、負極集電体1の一面側と電解液4との間に負極活物質層2又は保護層となるシール材9が介在しているため、電解液4が負極集電体1側に漏れ出すことが無く、電解液、負極集電体及び負極活物質層の三者が同時に接触することがない。
FIG. 2D shows a fourth modification of the lithium secondary battery according to the present invention, that is, a negative electrode active material layer is laminated on one side of the negative electrode current collector, and the protective layer is a negative electrode current collector. And a structure composed of a negative electrode current collector, a negative electrode active material layer, and a protective layer (hereinafter simply referred to as a structure) is immersed in the electrolyte solution. A configuration example is shown.
As shown in FIG. 2D, in the fourth modification, a negative electrode active material layer 2 is laminated on one surface side of the negative electrode current collector 1, and the negative electrode current collector 1, the negative electrode active material layer 2, and the like. The seal material 9 is applied around the interface. In such a lithium secondary battery, even when the structure is placed in the electrolytic solution 4, the negative electrode active material layer 2 or the protective layer is provided between the one surface side of the negative electrode current collector 1 and the electrolytic solution 4. Therefore, the electrolyte solution 4 does not leak to the negative electrode current collector 1 side, and the three components of the electrolyte solution, the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer do not contact at the same time. .

以上、図2に示したいずれの変形例においても、電解液、負極集電体及び負極活物質層の三者が同時に接触することがないため、当該三者が関与する反応による、イオン液体の分解を防止することができる   As described above, in any of the modifications shown in FIG. 2, the three parts of the electrolytic solution, the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer are not in contact with each other at the same time. Can prevent decomposition

以下、本発明のリチウム二次電池の構成要素である、正極及び負極、イオン液体を含む電解液、並びにその他の構成要素(セパレータ等)について、項を分けて説明する。   Hereinafter, the positive electrode and the negative electrode, the electrolytic solution containing the ionic liquid, and other components (such as a separator), which are the components of the lithium secondary battery of the present invention, will be described separately.

(正極及び負極)
本発明に係るリチウム二次電池の正極は、好ましくは正極活物質を有する正極活物質層を有するものであり、通常、これに加えて、正極集電体、及び当該正極集電体に接続された正極リードを有するものである。なお、本発明に係るリチウム二次電池がリチウム空気電池である場合には、上記正極の替わりに、空気極層を含む空気極を有する。
本発明に係るリチウム二次電池の負極は、上述した本発明に係る負極用積層体を有するものであり、通常、これに加えて、当該負極用積層体の負極集電体に接続された負極リードを有するものである。
(Positive electrode and negative electrode)
The positive electrode of the lithium secondary battery according to the present invention preferably has a positive electrode active material layer having a positive electrode active material, and is usually connected to the positive electrode current collector and the positive electrode current collector. It has a positive electrode lead. In addition, when the lithium secondary battery which concerns on this invention is a lithium air battery, it has an air electrode containing an air electrode layer instead of the said positive electrode.
The negative electrode of the lithium secondary battery according to the present invention has the negative electrode laminate according to the present invention described above, and in addition to this, in general, the negative electrode connected to the negative electrode current collector of the negative electrode laminate. It has a lead.

(正極活物質層)
以下、正極として、正極活物質層を有する正極を採用した場合について説明する。
本発明に用いられる正極活物質としては、具体的には、LiCoO、LiNi1/3Mn1/3Co1/3、LiNiPO、LiMnPO、LiNiO、LiMn、LiCoMnO、LiNiMn、LiFe(PO及びLi(PO等を挙げることができる。これらの中でも、本発明においては、LiCoOを正極活物質として用いることが好ましい。
(Positive electrode active material layer)
Hereinafter, the case where the positive electrode which has a positive electrode active material layer as a positive electrode is employ | adopted is demonstrated.
Specific examples of the positive electrode active material used in the present invention include LiCoO 2 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , LiNiPO 4 , LiMnPO 4 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoMnO 4. , Li 2 NiMn 3 O 8 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3, Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 and the like. Among these, in the present invention, LiCoO 2 is preferably used as the positive electrode active material.

本発明に用いられる正極活物質層の厚さは、目的とするリチウム二次電池の用途等により異なるものであるが、10μm〜250μmの範囲内であるのが好ましく、20μm〜200μmの範囲内であるのが特に好ましく、特に30μm〜150μmの範囲内であることが最も好ましい。   The thickness of the positive electrode active material layer used in the present invention varies depending on the intended use of the lithium secondary battery, but is preferably in the range of 10 μm to 250 μm, and in the range of 20 μm to 200 μm. It is particularly preferred that it is most preferably in the range of 30 μm to 150 μm.

