JP2008258013A - Nonaqueous electrolyte and nonaqueous electrolyte secondary battery using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水系電解液及びそれを用いた非水系電解液二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the same.
非水系電解液二次電池はエネルギー密度が高く、しかも自己放電を起こしにくいという利点がある。そこで近年、携帯電話、ノートパソコン、PDA等の民生用モバイル機器用の電源として広く利用されている。非水系電解液二次電池用の電解液は支持電解質であるリチウム塩と非水系有機溶媒とから構成される。非水系有機溶媒は、リチウム塩を解離させるために高い誘電率を有すること、広い温度領域で高いイオン伝導度を発現させること、及び電池中で安定であることが要求される。これらの要求を一つの溶媒で達成するのは困難であるので、通常はプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等に代表される高沸点溶媒と、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の低沸点溶媒とを組み合わせて使用している。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries have the advantages of high energy density and less self-discharge. Therefore, in recent years, it has been widely used as a power source for consumer mobile devices such as mobile phones, notebook computers, and PDAs. The electrolyte for a non-aqueous electrolyte secondary battery is composed of a lithium salt as a supporting electrolyte and a non-aqueous organic solvent. The non-aqueous organic solvent is required to have a high dielectric constant in order to dissociate the lithium salt, to exhibit high ionic conductivity in a wide temperature range, and to be stable in the battery. Since it is difficult to achieve these requirements with a single solvent, usually a combination of a high boiling point solvent typified by propylene carbonate and ethylene carbonate and a low boiling point solvent such as dimethyl carbonate and diethyl carbonate is used. ing.
また、初期容量、レート特性、サイクル特性、高温保存特性、低温特性、連続充電特性、自己放電特性、過充電防止特性等を改良するために、種々の添加剤を電解液に添加することが数多く報告されてきた。例えば、サイクル特性を向上させる方法として、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカンを添加することが報告されている(特許文献1参照)。 In addition, various additives are often added to the electrolyte in order to improve the initial capacity, rate characteristics, cycle characteristics, high temperature storage characteristics, low temperature characteristics, continuous charge characteristics, self-discharge characteristics, overcharge prevention characteristics, etc. Have been reported. For example, it has been reported that 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane is added as a method for improving cycle characteristics (see Patent Document 1).
しかしながら、非水系電解液二次電池に対する高性能化への要求はますます高くなってきており、高容量、高温保存特性、連続充電特性、サイクル特性等の諸特性を高い次元で両立することが望まれている。例えば、サイクル特性向上に効果があるとされる特許文献1の従来技術だけでは、後に参考例で示すように、連続充電時にガスが多く発生し、試験後の回復容量も大幅に減少するという問題点があった。
本発明は上記背景技術に鑑みてなされたものであり、その課題は、高い容量を維持し、良好な連続充電特性を与える非水系電解液や非水系電解液二次電池を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said background art, The subject is maintaining the high capacity | capacitance and providing the non-aqueous electrolyte solution and non-aqueous electrolyte secondary battery which give a favorable continuous charge characteristic. .
本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、非水系電解液に環状ポリアミン化合物及び/又は環状ポリアミド化合物を含有させ、更に、必要に応じて、不飽和カーボネート等の特定の化合物を加えることにより、高い容量を維持しつつ、高温下での連続充電特性が大幅に改善することを見出して、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor contains a non-aqueous electrolyte solution containing a cyclic polyamine compound and / or a cyclic polyamide compound, and if necessary, specifies an unsaturated carbonate or the like. By adding this compound, it was found that the continuous charge characteristics at a high temperature were significantly improved while maintaining a high capacity, and the present invention was completed.
すなわち、本発明は、リチウム塩及びこれを溶解する非水系有機溶媒を含有してなる非水系電解液であって、該非水系有機溶媒が、環状ポリアミン化合物及び/又は環状ポリアミド化合物を含有し、更に、不飽和カーボネート、フッ素含有カーボネート、モノフルオロ燐酸塩及びジフルオロ燐酸塩からなる群より選ばれた少なくとも1つの化合物を含有することを特徴とする非水系電解液に存する。以下、この発明を「態様1」と略記する。 That is, the present invention is a non-aqueous electrolyte solution containing a lithium salt and a non-aqueous organic solvent for dissolving the lithium salt, wherein the non-aqueous organic solvent contains a cyclic polyamine compound and / or a cyclic polyamide compound, And at least one compound selected from the group consisting of unsaturated carbonates, fluorine-containing carbonates, monofluorophosphates and difluorophosphates. Hereinafter, this invention is abbreviated as “Aspect 1”.
また、本発明は、リチウム塩及びこれを溶解する非水系有機溶媒を含有してなる非水系電解液であって、該非水系有機溶媒が、環状ポリアミン化合物を含有し、更に、環状カーボネートを非水系有機溶媒全体に対して5質量%〜40質量%含有することを特徴とする非水系電解液に存する。以下、この発明を「態様2」と略記する。 The present invention also relates to a non-aqueous electrolyte solution comprising a lithium salt and a non-aqueous organic solvent for dissolving the lithium salt, wherein the non-aqueous organic solvent contains a cyclic polyamine compound, and the cyclic carbonate is converted into a non-aqueous system. The non-aqueous electrolyte contains 5% by mass to 40% by mass with respect to the whole organic solvent. Hereinafter, the present invention is abbreviated as “Aspect 2”.
また、本発明は、リチウム塩及びこれを溶解する非水系有機溶媒を含有してなる非水系電解液であって、該非水系有機溶媒が、環状ポリアミド化合物を含有することを特徴とする非水系電解液に存する。以下、この発明を「態様3」と略記する。 The present invention also provides a non-aqueous electrolytic solution comprising a lithium salt and a non-aqueous organic solvent for dissolving the lithium salt, wherein the non-aqueous organic solvent contains a cyclic polyamide compound. Be in liquid. Hereinafter, this invention is abbreviated as “Aspect 3”.
また、本発明は、上記非水系電解液を用いたことを特徴とする非水系電解液二次電池に存する。 The present invention also relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery using the non-aqueous electrolyte.
本発明によれば、高い容量を維持し、連続充電特性等に優れた非水系電解液二次電池を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a non-aqueous electrolyte secondary battery that maintains a high capacity and is excellent in continuous charge characteristics and the like.
以下、本発明について説明するが、本発明は以下の実施の具体的形態に限定されるものではなく、任意に変形することができる。 Hereinafter, the present invention will be described, but the present invention is not limited to the following specific embodiments and can be arbitrarily modified.
本発明の非水系電解液二次電池は、非水系電解液、リチウムの吸蔵及び放出が可能な正極及び負極を備えて構成される。また、本発明の非水系電解液二次電池はその他の構成を備えていてもよい。 The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes a non-aqueous electrolyte, a positive electrode and a negative electrode capable of inserting and extracting lithium. Moreover, the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention may have other configurations.
<I.非水系電解液>
(態様1)
本発明の非水系電解液は、リチウム塩及びこれを溶解する非水系有機溶媒を含有してなる非水系電解液であって、該非水系有機溶媒が、環状ポリアミン化合物及び/又は環状ポリアミド化合物を含有し、更に、不飽和カーボネート、フッ素含有カーボネート、モノフルオロ燐酸塩及びジフルオロ燐酸塩からなる群より選ばれた少なくとも1つの化合物を含有することを特徴とする。
<I. Non-aqueous electrolyte>
(Aspect 1)
The non-aqueous electrolyte of the present invention is a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt and a non-aqueous organic solvent that dissolves the lithium salt, and the non-aqueous organic solvent contains a cyclic polyamine compound and / or a cyclic polyamide compound. Furthermore, it is characterized by containing at least one compound selected from the group consisting of unsaturated carbonates, fluorine-containing carbonates, monofluorophosphates and difluorophosphates.
[1.環状ポリアミン化合物]
[1−1.種類]
本発明における非水系電解液に含まれる環状ポリアミン化合物(以下適宜「本発明の環状ポリアミン化合物」という)とは、アミン類が縮合した構造の環状化合物及びそれらの誘導体である。すなわち、複数の窒素原子をアルキレン基で結合した環状化合物及びそれらの窒素原子に結合した水素原子を炭化水素基で置換した誘導体である。
[1. Cyclic polyamine compound]
[1-1. type]
The cyclic polyamine compound contained in the nonaqueous electrolytic solution in the present invention (hereinafter referred to as “the cyclic polyamine compound of the present invention” as appropriate) is a cyclic compound having a structure in which amines are condensed and derivatives thereof. That is, a cyclic compound in which a plurality of nitrogen atoms are bonded with an alkylene group and a derivative in which hydrogen atoms bonded to the nitrogen atoms are substituted with a hydrocarbon group.
環を構成する窒素原子の数は、好ましくは3以上、特に好ましくは4以上、また、好ましくは6以下、特に好ましくは4以下である。また、アルキレン基としては特に制限はないが、エチレン基、メチルエチレン基、プロピレン基、ブチレン基等の炭素数2〜4のアルキレン基が好ましく、特に、エチレン基又はプロピレン基が好ましい。また、2種類以上のアルキレン基が含まれていてもよい。 The number of nitrogen atoms constituting the ring is preferably 3 or more, particularly preferably 4 or more, and preferably 6 or less, particularly preferably 4 or less. Moreover, although there is no restriction | limiting in particular as an alkylene group, C2-C4 alkylene groups, such as ethylene group, a methylethylene group, a propylene group, a butylene group, are preferable, and an ethylene group or a propylene group is especially preferable. Also, two or more types of alkylene groups may be included.
また、窒素原子に結合した水素を置換する炭化水素基としては、アルキル基、アリール基、アラルキル基等が挙げられる。中でもアルキル基が好ましい。これらを例示すると、アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基等が挙げられ、アリール基としては、フェニル基、p−トリル基、エチルフェニル基、ジメチルフェニル基等の炭素数6〜8のアリール基が挙げられる。アラルキル基としては、ベンジル基、フェネチル基等が挙げられる。 In addition, examples of the hydrocarbon group that replaces the hydrogen bonded to the nitrogen atom include an alkyl group, an aryl group, and an aralkyl group. Of these, an alkyl group is preferred. Illustrative examples of the alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, an isopropyl group, and a butyl group. Examples of the aryl group include a phenyl group, a p-tolyl group, an ethylphenyl group, and a dimethylphenyl group. And an aryl group having 6 to 8 carbon atoms. Examples of the aralkyl group include a benzyl group and a phenethyl group.
更に、本発明の環状ポリアミン化合物は、その分子量が好ましくは120以上、より好ましくは170以上、また、好ましくは800以下、より好ましくは400以下、特に好ましくは300以下である。この範囲の上限を上回ると、ポリアミン化合物の非水系電解液に対する相溶性又は溶解性が低下し、特に低温での容量を低下させる場合がある。 Furthermore, the molecular weight of the cyclic polyamine compound of the present invention is preferably 120 or more, more preferably 170 or more, and preferably 800 or less, more preferably 400 or less, and particularly preferably 300 or less. When the upper limit of this range is exceeded, the compatibility or solubility of the polyamine compound with respect to the non-aqueous electrolyte solution is lowered, and the capacity at a low temperature may be lowered.
以下、本発明の環状ポリアミン化合物の具体例を挙げるが、本発明の環状ポリアミン化合物は以下の例示物に限定されるものではない。 Hereinafter, although the specific example of the cyclic polyamine compound of this invention is given, the cyclic polyamine compound of this invention is not limited to the following illustrations.
本発明の環状ポリアミン化合物の具体例としては、
1,4,7−トリアザシクロノナン、
1,4,7−トリアザシクロデカン、
1,4,8−トリアザシクロウンデカン、
1,5,9−トリアザシクロドデカン、
1,6,11−トリアザシクロペンタデカン、
等のトリアザシクロアルカン類、
Specific examples of the cyclic polyamine compound of the present invention include:
1,4,7-triazacyclononane,
1,4,7-triazacyclodecane,
1,4,8-triazacycloundecane,
1,5,9-triazacyclododecane,
1,6,11-triazacyclopentadecane,
Triazacycloalkanes such as
1,4,7,10−テトラアザシクロドデカン(別名:サイクレン)、
1,4,7,10−テトラアザシクロトリデカン、
1,4,7,11−テトラアザシクロテトラデカン、
1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン(別名:サイクラム)、
1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン、
1,5,9,13−テトラアザシクロヘキサデカン、
等のテトラアザシクロアルカン類、
1,4,7,10-tetraazacyclododecane (also known as cyclen),
1,4,7,10-tetraazacyclotridecane,
1,4,7,11-tetraazacyclotetradecane,
1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane (also known as cyclam),
1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane,
1,5,9,13-tetraazacyclohexadecane,
Tetraazacycloalkanes such as
1,4,7,10,13−ペンタアザシクロペンタデカン、
1,4,7,10,13−ペンタアザシクロヘキサデカン、
等のペンタアザシクロアルカン類、
1,4,7,10,13-pentaazacyclopentadecane,
1,4,7,10,13-pentaazacyclohexadecane,
Pentaazacycloalkanes such as
1,4,7,10,13,16−ヘキサアザシクロオクタデカン(別名:ヘキササイクレン)、
1,4,7,10,13,16−ヘキサアザシクロノナデカン、
等のヘキサアザシクロアルカン類、
1,4,7,10,13,16-hexaazacyclooctadecane (also known as hexacyclene),
1,4,7,10,13,16-hexaazacyclononadecane,
Hexaazacycloalkanes such as
1,4,7−テトラメチル−1,4,7−トリアザシクロノナン、
2,5,8−テトラメチル−1,4,7−トリアザシクロノナン、
1,4,7−テトラエチル−1,4,7−トリアザシクロノナン、
1,4,7−テトラフェニル−1,4,7−トリアザシクロノナン、
1,4,7−テトラベンジル−1,4,7−トリアザシクロノナン、
1,5,9−テトラメチル−1,5,9−トリアザシクロドデカン、
1,5,9−テトラエチル−1,5,9−トリアザシクロドデカン、
1,5,9−テトラフェニル−1,5,9−トリアザシクロドデカン、
1,5,9−テトラベンジル−1,5,9−トリアザシクロドデカン、
等の炭化水素基置換トリアザシクロアルカン類、
1,4,7-tetramethyl-1,4,7-triazacyclononane,
2,5,8-tetramethyl-1,4,7-triazacyclononane,
1,4,7-tetraethyl-1,4,7-triazacyclononane,
1,4,7-tetraphenyl-1,4,7-triazacyclononane,
1,4,7-tetrabenzyl-1,4,7-triazacyclononane,
1,5,9-tetramethyl-1,5,9-triazacyclododecane,
1,5,9-tetraethyl-1,5,9-triazacyclododecane,
1,5,9-tetraphenyl-1,5,9-triazacyclododecane,
1,5,9-tetrabenzyl-1,5,9-triazacyclododecane,
Hydrocarbon group-substituted triazacycloalkanes such as
1,4,7,10−テトラメチル−1,4,7,10−テトラアザシクロドデカン、
2,5,8,11−テトラメチル−1,4,7,10−テトラアザシクロドデカン、
1,4,7,10−テトラメチル−1,4,7,10−テトラアザシクロドデカン、
1,4,7,10−テトラエチル−1,4,7,10−テトラアザシクロドデカン、
1,4,7,10−テトラフェニル−1,4,7,10−テトラアザシクロドデカン、
1,4,7,10−テトラベンジル−1,4,7,10−テトラアザシクロドデカン、
1,4,8,11−テトラメチル−1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン、
1,4,8,11−テトラエチル−1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン、
1,4,8,11−テトラフェニル−1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン、
1,4,8,11−テトラベンジル−1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン、
1,4,8,12−テトラメチル−1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン、
1,4,8,12−テトラエチル−1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン、
1,4,8,12−テトラフェニル−1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン、
1,4,8,12−テトラベンジル−1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン、
等の炭化水素基置換テトラアザシクロアルカン類、
1,4,7,10-tetramethyl-1,4,7,10-tetraazacyclododecane,
2,5,8,11-tetramethyl-1,4,7,10-tetraazacyclododecane,
1,4,7,10-tetramethyl-1,4,7,10-tetraazacyclododecane,
1,4,7,10-tetraethyl-1,4,7,10-tetraazacyclododecane,
1,4,7,10-tetraphenyl-1,4,7,10-tetraazacyclododecane,
1,4,7,10-tetrabenzyl-1,4,7,10-tetraazacyclododecane,
1,4,8,11-tetramethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane,
1,4,8,11-tetraethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane,
1,4,8,11-tetraphenyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane,
1,4,8,11-tetrabenzyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane,
1,4,8,12-tetramethyl-1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane,
1,4,8,12-tetraethyl-1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane,
1,4,8,12-tetraphenyl-1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane,
1,4,8,12-tetrabenzyl-1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane,
Hydrocarbon-substituted tetraazacycloalkanes such as
1,4,7,10,13,16−ヘキサメチル−1,4,7,10,13,16−ヘキサアザシクロオクタデカン、
1,4,7,10,13,16−ヘキサエチル−1,4,7,10,13,16−ヘキサアザシクロオクタデカン、
1,4,7,10,13,16−ヘキサフェニル−1,4,7,10,13,16−ヘキサアザシクロオクタデカン、
1,4,7,10,13,16−ヘキサベンジル−1,4,7,10,13,16−ヘキサアザシクロオクタデカン、
等の炭化水素基置換ヘキサアザシクロアルカン類等が挙げられる。
1,4,7,10,13,16-hexamethyl-1,4,7,10,13,16-hexaazacyclooctadecane,
1,4,7,10,13,16-hexaethyl-1,4,7,10,13,16-hexaazacyclooctadecane,
1,4,7,10,13,16-hexaphenyl-1,4,7,10,13,16-hexaazacyclooctadecane,
1,4,7,10,13,16-hexabenzyl-1,4,7,10,13,16-hexaazacyclooctadecane,
And hydrocarbon group-substituted hexaazacycloalkanes.
これらのなかでも好ましくは、
1,4,7−トリアザシクロノナン、
1,5,9−トリアザシクロドデカン、
等のトリアザシクロアルカン類、
1,4,7,10−テトラアザシクロドデカン(別名:サイクレン)、
1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン(別名:サイクラム)、
1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン、
等のテトラアザシクロアルカン類、
1,4,7,10,13,16−ヘキサアザシクロオクタデカン(別名:ヘキササイクレン)、
1,4,7−テトラメチル−1,4,7−トリアザシクロノナン、
1,5,9−テトラメチル−1,5,9−トリアザシクロドデカン、
1,4,7,10−テトラメチル−1,4,7,10−テトラアザシクロドデカン、
1,4,7,10−テトラメチル−1,4,7,10−テトラアザシクロドデカン、
1,4,8,11−テトラメチル−1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン、
1,4,8,12−テトラメチル−1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン、
等のメチル基置換アザシクロアルカン類である。
Among these, preferably,
1,4,7-triazacyclononane,
1,5,9-triazacyclododecane,
Triazacycloalkanes such as
1,4,7,10-tetraazacyclododecane (also known as cyclen),
1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane (also known as cyclam),
1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane,
Tetraazacycloalkanes such as
1,4,7,10,13,16-hexaazacyclooctadecane (also known as hexacyclene),
1,4,7-tetramethyl-1,4,7-triazacyclononane,
1,5,9-tetramethyl-1,5,9-triazacyclododecane,
1,4,7,10-tetramethyl-1,4,7,10-tetraazacyclododecane,
1,4,7,10-tetramethyl-1,4,7,10-tetraazacyclododecane,
1,4,8,11-tetramethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane,
1,4,8,12-tetramethyl-1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane,
And methyl group-substituted azacycloalkanes.
これらのなかでも特に好ましくは、
1,4,7−トリアザシクロノナン、
1,5,9−トリアザシクロドデカン、
等のトリアザシクロアルカン類、
1,4,7,10−テトラアザシクロドデカン(別名:サイクレン)、
1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン(別名:サイクラム)、
1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン、
等のテトラアザシクロアルカン類、
1,4,8,11−テトラメチル−1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン、
等のメチル基置換テトラアザシクロアルカン類である。
Among these, particularly preferably,
1,4,7-triazacyclononane,
1,5,9-triazacyclododecane,
Triazacycloalkanes such as
1,4,7,10-tetraazacyclododecane (also known as cyclen),
1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane (also known as cyclam),
1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane,
Tetraazacycloalkanes such as
1,4,8,11-tetramethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane,
And methyl group-substituted tetraazacycloalkanes.
本発明の環状ポリアミン化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 The cyclic polyamine compound of this invention may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
これらの環状ポリアミン化合物は分子量が大きすぎず、非水系有機溶媒に容易に溶解し、その一部は正極で酸化を受ける。この際に安定した被膜を正極に形成するため、これらの環状ポリアミン化合物を含有する非水系電解液を用いた非水系電解液二次電池では、連続充電特性が良くなる。 These cyclic polyamine compounds are not too large in molecular weight, are easily dissolved in non-aqueous organic solvents, and some of them are oxidized at the positive electrode. In this case, since a stable film is formed on the positive electrode, the non-aqueous electrolyte secondary battery using the non-aqueous electrolyte containing these cyclic polyamine compounds has improved continuous charge characteristics.
[1−2.組成]
本発明の環状ポリアミン化合物の含有量は、後述する非水系溶媒に溶解する限り特に制限はないが、非水系電解液全体に対して、通常0.001質量%以上、好ましくは0.01質量%以上、また、通常5質量%以下、好ましくは1質量%以下、特に好ましくは0.2質量%以下含有する。この範囲の下限を下回ると、本発明の効果がほとんど発現しない場合があり、また、この上限を上回ると、環状ポリアミン化合物を触媒とする、カーボネート等の非水系有機溶媒の分解反応が起こるようになり、レート特性等の電池特性が低下する場合がある。なお、本発明の環状ポリアミン化合物を2種以上併用する場合には、使用する本発明の環状ポリアミン化合物の濃度の合計が上記範囲内となるようにする。
[1-2. composition]
The content of the cyclic polyamine compound of the present invention is not particularly limited as long as it is dissolved in the non-aqueous solvent described later, but is usually 0.001% by mass or more, preferably 0.01% by mass with respect to the entire non-aqueous electrolyte. In addition, the content is usually 5% by mass or less, preferably 1% by mass or less, and particularly preferably 0.2% by mass or less. If the lower limit of this range is not reached, the effect of the present invention may be hardly expressed. If the upper limit is exceeded, a decomposition reaction of a non-aqueous organic solvent such as carbonate using a cyclic polyamine compound as a catalyst occurs. Thus, battery characteristics such as rate characteristics may deteriorate. In addition, when using together 2 or more types of cyclic polyamine compounds of this invention, it is made for the sum total of the density | concentration of the cyclic polyamine compound of this invention to use be in the said range.
[2.環状ポリアミド化合物]
[2−1.種類]
本発明における非水系電解液に含まれる環状ポリアミド化合物(以下適宜「本発明の環状ポリアミド化合物」という)とは、複数のアミド結合(−NHCO−)を環骨格に有する化合物である。環を構成するアミド結合の数は好ましくは2以上であり、また、好ましくは6以下、特に好ましくは4以下である。アミド結合を2個有するものは、例えば、鎖状ポリアミン化合物とマロン酸誘導体との反応等により合成でき、またアミド結合を3個以上有するものは、例えば、各種アミノ酸の環化重合反応により合成できる。
[2. Cyclic polyamide compound]
[2-1. type]
The cyclic polyamide compound contained in the nonaqueous electrolytic solution in the present invention (hereinafter referred to as “cyclic polyamide compound of the present invention” as appropriate) is a compound having a plurality of amide bonds (—NHCO—) in the ring skeleton. The number of amide bonds constituting the ring is preferably 2 or more, preferably 6 or less, particularly preferably 4 or less. Those having two amide bonds can be synthesized, for example, by a reaction between a chain polyamine compound and a malonic acid derivative, and those having three or more amide bonds can be synthesized, for example, by a cyclopolymerization reaction of various amino acids. .
更に、本発明の環状ポリアミド化合物は、その分子量が好ましくは160以上、より好ましくは200以上、また、好ましくは800以下、より好ましくは600以下、特に好ましくは500以下である。この範囲の上限を上回ると、本発明の環状ポリアミド化合物の非水系有機溶媒に対する相溶性又は溶解性が低下し、特に低温での容量を低下させる要因となる場合がある。 Furthermore, the cyclic polyamide compound of the present invention has a molecular weight of preferably 160 or more, more preferably 200 or more, and preferably 800 or less, more preferably 600 or less, and particularly preferably 500 or less. If the upper limit of this range is exceeded, the compatibility or solubility of the cyclic polyamide compound of the present invention with respect to the non-aqueous organic solvent may be lowered, which may cause a decrease in capacity particularly at low temperatures.
以下、本発明の環状ポリアミド化合物の具体例を挙げるが、本発明の環状ポリアミド化合物は以下の例示物に限定されるものではない。 Hereinafter, although the specific example of the cyclic polyamide compound of this invention is given, the cyclic polyamide compound of this invention is not limited to the following illustrations.
本発明の環状ポリアミド化合物の具体例としては、アミド結合を2個有するものとして、
1,4,7−トリアザシクロデカン−8,10−ジオン、
9−メチル−1,4,7−トリアザシクロデカン−8,10−ジオン、
9,9’−ジメチル−1,4,7−トリアザシクロデカン−8,10−ジオン、
9−エチル−1,4,7−トリアザシクロデカン−8,10−ジオン、
9−フェニル−1,4,7−トリアザシクロデカン−8,10−ジオン、
9−ベンジル−1,4,7−トリアザシクロデカン−8,10−ジオン、
1,5,9−トリアザシクロドデカン−6,8−ジオン、
7−メチル−1,5,9−トリアザシクロドデカン−6,8−ジオン、
7,7’−メチル−1,5,9−トリアザシクロドデカン−6,8−ジオン、
7−エチル−1,5,9−トリアザシクロドデカン−6,8−ジオン、
7−フェニル−1,5,9−トリアザシクロドデカン−6,8−ジオン、
7−ベンジル−1,5,9−トリアザシクロドデカン−6,8−ジオン、
等の(置換)トリアザシクロアルカンジオン類、
As a specific example of the cyclic polyamide compound of the present invention, assuming that it has two amide bonds,
1,4,7-triazacyclodecane-8,10-dione,
9-methyl-1,4,7-triazacyclodecane-8,10-dione,
9,9′-dimethyl-1,4,7-triazacyclodecane-8,10-dione,
9-ethyl-1,4,7-triazacyclodecane-8,10-dione,
9-phenyl-1,4,7-triazacyclodecane-8,10-dione,
9-benzyl-1,4,7-triazacyclodecane-8,10-dione,
1,5,9-triazacyclododecane-6,8-dione,
7-methyl-1,5,9-triazacyclododecane-6,8-dione,
7,7′-methyl-1,5,9-triazacyclododecane-6,8-dione,
7-ethyl-1,5,9-triazacyclododecane-6,8-dione,
7-phenyl-1,5,9-triazacyclododecane-6,8-dione,
7-benzyl-1,5,9-triazacyclododecane-6,8-dione,
(Substituted) triazacycloalkanediones, such as
1,4,7,10−テトラアザシクロトリデカン−11,13−ジオン、
12−メチル−1,4,7,10−テトラアザシクロトリデカン−11,13−ジオン、
12、12’−ジメチル−1,4,7,10−テトラアザシクロトリデカン−11,13−ジオン、
12−エチル−1,4,7,10−テトラアザシクロトリデカン−11,13−ジオン、
12−フェニル−1,4,7,10−テトラアザシクロトリデカン−11,13−ジオン、
12−ベンジル−1,4,7,10−テトラアザシクロトリデカン−11,13−ジオン、
1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン−5,7−ジオン、
6−メチル−1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン−5,7−ジオン、
6,6’−ジメチル−1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン−5,7−ジオン、
6−エチル−1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン−5,7−ジオン、
6−フェニル−1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン−5,7−ジオン、
6−ベンジル−1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン−5,7−ジオン、
1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン−9,11−ジオン、
10−メチル−1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン−9,11−ジオン、
10,10’−ジメチル−1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン−9,11−ジオン、
10−エチル−1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン−9,11−ジオン、
10−フェニル−1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン−9,11−ジオン、
10−ベンジル−1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン−9,11−ジオン、
等の(置換)テトラアザシクロアルカンジオン類、
1,4,7,10-tetraazacyclotridecane-11,13-dione,
12-methyl-1,4,7,10-tetraazacyclotridecan-11,13-dione,
12,12′-dimethyl-1,4,7,10-tetraazacyclotridecan-11,13-dione,
12-ethyl-1,4,7,10-tetraazacyclotridecan-11,13-dione,
12-phenyl-1,4,7,10-tetraazacyclotridecan-11,13-dione,
12-benzyl-1,4,7,10-tetraazacyclotridecan-11,13-dione,
1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-5,7-dione,
6-methyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-5,7-dione,
6,6′-dimethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-5,7-dione,
6-ethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-5,7-dione,
6-phenyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-5,7-dione,
6-benzyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-5,7-dione,
1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane-9,11-dione,
10-methyl-1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane-9,11-dione,
10,10′-dimethyl-1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane-9,11-dione,
10-ethyl-1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane-9,11-dione,
10-phenyl-1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane-9,11-dione,
10-benzyl-1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane-9,11-dione,
(Substituted) tetraazacycloalkanediones, such as
1,4,7,10,13,16−ヘキサアザシクロノナデカン−17,19−ジオン、
18−メチル−1,4,7,10,13,16−ヘキサアザシクロノナデカン−17,19−ジオン、
18,18’−エチル−1,4,7,10,13,16−ヘキサアザシクロノナデカン−17,19−ジオン、
18−エチル−1,4,7,10,13,16−ヘキサアザシクロノナデカン−17,19−ジオン、
18−フェニル−1,4,7,10,13,16−ヘキサアザシクロノナデカン−17,19−ジオン、
18−ベンジル−1,4,7,10,13,16−ヘキサアザシクロノナデカン−17,19−ジオン、
等の(置換)テトラアザシクロアルカンジオン類が挙げられる。
1,4,7,10,13,16-hexaazacyclononadecane-17,19-dione,
18-methyl-1,4,7,10,13,16-hexaazacyclononadecane-17,19-dione,
18,18′-ethyl-1,4,7,10,13,16-hexaazacyclononadecane-17,19-dione,
18-ethyl-1,4,7,10,13,16-hexaazacyclononadecane-17,19-dione,
18-phenyl-1,4,7,10,13,16-hexaazacyclononadecane-17,19-dione,
18-benzyl-1,4,7,10,13,16-hexaazacyclononadecane-17,19-dione,
And the like (substituted) tetraazacycloalkanediones.
また、アミド結合を3個以上有するものとして、
シクロ(−グリシル)3、
シクロ(β−アラニル)3、
シクロ(−プロリル)3、
等の環状トリアミド類、
In addition, as having three or more amide bonds,
Cyclo (-glycyl) 3,
Cyclo (β-alanyl) 3,
Cyclo (-prolyl) 3,
Cyclic triamides such as
シクロ(−グリシル)4、
シクロ(β−アラニル)4、
シクロ(β−アラニルグリシル−β−アラニルグリシル)、
シクロ(β−アラニルプロリル−β−アラニルプロリル)、
シクロ(−グリシル)4、
シクロ(β−アラニル)4、
等の環状テトラアミド類、
Cyclo (-glycyl) 4,
Cyclo (β-alanyl) 4,
Cyclo (β-alanylglycyl-β-alanylglycyl),
Cyclo (β-alanylprolyl-β-alanylprolyl),
Cyclo (-glycyl) 4,
Cyclo (β-alanyl) 4,
Cyclic tetraamides such as
シクロ(−グリシル)6、
シクロ(−プロリル−グリシル)3、
等の環状ヘキサアミド類等が挙げられる。
Cyclo (-glycyl) 6,
Cyclo (-prolyl-glycyl) 3,
And the like, and the like.
これらのなかでも好ましくは、
1,4,7−トリアザシクロデカン−8,10−ジオン、
1,5,9−トリアザシクロドデカン−6,8−ジオン、
等のトリアザシクロアルカンジオン類、
1,4,7,10−テトラアザシクロトリデカン−11,13−ジオン、
1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン−5,7−ジオン、
1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン−9,11−ジオン、
等のテトラアザシクロアルカンジオン類、
シクロ(β−アラニルグリシル−β−アラニルグリシル)、
シクロ(−プロリル−グリシル)3、
等のヘキサアミド類等である。
Among these, preferably,
1,4,7-triazacyclodecane-8,10-dione,
1,5,9-triazacyclododecane-6,8-dione,
Triazacycloalkanediones such as
1,4,7,10-tetraazacyclotridecane-11,13-dione,
1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-5,7-dione,
1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane-9,11-dione,
Tetraazacycloalkanediones such as
Cyclo (β-alanylglycyl-β-alanylglycyl),
Cyclo (-prolyl-glycyl) 3,
Such as hexaamides.
これらのなかでも特に好ましくは
1,4,7,10−テトラアザシクロトリデカン−11,13−ジオン、
1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン−5,7−ジオン、
1,4,8,12−テトラアザシクロペンタデカン−9,11−ジオン、
シクロ(β−アラニルグリシル−β−アラニルグリシル)
である。
Among these, 1,4,7,10-tetraazacyclotridecan-11,13-dione is particularly preferable.
1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-5,7-dione,
1,4,8,12-tetraazacyclopentadecane-9,11-dione,
Cyclo (β-alanylglycyl-β-alanylglycyl)
It is.
また、上述した本発明のポリアミド化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 Moreover, the polyamide compound of this invention mentioned above may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
これらの本発明の環状ポリアミド化合物は、分子量が大きすぎず、非水系有機溶媒に容易に溶解し、その一部は正極で酸化を受ける。この際に安定した被膜を正極に形成するため、本発明の環状ポリアミド化合物を含有する非水系電解液を用いた場合、非水系電解液二次電池の連続充電特性が良くなる。 These cyclic polyamide compounds of the present invention do not have a too high molecular weight and are easily dissolved in a non-aqueous organic solvent, and a part thereof is oxidized at the positive electrode. At this time, in order to form a stable coating film on the positive electrode, when the non-aqueous electrolyte solution containing the cyclic polyamide compound of the present invention is used, the continuous charge characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery are improved.
[2−2.組成]
本発明の環状ポリアミド化合物の含有量は、後述する非水系有機溶媒に溶解する限り特に制限はないが、非水系電解液全体に対して、通常0.001質量%以上、好ましくは0.01質量%以上、また、通常5質量%以下、好ましくは1質量%以下、特に好ましくは0.2質量%以下含有する。この範囲の下限を下回ると、本発明の効果がほとんど発現しない場合があり。また、この上限を上回ると、正極上に形成される被膜が厚くなり高抵抗となるため、リチウム(Li)イオンの移動が阻害され、レート特性等の電池特性が低下する場合がある。なお、本発明の環状ポリアミド化合物を2種以上併用する場合には、使用する本発明の環状ポリアミド化合物の濃度の合計が上記範囲内となるようにする。
[2-2. composition]
The content of the cyclic polyamide compound of the present invention is not particularly limited as long as it is dissolved in the non-aqueous organic solvent described later, but is usually 0.001% by mass or more, preferably 0.01% by mass with respect to the entire non-aqueous electrolyte. % Or more, usually 5% by mass or less, preferably 1% by mass or less, particularly preferably 0.2% by mass or less. If the lower limit of this range is not reached, the effect of the present invention may be hardly exhibited. On the other hand, when the upper limit is exceeded, the film formed on the positive electrode becomes thick and has high resistance, so that the movement of lithium (Li) ions is hindered, and battery characteristics such as rate characteristics may be deteriorated. In addition, when using 2 or more types of cyclic polyamide compounds of this invention together, it is made for the sum total of the density | concentration of the cyclic polyamide compound of this invention to be used in the said range.
[3.不飽和カーボネート、フッ素含有カーボネート、モノフルオロ燐酸塩及びジフルオロ燐酸塩からなる群より選ばれた少なくとも1つの化合物]
本発明の非水系電解液は、更に、不飽和カーボネート、フッ素含有カーボネート、モノフルオロ燐酸塩及びジフルオロ燐酸塩からなる群より選ばれた少なくとも1つの化合物を含有する。これらの化合物は負極上に被膜を形成させ、電池特性を改善させる目的等で含有される。
[3. At least one compound selected from the group consisting of unsaturated carbonate, fluorine-containing carbonate, monofluorophosphate and difluorophosphate]
The nonaqueous electrolytic solution of the present invention further contains at least one compound selected from the group consisting of unsaturated carbonates, fluorine-containing carbonates, monofluorophosphates and difluorophosphates. These compounds are contained for the purpose of forming a film on the negative electrode and improving battery characteristics.
[3−1.種類]
不飽和カーボネートとしては、炭素−炭素不飽和結合を有するカーボネートであれば他に制限は無く、任意の不飽和カーボネート類を用いることができる。例えば、芳香環を有するカーボネート、炭素−炭素二重結合や炭素−炭素三重結合等の炭素−炭素不飽和結合を有するカーボネート等が挙げられる。
[3-1. type]
The unsaturated carbonate is not particularly limited as long as it is a carbonate having a carbon-carbon unsaturated bond, and any unsaturated carbonate can be used. For example, a carbonate having an aromatic ring, a carbonate having a carbon-carbon unsaturated bond such as a carbon-carbon double bond or a carbon-carbon triple bond, and the like can be given.