正極活物質の平均粒径としては、例えば1μm〜50μmの範囲内、中でも1μm〜20μmの範囲内、特に3μm〜5μmの範囲内であることが好ましい。正極活物質の平均粒径が小さすぎると、取り扱い性が悪くなる可能性があり、正極活物質の平均粒径が大きすぎると、平坦な正極活物質層を得るのが困難になる場合があるからである。なお、正極活物質の平均粒径は、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)により観察される活物質担体の粒径を測定して、平均することにより求めることができる。   The average particle diameter of the positive electrode active material is, for example, preferably in the range of 1 μm to 50 μm, more preferably in the range of 1 μm to 20 μm, and particularly preferably in the range of 3 μm to 5 μm. If the average particle size of the positive electrode active material is too small, the handleability may be deteriorated. If the average particle size of the positive electrode active material is too large, it may be difficult to obtain a flat positive electrode active material layer. Because. The average particle diameter of the positive electrode active material can be determined by measuring and averaging the particle diameter of the active material carrier observed with, for example, a scanning electron microscope (SEM).

正極活物質層は、必要に応じて導電化材および結着材等を含有していても良い。
本発明において用いられる正極活物質層が有する導電化材としては、正極活物質層の導電性を向上させることができれば特に限定されるものではないが、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック等を挙げることができる。また、正極活物質層における導電化材の含有量は、導電化材の種類によって異なるものであるが、通常1質量%〜10質量%の範囲内である。
The positive electrode active material layer may contain a conductive material, a binder, and the like as necessary.
The conductive material included in the positive electrode active material layer used in the present invention is not particularly limited as long as the conductivity of the positive electrode active material layer can be improved. For example, carbon black such as acetylene black and ketjen black Etc. Moreover, although content of the electrically conductive material in a positive electrode active material layer changes with kinds of electrically conductive material, it is in the range of 1 mass%-10 mass% normally.

本発明において用いられる正極活物質層が有する結着材としては、例えばポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を挙げることができる。また、正極活物質層における結着材の含有量は、正極活物質等を固定化できる程度の量であれば良く、より少ないことが好ましい。結着材の含有量は、通常1質量%〜10質量%の範囲内である。   Examples of the binder included in the positive electrode active material layer used in the present invention include polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). Further, the content of the binder in the positive electrode active material layer may be an amount that can fix the positive electrode active material or the like, and is preferably smaller. The content of the binder is usually in the range of 1% by mass to 10% by mass.

(正極集電体)
本発明において用いられる正極集電体は、上記の正極活物質層の集電を行う機能を有するものである。上記正極集電体の材料としては、例えばアルミニウム、SUS、ニッケル、鉄およびチタン等を挙げることができ、中でもアルミニウムおよびSUSが好ましい。また、正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができ、中でも箔状が好ましい。
(Positive electrode current collector)
The positive electrode current collector used in the present invention has a function of collecting the positive electrode active material layer. Examples of the material for the positive electrode current collector include aluminum, SUS, nickel, iron, and titanium. Of these, aluminum and SUS are preferable. Moreover, as a shape of a positive electrode electrical power collector, foil shape, plate shape, mesh shape etc. can be mentioned, for example, Foil shape is preferable.

前記正極及び前記負極のうち少なくとも一方の電極の電極活物質層が、少なくとも電極活物質及び電極用電解質を含有するという構成をとることもできる。この場合、電極用電解質としては、固体酸化物電解質、固体硫化物電解質等の固体電解質や、後述するポリマー電解質、ゲル電解質等を用いることができる。   The electrode active material layer of at least one of the positive electrode and the negative electrode can also be configured to contain at least an electrode active material and an electrode electrolyte. In this case, as the electrode electrolyte, a solid electrolyte such as a solid oxide electrolyte or a solid sulfide electrolyte, a polymer electrolyte described later, a gel electrolyte, or the like can be used.

本発明に用いられる正極を製造する方法は、上記の正極を得ることができる方法であれば特に限定されるものではない。なお、正極活物質層を形成した後、電極密度を向上させるために、正極活物質層をプレスしても良い。   The method for producing the positive electrode used in the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining the positive electrode. In addition, after forming a positive electrode active material layer, in order to improve an electrode density, you may press a positive electrode active material layer.

(空気極層)
以下、正極として、空気極層を有する空気極を採用した場合について説明する。本発明に用いられる空気極層は、少なくとも導電性材料を含有するものである。さらに、必要に応じて、触媒および結着材の少なくとも一方を含有していても良い。
(Air electrode layer)
Hereinafter, the case where the air electrode which has an air electrode layer as a positive electrode is employ | adopted is demonstrated. The air electrode layer used in the present invention contains at least a conductive material. Furthermore, you may contain at least one of a catalyst and a binder as needed.