不飽和カーボネートの具体例としては、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、1,2−ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、1,2−ジフェニルビニレンカーボネート等のビニレンカーボネート誘導体類;ビニルエチレンカーボネート、1,2−ジビニルエチレンカーボネート、フェニルエチレンカーボネート、1,2−ジフェニルエチレンカーボネート等の炭素−炭素不飽和結合を有する置換基で置換されたエチレンカーボネート誘導体類;ジフェニルカーボネート、メチルフェニルカーボネート、t−ブチルフェニルカーボネート等のフェニルカーボネート類;ジビニルカーボネート、メチルビニルカーボネート等のビニルカーボネート類;ジアリルカーボネート、アリルメチルカーボネート等のアリルカーボネート類等が挙げられる。不飽和カーボネートは1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 Specific examples of unsaturated carbonates include vinylene carbonate derivatives such as vinylene carbonate, methyl vinylene carbonate, 1,2-dimethyl vinylene carbonate, phenyl vinylene carbonate, 1,2-diphenyl vinylene carbonate; vinyl ethylene carbonate, 1,2- Ethylene carbonate derivatives substituted with a substituent having a carbon-carbon unsaturated bond such as divinylethylene carbonate, phenylethylene carbonate, 1,2-diphenylethylene carbonate; diphenyl carbonate, methylphenyl carbonate, t-butylphenyl carbonate, etc. Phenyl carbonates; vinyl carbonates such as divinyl carbonate and methyl vinyl carbonate; diallyl carbonate, allyl methyl carbonate Allyl carbonate, and the like of and the like. An unsaturated carbonate may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
これらの中でも、ビニレンカーボネート誘導体類、又は、炭素−炭素不飽和結合を有する置換基で置換されたエチレンカーボネート誘導体類が好ましい。具体的には、ビニレンカーボネート、1,2−ジフェニルビニレンカーボネート、1,2−ジメチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート等が特に好ましい。これらの不飽和カーボネートを用いることにより、負極上に安定な界面保護被膜を形成するため、非水系電解液二次電池のサイクル特性が改善される。 Among these, vinylene carbonate derivatives or ethylene carbonate derivatives substituted with a substituent having a carbon-carbon unsaturated bond are preferable. Specifically, vinylene carbonate, 1,2-diphenyl vinylene carbonate, 1,2-dimethyl vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, and the like are particularly preferable. By using these unsaturated carbonates, a stable interface protective film is formed on the negative electrode, so that the cycle characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery are improved.
フッ素含有カーボネートとしては、フッ素原子を有するカーボネートであれば他に制限はなく、任意のものを用いることができる。 The fluorine-containing carbonate is not particularly limited as long as it is a carbonate having a fluorine atom, and an arbitrary one can be used.
これらを例示すると、
フルオロエチレンカーボネート、1,1−ジフルオロエチレンカーボネート、
cis−ジフルオロエチレンカーボネート、
trans−ジフルオロエチレンカーボネート、
フルオロプロピレンカーボネート、
トリフルオロメチルエチレンカーボネート等のフッ素含有環状カーボネート、
To illustrate these,
Fluoroethylene carbonate, 1,1-difluoroethylene carbonate,
cis-difluoroethylene carbonate,
trans-difluoroethylene carbonate,
Fluoropropylene carbonate,
Fluorine-containing cyclic carbonates such as trifluoromethylethylene carbonate,
トリフルオロメチルメチルカーボネート、
トリフルオロメチルエチルカーボネート、
2−フルオロエチルメチルカーボネート、
2−フルオロエチルエチルカーボネート、
2,2,2−トリフルオロエチルメチルカーボネート、
2,2,2−トリフルオロエチルエチルカーボネート、
ビス(トリフルオロメチル)カーボネート、
ビス(2−フルオロエチル)カーボネート
ビス(2,2,2−トリフルオロエチル)カーボネート、
等のフッ素含有鎖状カーボネート
が挙げられる。
Trifluoromethyl methyl carbonate,
Trifluoromethyl ethyl carbonate,
2-fluoroethyl methyl carbonate,
2-fluoroethyl ethyl carbonate,
2,2,2-trifluoroethyl methyl carbonate,
2,2,2-trifluoroethyl ethyl carbonate,
Bis (trifluoromethyl) carbonate,
Bis (2-fluoroethyl) carbonate bis (2,2,2-trifluoroethyl) carbonate,
Fluorine-containing chain carbonates such as
これらの中でも、
フルオロエチレンカーボネート、
cis−ジフルオロエチレンカーボネート、
trans−ジフルオロエチレンカーボネート
等のフッ素含有環状カーボネートが、負極上に安定な界面保護被膜を形成するため好ましい。
Among these,
Fluoroethylene carbonate,
cis-difluoroethylene carbonate,
A fluorine-containing cyclic carbonate such as trans-difluoroethylene carbonate is preferred because it forms a stable interface protective film on the negative electrode.
なお、フッ素含有カーボネートは1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 In addition, a fluorine-containing carbonate may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
モノフルオロ燐酸塩及びジフルオロ燐酸塩としては任意のものを用いることができる。これらを例示すると、モノフルオロ燐酸リチウム、モノフルオロ燐酸ナトリウム、モノフルオロ燐酸カリウム、ジフルオロ燐酸リチウム、ジフルオロ燐酸ナトリウム、ジフルオロ燐酸カリウム等が挙げられる。これらの中でもモノフルオロ燐酸リチウム、ジフルオロ燐酸リチウムが好ましい。なお、モノフルオロ燐酸塩、又は、ジフルオロ燐酸塩は1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 Any monofluorophosphate and difluorophosphate can be used. Examples thereof include lithium monofluorophosphate, sodium monofluorophosphate, potassium monofluorophosphate, lithium difluorophosphate, sodium difluorophosphate, potassium difluorophosphate and the like. Among these, lithium monofluorophosphate and lithium difluorophosphate are preferable. In addition, monofluorophosphate or difluorophosphate may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios.
[3−2.組成]
また、非水系電解液中における不飽和カーボネート、フッ素含有カーボネート、モノフルオロ燐酸塩及びジフルオロ燐酸塩からなる群より選ばれた少なくとも1つの化合物の濃度は、非水系電解液全体に対して、通常0.01質量%以上、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは0.3質量%以上、また、通常10質量%以下、好ましくは7質量%以下、より好ましくは5質量%以下である。これらの濃度が大きすぎると、負極上に形成される被膜が厚くなり高抵抗となるため、電池容量が低下する。また高温条件下ではガス発生量が多くなり、更なる抵抗となって容量が低下する場合がある。また、濃度が小さすぎると、本発明の効果を十分に発揮できない場合がある。
[3-2. composition]
The concentration of at least one compound selected from the group consisting of unsaturated carbonates, fluorine-containing carbonates, monofluorophosphates and difluorophosphates in the non-aqueous electrolyte is usually 0 with respect to the whole non-aqueous electrolyte. 0.01 mass% or more, preferably 0.1 mass% or more, more preferably 0.3 mass% or more, and usually 10 mass% or less, preferably 7 mass% or less, more preferably 5 mass% or less. If these concentrations are too large, the coating formed on the negative electrode becomes thick and has high resistance, so the battery capacity decreases. In addition, the amount of gas generated increases under high temperature conditions, which may further increase resistance and decrease the capacity. On the other hand, if the concentration is too small, the effects of the present invention may not be sufficiently exhibited.
[作用]
ここで、本発明における非水系電解液が、不飽和カーボネート、フッ素含有カーボネート、モノフルオロ燐酸塩及びジフルオロ燐酸塩からなる群より選ばれた少なくとも1つの化合物を含有していることが好ましい理由を説明するが、本発明はその理由により限定はされない。すなわち、本発明のポリアミン化合物及び/又はポリアミド化合物は正極において溶媒よりも卑な電位で酸化されて正極保護被膜として働き、後続の溶媒の酸化反応を抑制し、特に高電圧電池の性能劣化を改善できる。しかしながら、これらの化合物は、負極において還元されて、高抵抗被膜を形成し高負荷特性等の電池特性に悪影響を与えることがある。そこで、電解液中に、不飽和カーボネート、フッ素含有カーボネート、モノフルオロ燐酸塩及びジフルオロ燐酸塩からなる群より選ばれた少なくとも1つの化合物が共存していると、これらが負極においてポリアミン化合物及び/又はポリアミド化合物よりも貴な電位で還元されて保護被膜を形成し、ポリアミン化合物及び/又はポリアミド化合物の負極での反応を抑制する。その結果、負極上に高抵抗被膜を形成することなく、正極上に安定な被膜を形成して電解液と正極の反応を抑制するので、非水系電解液二次電池の連続充電特性を飛躍的に高めることができる。
[Action]
Here, the reason why the nonaqueous electrolytic solution in the present invention preferably contains at least one compound selected from the group consisting of unsaturated carbonates, fluorine-containing carbonates, monofluorophosphates and difluorophosphates will be described. However, the present invention is not limited for that reason. That is, the polyamine compound and / or polyamide compound of the present invention is oxidized at a lower potential than the solvent at the positive electrode and works as a positive electrode protective film, suppresses the subsequent oxidation reaction of the solvent, and particularly improves the performance deterioration of the high voltage battery. it can. However, these compounds may be reduced in the negative electrode to form a high-resistance film and adversely affect battery characteristics such as high load characteristics. Therefore, when at least one compound selected from the group consisting of unsaturated carbonates, fluorine-containing carbonates, monofluorophosphates and difluorophosphates coexists in the electrolyte, these are polyamine compounds and / or in the negative electrode. A protective film is formed by reduction at a higher potential than the polyamide compound, and the reaction of the polyamine compound and / or the polyamide compound at the negative electrode is suppressed. As a result, a stable film is formed on the positive electrode without forming a high-resistance film on the negative electrode, and the reaction between the electrolyte and the positive electrode is suppressed, so the continuous charge characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery are dramatically improved. Can be increased.
[4.非水系有機溶媒]
非水系有機溶媒について特に制限は無く、後述の電解質を溶解できる限り公知のものを任意に用いることができる。これらを例示すると、鎖状カーボネート類、環状カーボネート類、鎖状エステル類、環状エステル(ラクトン化合物)類、鎖状エーテル類、環状エーテル類、含硫黄有機溶媒等が挙げられる。なかでも、高いイオン導電性を発現させる溶媒として、通常、鎖状カーボネート類、環状カーボネート類、鎖状エステル類、環状エステル類、鎖状エーテル類又は環状エーテル類が好ましい。
[4. Non-aqueous organic solvent]
There is no restriction | limiting in particular about a non-aqueous organic solvent, A well-known thing can be used arbitrarily as long as the below-mentioned electrolyte can be melt | dissolved. Examples thereof include chain carbonates, cyclic carbonates, chain esters, cyclic esters (lactone compounds), chain ethers, cyclic ethers, sulfur-containing organic solvents, and the like. Especially, as a solvent which expresses high ionic conductivity, chain carbonates, cyclic carbonates, chain esters, cyclic esters, chain ethers or cyclic ethers are usually preferable.
鎖状カーボネート類の具体例を挙げると、例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート等が挙げられる。
また、環状カーボネート類の具体例を挙げると、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、ジフルオロエチレンカーボネート、フルオロプロピレンカーボネート、トリフルオロメチルエチレンカーボネート等が挙げられる。
また、鎖状エーテル類の具体例を挙げると、例えば、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、ジエチルエーテル等が挙げられる。
また、環状エーテル類の具体例を挙げると、例えば、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−ジオキソラン等が挙げられる。
また、鎖状エステル類の具体例を挙げると、例えば、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸メチル等が挙げられる。
また、環状エステル類の具体例を挙げると、例えば、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等が挙げられる。
Specific examples of the chain carbonates include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethyl propyl carbonate, and the like.
Specific examples of cyclic carbonates include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, fluoroethylene carbonate, difluoroethylene carbonate, fluoropropylene carbonate, trifluoromethylethylene carbonate, and the like.
Specific examples of the chain ethers include 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, diethyl ether and the like.
Specific examples of cyclic ethers include tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, and the like.
Specific examples of the chain esters include, for example, methyl formate, methyl acetate, and methyl propionate.
Specific examples of cyclic esters include γ-butyrolactone and γ-valerolactone.
更に、非水系有機溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。ただし、所望の特性、すなわち、連続充電特性を発現するように、2種以上の非水系有機溶媒が混合して使用されることが好ましい。特に、環状カーボネート類及び(鎖状カーボネート類若しくは環状エステル類)から主としてなることが好ましい。ここで、主としてなるとは、具体的には、非水系有機溶媒が、環状カーボネート類と(鎖状カーボネート類若しくは環状エステル類)とを、非水系電解液全体に対して、合計で70質量%以上含有していることを指す。 Furthermore, a non-aqueous organic solvent may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios. However, it is preferable to use a mixture of two or more kinds of non-aqueous organic solvents so as to exhibit desired characteristics, that is, continuous charging characteristics. In particular, it is preferably mainly composed of cyclic carbonates and (chain carbonates or cyclic esters). Here, “being mainly” specifically means that the non-aqueous organic solvent is a total of 70% by mass or more of cyclic carbonates and (chain carbonates or cyclic esters) with respect to the entire non-aqueous electrolyte. Refers to containing.
2種以上の非水系有機溶媒を併用する場合、好ましい組み合わせの例としては、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネート、エチレンカーボネートとジエチルカーボネート、エチレンカーボネートとγ−ブチロラクトン等の2元系溶媒;エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネート、エチレンカーボネートとメチルエチルメチルカーボネートとジエチルカーボネート等の3元系溶媒等が挙げられる。これらを主として含有する非水系有機溶媒は、各種特性をバランス良く満たすことから好適に用いられる。 When two or more kinds of non-aqueous organic solvents are used in combination, examples of preferable combinations include binary solvents such as ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate, ethylene carbonate and diethyl carbonate, ethylene carbonate and γ-butyrolactone; ethylene carbonate and dimethyl Examples thereof include ternary solvents such as carbonate and ethyl methyl carbonate, ethylene carbonate, methyl ethyl methyl carbonate and diethyl carbonate. Nonaqueous organic solvents mainly containing these are preferably used because they satisfy various properties in a well-balanced manner.
また、非水系有機溶媒として有機溶媒を用いる場合には、その有機溶媒の炭素数は通常3以上、また、通常13以下、好ましくは7以下である。炭素数が大きすぎるとセパレータ及び負極に対する浸透性が悪くなり、十分な容量を達成できない場合がある。一方、炭素数が小さすぎると揮発性が高くなり、電池内圧力の上昇の要因となる場合がある。 Moreover, when using an organic solvent as a non-aqueous organic solvent, the carbon number of the organic solvent is usually 3 or more, and usually 13 or less, preferably 7 or less. When the number of carbon atoms is too large, the permeability to the separator and the negative electrode is deteriorated, and a sufficient capacity may not be achieved. On the other hand, if the carbon number is too small, the volatility increases, which may cause an increase in the internal pressure of the battery.
また、非水系有機溶媒の分子量は、通常50以上、好ましくは80以上、また、通常250以下、好ましくは150以下である。分子量が大きすぎるとセパレータ及び負極に対する浸透性が悪くなり、十分な容量を達成できない場合がある。一方、分子量が小さすぎると揮発性が高くなり、電池内圧力の上昇の要因となる場合がある。 The molecular weight of the non-aqueous organic solvent is usually 50 or more, preferably 80 or more, and usually 250 or less, preferably 150 or less. If the molecular weight is too large, the permeability to the separator and the negative electrode is deteriorated, and a sufficient capacity may not be achieved. On the other hand, if the molecular weight is too small, the volatility increases, which may increase the battery internal pressure.
更に、2種以上の非水系有機溶媒を併用する場合、その非水系有機溶媒中の環状カーボネートの比率は、非水系有機溶媒全体に対して、通常5質量%以上、好ましくは10質量%以上、より好ましくは15質量%以上、特に好ましくは20質量%以上であり、また、通常60質量%以下、好ましくは50質量%以下、特に好ましくは40質量%以下である。上記範囲の下限を下回ると、Li塩の解離が起こりにくくなり、電導度が低下するので高負荷容量が減少しやすく、一方、上限を上回ると、粘度が高くなりすぎてLiイオンが移動しにくくなるため高負荷容量が減少する場合がある。 Further, when two or more kinds of non-aqueous organic solvents are used in combination, the ratio of the cyclic carbonate in the non-aqueous organic solvent is usually 5% by mass or more, preferably 10% by mass or more, based on the whole non-aqueous organic solvent. More preferably, it is 15% by mass or more, particularly preferably 20% by mass or more, and is usually 60% by mass or less, preferably 50% by mass or less, particularly preferably 40% by mass or less. If the lower limit of the above range is not reached, the dissociation of the Li salt is less likely to occur, and the electrical conductivity decreases, so the high load capacity tends to decrease. On the other hand, if the upper limit is exceeded, the viscosity becomes too high and Li ions are difficult to move. Therefore, the high load capacity may be reduced.
[5.リチウム塩]
電解質に用いるリチウム塩としては、無機リチウム塩及び有機リチウム塩の何れを用いてもよい。無機リチウム塩の例を挙げると、LiPF6、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6等の無機フッ化物塩;LiAlCl4等の無機塩化物塩;LiClO4、LiBrO4、LiIO4等の過ハロゲン酸塩等が挙げられる。また、有機リチウム塩の例を挙げると、CF3SO3Li、C4F9SO3Li等のパーフルオロアルカンスルホン酸塩;CF3COOLi等のパーフルオロアルカンカルボン酸塩;(CF3CO)2NLi等のパーフルオロアルカンカルボンイミド塩;(CF3SO2)2NLi、(C2F5SO2)2NLi等のパーフルオロアルカンスルホンイミド塩等の含フッ素有機リチウム塩等が挙げられる。
[5. Lithium salt]
As the lithium salt used for the electrolyte, either an inorganic lithium salt or an organic lithium salt may be used. Examples of inorganic lithium salts include inorganic fluoride salts such as LiPF 6 , LiAsF 6 , LiBF 4 , and LiSbF 6 ; inorganic chloride salts such as LiAlCl 4 ; perhalogenates such as LiClO 4 , LiBrO 4 , and LiIO 4. Etc. Examples of organic lithium salts include perfluoroalkane sulfonates such as CF 3 SO 3 Li and C 4 F 9 SO 3 Li; perfluoroalkane carboxylates such as CF 3 COOLi; (CF 3 CO) Perfluoroalkanecarbonimide salts such as 2 NLi; fluorine-containing organic lithium salts such as perfluoroalkanesulfonimide salts such as (CF 3 SO 2 ) 2 NLi and (C 2 F 5 SO 2 ) 2 NLi.
これらの中でも、溶媒に溶けやすく、かつ高い解離度を示すことから、LiPF6、LiBF4、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi等が好ましい。なお、電解質は1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。また、特にLiPF6とLiBF4との併用、あるいは、LiPF6と(CF3SO2)2NLiとの併用は、連続充電特性の改善に効果があるので好ましい。 Among these, LiPF 6 , LiBF 4 , CF 3 SO 3 Li, (CF 3 SO 2 ) 2 NLi, and the like are preferable because they are easily soluble in a solvent and exhibit a high degree of dissociation. In addition, an electrolyte may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio. In particular, the combined use of LiPF 6 and LiBF 4 or the combined use of LiPF 6 and (CF 3 SO 2 ) 2 NLi is preferable because it has an effect of improving the continuous charge characteristics.
非水系電解液中の電解質の濃度は、非水系電解液に対して、通常0.5mol/L以上、好ましくは0.75mol/L以上であり、また、通常2mol/L以下、好ましくは1.75mol/L以下である。濃度が低すぎると非水系電解液の電気伝導率が不十分になる場合がある。一方、濃度が高すぎると粘度上昇のため電気伝導率が低下し、また、低温での析出が起こりやすくなり、非水系電解液二次電池の性能が低下する傾向がある。 The concentration of the electrolyte in the non-aqueous electrolyte is usually 0.5 mol / L or more, preferably 0.75 mol / L or more, and usually 2 mol / L or less, preferably 1. 75 mol / L or less. If the concentration is too low, the electrical conductivity of the non-aqueous electrolyte may be insufficient. On the other hand, if the concentration is too high, the electrical conductivity is lowered due to an increase in viscosity, and precipitation at a low temperature is likely to occur, and the performance of the non-aqueous electrolyte secondary battery tends to be lowered.
[6.他の助剤]
本発明における非水系電解液は、本発明の効果を損ねない範囲で、非水系電解液の濡れ性、過充電特性等を改善する目的で「他の助剤」を含有させてもよい。かかる「他の助剤」の例としては、無水マレイン酸、無水コハク酸、無水グルタル酸等の酸無水物;酢酸ビニル、アジピン酸ジビニル、酢酸アリル等のカルボン酸エステル;ジフェニルジスルフィド、1,3−プロパンサルトン、1,4−ブタンサルトン、ジメチルスルホン、ジビニルスルホン、ジメチルサルファイト、エチレンサルファイト、1,4−ブタンジオールジメタンスルホネート、メタンスルホン酸メチル、メタンスルホン酸−2−プロピニル等のイオウ含有化合物;t−ブチルベンゼン、ビフェニル、o−ターフェニル、4−フルオロビフェニル、フルオロベンゼン、2,4−ジフルオロベンゼン、シクロヘキシルベンゼン、ジフェニルエーテル、2,4−ジフルオロアニソール、トリフルオロメチルベンゼン等の芳香族化合物及びこの芳香族化合物をフッ素原子で置換したもの等が挙げられる。また、「他の助剤」は1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
[6. Other auxiliaries]
The non-aqueous electrolyte solution in the present invention may contain “other auxiliary agent” for the purpose of improving the wettability, overcharge characteristics, etc. of the non-aqueous electrolyte solution as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of such “other auxiliaries” include acid anhydrides such as maleic anhydride, succinic anhydride, and glutaric anhydride; carboxylates such as vinyl acetate, divinyl adipate, and allyl acetate; diphenyl disulfide, 1,3 -Sulfur such as propane sultone, 1,4-butane sultone, dimethyl sulfone, divinyl sulfone, dimethyl sulfite, ethylene sulfite, 1,4-butanediol dimethane sulfonate, methyl methanesulfonate, -2-propynyl methanesulfonate Containing compounds: aromatics such as t-butylbenzene, biphenyl, o-terphenyl, 4-fluorobiphenyl, fluorobenzene, 2,4-difluorobenzene, cyclohexylbenzene, diphenyl ether, 2,4-difluoroanisole, trifluoromethylbenzene Compound And the like obtained by substituting the like of the aromatic compound with fluorine atoms. Moreover, "other auxiliary agents" may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios.
また、「他の助剤」の非水系電解液中における濃度は、非水系電解液全体に対して、通常0.01質量%以上、好ましくは0.05質量%以上、また、通常10質量%以下、好ましくは5質量%以下である。なお、「他の助剤」を2種以上併用する場合は、これらの濃度の合計が上記範囲内に収まるようにする。 The concentration of “other auxiliary agent” in the non-aqueous electrolyte is usually 0.01% by mass or more, preferably 0.05% by mass or more, and usually 10% by mass with respect to the whole non-aqueous electrolyte. Hereinafter, it is preferably 5% by mass or less. When two or more “other auxiliary agents” are used in combination, the total of these concentrations is set within the above range.
[7.非水系電解液の状態]
非水系電解液は通常液体状態で存在するが、これを高分子によってゲル化して、半固体状電解質にしてもよい。ゲル化に用いる高分子は任意であるが、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート等が挙げられる。なお、ゲル化に用いる高分子は1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
[7. Non-aqueous electrolyte state]
The non-aqueous electrolytic solution usually exists in a liquid state, but it may be gelled with a polymer to form a semi-solid electrolyte. The polymer used for the gelation is arbitrary, and examples thereof include polyvinylidene fluoride, a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene, polyethylene oxide, polyacrylate, and polymethacrylate. In addition, the polymer | macromolecule used for gelatinization may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios.
また、非水系電解液を半固体状電解質として用いる場合、半固体状電解質に占める非水系電解液の比率は、半固体状電解質の総量に対して、通常30質量%以上、好ましくは50質量%以上、特に好ましくは75質量%以上であり、また、通常99.95質量%以下、好ましくは99質量%以下、特に好ましくは98質量%以下である。非水系電解液の比率が大きすぎると、電解液の保持が困難となり液漏れが生じやすくなり、逆に少なすぎると充放電効率や容量の点で不十分となることがある。 When a nonaqueous electrolyte is used as a semisolid electrolyte, the ratio of the nonaqueous electrolyte in the semisolid electrolyte is usually 30% by mass or more, preferably 50% by mass with respect to the total amount of the semisolid electrolyte. As described above, it is particularly preferably 75% by mass or more, and usually 99.95% by mass or less, preferably 99% by mass or less, and particularly preferably 98% by mass or less. If the ratio of the non-aqueous electrolyte is too large, it is difficult to hold the electrolyte and liquid leakage tends to occur. Conversely, if it is too small, the charge / discharge efficiency and capacity may be insufficient.
[8.非水系電解液の製造方法]
本発明における非水系電解液は、非水系有機溶媒に、リチウム塩と、本発明における環状ポリアミン化合物及び/又は環状ポリアミド化合物と、「不飽和カーボネート、フッ素含有カーボネート、モノフルオロ燐酸塩及びジフルオロ燐酸塩からなる群より選ばれた少なくとも1つの化合物」と、必要に応じて「他の助剤」とを溶解することにより調製することができる。
[8. Method for producing non-aqueous electrolyte]
The non-aqueous electrolyte in the present invention comprises a non-aqueous organic solvent, a lithium salt, a cyclic polyamine compound and / or a cyclic polyamide compound in the present invention, “unsaturated carbonate, fluorine-containing carbonate, monofluorophosphate and difluorophosphate”. It can be prepared by dissolving “at least one compound selected from the group consisting of” and “other auxiliary agent” as necessary.
非水系電解液を調製するに際しては、非水系電解液の各原料、すなわち、リチウム塩、本発明における環状ポリアミン化合物及び/又は環状ポリアミド化合物、非水系有機溶媒、及び「他の助剤」は、予め脱水しておくことが好ましい。脱水の程度としては、通常50ppm以下、好ましくは30ppm以下となるまで脱水することが望ましい。なお、本明細書においてppmとは、重量を基準にした比率を意味する。 In preparing the non-aqueous electrolyte, each raw material of the non-aqueous electrolyte, that is, the lithium salt, the cyclic polyamine compound and / or the cyclic polyamide compound in the present invention, the non-aqueous organic solvent, and the “other auxiliary agent” It is preferable to dehydrate in advance. The degree of dehydration is usually 50 ppm or less, preferably 30 ppm or less. In the present specification, ppm means a ratio based on weight.
非水系電解液中に水が存在すると、水の電気分解、水とリチウム金属との反応、リチウム塩の加水分解等が起こる場合がある。脱水の手段としては特に制限はないが、例えば、脱水する対象が非水系有機溶媒等の液体の場合は、モレキュラーシーブ等を用いればよい。また脱水する対象がリチウム塩等の固体の場合は、分解が起きる温度以下で乾燥させればよい。 If water is present in the non-aqueous electrolyte, electrolysis of water, reaction between water and lithium metal, hydrolysis of lithium salt, and the like may occur. The dehydration means is not particularly limited. For example, when the object to be dehydrated is a liquid such as a non-aqueous organic solvent, a molecular sieve or the like may be used. When the object to be dehydrated is a solid such as a lithium salt, it may be dried at a temperature lower than the temperature at which decomposition occurs.
(態様2)
また、本発明の別の要旨は、リチウム塩及びこれを溶解する非水系有機溶媒を含有してなる非水系電解液であって、該非水系有機溶媒が、環状ポリアミン化合物を含有し、更に、環状カーボネートを、非水系電解液全体に対して5〜40質量%含有することを特徴とする非水系電解液に存する。
(Aspect 2)
Another gist of the present invention is a non-aqueous electrolyte solution containing a lithium salt and a non-aqueous organic solvent for dissolving the lithium salt, wherein the non-aqueous organic solvent contains a cyclic polyamine compound, and is further cyclic. The nonaqueous electrolyte solution is characterized by containing 5 to 40% by mass of carbonate with respect to the entire nonaqueous electrolyte solution.
[1.環状ポリアミン化合物]
[1−1.種類]
前述したとおりである。
[1−2.組成]
前述したとおりである。
[1. Cyclic polyamine compound]
[1-1. type]
As described above.
[1-2. composition]
As described above.
[2.環状カーボネート]
本発明における環状カーボネートとは、環状のカーボネートであれば特に制限はなく、水素原子の一部又はすべてがフッ素、塩素等のハロゲンで置換されていてもよい。これらを例示すると、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、ジフルオロエチレンカーボネート、フルオロプロピレンカーボネート、トリフルオロメチルエチレンカーボネート等が挙げられる。環状カーボネートは1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
[2. Cyclic carbonate]
The cyclic carbonate in the present invention is not particularly limited as long as it is a cyclic carbonate, and part or all of the hydrogen atoms may be substituted with a halogen such as fluorine or chlorine. Examples of these include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, fluoroethylene carbonate, difluoroethylene carbonate, fluoropropylene carbonate, trifluoromethylethylene carbonate, and the like. A cyclic carbonate may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
特に、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとの組み合わせ、エチレンカーボネートとフルオロエチレンカーボネートとの組み合わせ、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとフルオロエチレンカーボネートとの組み合わせは好適に用いられる。 In particular, a combination of ethylene carbonate and propylene carbonate, a combination of ethylene carbonate and fluoroethylene carbonate, and a combination of ethylene carbonate, propylene carbonate and fluoroethylene carbonate are preferably used.
本発明においては、非水系有機溶媒が環状カーボネートを、非水系有機溶媒全体に対して、5〜40質量%含有することを特徴とする。下限としては、8質量%以上が好ましく、10質量%以上が特に好ましく、12質量%以上が更に好ましい。上限としては、35質量%以下が好ましく、30質量%以下が特に好ましく、25質量%以下が更に好ましい。2種類以上の環状カーボネートを併用する場合も、これらの総量が上記範囲内であればよい。 In this invention, a non-aqueous organic solvent contains 5-40 mass% of cyclic carbonate with respect to the whole non-aqueous organic solvent. As a minimum, 8 mass% or more is preferred, 10 mass% or more is especially preferred, and 12 mass% or more is still more preferred. As an upper limit, 35 mass% or less is preferable, 30 mass% or less is especially preferable, and 25 mass% or less is still more preferable. Even when two or more kinds of cyclic carbonates are used in combination, the total amount of these may be within the above range.
環状カーボネートが、この範囲の下限を下回ると、Li塩の解離が起こりにくくなるため電導度が低下するので高負荷容量が減少しやすく、上限を上回ると、ポリアミン化合物を触媒とする環状カーボネート等の非水系有機溶媒の分解反応が起こるようになる。このため高温での連続充電中に二酸化炭素等のガスが大量に発生し、抵抗が上昇して回復容量が低下する場合がある。 If the cyclic carbonate is below the lower limit of this range, the Li salt is less likely to dissociate and the electrical conductivity is reduced, so the high load capacity is likely to decrease.If the cyclic carbonate exceeds the upper limit, the cyclic carbonate using a polyamine compound as a catalyst, etc. A decomposition reaction of the non-aqueous organic solvent occurs. For this reason, a large amount of gas such as carbon dioxide is generated during continuous charging at a high temperature, the resistance increases, and the recovery capacity may decrease.
また、環状カーボネートの炭素数は通常3以上、また、通常13以下、好ましくは5以下である。炭素数が大きすぎるとセパレータ及び負極に対する浸透性が悪くなり、十分な容量を達成できない場合がある。一方、炭素数が小さすぎると揮発性が高くなり、電池内圧力の上昇の要因となる場合がある。 The carbon number of the cyclic carbonate is usually 3 or more, and usually 13 or less, preferably 5 or less. When the number of carbon atoms is too large, the permeability to the separator and the negative electrode is deteriorated, and a sufficient capacity may not be achieved. On the other hand, if the carbon number is too small, the volatility increases, which may cause an increase in the internal pressure of the battery.
[3.非水系有機溶媒]
前述したとおりである。
[4.リチウム塩]
前述したとおりである。
[3. Non-aqueous organic solvent]
As described above.
[4. Lithium salt]
As described above.
[5.不飽和カーボネート、フッ素含有カーボネート、モノフルオロ燐酸塩及びジフルオロ燐酸塩からなる群より選ばれた少なくとも1つの化合物]
態様2においても、不飽和カーボネート、フッ素含有カーボネート、モノフルオロ燐酸塩及びジフルオロ燐酸塩からなる群より選ばれた少なくとも1つの化合物を含有させることが好ましい。これらの化合物については前述したとおりである。
[5. At least one compound selected from the group consisting of unsaturated carbonate, fluorine-containing carbonate, monofluorophosphate and difluorophosphate]
In aspect 2, it is preferable to contain at least one compound selected from the group consisting of unsaturated carbonates, fluorine-containing carbonates, monofluorophosphates and difluorophosphates. These compounds are as described above.
[6.他の助剤]
前述したとおりである。
[7.非水系電解液の状態]
前述したとおりである。
[8.非水系電解液の製造方法]
前述したとおりである。
[6. Other auxiliaries]
As described above.
[7. Non-aqueous electrolyte state]
As described above.
[8. Method for producing non-aqueous electrolyte]
As described above.
(態様3)
また、本発明の別の要旨は、リチウム塩及びこれを溶解する非水系有機溶媒を含有してなる非水系電解液であって、環状ポリアミド化合物を含有することを特徴とする非水系電解液に存する。
(Aspect 3)
Another gist of the present invention is a non-aqueous electrolyte solution containing a lithium salt and a non-aqueous organic solvent that dissolves the lithium salt, wherein the non-aqueous electrolyte solution contains a cyclic polyamide compound. Exist.
[1.環状ポリアミド化合物]
[1−1.種類]
前述したとおりである。
[1−2.組成]
前述したとおりである。
[2.非水系有機溶媒]
使用できる非水系溶媒は、前述したとおりである。
[1. Cyclic polyamide compound]
[1-1. type]
As described above.
[1-2. composition]
As described above.
[2. Non-aqueous organic solvent]
The non-aqueous solvent that can be used is as described above.
ここで、環状ポリアミド化合物が単独で本願発明の効果を奏する理由としては、環状ポリアミド化合物は、窒素上の非共有電子対が隣接するカルボニル基の影響で非局在化しており、環状ポリアミン化合物と比較して遥かに塩基性が低い。そのため、環状カーボネート等の溶媒を多量に用いた場合でも負極上で反応を起こしにくい。このため、使用する溶媒種及びそれらの組成は特に限定されない。
[3.リチウム塩]
前述したとおりである。
Here, the reason why the cyclic polyamide compound alone exerts the effect of the present invention is that the cyclic polyamide compound is delocalized by the influence of the adjacent carbonyl group on the unshared electron pair on nitrogen, and the cyclic polyamine compound and It is far less basic. For this reason, even when a large amount of a solvent such as cyclic carbonate is used, the reaction hardly occurs on the negative electrode. For this reason, the solvent species to be used and their composition are not particularly limited.
[3. Lithium salt]
As described above.
[4.環状カーボネート]]
態様3においても、環状カーボネートを含有させることが好ましい。環状カーボネートについては、前述したとおりである。
[4. Cyclic carbonate]]
Also in aspect 3, it is preferable to contain a cyclic carbonate. The cyclic carbonate is as described above.
[5.不飽和カーボネート、フッ素含有カーボネート、モノフルオロ燐酸塩及びジフルオロ燐酸塩からなる群より選ばれた少なくとも1つの化合物]
態様3においても、不飽和カーボネート、フッ素含有カーボネート、モノフルオロ燐酸塩及びジフルオロ燐酸塩からなる群より選ばれた少なくとも1つの化合物を含有させることが好ましい。これらの化合物については前述したとおりである。
[5. At least one compound selected from the group consisting of unsaturated carbonate, fluorine-containing carbonate, monofluorophosphate and difluorophosphate]
Also in the aspect 3, it is preferable to contain at least one compound selected from the group consisting of unsaturated carbonates, fluorine-containing carbonates, monofluorophosphates and difluorophosphates. These compounds are as described above.
[6.他の助剤]
前述したとおりである。
[7.非水系電解液の状態]
前述したとおりである。
[8.非水系電解液の製造方法]
前述したとおりである。
[6. Other auxiliaries]
As described above.
[7. Non-aqueous electrolyte state]
As described above.
[8. Method for producing non-aqueous electrolyte]
As described above.
[II.非水系電解液二次電池]
本発明の非水系電解液二次電池は、イオンを吸蔵・放出し得る負極及び正極と、前記の本発明の非水系電解液とを備えるものである。
[II. Non-aqueous electrolyte secondary battery]
The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention comprises a negative electrode and a positive electrode capable of occluding and releasing ions, and the non-aqueous electrolyte of the present invention.
<2−1.電池構成>
本発明の非水系電解液二次電池は、負極及び非水系電解液以外の構成については、従来公知の非水系電解液二次電池と同様であり、通常は、本発明の非水系電解液が含浸されている多孔膜(セパレータ)を介して正極と負極とが積層され、これらがケース(外装体)に収納された形態を有する。従って、本発明の非水系電解液二次電池の形状は特に制限されるものではなく、円筒型、角形、ラミネート型、コイン型、大型等の何れであってもよい。
<2-1. Battery configuration>
The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is the same as the conventionally known non-aqueous electrolyte secondary battery except for the negative electrode and the non-aqueous electrolyte. Usually, the non-aqueous electrolyte of the present invention is the same as the non-aqueous electrolyte secondary battery. A positive electrode and a negative electrode are laminated via an impregnated porous film (separator), and these are housed in a case (exterior body). Therefore, the shape of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited, and may be any of a cylindrical shape, a square shape, a laminate shape, a coin shape, a large size, and the like.
<2−2.非水系電解液>
非水系電解液としては、上述の本発明の非水系電解液を用いる。なお、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、本発明の非水系電解液に対し、その他の非水系電解液を混合して用いることも可能である。
<2-2. Non-aqueous electrolyte>
As the non-aqueous electrolyte, the above-described non-aqueous electrolyte of the present invention is used. In addition, in the range which does not deviate from the meaning of this invention, it is also possible to mix and use other nonaqueous electrolyte solution with respect to the nonaqueous electrolyte solution of this invention.
<2−3.負極>
以下に負極に使用される負極活物質について述べる。
<2-3. Negative electrode>
The negative electrode active material used for the negative electrode is described below.
負極活物質としては、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば、特に制限はない。その具体例としては、炭素質材料、合金系材料、リチウム含有金属複合酸化物材料等が挙げられる。 The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can electrochemically occlude and release lithium ions. Specific examples thereof include carbonaceous materials, alloy-based materials, lithium-containing metal composite oxide materials, and the like.
合金系材料とは、酸化錫や酸化ケイ素等の金属酸化物、金属複合酸化物、リチウム単体やリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金、SnやSi等のリチウムと合金形成可能な金属及びそれらの化合物等のことである。これらは、1種を単独で用いてもよく、また2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 Alloy materials include metal oxides such as tin oxide and silicon oxide, metal composite oxides, lithium alloys such as lithium alone and lithium aluminum alloys, metals that can form alloys with lithium such as Sn and Si, and compounds thereof. That is. These may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
リチウム含有金属複合酸化物材料は、リチウムを吸蔵・放出可能であれば特には制限されないが、構成成分としてチタン及びリチウムを含有していることが、高電流密度充放電特性の観点で好ましい。 The lithium-containing metal composite oxide material is not particularly limited as long as it can occlude and release lithium, but it preferably contains titanium and lithium as constituent components from the viewpoint of high current density charge / discharge characteristics.