本発明に用いられる空気極層に用いられる導電性材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば炭素材料等を挙げることができる。さらに、炭素材料は、多孔質構造を有するものであっても良く、多孔質構造を有しないものであっても良いが、本発明においては、多孔質構造を有するものであることが好ましい。比表面積が大きく、多くの反応場を提供することができるからである。多孔質構造を有する炭素材料としては、具体的にはメソポーラスカーボン等を挙げることができる。一方、多孔質構造を有しない炭素材料としては、具体的にはグラファイト、アセチレンブラック、カーボンナノチューブおよびカーボンファイバー等を挙げることができる。空気極層における導電性材料の含有量としては、例えば65質量%〜99質量%の範囲内、中でも75質量%〜95質量%の範囲内であることが好ましい。導電性材料の含有量が少なすぎると、反応場が減少し、電池容量の低下が生じる可能性があり、導電性材料の含有量が多すぎると、相対的に触媒の含有量が減り、充分な触媒機能を発揮できない可能性があるからである。   The conductive material used for the air electrode layer used in the present invention is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include a carbon material. Furthermore, the carbon material may have a porous structure or may not have a porous structure. However, in the present invention, the carbon material preferably has a porous structure. This is because the specific surface area is large and many reaction fields can be provided. Specific examples of the carbon material having a porous structure include mesoporous carbon. On the other hand, specific examples of the carbon material having no porous structure include graphite, acetylene black, carbon nanotube, and carbon fiber. As content of the electroconductive material in an air electrode layer, it is preferable to exist in the range of 65 mass%-99 mass%, for example in the range of 75 mass%-95 mass% especially. If the content of the conductive material is too small, the reaction field may decrease and the battery capacity may be reduced. If the content of the conductive material is too large, the content of the catalyst is relatively reduced and sufficient. This is because it may not be possible to exert a proper catalytic function.

本発明に用いられる空気極層に用いられる触媒としては、例えばコバルトフタロシアニンおよび二酸化マンガン等を挙げることができる。空気極層における触媒の含有量としては、例えば1質量%〜30質量%の範囲内、中でも5質量%〜20質量%の範囲内であることが好ましい。触媒の含有量が少なすぎると、充分な触媒機能を発揮できない可能性があり、触媒の含有量が多すぎると、相対的に導電性材料の含有量が減り、反応場が減少し、電池容量の低下が生じる可能性があるからである。
電極反応がよりスムーズに行われるという観点から、上述した導電性材料は触媒を担持していることが好ましい。
Examples of the catalyst used for the air electrode layer used in the present invention include cobalt phthalocyanine and manganese dioxide. The catalyst content in the air electrode layer is, for example, preferably in the range of 1% by mass to 30% by mass, and more preferably in the range of 5% by mass to 20% by mass. If the catalyst content is too low, sufficient catalytic function may not be achieved. If the catalyst content is too high, the content of the conductive material is relatively reduced, the reaction field is reduced, and the battery capacity is reduced. This is because there is a possibility that a decrease in the number of times will occur.
From the viewpoint that the electrode reaction is performed more smoothly, the conductive material described above preferably supports a catalyst.

上記空気極層は、少なくとも導電性材料を含有してれば良いが、さらに、導電性材料を固定化する結着材を含有することが好ましい。結着材としては、例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)等を挙げることができる。空気極層における結着材の含有量としては、特に限定されるものではないが、例えば30質量%以下、中でも1質量%〜10質量%の範囲内であることが好ましい。   The air electrode layer only needs to contain at least a conductive material, but preferably further contains a binder for fixing the conductive material. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). Although it does not specifically limit as content of the binder in an air electrode layer, For example, it is preferable that it is in the range of 30 mass% or less, especially 1 mass%-10 mass%.

上記空気極層の厚さは、空気電池の用途等により異なるものであるが、例えば2μm〜
500μmの範囲内、中でも5μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。
The thickness of the air electrode layer is different depending on the use of the air battery, for example, 2 μm to
It is preferable to be in the range of 500 μm, especially in the range of 5 μm to 300 μm.

(空気極集電体)
本発明に用いられる空気極集電体は、空気極層の集電を行うものである。空気極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばステンレス、ニッケル、アルミニウム、鉄、チタン、カーボン等を挙げることができる。空気極集電体の形状としては、例えば箔状、板状およびメッシュ(グリッド)状等を挙げることができる。中でも、本発明においては、空気極集電体の形状がメッシュ状であることが好ましい。集電効率に優れているからである。この場合、通常、空気極層の内部にメッシュ状の空気極集電体が配置される。さらに、本発明の二次電池は、メッシュ状の空気極集電体により集電された電荷を集電する別の空気極集電体(例えば箔状の集電体)を有していても良い。また、本発明においては、後述する電池ケースが空気極集電体の機能を兼ね備えていても良い。
空気極集電体の厚さは、例えば10μm〜1000μmの範囲内、中でも20μm〜400μmの範囲内であることが好ましい。
(Air current collector)
The air electrode current collector used in the present invention collects current in the air electrode layer. The material for the air electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include stainless steel, nickel, aluminum, iron, titanium, and carbon. Examples of the shape of the air electrode current collector include a foil shape, a plate shape, and a mesh (grid) shape. Especially, in this invention, it is preferable that the shape of an air electrode electrical power collector is a mesh form. This is because the current collection efficiency is excellent. In this case, usually, a mesh-shaped air electrode current collector is disposed inside the air electrode layer. Furthermore, the secondary battery of the present invention may have another air electrode current collector (for example, a foil-shaped current collector) that collects the charges collected by the mesh-shaped air electrode current collector. good. In the present invention, a battery case to be described later may also have the function of an air electrode current collector.
The thickness of the air electrode current collector is, for example, preferably in the range of 10 μm to 1000 μm, and more preferably in the range of 20 μm to 400 μm.