<2−3−1.炭素質材料>
負極活物質として用いられる炭素質材料としては、
(1)天然黒鉛、
(2)人造炭素質物質並びに人造黒鉛質物質を400から3200℃の範囲で一回以上熱処理した炭素質材料、
(3)負極活物質層が少なくとも2種類以上の異なる結晶性を有する炭素質から成り立ちかつ/又はその異なる結晶性の炭素質が接する界面を有している炭素質材料、
(4)負極活物質層が少なくとも2種類以上の異なる配向性を有する炭素質から成り立ちかつ/又はその異なる配向性の炭素質が接する界面を有している炭素質材料、
から選ばれるものが初期不可逆容量、高電流密度充放電特性のバランスが良く好ましい。また、(1)〜(4)の炭素質材料は1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
<2-3-1. Carbonaceous material>
As a carbonaceous material used as a negative electrode active material,
(1) natural graphite,
(2) a carbonaceous material obtained by heat-treating an artificial carbonaceous material and an artificial graphite material at least once in the range of 400 to 3200 ° C .;
(3) a carbonaceous material in which the negative electrode active material layer is composed of at least two types of carbonaceous materials having different crystallinity and / or has an interface in contact with the different crystalline carbonaceous materials,
(4) a carbonaceous material in which the negative electrode active material layer is composed of carbonaceous materials having at least two or more different orientations and / or has an interface in contact with the carbonaceous materials having different orientations;
Is preferably a good balance between initial irreversible capacity and high current density charge / discharge characteristics. Moreover, the carbonaceous materials (1) to (4) may be used alone or in combination of two or more in any combination and ratio.
上記(2)の人造炭素質物質並びに人造黒鉛質物質の具体的な例としては、天然黒鉛、石炭系コークス、石油系コークス、石炭系ピッチ、石油系ピッチ、あるいはこれらピッチを酸化処理したもの、ニードルコークス、ピッチコークス及びこれらを一部黒鉛化した炭素材、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ピッチ系炭素繊維等の有機物の熱分解物、炭化可能な有機物、及びこれらの炭化物、又は炭化可能な有機物をベンゼン、トルエン、キシレン、キノリン、n−へキサン等の低分子有機溶媒に溶解させた溶液及びこれらの炭化物等が挙げられる。 Specific examples of the artificial carbonaceous material and the artificial graphite material of (2) above include natural graphite, coal-based coke, petroleum-based coke, coal-based pitch, petroleum-based pitch, or those obtained by oxidizing these pitches, Needle coke, pitch coke and carbon materials partially graphitized thereof, furnace black, acetylene black, organic pyrolysis products such as pitch-based carbon fibers, carbonizable organic materials, and these carbides or carbonizable organic materials Examples thereof include solutions dissolved in low-molecular organic solvents such as benzene, toluene, xylene, quinoline, and n-hexane, and carbides thereof.
なお、上記の炭化可能な有機物の、具体的な例としては、軟ピッチから硬ピッチまでのコールタールピッチ、或いは乾留液化油等の石炭系重質油、常圧残油、減圧残油の直流系重質油、原油、ナフサ等の熱分解時に副生するエチレンタール等分解系石油重質油、更にアセナフチレン、デカシクレン、アントラセン、フェナントレン等の芳香族炭化水素、フェナジンやアクリジン等の窒素原子含有複素環式化合物、チオフェン、ビチオフェン等の硫黄原子含有複素環式化合物、ビフェニル、テルフェニル等のポリフェニレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、これらのものの不溶化処理品、含窒素性のポリアクニロニトリル、ポリピロール等の有機高分子、含硫黄性のポリチオフェン、ポリスチレン等の有機高分子、セルロース、リグニン、マンナン、ポリガラクトウロン酸、キトサン、サッカロースに代表される多糖類等の天然高分子、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキシド等の熱可塑性樹脂、フルフリルアルコール樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、イミド樹脂等の熱硬化性樹脂等が挙げられる。 Specific examples of the above carbonizable organic substances include coal tar pitch from soft pitch to hard pitch, or heavy coal-based oil such as dry distillation liquefied oil, normal pressure residual oil, reduced pressure residual DC. Heavy oils such as ethylene tar produced as a by-product during pyrolysis of heavy oils such as heavy oil, crude oil, naphtha, etc., and aromatic hydrocarbons such as acenaphthylene, decacyclene, anthracene, phenanthrene, and nitrogen atom-containing complexes such as phenazine and acridine Cyclic compounds, heterocyclic compounds containing sulfur atoms such as thiophene and bithiophene, polyphenylenes such as biphenyl and terphenyl, polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, insolubilized products of these, nitrogen-containing polyacrylonitrile Organic polymers such as polypyrrole, organic polymers such as sulfur-containing polythiophene and polystyrene Natural polymers such as polysaccharides such as saccharose, cellulose, lignin, mannan, polygalacturonic acid, chitosan, saccharose, thermoplastic resins such as polyphenylene sulfide and polyphenylene oxide, furfuryl alcohol resin, phenol-formaldehyde resin, imide Examples thereof include thermosetting resins such as resins.
<2−3−2.炭素質負極の構成、物性、調製方法>
炭素質材料についての性質や炭素質材料を含有する負極電極及び電極化手法、集電体、非水系電解液二次電池については、次に示す(1)〜(21)の何れか1項又は複数項を同時に満たしていることが望ましい。
<2-3-2. Configuration, physical properties, preparation method of carbonaceous negative electrode>
Regarding the properties of the carbonaceous material, the negative electrode containing the carbonaceous material, the electrodeification method, the current collector, and the nonaqueous electrolyte secondary battery, any one of (1) to (21) below or It is desirable to satisfy multiple terms simultaneously.
(1)X線パラメータ
炭素質材料の学振法によるX線回折で求めた格子面(002面)のd値(層間距離)が、0.335nm以上であることが好ましく、また、通常0.360nm以下であり、0.350nm以下が好ましく、0.345nm以下が更に好ましい。また、学振法によるX線回折で求めた炭素質材料の結晶子サイズ(Lc)は、1.0nm以上であることが好ましく、中でも1.5nm以上であることが更に好ましい。
(1) X-ray parameters The d-value (interlayer distance) of the lattice plane (002 plane) obtained by X-ray diffraction by the Gakushin method of carbonaceous materials is preferably 0.335 nm or more. It is 360 nm or less, preferably 0.350 nm or less, and more preferably 0.345 nm or less. Further, the crystallite size (Lc) of the carbonaceous material obtained by X-ray diffraction by the Gakushin method is preferably 1.0 nm or more, and more preferably 1.5 nm or more.
(2)灰分
炭素質材料中に含まれる灰分は、炭素質材料の全質量に対して、1質量%以下、中でも0.5質量%以下、特に0.1質量%以下が好ましく、下限としては1ppm以上であることが好ましい。
(2) Ash content The ash content in the carbonaceous material is preferably 1% by mass or less, more preferably 0.5% by mass or less, and particularly preferably 0.1% by mass or less, based on the total mass of the carbonaceous material. It is preferably 1 ppm or more.
灰分の重量割合が上記の範囲を上回ると、充放電時の非水系電解液との反応による電池性能の劣化が無視できなくなる場合がある。また、上記範囲を下回ると、製造に多大な時間とエネルギーと汚染防止のための設備とを必要とし、コストが上昇する場合がある。 When the weight ratio of ash exceeds the above range, deterioration of battery performance due to reaction with the non-aqueous electrolyte during charge / discharge may not be negligible. On the other hand, if it falls below the above range, the production requires a lot of time, energy and equipment for preventing contamination, which may increase the cost.
(3)体積基準平均粒径
炭素質材料の体積基準平均粒径は、レーザー回折・散乱法により求めた体積基準の平均粒径(メジアン径)が、通常1μm以上であり、3μm以上が好ましく、5μm以上が更に好ましく、7μm以上が特に好ましく、また、通常100μm以下であり、50μm以下が好ましく、40μm以下がより好ましく、30μm以下が更に好ましく、25μm以下が特に好ましい。
(3) Volume-based average particle size The volume-based average particle size of the carbonaceous material is usually a volume-based average particle size (median diameter) determined by a laser diffraction / scattering method of 1 μm or more, preferably 3 μm or more, It is more preferably 5 μm or more, particularly preferably 7 μm or more, and usually 100 μm or less, preferably 50 μm or less, more preferably 40 μm or less, still more preferably 30 μm or less, and particularly preferably 25 μm or less.
体積基準平均粒径が上記範囲を下回ると、不可逆容量が増大して、初期の電池容量の損失を招くことになる場合がある。また、上記範囲を上回ると、塗布により電極を作製する際に、不均一な塗面になりやすく、電池製作工程上望ましくない場合がある。 If the volume-based average particle size is below the above range, the irreversible capacity may increase, leading to loss of initial battery capacity. On the other hand, when the above range is exceeded, when an electrode is produced by coating, an uneven coating surface tends to be formed, which may be undesirable in the battery production process.
体積基準平均粒径の測定は、界面活性剤であるポリオキシエチレン(20)ソルビタンモノラウレートの0.2質量%水溶液(約10mL)に炭素粉末を分散させて、レーザー回折・散乱式粒度分布計(堀場製作所社製LA−700)を用いて行なう。該測定で求められるメジアン径を、本発明の炭素質材料の体積基準平均粒径と定義する。 The volume-based average particle size is measured by dispersing carbon powder in a 0.2% by weight aqueous solution (about 10 mL) of polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate, which is a surfactant, and laser diffraction / scattering particle size distribution. This is carried out using a meter (LA-700 manufactured by Horiba, Ltd.). The median diameter determined by the measurement is defined as the volume-based average particle diameter of the carbonaceous material of the present invention.
(4)ラマンR値、ラマン半値幅
炭素質材料のラマンR値は、アルゴンイオンレーザーラマンスペクトル法を用いて測定した値が、通常0.01以上であり、0.03以上が好ましく、0.1以上が更に好ましく、また、通常1.5以下であり、1.2以下が好ましく、1以下が更に好ましく、0.5以下が特に好ましい。
(4) Raman R value, Raman half-value width As for the Raman R value of the carbonaceous material, a value measured by using an argon ion laser Raman spectrum method is usually 0.01 or more, preferably 0.03 or more, preferably 1 or more is more preferable, and it is usually 1.5 or less, preferably 1.2 or less, more preferably 1 or less, and particularly preferably 0.5 or less.
ラマンR値が上記範囲を下回ると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、充放電に伴ってLiが層間に入るサイトが少なくなる場合がある。すなわち、充電受入性が低下する場合がある。また、集電体に塗布した後、プレスすることによって負極を高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向しやすくなり、負荷特性の低下を招く場合がある。一方、上記範囲を上回ると、粒子表面の結晶性が低下し、非水系電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加を招く場合がある。 When the Raman R value is below the above range, the crystallinity of the particle surface becomes too high, and there are cases where the number of sites where Li enters between layers decreases with charge / discharge. That is, charge acceptance may be reduced. In addition, when the negative electrode is densified by applying it to the current collector and then pressing it, the crystals are likely to be oriented in a direction parallel to the electrode plate, which may lead to a decrease in load characteristics. On the other hand, if it exceeds the above range, the crystallinity of the particle surface is lowered, the reactivity with the non-aqueous electrolyte is increased, and the efficiency may be lowered and the gas generation may be increased.
また、炭素質材料の1580cm−1付近のラマン半値幅は特に制限されないが、通常10cm−1以上であり、15cm−1以上が好ましく、また、通常100cm−1以下であり、80cm−1以下が好ましく、60cm−1以下が更に好ましく、40cm−1以下が特に好ましい。 Further, the Raman half-width in the vicinity of 1580 cm −1 of the carbonaceous material is not particularly limited, but is usually 10 cm −1 or more, preferably 15 cm −1 or more, and usually 100 cm −1 or less, and 80 cm −1 or less. Preferably, 60 cm −1 or less is more preferable, and 40 cm −1 or less is particularly preferable.
ラマン半値幅が上記範囲を下回ると、粒子表面の結晶性が高くなり過ぎて、充放電に伴ってLiが層間に入るサイトが少なくなる場合がある。すなわち、充電受入性が低下する場合がある。また、集電体に塗布した後、プレスすることによって負極を高密度化した場合に電極板と平行方向に結晶が配向しやすくなり、負荷特性の低下を招く場合がある。一方、上記範囲を上回ると、粒子表面の結晶性が低下し、非水系電解液との反応性が増し、効率の低下やガス発生の増加を招く場合がある。 If the Raman half width is less than the above range, the crystallinity of the particle surface becomes too high, and there are cases where the number of sites where Li enters between layers decreases with charge and discharge. That is, charge acceptance may be reduced. In addition, when the negative electrode is densified by applying it to the current collector and then pressing it, the crystals are likely to be oriented in a direction parallel to the electrode plate, which may lead to a decrease in load characteristics. On the other hand, if it exceeds the above range, the crystallinity of the particle surface is lowered, the reactivity with the non-aqueous electrolyte is increased, and the efficiency may be lowered and the gas generation may be increased.
ラマンスペクトルの測定は、ラマン分光器(日本分光社製ラマン分光器)を用いて、試料を測定セル内へ自然落下させて充填し、セル内のサンプル表面にアルゴンイオンレーザー光を照射しながら、セルをレーザー光と垂直な面内で回転させることにより行なう。得られるラマンスペクトルについて、1580cm−1付近のピークPAの強度IAと、1360cm−1付近のピークPBの強度IBとを測定し、その強度比R(R=IB/IA)を算出する。該測定で算出されるラマンR値を、本発明の炭素質材料のラマンR値と定義する。また、得られるラマンスペクトルの1580cm−1付近のピークPAの半値幅を測定し、これを本発明の炭素質材料のラマン半値幅と定義する。 The measurement of the Raman spectrum, using a Raman spectrometer (manufactured by JASCO Corporation Raman spectrometer), the sample is naturally dropped into the measurement cell and filled, and while irradiating the sample surface in the cell with argon ion laser light, This is done by rotating the cell in a plane perpendicular to the laser beam. The resulting Raman spectrum, the intensity I A of the peak P A in the vicinity of 1580 cm -1, and measuring the intensity I B of a peak P B in the vicinity of 1360 cm -1, the intensity ratio R (R = I B / I A) Is calculated. The Raman R value calculated by the measurement is defined as the Raman R value of the carbonaceous material of the present invention. Further, the half width of the peak P A in the vicinity of 1580 cm -1 of the resulting Raman spectrum was measured, which is defined as the Raman half-value width of the carbonaceous material of the present invention.
また、上記のラマン測定条件は、次の通りである。
・アルゴンイオンレーザー波長 :514.5nm
・試料上のレーザーパワー :15〜25mW
・分解能 :10〜20cm−1
・測定範囲 :1100cm−1〜1730cm−1
・ラマンR値、ラマン半値幅解析:バックグラウンド処理
・スムージング処理 :単純平均、コンボリューション5ポイント
Moreover, said Raman measurement conditions are as follows.
Argon ion laser wavelength: 514.5nm
・ Laser power on the sample: 15-25mW
・ Resolution: 10-20cm -1
Measurement range: 1100 cm −1 to 1730 cm −1
・ Raman R value, Raman half width analysis: Background processing ・ Smoothing processing: Simple average, 5 points of convolution
(5)BET比表面積
炭素質材料のBET比表面積は、BET法を用いて測定した比表面積の値が、通常0.1m2・g−1以上であり、0.7m2・g−1以上が好ましく、1.0m2・g−1以上が更に好ましく、1.5m2・g−1以上が特に好ましく、また、通常100m2・g−1以下であり、25m2・g−1以下が好ましく、15m2・g−1以下が更に好ましく、10m2・g−1以下が特に好ましい。
(5) BET specific surface area As for the BET specific surface area of the carbonaceous material, the value of the specific surface area measured using the BET method is usually 0.1 m 2 · g −1 or more, and 0.7 m 2 · g −1 or more. Is preferably 1.0 m 2 · g −1 or more, more preferably 1.5 m 2 · g −1 or more, and usually 100 m 2 · g −1 or less, and 25 m 2 · g −1 or less. It is preferably 15 m 2 · g −1 or less, more preferably 10 m 2 · g −1 or less.
BET比表面積の値がこの範囲を下回ると、負極材料として用いた場合の充電時にリチウムの受け入れ性が悪くなりやすく、リチウムが電極表面で析出しやすくなり、安定性が低下する可能性がある。一方、この範囲を上回ると、負極材料として用いた時に非水系電解液との反応性が増加し、ガス発生が多くなりやすく、好ましい電池が得られにくい場合がある。 When the value of the BET specific surface area is less than this range, the acceptability of lithium is likely to deteriorate during charging when used as a negative electrode material, lithium is likely to precipitate on the electrode surface, and stability may be reduced. On the other hand, if it exceeds this range, when used as a negative electrode material, the reactivity with the non-aqueous electrolyte increases, gas generation tends to increase, and a preferable battery may be difficult to obtain.
BET法による比表面積の測定は、表面積計(大倉理研製全自動表面積測定装置)を用いて、試料に対して窒素流通下350℃で15分間、予備乾燥を行なった後、大気圧に対する窒素の相対圧の値が0.3となるように正確に調整した窒素ヘリウム混合ガスを用いて、ガス流動法による窒素吸着BET1点法によって行なう。該測定で求められる比表面積を、本発明の炭素質材料のBET比表面積と定義する。 The specific surface area was measured by the BET method using a surface area meter (a fully automated surface area measuring device manufactured by Okura Riken), preliminarily drying the sample at 350 ° C. for 15 minutes under nitrogen flow, Using a nitrogen helium mixed gas accurately adjusted so that the value of the relative pressure becomes 0.3, the nitrogen adsorption BET one-point method by the gas flow method is used. The specific surface area determined by the measurement is defined as the BET specific surface area of the carbonaceous material of the present invention.
(6)細孔径分布
炭素質材料の細孔径分布は、水銀圧入量の測定することによって算出される。水銀ポロシメトリー(水銀圧入法)を用いることで、炭素質材料の粒子内の空隙、粒子表面のステップによる凹凸、及び粒子間の接触面等による細孔が、直径0.01μm以上1μm以下の細孔に相当すると測定される炭素質材料が、通常0.01cm2・g−1以上、好ましくは0.05cm2・g−1以上、より好ましくは0.1cm2・g−1以上、また、通常0.6cm2・g−1以下、好ましくは0.4cm2・g−1以下、より好ましくは0.3cm2・g−1以下の細孔径分布を有することが望ましい。
(6) Pore size distribution The pore size distribution of the carbonaceous material is calculated by measuring the mercury intrusion amount. By using mercury porosimetry (mercury intrusion method), fine pores with a diameter of 0.01 μm or more and 1 μm or less with voids in particles of carbonaceous material, irregularities caused by steps on the particle surface, and contact surfaces between particles, etc. carbonaceous material to be measured to correspond to the holes, usually 0.01 cm 2 · g -1 or more, preferably 0.05 cm 2 · g -1 or more, more preferably 0.1 cm 2 · g -1 or more, Usually, it is desirable to have a pore size distribution of 0.6 cm 2 · g −1 or less, preferably 0.4 cm 2 · g −1 or less, more preferably 0.3 cm 2 · g −1 or less.
細孔径分布が上記範囲を上回ると、極板化時にバインダーを多量に必要となる場合がある。また、上記範囲を下回ると、高電流密度充放電特性が低下し、かつ充放電時の電極の膨張収縮の緩和効果が得られない場合がある。 If the pore size distribution exceeds the above range, a large amount of binder may be required when forming an electrode plate. On the other hand, if it falls below the above range, the high current density charge / discharge characteristics may be deteriorated, and the effect of relaxing the expansion and contraction of the electrode during charge / discharge may not be obtained.
また、水銀ポロシメトリー(水銀圧入法)により求められる、直径が0.01μm以上100μm以下の細孔に相当する、全細孔容積は、通常0.1cm2・g−1以上であり、0.25cm2・g−1以上が好ましく、0.4cm2・g−1以上が更に好ましく、また、通常10cm2・g−1以下であり、5cm2・g−1以下が好ましく、2cm2・g−1以下が更に好ましい。 Further, the total pore volume, which is obtained by mercury porosimetry (mercury intrusion method) and corresponds to pores having a diameter of 0.01 μm or more and 100 μm or less, is usually 0.1 cm 2 · g −1 or more, and 25 cm 2 · g -1 or more, more preferably 0.4 cm 2 · g -1 or higher, and is generally 10 cm 2 · g -1 or less, preferably 5 cm 2 · g -1 or less, 2 cm 2 · g -1 or less is more preferable.
全細孔容積が上記範囲を上回ると、極板化時にバインダーを多量に必要となる場合がある。また、上記範囲を下回ると、極板化時に増粘剤や結着剤の分散効果が得られない場合がある。 If the total pore volume exceeds the above range, a large amount of binder may be required when forming an electrode plate. On the other hand, if the amount is below the above range, the effect of dispersing the thickener or the binder may not be obtained when forming the electrode plate.
また、平均細孔径は、通常0.05μm以上であり、0.1μm以上が好ましく、0.5μm以上が更に好ましく、また、通常50μm以下であり、20μm以下が好ましく、10μm以下が更に好ましい。 The average pore diameter is usually 0.05 μm or more, preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and usually 50 μm or less, preferably 20 μm or less, more preferably 10 μm or less.
平均細孔径が上記範囲を上回ると、バインダーを多量に必要となる場合がある。また、上記範囲を下回ると、高電流密度充放電特性が低下する場合がある。 If the average pore diameter exceeds the above range, a large amount of binder may be required. Moreover, when it is less than the above range, the high current density charge / discharge characteristics may deteriorate.
水銀圧入量の測定は、水銀ポロシメトリー用の装置として、水銀ポロシメータ(オートポア9520:マイクロメリテックス社製)を用いて行う。前処理として、試料約0.2gを、パウダー用セルに封入し、室温、真空下(50μmHg以下)にて10分間脱気する。引き続き、4psia(約28kPa)に減圧し水銀を導入し、4psia(約28kPa)から40000psia(約280MPa)までステップ状に昇圧させた後、25psia(約170kPa)まで降圧させる。昇圧時のステップ数は80点以上とし、各ステップでは10秒の平衡時間の後、水銀圧入量を測定する。 The mercury intrusion is measured using a mercury porosimeter (Autopore 9520: manufactured by Micromeritex Corporation) as an apparatus for mercury porosimetry. As a pretreatment, about 0.2 g of a sample is sealed in a powder cell and deaerated for 10 minutes at room temperature under vacuum (50 μmHg or less). Subsequently, the pressure is reduced to 4 psia (about 28 kPa), mercury is introduced, the pressure is increased stepwise from 4 psia (about 28 kPa) to 40000 psia (about 280 MPa), and then the pressure is reduced to 25 psia (about 170 kPa). The number of steps at the time of pressure increase is 80 points or more, and the mercury intrusion amount is measured after an equilibration time of 10 seconds in each step.
このようにして得られた水銀圧入曲線からWashburnの式を用い、細孔径分布を算出する。なお、水銀の表面張力(γ)は485dyne・cm−1(1dyne=10μN)、接触角(ψ)は140°とする。平均細孔径には累積細孔体積が50%となるときの細孔径を用いる。 The pore size distribution is calculated from the mercury intrusion curve thus obtained using the Washburn equation. Note that the surface tension (γ) of mercury is 485 dyne · cm −1 ( 1 dyne = 10 μN), and the contact angle (ψ) is 140 °. As the average pore diameter, the pore diameter when the cumulative pore volume is 50% is used.
(7)円形度
炭素質材料の球形の程度として円形度を測定した場合、以下の範囲に収まることが好ましい。なお、円形度は、「円形度=(粒子投影形状と同じ面積を持つ相当円の周囲長)/(粒子投影形状の実際の周囲長)」で定義され、円形度が1のときに理論的真球となる。
(7) Circularity When the circularity is measured as a spherical degree of the carbonaceous material, it is preferably within the following range. The circularity is defined as “circularity = (peripheral length of an equivalent circle having the same area as the particle projection shape) / (actual perimeter of the particle projection shape)”, and is theoretical when the circularity is 1. Become a true sphere.
炭素質材料の粒径が3〜40μmの範囲にある粒子の円形度は1に近いほど望ましく、また、0.1以上が好ましく、中でも0.5以上が好ましく、0.8以上がより好ましく、0.85以上が更に好ましく、0.9以上が特に好ましい。高電流密度充放電特性は、円形度が大きいほど向上する。従って、円形度が上記範囲を下回ると、負極活物質の充填性が低下し、粒子間の抵抗が増大して、短時間高電流密度充放電特性が低下する場合がある。 The circularity of the particles having a particle size of 3 to 40 μm in the range of the carbonaceous material is desirably closer to 1, and is preferably 0.1 or more, more preferably 0.5 or more, and more preferably 0.8 or more, 0.85 or more is more preferable, and 0.9 or more is particularly preferable. High current density charge / discharge characteristics improve as the degree of circularity increases. Therefore, when the circularity is less than the above range, the filling property of the negative electrode active material is lowered, the resistance between particles is increased, and the high current density charge / discharge characteristics may be lowered for a short time.
円形度の測定は、フロー式粒子像分析装置(シスメックス社製FPIA)を用いて行う。試料約0.2gを、界面活性剤であるポリオキシエチレン(20)ソルビタンモノラウレートの0.2質量%水溶液(約50mL)に分散させ、28kHzの超音波を出力60Wで1分間照射した後、検出範囲を0.6〜400μmに指定し、粒径が3〜40μmの範囲の粒子について測定する。該測定で求められる円形度を、本発明の炭素質材料の円形度と定義する。 The circularity is measured using a flow type particle image analyzer (FPIA manufactured by Sysmex Corporation). About 0.2 g of a sample was dispersed in a 0.2% by mass aqueous solution (about 50 mL) of polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate as a surfactant, and irradiated with 28 kHz ultrasonic waves at an output of 60 W for 1 minute. The detection range is specified as 0.6 to 400 μm, and the particle size is measured in the range of 3 to 40 μm. The circularity determined by the measurement is defined as the circularity of the carbonaceous material of the present invention.
円形度を向上させる方法は、特に限定されないが、球形化処理を施して球形にしたものが、電極体にしたときの粒子間空隙の形状が整うので好ましい。球形化処理の例としては、せん断力、圧縮力を与えることによって機械的に球形に近づける方法、複数の微粒子をバインダー若しくは、粒子自身の有する付着力によって造粒する機械的・物理的処理方法等が挙げられる。 The method for improving the degree of circularity is not particularly limited, but a spheroidized sphere is preferable because the shape of the interparticle void when the electrode body is formed is preferable. Examples of spheroidizing treatment include a method of mechanically approximating a sphere by applying a shearing force and a compressive force, a mechanical / physical processing method of granulating a plurality of fine particles by an adhesive force possessed by a binder or particles, etc. Is mentioned.
(8)真密度
炭素質材料の真密度は、通常1.4g・cm−3以上であり、1.6g・cm−3以上が好ましく、1.8g・cm−3以上が更に好ましく、2.0g・cm−3以上が特に好ましく、また、通常2.26g・cm−3以下である。真密度が、上記範囲を下回ると炭素の結晶性が低すぎて初期不可逆容量が増大する場合がある。なお、上記範囲の上限は、黒鉛の真密度の理論上限値である。
True density of (8) True Density carbonaceous material is usually 1.4 g · cm -3 or higher, preferably 1.6 g · cm -3 or more, more preferably 1.8 g · cm -3 or more, 2. 0 g · cm -3 or more are particularly preferred, also, usually less than 2.26 g · cm -3. When the true density is below the above range, the crystallinity of carbon is too low, and the initial irreversible capacity may increase. The upper limit of the above range is the theoretical upper limit of the true density of graphite.
炭素質材料の真密度は、ブタノールを使用した液相置換法(ピクノメータ法)によって測定する。該測定で求められる値を、本発明の炭素質材料の真密度と定義する。 The true density of the carbonaceous material is measured by a liquid phase substitution method (pycnometer method) using butanol. The value obtained by the measurement is defined as the true density of the carbonaceous material of the present invention.
(9)タップ密度
炭素質材料のタップ密度は、通常0.1g・cm−3以上であり、0.5g・cm−3以上が好ましく、0.7g・cm−3以上が更に好ましく、1g・cm−3以上が特に好ましく、また、2g・cm−3以下が好ましく、1.8g・cm−3以下が更に好ましく、1.6g・cm−3以下が特に好ましい。タップ密度が、上記範囲を下回ると、負極として用いた場合に充填密度が上がり難く、高容量の電池を得ることができない場合がある。また、上記範囲を上回ると、電極中の粒子間の空隙が少なくなり過ぎ、粒子間の導電性が確保され難くなり、好ましい電池特性が得られにくい場合がある。
(9) Tap density The tap density of the carbonaceous material is usually 0.1 g · cm −3 or more, preferably 0.5 g · cm −3 or more, more preferably 0.7 g · cm −3 or more, and 1 g · cm −3 or more is particularly preferable, 2 g · cm −3 or less is preferable, 1.8 g · cm −3 or less is more preferable, and 1.6 g · cm −3 or less is particularly preferable. When the tap density is below the above range, the packing density is difficult to increase when used as a negative electrode, and a high-capacity battery may not be obtained. On the other hand, when the above range is exceeded, there are too few voids between particles in the electrode, it is difficult to ensure conductivity between the particles, and it may be difficult to obtain preferable battery characteristics.
タップ密度の測定は、目開き300μmの篩を通過させて、20cm3のタッピングセルに試料を落下させてセルの上端面まで試料を満たした後、粉体密度測定器(例えば、セイシン企業社製タップデンサー)を用いて、ストローク長10mmのタッピングを1000回行なって、その時の体積と試料の重量からタップ密度を算出する。該測定で算出されるタップ密度を、本発明の炭素質材料のタップ密度として定義する。 The tap density is measured by passing through a sieve having an opening of 300 μm, dropping the sample onto a 20 cm 3 tapping cell and filling the sample to the upper end surface of the cell, and then measuring a powder density measuring device (for example, manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd.). Using a tap denser, tapping with a stroke length of 10 mm is performed 1000 times, and the tap density is calculated from the volume at that time and the weight of the sample. The tap density calculated by the measurement is defined as the tap density of the carbonaceous material of the present invention.
(10)配向比
炭素質材料の配向比は、通常0.005以上であり、0.01以上が好ましく、0.015以上が更に好ましく、また、通常0.67以下である。配向比が、上記範囲を下回ると、高密度充放電特性が低下する場合がある。なお、上記範囲の上限は、炭素質材料の配向比の理論上限値である。
(10) Orientation ratio The orientation ratio of the carbonaceous material is usually 0.005 or more, preferably 0.01 or more, more preferably 0.015 or more, and usually 0.67 or less. When the orientation ratio is below the above range, the high-density charge / discharge characteristics may deteriorate. The upper limit of the above range is the theoretical upper limit value of the orientation ratio of the carbonaceous material.
配向比は、試料を加圧成型してからX線回折により測定する。試料0.47gを直径17mmの成型機に充填し58.8MN・m−2で圧縮して得た成型体を、粘土を用いて測定用試料ホルダーの面と同一面になるようにセットしてX線回折を測定する。得られた炭素の(110)回折と(004)回折のピーク強度から、(110)回折ピーク強度/(004)回折ピーク強度で表わされる比を算出する。該測定で算出される配向比を、本発明の炭素質材料の配向比と定義する。 The orientation ratio is measured by X-ray diffraction after pressure-molding the sample. Set the molding obtained by filling 0.47 g of the sample into a molding machine with a diameter of 17 mm and compressing it with 58.8 MN · m -2 so that it is flush with the surface of the sample holder for measurement. X-ray diffraction is measured. From the (110) diffraction and (004) diffraction peak intensities of the obtained carbon, a ratio represented by (110) diffraction peak intensity / (004) diffraction peak intensity is calculated. The orientation ratio calculated by the measurement is defined as the orientation ratio of the carbonaceous material of the present invention.
X線回折測定条件は次の通りである。なお、「2θ」は回折角を示す。
・ターゲット:Cu(Kα線)グラファイトモノクロメーター
・スリット :
発散スリット=0.5度
受光スリット=0.15mm
散乱スリット=0.5度
・測定範囲及びステップ角度/計測時間:
(110)面:75度≦2θ≦80度 1度/60秒
(004)面:52度≦2θ≦57度 1度/60秒
The X-ray diffraction measurement conditions are as follows. “2θ” indicates a diffraction angle.
・ Target: Cu (Kα ray) graphite monochromator ・ Slit:
Divergence slit = 0.5 degree Light receiving slit = 0.15 mm
Scattering slit = 0.5 degree / measurement range and step angle / measurement time:
(110) plane: 75 degrees ≦ 2θ ≦ 80 degrees 1 degree / 60 seconds (004) plane: 52 degrees ≦ 2θ ≦ 57 degrees 1 degree / 60 seconds
(11)アスペクト比(粉)
炭素質材料のアスペクト比は、通常1以上、また、通常10以下であり、8以下が好ましく、5以下が更に好ましい。アスペクト比が、上記範囲を上回ると、極板化時にスジ引きや、均一な塗布面が得られず、高電流密度充放電特性が低下する場合がある。なお、上記範囲の下限は、炭素質材料のアスペクト比の理論下限値である。
(11) Aspect ratio (powder)
The aspect ratio of the carbonaceous material is usually 1 or more and usually 10 or less, preferably 8 or less, and more preferably 5 or less. If the aspect ratio exceeds the above range, streaking or a uniform coated surface cannot be obtained when forming an electrode plate, and the high current density charge / discharge characteristics may deteriorate. The lower limit of the above range is the theoretical lower limit value of the aspect ratio of the carbonaceous material.
アスペクト比の測定は、炭素質材料の粒子を走査型電子顕微鏡で拡大観察して行う。厚さ50ミクロン以下の金属の端面に固定した任意の50個の黒鉛粒子を選択し、それぞれについて試料が固定されているステージを回転、傾斜させて、3次元的に観察した時の炭素質材料粒子の最長となる径Aと、それと直交する最短となる径Bを測定し、A/Bの平均値を求める。該測定で求められるアスペクト比(A/B)を、本発明の炭素質材料のアスペクト比と定義する。 The aspect ratio is measured by magnifying and observing the carbonaceous material particles with a scanning electron microscope. Carbonaceous material when three-dimensional observation is performed by selecting arbitrary 50 graphite particles fixed to the end face of a metal having a thickness of 50 microns or less and rotating and tilting the stage on which the sample is fixed. The longest diameter A of the particles and the shortest diameter B orthogonal to the same are measured, and the average value of A / B is obtained. The aspect ratio (A / B) obtained by the measurement is defined as the aspect ratio of the carbonaceous material of the present invention.
(12)副材混合
副材混合とは、負極電極中及び/又は負極活物質中に性質の異なる炭素質材料が2種以上含有していることである。ここでいう性質とは、X線回折パラメータ、メジアン径、アスペクト比、BET比表面積、配向比、ラマンR値、タップ密度、真密度、細孔分布、円形度、灰分量の群から選ばれる一つ以上の特性を示す。
(12) Secondary material mixing The secondary material mixing means that two or more carbonaceous materials having different properties are contained in the negative electrode and / or the negative electrode active material. The property referred to here is one selected from the group of X-ray diffraction parameters, median diameter, aspect ratio, BET specific surface area, orientation ratio, Raman R value, tap density, true density, pore distribution, circularity, and ash content. Shows more than one characteristic.
これらの副材混合の、特に好ましい例としては、体積基準粒度分布がメジアン径を中心としたときに左右対称とならないこと、ラマンR値が異なる炭素質材料を2種以上含有していること、及びX線パラメータが異なること等が挙げられる。 As a particularly preferred example of mixing these secondary materials, the volume-based particle size distribution is not symmetrical when centered on the median diameter, containing two or more carbonaceous materials having different Raman R values, And X-ray parameters are different.
副材混合の効果の一例として、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛(グラファイト)、アセチレンブラック等のカーボンブラック、ニードルコークス等の無定形炭素等の炭素質材料が導電剤として含有されることにより、電気抵抗を低減させることが挙げられる。 As an example of the effect of the auxiliary material mixing, carbonaceous material such as natural graphite, graphite such as artificial graphite (graphite), carbon black such as acetylene black, and amorphous carbon such as needle coke is contained as a conductive agent. It is possible to reduce electrical resistance.
副材混合として導電剤を混合する場合には、1種を単独で混合してもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で混合してもよい。また、導電剤の炭素質材料に対する混合比率は、通常0.1質量%以上、0.5質量%以上が好ましく、0.6質量%以上が更に好ましく、また、通常45質量%以下であり、40質量%以下が好ましい。混合比が、上記範囲を下回ると導電性向上の効果が得にくい場合がある。また、上記範囲を上回ると初期不可逆容量の増大を招く場合がある。 When mixing a conductive agent as a secondary material mixture, one type may be mixed alone, or two or more types may be mixed in any combination and ratio. The mixing ratio of the conductive agent to the carbonaceous material is usually preferably 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, more preferably 0.6% by mass or more, and usually 45% by mass or less. 40 mass% or less is preferable. If the mixing ratio is less than the above range, it may be difficult to obtain the effect of improving conductivity. On the other hand, exceeding the above range may increase the initial irreversible capacity.
(13)電極作製
電極の製造は、本発明の効果を著しく制限しない限り、公知の何れの方法を用いることができる。例えば、負極活物質に、バインダー、溶媒、必要に応じて、増粘剤、導電材、充填材等を加えてスラリーとし、これを集電体に塗布、乾燥した後にプレスすることによって形成することができる。
(13) Electrode production Any known method can be used for producing an electrode as long as the effects of the present invention are not significantly limited. For example, it is formed by adding a binder, a solvent, and, if necessary, a thickener, a conductive material, a filler, etc. to a negative electrode active material to form a slurry, which is applied to a current collector, dried and then pressed. Can do.
電池の非水系電解液注液工程直前の段階での片面あたりの負極活物質層の厚さは、通常15μm以上であり、20μm以上が好ましく、30μm以上が更に好ましく、また、通常150μm以下であり、20μm以下が好ましく、100μm以下が更に好ましい。負極活物質の厚さが、この範囲を上回ると、非水系電解液が集電体界面付近まで浸透しにくいため、高電流密度充放電特性が低下する場合があるためである。またこの範囲を下回ると、負極活物質に対する集電体の体積比が増加し、電池の容量が減少する場合があるためである。また、負極活物質をロール成形してシート電極としてもよく、圧縮成形によりペレット電極としてもよい。 The thickness of the negative electrode active material layer per side in the stage immediately before the non-aqueous electrolyte injection process of the battery is usually 15 μm or more, preferably 20 μm or more, more preferably 30 μm or more, and usually 150 μm or less. 20 μm or less is preferable, and 100 μm or less is more preferable. This is because if the thickness of the negative electrode active material exceeds this range, the non-aqueous electrolyte solution hardly penetrates to the vicinity of the current collector interface, and thus the high current density charge / discharge characteristics may be deteriorated. Further, if the ratio is below this range, the volume ratio of the current collector to the negative electrode active material increases, and the battery capacity may decrease. Further, the negative electrode active material may be roll-formed to form a sheet electrode, or may be formed into a pellet electrode by compression molding.