(負極活物質層)
負極活物質層に用いられる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば特に限定されるものではないが、例えば、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、およびグラファイト等の炭素材料等を挙げることができる。また、負極活物質は、粉末状であっても良く、薄膜状であっても良い。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode active material used for the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it can occlude / release lithium ions. For example, metal lithium, lithium alloy, metal oxide, metal sulfide, Examples thereof include metal nitrides and carbon materials such as graphite. The negative electrode active material may be in the form of a powder or a thin film.

負極活物質層は、必要に応じて導電化材および結着材等を含有していても良い。
負極活物質層中に用いることができる結着材および上記導電化材は、正極活物質層の説明において既に述べたものを用いることができる。また、結着材および導電化材の使用量は、リチウム二次電池の用途等に応じて、適宜選択することが好ましい。また、負極活物質層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、例えば10μm〜100μmの範囲内、中でも10μm〜50μmの範囲内であることが好ましい。
The negative electrode active material layer may contain a conductive material, a binder, and the like as necessary.
As the binder and the conductive material that can be used in the negative electrode active material layer, those already described in the description of the positive electrode active material layer can be used. Moreover, it is preferable to select the usage-amount of a binder and a electrically conductive material suitably according to the use etc. of a lithium secondary battery. Further, the film thickness of the negative electrode active material layer is not particularly limited, but for example, it is preferably in the range of 10 μm to 100 μm, and more preferably in the range of 10 μm to 50 μm.

(負極集電体)
負極集電体の材料及び形状としては、上述した正極集電体の材料及び形状と同様のものを採用することができる。
本発明に用いられる負極の製造方法としては、上述したような正極の製造方法と同様の方法を採用することができる。
(Negative electrode current collector)
As the material and shape of the negative electrode current collector, the same materials and shapes as those of the positive electrode current collector described above can be employed.
As a manufacturing method of the negative electrode used in the present invention, a method similar to the manufacturing method of the positive electrode as described above can be adopted.

(イオン液体を含む電解液)
本発明に用いられるイオン液体を含む電解液は、上述した正極活物質層又は空気極層、及び負極活物質の間でリチウムイオン交換をおこなう。イオン液体を含む電解液としては、イオン液体そのものを用いてもよいし、イオン液体を含むポリマー電解質又はゲル電解質等を用いてもよい。
なお、イオン液体とは、カチオンとアニオンとを組み合わせたイオン分子のみから成る物質であり、且つ、常温(15℃〜25℃)において液体である物質のことを指す。
(Electrolyte containing ionic liquid)
The electrolytic solution containing an ionic liquid used in the present invention performs lithium ion exchange between the above-described positive electrode active material layer or air electrode layer and negative electrode active material. As the electrolytic solution containing the ionic liquid, the ionic liquid itself may be used, or a polymer electrolyte or gel electrolyte containing the ionic liquid may be used.
In addition, an ionic liquid is a substance which consists only of the ionic molecule which combined the cation and the anion, and points out the substance which is a liquid at normal temperature (15 to 25 degreeC).

本発明において用いることができるイオン液体のカチオン種としては、2−エチルイミダゾリウム、3−プロピルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1,3−ジメチルイミダゾリウム等のイミダゾリウム;ジエチルメチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム、シクロヘキシルトリメチルアンモニウム、メチルトリ−n−オクチルアンモニウム、トリエチル(2−メトキシエトキシメチル)アンモニウム、ベンジルジメチルテトラデシルアンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウム等のアンモニウム;その他にもアルキルピリジニウム、ジアルキルピロリジニウム、テトラアルキルフォスフォニウム、トリアルキルスルフォニウム等が挙げられる。   Examples of the cation species of the ionic liquid that can be used in the present invention include 2-ethylimidazolium, 3-propylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-butyl-3-methylimidazolium, 1,3 - imidazolium such as dimethyl imidazolium diethyl methyl ammonium, tetrabutyl ammonium, cyclohexyl trimethylammonium methyl tri -n- octyl ammonium, triethyl (2-methoxyethoxymethyl) ammonium, benzyl dimethyl tetradecyl ammonium, ammonium and benzyl trimethylammonium Other examples include alkylpyridinium, dialkylpyrrolidinium, tetraalkylphosphonium, and trialkylsulfonium.

本発明において用いることができるイオン液体のアニオン種としては、Cl、Br、Iなどのハロゲン化物アニオン;BF 、B(CN) 、B(C 等のホウ素化物アニオン;(CN)、[N(CF、[N(SOCF等のアミドアニオン又はイミドアニオン;RSO (以下、Rは脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基を指す)、RSO 、RSO (以下、Rは含フッ素ハロゲン化炭化水素基を指す)、RSO 等のスルフェートアニオン又はスルフォネートアニオン;R P(O)O、PF 、R PF 等のリン酸アニオン;SbF等のアンチモンアニオン;その他、ラクテート、硝酸イオン、トリフルオロアセテート等が挙げられる。 Examples of the anionic species of the ionic liquid that can be used in the present invention include halide anions such as Cl , Br and I ; BF 4 , B (CN) 4 , B (C 2 O 4 ) 2 − and the like. Boronide anion of amide anion or imide anion such as (CN) 2 N , [N (CF 3 ) 2 ] , [N (SO 2 CF 3 ) 2 ] ; RSO 3 (hereinafter R is fat Sulfate anion such as RSO 4 , R f SO 3 (hereinafter, R f represents a fluorinated halogenated hydrocarbon group), R f SO 4 — and the like. Or sulfonate anions; phosphate anions such as R f 2 P (O) O , PF 6 , R f 3 PF 3 ; antimony anions such as SbF 6 ; other, lactate, nitrate ions, trif Examples include uroacetate.

さらに、イオン液体には支持塩を溶解させてもよい。支持塩としては、リチウムイオンと上記アニオンとから成る塩、例えばLiPF、LiBF、LiClO、LiTFSI、LiBETIなどが挙げられる。このような支持塩を2種以上組み合わせて用いてもよい。また、イオン液体に対する支持塩の添加量は特に限定されないが、0.1〜1mol/kg程度とすることが好ましい。 Further, a supporting salt may be dissolved in the ionic liquid. Examples of the supporting salt include salts composed of lithium ions and the above anions, such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiTFSI, and LiBETI. Two or more such supporting salts may be used in combination. Moreover, although the addition amount of the supporting salt with respect to an ionic liquid is not specifically limited, It is preferable to set it as about 0.1-1 mol / kg.

イオン液体と共に用いることのできるポリマー電解質は、リチウム塩およびポリマーを含有するものであることが好ましい。リチウム塩としては、一般的なリチウム二次電池に用いられるリチウム塩であれば特に限定されるものではなく、例えば、LiPF、LiBF、LiN(CFSO、LiCFSO、LiCSO、LiC(CFSO及びLiClO等を挙げることができる。ポリマーとしては、リチウム塩と錯体を形成するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド等が挙げられる。 The polymer electrolyte that can be used together with the ionic liquid preferably contains a lithium salt and a polymer. The lithium salt is not particularly limited as long as it is a lithium salt used in a general lithium secondary battery. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , Examples include LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3, and LiClO 4 . The polymer is not particularly limited as long as it forms a complex with a lithium salt, and examples thereof include polyethylene oxide.

イオン液体と共に用いることのできるゲル電解質は、リチウム塩とポリマーと非水溶媒とを含有するものであることが好ましい。
リチウム塩としては、上述したリチウム塩を用いることができる。
非水溶媒としては、上記リチウム塩を溶解できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、1,3−ジオキソラン、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。これらの非水溶媒は、一種のみ用いてもよく、二種以上を混合して用いても良い。また、非水電解液として、常温溶融塩を用いることもできる。
ポリマーとしては、ゲル化が可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロプレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリウレタン、ポリアクリレート、セルロース等が挙げられる。
The gel electrolyte that can be used together with the ionic liquid preferably contains a lithium salt, a polymer, and a nonaqueous solvent.
The lithium salt described above can be used as the lithium salt.
The non-aqueous solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the lithium salt. For example, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1 , 2-diethoxyethane, acetonitrile, propionitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dioxane, 1,3-dioxolane, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone, and the like. These nonaqueous solvents may be used alone or in combination of two or more. Moreover, room temperature molten salt can also be used as a non-aqueous electrolyte.
The polymer is not particularly limited as long as it can be gelled, and examples thereof include polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyurethane, polyacrylate, cellulose and the like. Can be mentioned.