(14)集電体
負極活物質を保持させる集電体としては、公知のものを任意に用いることができる。負極の集電体としては、例えば、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属材料が挙げられるが、加工し易さとコストの点から特に銅が好ましい。
(14) Current collector As the current collector for holding the negative electrode active material, a known material can be arbitrarily used. Examples of the current collector for the negative electrode include metal materials such as copper, nickel, stainless steel, and nickel-plated steel. Copper is particularly preferable from the viewpoint of ease of processing and cost.
また、集電体の形状は、集電体が金属材料の場合は、例えば、金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル等が挙げられる。中でも、好ましくは金属薄膜、より好ましくは銅箔であり、更に好ましくは圧延法による圧延銅箔と、電解法による電解銅箔があり、どちらも集電体として用いることができる。 In addition, the shape of the current collector may be, for example, a metal foil, a metal cylinder, a metal coil, a metal plate, a metal thin film, an expanded metal, a punch metal, a foam metal, or the like when the current collector is a metal material. Among them, a metal thin film is preferable, and a copper foil is more preferable, and a rolled copper foil by a rolling method and an electrolytic copper foil by an electrolytic method are more preferable, and both can be used as a current collector.
また、銅箔の厚さが25μmよりも薄い場合、純銅よりも強度の高い銅合金(リン青銅、チタン銅、コルソン合金、Cu−Cr−Zr合金等)を用いることができる。圧延法により作製した銅箔からなる集電体は、銅結晶が圧延方向に並んでいるため、負極を密に丸めても、鋭角に丸めても割れにくく、小型の円筒状電池に好適に用いることができる。 In addition, when the thickness of the copper foil is less than 25 μm, a copper alloy (phosphor bronze, titanium copper, Corson alloy, Cu—Cr—Zr alloy, etc.) having higher strength than pure copper can be used. A current collector made of a copper foil produced by a rolling method is suitable for use in a small cylindrical battery because the copper crystals are arranged in the rolling direction so that the negative electrode is hard to crack even if it is rounded sharply or rounded at an acute angle. be able to.
電解銅箔は、例えば、銅イオンが溶解された非水系電解液中に金属製のドラムを浸漬し、これを回転させながら電流を流すことにより、ドラムの表面に銅を析出させ、これを剥離して得られるものである。上記の圧延銅箔の表面に、電解法により銅を析出させていてもよい。銅箔の片面又は両面には、粗面化処理や表面処理(例えば、厚さが数nm〜1μm程度までのクロメート処理、Ti等の下地処理等)がなされていてもよい。 Electrolytic copper foil, for example, immerses a metal drum in a non-aqueous electrolyte solution in which copper ions are dissolved, and causes the copper to precipitate on the surface of the drum by flowing current while rotating it. Is obtained. Copper may be deposited on the surface of the rolled copper foil by an electrolytic method. One side or both sides of the copper foil may be subjected to a roughening treatment or a surface treatment (for example, a chromate treatment having a thickness of about several nm to 1 μm, a base treatment such as Ti).
集電体基板には、更に次のような物性が望まれる。
(14−1)平均表面粗さ(Ra)
JISB0601−1994に記載の方法で規定される集電体基板の負極活物質薄膜形成面の平均表面粗さ(Ra)は、特に制限されないが、通常0.05μm以上であり、0.1μm以上が好ましく、0.15μm以上が更に好ましく、また、通常1.5μm以下であり、1.3μm以下が好ましく、1.0μm以下が更に好ましい。
The following physical properties are desired for the current collector substrate.
(14-1) Average surface roughness (Ra)
The average surface roughness (Ra) of the negative electrode active material thin film forming surface of the current collector substrate defined by the method described in JIS B0601-1994 is not particularly limited, but is usually 0.05 μm or more and 0.1 μm or more. Preferably, it is more preferably 0.15 μm or more, and is usually 1.5 μm or less, preferably 1.3 μm or less, more preferably 1.0 μm or less.
集電体基板の平均表面粗さ(Ra)が、上記の範囲内であると、良好な充放電サイクル特性が期待できるためである。また、負極活物質薄膜との界面の面積が大きくなり、負極活物質薄膜との密着性が向上する。なお、平均表面粗さ(Ra)の上限値は特に制限されるものではないが、平均表面粗さ(Ra)が1.5μmを超えるものは電池として実用的な厚みの箔としては一般に入手しにくいため、1.5μm以下のものが通常用いられる。 This is because when the average surface roughness (Ra) of the current collector substrate is within the above range, good charge / discharge cycle characteristics can be expected. Further, the area of the interface with the negative electrode active material thin film is increased, and the adhesion with the negative electrode active material thin film is improved. The upper limit value of the average surface roughness (Ra) is not particularly limited, but those having an average surface roughness (Ra) exceeding 1.5 μm are generally available as foils having a practical thickness as a battery. Since it is difficult, those of 1.5 μm or less are usually used.
(14−2)引張強度
引張強度とは、試験片が破断に至るまでに要した最大引張力を、試験片の断面積で割ったものである。本発明における引張強度は、JISZ2241(金属材料引張試験方法)に記載と同様な装置及び方法で測定される。
(14-2) Tensile strength The tensile strength is obtained by dividing the maximum tensile force required until the test piece breaks by the cross-sectional area of the test piece. The tensile strength in the present invention is measured by the same apparatus and method as described in JISZ2241 (metal material tensile test method).
集電体基板の引張強度は、特に制限されないが、通常100N・mm−2以上であり、250N・mm−2以上が好ましく、400N・mm−2以上が更に好ましく、500N・mm−2以上が特に好ましい。引張強度は、値が高いほど好ましいが、工業的入手可能性の観点から、通常1000N・mm−2以下である。引張強度が高い集電体基板であれば、充電・放電に伴う負極活物質薄膜の膨張・収縮による集電体基板の亀裂を抑制することができ、良好なサイクル特性を得ることができる。 The tensile strength of the current collector substrate is not particularly limited, is usually 100 N · mm -2 or more, preferably 250 N · mm -2 or more, more preferably 400 N · mm -2 or more, 500 N · mm -2 or more Particularly preferred. The tensile strength is preferably as high as possible, but is usually 1000 N · mm −2 or less from the viewpoint of industrial availability. If the current collector substrate has a high tensile strength, cracking of the current collector substrate due to expansion / contraction of the negative electrode active material thin film accompanying charging / discharging can be suppressed, and good cycle characteristics can be obtained.
(14−3)0.2%耐力
0.2%耐力とは、0.2%の塑性(永久)歪みを与えるに必要な負荷の大きさであり、この大きさの負荷を加えた後に除荷しても0.2%変形している事を意味している。0.2%耐力は、引張り強度と同様な装置及び方法で測定される。
(14-3) 0.2% proof stress 0.2% proof stress is the magnitude of a load required to give a plastic (permanent) strain of 0.2%. It means that 0.2% deformation even when loaded. The 0.2% yield strength is measured with the same equipment and method as the tensile strength.
集電体基板の0.2%耐力は、特に制限されないが、通常30N・mm−2以上、好ましくは150N・mm−2以上、特に好ましくは300N・mm−2以上が望ましい。0.2%耐値は値が高いほど好ましいが、工業的入手可能性の観点から、通常900N・mm−2以下が望ましい。0.2%耐力が高い集電体基板であれば、充電・放電に伴う負極活物質薄膜の膨張・収縮による集電体基板の塑性変形を抑制することができ、良好なサイクル特性を得ることができる。 0.2% proof stress of the current collector substrate is not particularly limited, normally 30 N · mm -2 or more, preferably 150 N · mm -2 or more, particularly preferably 300N · mm -2 or more. The 0.2% resistance value is preferably as high as possible, but 900 N · mm −2 or less is usually desirable from the viewpoint of industrial availability. If the current collector substrate has a high 0.2% proof stress, plastic deformation of the current collector substrate due to expansion / contraction of the negative electrode active material thin film accompanying charging / discharging can be suppressed, and good cycle characteristics can be obtained. Can do.
(14−4金属薄膜の厚さ)
金属薄膜の厚さは任意であるが、通常1μm以上であり、3μm以上が好ましく、5μm以上が更に好ましく、また、通常1mm以下であり、100μm以下が好ましく、30μm以下が更に好ましい。金属皮膜の厚さが、1μmより薄くなると、強度が低下するため塗布が困難となる場合がある。また、100μmより厚くなると、捲回等の電極の形を変形させる場合がある。なお、金属薄膜は、メッシュ状でもよい。
(14-4 thickness of metal thin film)
The thickness of the metal thin film is arbitrary, but is usually 1 μm or more, preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, and usually 1 mm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 30 μm or less. If the thickness of the metal film is less than 1 μm, the strength may be reduced, making application difficult. Moreover, when it becomes thicker than 100 micrometers, the shape of electrodes, such as winding, may be changed. The metal thin film may be mesh.
(15)集電体と負極活物質層の厚さの比
集電体と負極活物質層の厚さの比は特には限定されないが、「(非水系電解液注液直前の片面の負極活物質層厚さ)/(集電体の厚さ)」の値が、150以下が好ましく、20以下が更に好ましく、10以下が特に好ましく、また、0.1以上が好ましく、0.4以上が更に好ましく、1以上が特に好ましい。集電体と負極活物質層の厚さの比が、上記範囲を上回ると、高電流密度充放電時に集電体がジュール熱による発熱を生じる場合がある。また、上記範囲を下回ると、負極活物質に対する集電体の体積比が増加し、電池の容量が減少する場合がある。
(15) Ratio of thickness of current collector and negative electrode active material layer The ratio of the thickness of current collector and negative electrode active material layer is not particularly limited. The value of “material layer thickness) / (current collector thickness)” is preferably 150 or less, more preferably 20 or less, particularly preferably 10 or less, more preferably 0.1 or more, and 0.4 or more. More preferred is 1 or more. When the ratio of the thickness of the current collector to the negative electrode active material layer exceeds the above range, the current collector may generate heat due to Joule heat during high current density charge / discharge. On the other hand, below the above range, the volume ratio of the current collector to the negative electrode active material increases, and the battery capacity may decrease.
(16)電極密度
負極活物質を電極化した際の電極構造は特には限定されないが、集電体上に存在している負極活物質の密度は、1g・cm−3以上が好ましく、1.2g・cm−3以上が更に好ましく、1.3g・cm−3以上が特に好ましく、また、2g・cm−3以下が好ましく、1.9g・cm−3以下がより好ましく、1.8g・cm−3以下が更に好ましく、1.7g・cm−3以下が特に好ましい。集電体上に存在している負極活物質の密度が、上記範囲を上回ると、負極活物質粒子が破壊され、初期不可逆容量の増加や、集電体/負極活物質界面付近への非水系電解液の浸透性低下による高電流密度充放電特性悪化を招く場合がある。また、上記範囲を下回ると、負極活物質間の導電性が低下し、電池抵抗が増大し、単位容積当たりの容量が低下する場合がある。
(16) Electrode density The electrode structure when the negative electrode active material is made into an electrode is not particularly limited, but the density of the negative electrode active material present on the current collector is preferably 1 g · cm −3 or more. 2 g · cm −3 or more is more preferable, 1.3 g · cm −3 or more is particularly preferable, 2 g · cm −3 or less is preferable, 1.9 g · cm −3 or less is more preferable, and 1.8 g · cm. −3 or less is more preferable, and 1.7 g · cm −3 or less is particularly preferable. When the density of the negative electrode active material existing on the current collector exceeds the above range, the negative electrode active material particles are destroyed, and the initial irreversible capacity increases or non-aqueous system near the current collector / negative electrode active material interface. There is a case where high current density charge / discharge characteristics are deteriorated due to a decrease in permeability of the electrolytic solution. On the other hand, if the amount is less than the above range, the conductivity between the negative electrode active materials decreases, the battery resistance increases, and the capacity per unit volume may decrease.
(17)バインダー
負極活物質を結着するバインダーとしては、非水系電解液や電極製造時に用いる溶媒に対して安定な材料であれば、特に制限されない。
(17) Binder The binder for binding the negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that is stable with respect to the non-aqueous electrolyte and the solvent used during electrode production.
具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、芳香族ポリアミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子;SBR(スチレン・ブタジエンゴム)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、NBR(アクリロニトリル・ブタジエンゴム)、エチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物;EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子;シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子;ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子;アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 Specific examples include resin-based polymers such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, aromatic polyamide, cellulose, and nitrocellulose; SBR (styrene-butadiene rubber), isoprene rubber, butadiene rubber, fluorine rubber, NBR ( Acrylonitrile / butadiene rubber), rubbery polymers such as ethylene / propylene rubber; styrene / butadiene / styrene block copolymers or hydrogenated products thereof; EPDM (ethylene / propylene / diene terpolymer), styrene / ethylene / Thermoplastic elastomeric polymer such as butadiene / styrene copolymer, styrene / isoprene / styrene block copolymer or hydrogenated product thereof; syndiotactic-1,2-polybutadiene, polyvinyl acetate, ethylene Soft resinous polymers such as vinyl acetate copolymer and propylene / α-olefin copolymer; Fluorine-based polymers such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene / ethylene copolymer Polymers: Polymer compositions having ionic conductivity of alkali metal ions (particularly lithium ions), and the like. These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios.
スラリーを形成するための溶媒としては、負極活物質、バインダー、並びに必要に応じて使用される増粘剤及び導電剤を溶解又は分散することが可能な溶媒であれば、その種類に特に制限はなく、水系溶媒と有機系溶媒のどちらを用いてもよい。 The solvent for forming the slurry is not particularly limited as long as it is a solvent capable of dissolving or dispersing the negative electrode active material, the binder, and the thickener and conductive agent used as necessary. Alternatively, either an aqueous solvent or an organic solvent may be used.
水系溶媒の例としては水、アルコール等が挙げられ、有機系溶媒の例としてはN−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、テトラヒドロフラン(THF)、トルエン、アセトン、ジエチルエーテル、ジメチルアセトアミド、ヘキサメチルホスファルアミド、ジメチルスルフォキシド、ベンゼン、キシレン、キノリン、ピリジン、メチルナフタレン、ヘキサン等が挙げられる。 Examples of the aqueous solvent include water, alcohol and the like, and examples of the organic solvent include N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, N , N-dimethylaminopropylamine, tetrahydrofuran (THF), toluene, acetone, diethyl ether, dimethylacetamide, hexamethylphosphamide, dimethyl sulfoxide, benzene, xylene, quinoline, pyridine, methylnaphthalene, hexane, etc. .
特に水系溶媒を用いる場合、増粘剤に併せて分散剤等を含有させ、SBR等のラテックスを用いてスラリー化することが好ましい。なお、これらの溶媒は、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 In particular, when an aqueous solvent is used, it is preferable to add a dispersant or the like in addition to the thickener and slurry it using a latex such as SBR. In addition, these solvents may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
負極活物質に対するバインダーの割合は、0.1質量%以上が好ましく、0.5質量%以上が更に好ましく、0.6質量%以上が特に好ましく、また、20質量%以下が好ましく、15質量%以下がより好ましく、10質量%以下が更に好ましく、8質量%以下が特に好ましい。負極活物質に対するバインダーの割合が、上記範囲を上回ると、バインダー量が電池容量に寄与しないバインダー割合が増加して、電池容量の低下を招く場合がある。また、上記範囲を下回ると、負極電極の強度低下を招く場合がある。 The ratio of the binder to the negative electrode active material is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.5% by mass or more, particularly preferably 0.6% by mass or more, and preferably 20% by mass or less, 15% by mass. The following is more preferable, 10 mass% or less is still more preferable, and 8 mass% or less is especially preferable. When the ratio of the binder with respect to a negative electrode active material exceeds the said range, the binder ratio from which the amount of binders does not contribute to battery capacity may increase, and the fall of battery capacity may be caused. On the other hand, below the above range, the strength of the negative electrode may be reduced.
特に、SBRに代表されるゴム状高分子を主要成分に含有する場合には、負極活物質に対するバインダーの割合は、通常0.1質量%以上であり、0.5質量%以上が好ましく、0.6質量%以上が更に好ましく、また、通常5質量%以下であり、3質量%以下が好ましく、2質量%以下が更に好ましい。また、ポリフッ化ビニリデンに代表されるフッ素系高分子を主要成分に含有する場合には負極活物質に対する割合は、通常1質量%以上であり、2質量%以上が好ましく、3質量%以上が更に好ましく、また、通常15質量%以下であり、10質量%以下が好ましく、8質量%以下が更に好ましい。 In particular, when a rubbery polymer typified by SBR is contained as a main component, the ratio of the binder to the negative electrode active material is usually 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, and 0 .6% by mass or more is more preferable, and is usually 5% by mass or less, preferably 3% by mass or less, and more preferably 2% by mass or less. Moreover, when the main component contains a fluorine-based polymer typified by polyvinylidene fluoride, the ratio to the negative electrode active material is usually 1% by mass or more, preferably 2% by mass or more, and more preferably 3% by mass or more. Preferably, it is usually 15% by mass or less, preferably 10% by mass or less, and more preferably 8% by mass or less.
増粘剤は、通常、スラリーの粘度を調製するために使用される。増粘剤としては、特に制限はないが、具体的には、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、燐酸化スターチ、カゼイン及びこれらの塩等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 A thickener is usually used to adjust the viscosity of the slurry. The thickener is not particularly limited, and specific examples include carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, oxidized starch, phosphorylated starch, casein, and salts thereof. These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios.
更に増粘剤を用いる場合には、負極活物質に対する増粘剤の割合は、通常0.1質量%以上であり、0.5質量%以上が好ましく、0.6質量%以上が更に好ましく、また、通常5質量%以下であり、3質量%以下が好ましく、2質量%以下が更に好ましい。負極活物質に対する増粘剤の割合が、上記範囲を下回ると、著しく塗布性が低下する場合がある。また、上記範囲を上回ると、負極活物質層に占める負極活物質の割合が低下し、電池の容量が低下する問題や負極活物質間の抵抗が増大する場合がある。 Furthermore, when using a thickener, the ratio of the thickener to the negative electrode active material is usually 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, more preferably 0.6% by mass or more, Moreover, it is 5 mass% or less normally, 3 mass% or less is preferable, and 2 mass% or less is still more preferable. When the ratio of the thickener to the negative electrode active material is less than the above range, applicability may be significantly reduced. Moreover, when it exceeds the said range, the ratio of the negative electrode active material which occupies for a negative electrode active material layer will fall, and the problem that the capacity | capacitance of a battery falls and the resistance between negative electrode active materials may increase.
(18)極板配向比
極板配向比は、通常0.001以上であり、0.005以上が好ましく、0.01以上が更に好ましく、また、通常0.67以下である。極板配向比が、上記範囲を下回ると、高密度充放電特性が低下する場合がある。なお、上記範囲の上限は、炭素質材料の極板配向比の理論上限値である。
(18) Electrode orientation ratio The electrode orientation ratio is usually 0.001 or more, preferably 0.005 or more, more preferably 0.01 or more, and usually 0.67 or less. When the electrode plate orientation ratio is below the above range, the high-density charge / discharge characteristics may be deteriorated. The upper limit of the above range is the theoretical upper limit of the electrode plate orientation ratio of the carbonaceous material.