(その他の構成要素)
その他の構成要素として、セパレータを本発明のリチウム二次電池に用いることができる。セパレータは、2以上の電池を積層する場合において、上述した正極集電体及び上記負極集電体の間に配置するものであり、通常、正極活物質層と負極活物質層との接触を防止し、電解質を保持する機能を有する。上記セパレータの材料としては、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロースおよびポリアミド等の樹脂を挙げることができ、中でもポリエチレンおよびポリプロピレンが好ましい。また、上記セパレータは、単層構造であっても良く、複層構造であっても良い。複層構造のセパレータとしては、例えばPE/PPの2層構造のセパレータ、PP/PE/PPの3層構造のセパレータ等を挙げることができる。さらに、本発明においては、上記セパレータが、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等であっても良い。また、上記セパレータの膜厚は、特に限定されるものではなく、一般的なリチウム二次電池に用いられるセパレータの膜厚と同様である。
また、その他の構成要素として、本発明のリチウム二次電池を収納する電池ケースを用いることもできる。電池ケースの形状としては、上述した正極、負極、電解質等を収納できるものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等を挙げることができる。また、本発明のリチウム二次電池がリチウム空気二次電池である場合には、電池ケースは、大気開放型の電池ケースであっても良く、密閉型の電池ケースであっても良い。大気開放型の電池ケースは、少なくとも空気極層が十分に大気と接触可能な構造を有する電池ケースである。一方、電池ケースが密閉型電池ケースである場合は、密閉型電池ケースに、気体(空気)の導入管および排気管を設けることが好ましい。この場合、導入・排気する気体は、酸素濃度が高いことが好ましく、純酸素であることがより好ましい。また、放電時には酸素濃度を高くし、充電時には酸素濃度を低くすることが好ましい。
(Other components)
As another component, a separator can be used for the lithium secondary battery of the present invention. The separator is disposed between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector described above when two or more batteries are stacked, and usually prevents contact between the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer. And has a function of holding the electrolyte. Examples of the material for the separator include resins such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, cellulose, and polyamide. Among these, polyethylene and polypropylene are preferable. The separator may have a single layer structure or a multilayer structure. Examples of the separator having a multilayer structure include a separator having a two-layer structure of PE / PP and a separator having a three-layer structure of PP / PE / PP. Furthermore, in the present invention, the separator may be a nonwoven fabric such as a resin nonwoven fabric or a glass fiber nonwoven fabric. Moreover, the film thickness of the said separator is not specifically limited, It is the same as the film thickness of the separator used for a general lithium secondary battery.
Moreover, the battery case which accommodates the lithium secondary battery of this invention can also be used as another component. The shape of the battery case is not particularly limited as long as it can accommodate the above-described positive electrode, negative electrode, electrolyte, and the like, and specific examples include a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a laminate shape, and the like. be able to. When the lithium secondary battery of the present invention is a lithium air secondary battery, the battery case may be an open-air battery case or a sealed battery case. An open-air battery case is a battery case having a structure in which at least the air electrode layer can sufficiently come into contact with the atmosphere. On the other hand, when the battery case is a sealed battery case, it is preferable to provide a gas (air) introduction pipe and an exhaust pipe in the sealed battery case. In this case, the gas to be introduced / exhausted preferably has a high oxygen concentration, and more preferably pure oxygen. In addition, it is preferable to increase the oxygen concentration during discharging and decrease the oxygen concentration during charging.

1.リチウム二次電池の作製
[実施例]
まず、負極活物質層としてリチウム金属薄膜を、負極集電体として円筒形のSUSを用意した。円筒形SUSの略平面部分にリチウム金属薄膜を覆いかぶせて、負極を完成させた。
1. Production of lithium secondary battery [Example]
First, a lithium metal thin film was prepared as a negative electrode active material layer, and a cylindrical SUS was prepared as a negative electrode current collector. A lithium metal thin film was covered on the substantially planar portion of the cylindrical SUS to complete the negative electrode.

次に、正極活物質層となる原料として、ケッチェンブラック(KB)(三菱化学株式会社製:ECP600JD)110mg、二酸化マンガン(MnO)(三井金属鉱山製:HM370)6.7mg、ポリフッ化ビニリデン樹脂のN−メチル−2−ピロリドン溶液(PVdF/NMP)(株式会社クレハ製:KF1320)500mgを、また溶媒として、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)3gを、それぞれ軟膏容器に加え、パラフィルム(登録商標)で密封した。 Next, as raw materials for the positive electrode active material layer, Ketjen Black (KB) (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation: ECP600JD) 110 mg, manganese dioxide (MnO 2 ) (Mitsui Metal Mining: HM370) 6.7 mg, polyvinylidene fluoride 500 mg of an N-methyl-2-pyrrolidone solution of resin (PVdF / NMP) (manufactured by Kureha Co., Ltd .: KF1320) and 3 g of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent were added to the ointment container. Sealed with film (registered trademark).

次に、自転・公転方式混練機に軟膏容器用アダプタをセットし、上記原料及び溶媒を加えた軟膏容器(重量:約165g)を、当該アダプタ内にセットした。混練回転数2000rpm、混練時間5分の条件で混練し、脱泡回転数2200rpm、脱泡時間5分の条件で脱泡した。   Next, an adapter for an ointment container was set in a rotation / revolution kneader, and an ointment container (weight: about 165 g) to which the raw material and solvent were added was set in the adapter. Kneading was performed under the conditions of a kneading rotation speed of 2000 rpm and a kneading time of 5 minutes, and defoaming was performed under conditions of a defoaming rotation speed of 2200 rpm and a defoaming time of 5 minutes.

次に、正極集電体として、SUS304メッシュ(伊勢屋金網工業株式会社製:♯50、線径0.12mm)をf15mmに打ち抜いて加工した。メッシュを計量したところ、58mgであった。   Next, as a positive electrode current collector, SUS304 mesh (manufactured by Iseya Wire Mesh Industry Co., Ltd .: # 50, wire diameter 0.12 mm) was punched into f15 mm and processed. The mesh was weighed to be 58 mg.

次に、脱泡を終えたペースト適量を、塗工用ピンセットにとり、正極集電体メッシュを挟むように塗工した。その後、見た目が乾燥するまで、ドライヤーにてプレ乾燥を行った。
プレ乾燥後、ホットプレートを使用して、乾燥温度150℃、乾燥時間30分の条件で本乾燥を行い、正極が完成した。本乾燥後の正極を計量し、積層体全体の重量とメッシュ重量との差を算出したところ、正極の重量は3.0mgであった。
Next, an appropriate amount of paste after defoaming was applied to tweezers for coating, and coating was performed so as to sandwich the positive electrode current collector mesh. Then, it pre-dried with the dryer until the appearance dried.
After the pre-drying, main drying was performed using a hot plate under the conditions of a drying temperature of 150 ° C. and a drying time of 30 minutes to complete the positive electrode. When the positive electrode after the main drying was weighed and the difference between the weight of the entire laminate and the mesh weight was calculated, the weight of the positive electrode was 3.0 mg.

図3は、上記工程により作製した負極及び正極を組み込んだ、実施例のリチウム空気二次電池の断面模式図である。円筒状の負極集電体1は、当該円筒の略平面部分が負極活物質層2で完全に覆われている。そのため、負極集電体1は、テフロン(登録商標)製の容器3中に満たされたイオン液体4と直接に接していない構成をとっている。イオン液体4を挟んで、負極活物質層2と対峙する空気極5には、酸素タンク6から酸素(1atm)が供給されている。さらに、負極活物質層2側には負極リード7を、空気極5側には空気極リード8を、それぞれ設置した。負極活物質層2と空気極5との距離は2cmとした。電解液として用いたイオン液体としては、N−メチル−N−プロピルピペリジニウム−ビス(トリフルオロメチルスルフォニル)アミン(以下、PP13−TFSAと称す)を用いた。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a lithium-air secondary battery of an example incorporating the negative electrode and the positive electrode prepared by the above-described steps. In the cylindrical negative electrode current collector 1, the substantially planar portion of the cylinder is completely covered with the negative electrode active material layer 2. For this reason, the negative electrode current collector 1 is configured not to be in direct contact with the ionic liquid 4 filled in the Teflon (registered trademark) container 3. Oxygen (1 atm) is supplied from the oxygen tank 6 to the air electrode 5 facing the negative electrode active material layer 2 with the ionic liquid 4 interposed therebetween. Further, a negative electrode lead 7 was installed on the negative electrode active material layer 2 side, and an air electrode lead 8 was installed on the air electrode 5 side. The distance between the negative electrode active material layer 2 and the air electrode 5 was 2 cm. As the ionic liquid used as the electrolytic solution, N-methyl-N-propylpiperidinium-bis (trifluoromethylsulfonyl) amine (hereinafter referred to as PP13-TFSA) was used.

[比較例]
比較例のリチウム二次電池の作製は、負極以外は上記実施例と同様に行った。
図5は、比較例のリチウム空気二次電池の断面模式図であり、負極部分以外は図3に示した装置と同様である。図5に示した装置には、負極活物質層12が負極集電体11にそのまま積層した負極を用いている。負極活物質層12は負極集電体11の一面側を覆っておらず、したがって、図5中の破線で囲って示した部分のように、負極集電体11、負極活物質層12及びイオン液体4の三者の共存部位が存在する。
[Comparative example]
The production of the lithium secondary battery of the comparative example was performed in the same manner as in the above example except for the negative electrode.
FIG. 5 is a schematic sectional view of a lithium-air secondary battery of a comparative example, and is the same as the apparatus shown in FIG. 3 except for the negative electrode portion. The device shown in FIG. 5 uses a negative electrode in which the negative electrode active material layer 12 is laminated on the negative electrode current collector 11 as it is. The negative electrode active material layer 12 does not cover one surface side of the negative electrode current collector 11, and therefore, the negative electrode current collector 11, the negative electrode active material layer 12, and the ions are surrounded by a broken line in FIG. 5. There are three coexisting sites of liquid 4.

2.充放電後のガス分析
図3及び図5に示したリチウム空気二次電池を用いて、充放電を1回、250時間行った後、電解液であるPP13−TFSAの分解に伴うプロピレンガス及びメチルピペリジンガスの発生量の分析を行った。ガス分析には、ガスクロマトグラフ(GSLJ9810、アジレント・テクノロジー株式会社製)を用いた。
2. Gas analysis after charge / discharge
Using the lithium-air secondary battery shown in FIG. 3 and FIG. 5, after charging and discharging once for 250 hours, the amount of propylene gas and methylpiperidine gas generated along with the decomposition of PP13-TFSA as an electrolytic solution Analysis was carried out. A gas chromatograph (GSLJ9810, manufactured by Agilent Technologies) was used for gas analysis.

Figure 2011086502
Figure 2011086502

上記表1から分かるように、比較例のリチウム二次電池を用いた場合には、プロピレンガス及びメチルピペリジンガスの発生量は、共に0.4%であった。これに対し、実施例のリチウム二次電池を用いた場合には、プロピレンガス及びメチルピペリジンガスの発生量は、共に分析機器の検出限界以下であった。
以上のことから、負極集電体、負極活物質層及び電解液であるイオン液体の三者が同時に接触する部位を持つ比較例のリチウム二次電池においては、イオン液体であるPP13−TFSAの分解が生じたのに対し、これら三者が同時に接触する部位を持たない実施例のリチウム二次電池においては、イオン液体の分解がまったく生じないことが明らかとなった。
As can be seen from Table 1 above, when the lithium secondary battery of the comparative example was used, the generation amounts of propylene gas and methylpiperidine gas were both 0.4%. On the other hand, when the lithium secondary battery of the example was used, the generation amounts of propylene gas and methylpiperidine gas were both below the detection limit of the analytical instrument.
From the above, in the lithium secondary battery of the comparative example having a portion where the negative electrode current collector, the negative electrode active material layer, and the ionic liquid that is the electrolytic solution are in contact with each other at the same time, the decomposition of PP13-TFSA that is the ionic liquid In contrast, in the lithium secondary battery of the example in which these three members do not have a portion in contact with each other at the same time, it became clear that the ionic liquid was not decomposed at all.

1 負極集電体
2 負極活物質層
3 容器
4 イオン液体
5 空気極
6 酸素タンク
7 負極リード
8 空気極リード
9 シール材
10 パッキン
11 負極集電体
12 負極活物質層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Negative electrode collector 2 Negative electrode active material layer 3 Container 4 Ionic liquid 5 Air electrode 6 Oxygen tank 7 Negative electrode lead 8 Air electrode lead 9 Sealing material 10 Packing 11 Negative electrode current collector 12 Negative electrode active material layer

Claims (7)

少なくとも正極と、負極と、当該正極と当該負極との間に介在する電解液とを有するリチウム二次電池であって、
前記負極は、少なくとも負極集電体と負極活物質層とを備え、
前記電解液はイオン液体を含み、
前記負極集電体の少なくとも一面側の一部又は全部と前記電解液との間に、前記負極活物質層が介在し、
前記電解液、前記負極集電体及び前記負極活物質層の三者が同時に接触する部位が存在しないことを特徴とする、リチウム二次電池。
A lithium secondary battery having at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution interposed between the positive electrode and the negative electrode,
The negative electrode includes at least a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer,
The electrolyte includes an ionic liquid;
The negative electrode active material layer is interposed between part or all of at least one side of the negative electrode current collector and the electrolytic solution,
A lithium secondary battery characterized in that there is no portion where the electrolyte solution, the negative electrode current collector, and the negative electrode active material layer are in contact with each other at the same time.
さらに保護層を備え、
前記負極集電体の少なくとも一面側の一部又は全部と前記電解液との間に、前記負極活物質層及び前記保護層が介在する、請求項1に記載のリチウム二次電池。
In addition, with a protective layer,
The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the negative electrode active material layer and the protective layer are interposed between a part or all of at least one side of the negative electrode current collector and the electrolytic solution.
前記負極集電体の一面側の、少なくとも外周縁部に前記保護層が積層され、
当該一面側の当該保護層が積層されていない部位の少なくとも全面に前記負極活物質層が積層されている、請求項2に記載のリチウム二次電池。
The protective layer is laminated at least on the outer peripheral edge of one surface side of the negative electrode current collector,
3. The lithium secondary battery according to claim 2, wherein the negative electrode active material layer is laminated on at least the entire surface of the portion where the protective layer on the one surface side is not laminated.
前記負極集電体が、前記負極活物質層の外周を取り巻いて設置され、
前記負極集電体の一面側の全面及び前記負極活物質層の一部に前記保護層が積層されている、請求項2に記載のリチウム二次電池。
The negative electrode current collector is installed around the outer periphery of the negative electrode active material layer;
The lithium secondary battery according to claim 2, wherein the protective layer is laminated on the entire surface of one surface of the negative electrode current collector and a part of the negative electrode active material layer.
前記負極集電体の一面側の一部又は全部に前記負極活物質層が積層され、
前記負極活物質層の、前記負極集電体と接していない面の、少なくとも外周縁部に前記保護層が積層されている、請求項2に記載のリチウム二次電池。
The negative electrode active material layer is laminated on a part or all of one surface side of the negative electrode current collector,
The lithium secondary battery according to claim 2, wherein the protective layer is laminated at least on the outer peripheral edge of the surface of the negative electrode active material layer that is not in contact with the negative electrode current collector.
前記負極集電体の一面側に、前記負極活物質層が積層され、
前記保護層が、前記負極集電体と前記負極活物質層との界面の外周を取り巻いて設置され、
前記電解液中に、前記負極集電体、前記負極活物質層及び前記保護層からなる構造体が浸されている、請求項2に記載のリチウム二次電池。
The negative electrode active material layer is laminated on one side of the negative electrode current collector,
The protective layer is disposed around the outer periphery of the interface between the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer;
The lithium secondary battery according to claim 2, wherein a structure including the negative electrode current collector, the negative electrode active material layer, and the protective layer is immersed in the electrolytic solution.
リチウム空気電池である、請求項1乃至6に記載のリチウム二次電池。   The lithium secondary battery according to claim 1, which is a lithium air battery.
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