極板配向比の測定は、目的密度にプレス後の負極電極について、X線回折により電極の負極活物質配向比を測定することによって行なう。具体的手法は特に制限されないが、標準的な方法としては、X線回折により炭素の(110)回折と(004)回折のピークを、プロファイル関数として非対称ピアソンVIIを用いてフィッティングすることによりピーク分離を行ない、(110)回折と(004)回折のピークの積分強度を各々算出する。得られた積分強度から、(110)回折積分強度/(004)回折積分強度で表わされる比を算出する。該測定で算出される電極の負極活物質配向比を、本発明の炭素質材料による電極の極板配向比と定義する。 The electrode plate orientation ratio is measured by measuring the orientation ratio of the negative electrode active material of the electrode by X-ray diffraction for the negative electrode after being pressed to the target density. The specific method is not particularly limited. As a standard method, peak separation is performed by fitting peaks of carbon (110) diffraction and (004) diffraction by X-ray diffraction using asymmetric Pearson VII as a profile function. The integrated intensities of the peaks of (110) diffraction and (004) diffraction are calculated. From the obtained integrated intensity, a ratio represented by (110) diffraction integrated intensity / (004) diffraction integrated intensity is calculated. The electrode negative electrode active material orientation ratio calculated by the measurement is defined as the electrode plate orientation ratio of the carbonaceous material of the present invention.
X線回折測定条件は次の通りである。なお、「2θ」は回折角を示す。
・ターゲット:Cu(Kα線)グラファイトモノクロメーター
・スリット :発散スリット=1度、受光スリット=0.1mm、散乱スリット=1度
・測定範囲、及び、ステップ角度/計測時間:
(110)面:76.5度≦2θ≦78.5度 0.01度/3秒
(004)面:53.5度≦2θ≦56.0度 0.01度/3秒
・試料調製 :硝子板に0.1mm厚さの両面テープで電極を固定
The X-ray diffraction measurement conditions are as follows. “2θ” indicates a diffraction angle.
-Target: Cu (Kα ray) graphite monochromator-Slit: Divergence slit = 1 degree, Receiving slit = 0.1 mm, Scattering slit = 1 degree-Measurement range and step angle / measurement time:
(110) plane: 76.5 degrees ≦ 2θ ≦ 78.5 degrees 0.01 degrees / 3 seconds (004) plane: 53.5 degrees ≦ 2θ ≦ 56.0 degrees 0.01 degrees / 3 seconds Sample preparation: Fix the electrode to the glass plate with double-sided tape with a thickness of 0.1 mm
(19)インピーダンス
放電状態から公称容量の60%まで充電した時の負極の抵抗は、100Ω以下が好ましく、50Ω以下が更に好ましく、20Ω以下が特に好ましく、及び/又は二重層容量が1×10−6F以上が好ましく、1×10−5F以上が更に好ましく、1×10−4Fが特に好ましい。上記範囲の負極電極を用いると出力特性が良く好ましいためである。
(19) Impedance The resistance of the negative electrode when charged from the discharged state to 60% of the nominal capacity is preferably 100Ω or less, more preferably 50Ω or less, particularly preferably 20Ω or less, and / or the double layer capacity is 1 × 10 −. 6 F or more is preferable, 1 × 10 −5 F or more is more preferable, and 1 × 10 −4 F is particularly preferable. This is because the use of a negative electrode in the above range provides good output characteristics.
負極の抵抗及び二重層容量の測定は、測定するリチウムイオン二次電池を、公称容量を5時間で充電できる電流値にて充電した後に、20分間充放電をしない状態を維持し、次に公称容量を1時間で放電できる電流値にて放電したときの容量が、公称容量の80%以上あるものを用いる。 The resistance and the double layer capacity of the negative electrode are measured by charging the lithium ion secondary battery to be measured at a current value at which the nominal capacity can be charged in 5 hours, and then maintaining the state without charging / discharging for 20 minutes. A capacitor whose capacity is 80% or more of the nominal capacity when discharged at a current value that can be discharged in one hour is used.
前述の放電状態のリチウムイオン二次電池について、公称容量を5時間で充電できる電流値にて公称容量の60%まで充電し、直ちにリチウムイオン二次電池をアルゴンガス雰囲気下のグローブボックス内に移す。ここで該リチウムイオン二次電池を負極が放電又はショートしない状態ですばやく解体して取り出し、両面塗布電極であれば、片面の負極活物質を他面の負極活物質を傷つけずに剥離し、負極電極をφ12.5mmに2枚打ち抜き、セパレータを介して負極活物質面がずれないよう対向させる。電池に使用されていた非水系電解液60μLをセパレータと両負極間に滴下して密着し、外気と触れない状態を保持して、両負極の集電体に導電をとり、交流インピーダンス法を実施する。 About the lithium ion secondary battery of the above-mentioned discharge state, it charges to 60% of a nominal capacity with the electric current value which can charge a nominal capacity in 5 hours, and immediately transfers a lithium ion secondary battery in the glove box under argon gas atmosphere. . Here, the lithium ion secondary battery is quickly disassembled and taken out in a state where the negative electrode does not discharge or short-circuit, and if it is a double-sided coated electrode, the negative electrode active material on one side is peeled off without damaging the negative electrode active material on the other side. Two electrodes are punched out into a diameter of 12.5 mm, and are opposed to each other so that the surface of the negative electrode active material does not shift through a separator. 60μL of non-aqueous electrolyte used in the battery was dropped between the separator and both negative electrodes, and kept in close contact with the outside air, and the current collector of both negative electrodes was made conductive and the AC impedance method was carried out. To do.
測定は温度25℃で、10−2〜105Hzの周波数帯で複素インピーダンス測定を行ない、求められたナイキスト・プロットの負極抵抗成分の円弧を半円で近似して表面抵抗(R)と、二重層容量(Cdl)を求める。 The measurement is performed at a temperature of 25 ° C., and a complex impedance measurement is performed in a frequency band of 10 −2 to 10 5 Hz. The surface resistance (R) is obtained by approximating the arc of the negative resistance component of the obtained Nyquist plot with a semicircle. The double layer capacity (Cdl) is determined.
(20)負極板の面積
負極板の面積は特に限定されるものではないが、対向する正極板よりもわずかに大きくして正極板が負極板から外にはみ出すことがないように設計することが好ましい。充放電を繰り返したサイクルの寿命や高温保存による劣化を抑制する観点から、出来る限り正極に等しい面積に近づけることが、より均一かつ有効に働く電極割合を高めて特性が向上するので好ましい。特に、大電流で使用される場合には、この電極面積の設計が重要である。
(20) Area of negative electrode plate The area of the negative electrode plate is not particularly limited, but it may be designed to be slightly larger than the opposing positive electrode plate so that the positive electrode plate does not protrude from the negative electrode plate. preferable. From the viewpoint of suppressing the cycle life of repeated charge and discharge and deterioration due to high temperature storage, it is preferable to make it as close as possible to the area equal to the positive electrode because the characteristics are improved by increasing the proportion of the electrodes that work more uniformly and effectively. In particular, when the electrode is used at a large current, the design of the electrode area is important.
(21)負極板の厚さ
負極板の厚さは用いられる正極板に合わせて設計されるものであり、特に限定されるものではないが、芯材の金属箔厚さを差し引いた合材層の厚さは通常15μm以上、好ましくは20μm以上、より好ましくは30μm以上、また、通常150μm以下、好ましくは120μm以下、より好ましくは100μm以下が望ましい。
(21) Thickness of negative electrode plate The thickness of the negative electrode plate is designed according to the positive electrode plate to be used, and is not particularly limited, but is a composite layer obtained by subtracting the thickness of the metal foil of the core material. The thickness is usually 15 μm or more, preferably 20 μm or more, more preferably 30 μm or more, and usually 150 μm or less, preferably 120 μm or less, more preferably 100 μm or less.
<2−3−3.合金系材料、及び合金系材料を用いた負極の構成、物性、調製方法>
負極活物質として用いられる合金系材料としては、リチウムを吸蔵・放出可能であれば、リチウム合金を形成する単体金属及び合金、又はそれらの酸化物・炭化物・窒化物・珪化物・硫化物・燐化物等の化合物の何れであっても特に限定はされないが、好ましくはリチウム合金を形成する単体金属及び合金であれば、13族及び14族の金属・半金属元素(すなわち炭素を除く)を含む材料あることが好ましく、更にはアルミニウム、珪素、及び錫(これらを以下「特定金属元素」という場合がある。)の単体金属、及びこれら原子を含む合金・化合物である事が好ましい。
<2-3-3. Alloy Material, and Structure, Physical Properties, and Preparation Method of Negative Electrode Using Alloy Material>
As an alloy material used as the negative electrode active material, as long as lithium can be occluded / released, simple metals and alloys that form lithium alloys, or oxides / carbides / nitrides / silicides / sulfides / phosphorous thereof. Any compound such as a compound is not particularly limited, but preferably a single metal or alloy that forms a lithium alloy includes a group 13 and group 14 metal / metalloid element (ie, excluding carbon). The material is preferably a single metal of aluminum, silicon, and tin (hereinafter sometimes referred to as “specific metal element”), and an alloy / compound containing these atoms.
特定金属元素から選ばれる少なくとも1種の原子を有する負極活物質の例としては、何れか1種の特定金属元素の金属単体、2種以上の特定金属元素からなる合金、1種又は2種以上の特定金属元素とその他の1種又は2種以上の金属元素とからなる合金、並びに、1種又は2種以上の特定金属元素を含有する化合物、及びその化合物の酸化物・炭化物・窒化物・珪化物・硫化物・燐化物等の複合化合物が挙げられる。負極活物質としてこれらの金属単体、合金又は金属化合物を用いることで、電池の高容量化が可能である。 Examples of the negative electrode active material having at least one kind of atom selected from the specific metal element include a single metal of any one specific metal element, an alloy composed of two or more specific metal elements, one type, or two or more types Alloys composed of specific metal elements and other one or more metal elements, compounds containing one or more specific metal elements, and oxides, carbides, nitrides, and the like of the compounds Examples include composite compounds such as silicides, sulfides, and phosphides. By using these simple metals, alloys or metal compounds as the negative electrode active material, the capacity of the battery can be increased.
また、これらの複合化合物が、金属単体、合金、又は非金属元素等の数種の元素と複雑に結合した化合物も例として挙げることができる。より具体的には、例えば珪素や錫では、これらの元素と負極として動作しない金属との合金を用いることができる。また例えば錫では、錫と珪素以外で負極として作用する金属と、更に負極として動作しない金属と、非金属元素との組み合わせで5〜6種の元素を含むような複雑な化合物も用いることができる。 Moreover, the compound which these complex compounds combined with several elements, such as a metal simple substance, an alloy, or a nonmetallic element, can also be mentioned as an example. More specifically, for example, for silicon and tin, an alloy of these elements and a metal that does not operate as a negative electrode can be used. For example, in the case of tin, a complex compound containing 5 to 6 kinds of elements in combination with a metal that acts as a negative electrode other than tin and silicon, a metal that does not operate as a negative electrode, and a nonmetallic element can also be used. .
これらの負極活物質の中でも、電池にしたときに単位重量当りの容量が大きいことから、何れか1種の特定金属元素の金属単体、2種以上の特定金属元素の合金、特定金属元素の酸化物や炭化物、窒化物等が好ましく、特に、珪素及び/又は錫の金属単体、合金、酸化物や炭化物、窒化物等が、単位重量当りの容量及び環境負荷の観点から好ましい。 Among these negative electrode active materials, since the capacity per unit weight is large when a battery is formed, any one metal element of a specific metal element, an alloy of two or more specific metal elements, oxidation of a specific metal element Of these, silicon and / or tin metal, alloys, oxides, carbides, nitrides, and the like are particularly preferable from the viewpoint of capacity per unit weight and environmental load.
また、金属単体又は合金を用いるよりは単位重量当りの容量には劣るものの、サイクル特性に優れることから、珪素及び/又は錫を含有する以下の化合物も好ましい。
・珪素及び/又は錫と酸素との元素比が通常0.5以上であり、好ましくは0.7以上、更に好ましくは0.9以上、また、通常1.5以下であり、好ましくは1.3以下、更に好ましくは1.1以下の珪素及び/又は錫の酸化物。
・珪素及び/又は錫と窒素との元素比が通常0.5以上であり、好ましくは0.7以上、更に好ましくは0.9以上、また、通常1.5以下であり、好ましくは1.3以下、更に好ましくは1.1以下の珪素及び/又は錫の窒化物。
・珪素及び/又は錫と炭素との元素比が通常0.5以上であり、好ましくは0.7以上、更に好ましくは0.9以上、また、通常1.5以下であり、好ましくは1.3以下、更に好ましくは1.1以下の珪素及び/又は錫の炭化物。
In addition, although the capacity per unit weight is inferior to that of a single metal or an alloy, the following compounds containing silicon and / or tin are also preferred because of excellent cycle characteristics.
The element ratio of silicon and / or tin to oxygen is usually 0.5 or more, preferably 0.7 or more, more preferably 0.9 or more, and usually 1.5 or less, preferably 1. Silicon and / or tin oxide of 3 or less, more preferably 1.1 or less.
-Element ratio of silicon and / or tin and nitrogen is usually 0.5 or more, preferably 0.7 or more, more preferably 0.9 or more, and usually 1.5 or less, preferably 1. Silicon and / or tin nitride of 3 or less, more preferably 1.1 or less.
The elemental ratio of silicon and / or tin to carbon is usually 0.5 or more, preferably 0.7 or more, more preferably 0.9 or more, and usually 1.5 or less, preferably 1. Silicon and / or tin carbide of 3 or less, more preferably 1.1 or less.
なお、上述の負極活物質は、何れか1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 In addition, any one of the above-described negative electrode active materials may be used alone, or two or more thereof may be used in any combination and ratio.
本発明の非水系電解液二次電池における負極は、公知の何れの方法を用いて製造することが可能である。具体的に、負極の製造方法としては、例えば、上述の負極活物質に結着剤や導電材等を加えたものをそのままロール成型してシート電極とする方法や、圧縮成形してペレット電極とする方法も挙げられるが、通常は負極用の集電体(以下「負極集電体」という場合がある。)上に塗布法、蒸着法、スパッタ法、メッキ法等の手法により、上述の負極活物質を含有する薄膜層(負極活物質層)を形成する方法が用いられる。この場合、上述の負極活物質に結着剤、増粘剤、導電材、溶媒等を加えてスラリー状とし、これを負極集電体に塗布、乾燥した後にプレスして高密度化することにより、負極集電体上に負極活物質層を形成する。 The negative electrode in the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention can be manufactured using any known method. Specifically, as a manufacturing method of the negative electrode, for example, a method in which a negative electrode active material added with a binder or a conductive material is roll-formed as it is to form a sheet electrode, or a compression-molded pellet electrode and The above negative electrode is usually applied to a negative electrode current collector (hereinafter also referred to as “negative electrode current collector”) by a method such as a coating method, a vapor deposition method, a sputtering method, or a plating method. A method of forming a thin film layer (negative electrode active material layer) containing an active material is used. In this case, by adding a binder, a thickener, a conductive material, a solvent, etc. to the above-mentioned negative electrode active material to form a slurry, applying this to the negative electrode current collector, drying, and pressing to increase the density A negative electrode active material layer is formed on the negative electrode current collector.
負極集電体の材質としては、鋼、銅合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス等が挙げられる。これらのうち、薄膜に加工し易いという点及びコストの点から、銅箔が好ましい。 Examples of the material of the negative electrode current collector include steel, copper alloy, nickel, nickel alloy, and stainless steel. Of these, copper foil is preferred from the viewpoint of easy processing into a thin film and cost.
負極集電体の厚さは、通常1μm以上、好ましくは5μm以上であり、通常100μm以下、好ましくは50μm以下である。負極集電体の厚さが厚過ぎると、電池全体の容量が低下し過ぎることがあり、逆に薄過ぎると取り扱いが困難になることがあるためである。 The thickness of the negative electrode current collector is usually 1 μm or more, preferably 5 μm or more, and is usually 100 μm or less, preferably 50 μm or less. This is because if the thickness of the negative electrode current collector is too thick, the capacity of the entire battery may be too low, and conversely if it is too thin, handling may be difficult.
なお、表面に形成される負極活物質層との結着効果を向上させるため、これら負極集電体の表面は、予め粗面化処理しておくことが好ましい。表面の粗面化方法としては、ブラスト処理、粗面ロールによる圧延、研磨剤粒子を固着した研磨布紙、砥石、エメリバフ、鋼線等を備えたワイヤーブラシ等で集電体表面を研磨する機械的研磨法、電解研磨法、化学研磨法等が挙げられる。 In addition, in order to improve the binding effect with the negative electrode active material layer formed on the surface, the surface of these negative electrode current collectors is preferably subjected to a roughening treatment in advance. Surface roughening methods include blasting, rolling with a rough surface roll, polishing cloth with a fixed abrasive particle, grinding wheel, emery buff, machine that polishes the current collector surface with a wire brush equipped with steel wire, etc. Examples thereof include a mechanical polishing method, an electrolytic polishing method, and a chemical polishing method.
また、負極集電体の重量を低減させて電池の重量当たりのエネルギー密度を向上させるために、エキスパンドメタルやパンチングメタルのような穴あきタイプの負極集電体を使用することもできる。このタイプの負極集電体は、その開口率を変更することで、重量も白在に変更可能である。また、このタイプの負極集電体の両面に負極活物質層を形成させた場合、この穴を通してのリベット効果により、負極活物質層の剥離が更に起こり難くなる。しかし、開口率があまりに高くなった場合には、負極活物質層と負極集電体との接触面積が小さくなるため、かえって接着強度は低くなることがある。 Further, in order to reduce the weight of the negative electrode current collector and improve the energy density per weight of the battery, a perforated negative electrode current collector such as an expanded metal or a punching metal can be used. In this type of negative electrode current collector, the weight can be changed to white by changing the aperture ratio. Further, when a negative electrode active material layer is formed on both surfaces of this type of negative electrode current collector, the negative electrode active material layer is further less likely to peel due to the rivet effect through the hole. However, when the aperture ratio becomes too high, the contact area between the negative electrode active material layer and the negative electrode current collector becomes small, and thus the adhesive strength may be lowered.
負極活物質層を形成するためのスラリーは、通常は負極材に対して結着剤、増粘剤等を加えて作製される。なお、本明細書における「負極材」とは、負極活物質と導電材とを合わせた材料を指すものとする。 The slurry for forming the negative electrode active material layer is usually prepared by adding a binder, a thickener and the like to the negative electrode material. In addition, the “negative electrode material” in this specification refers to a material in which a negative electrode active material and a conductive material are combined.
負極材中における負極活物質の含有量は、通常70質量%以上、特に75質量%以上、また、通常97質量%以下、特に95質量%以下であることが好ましい。負極活物質の含有量が少な過ぎると、得られる負極を用いた二次電池の容量が不足する傾向があり、多過ぎると相対的に結着剤等の含有量が不足することにより、得られる負極の強度が不足する傾向にあるためである。なお、二以上の負極活物質を併用する場合には、負極活物質の合計量が上記範囲を満たすようにすればよい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode material is usually 70% by mass or more, particularly 75% by mass or more, and usually 97% by mass or less, and particularly preferably 95% by mass or less. When the content of the negative electrode active material is too small, the capacity of the secondary battery using the obtained negative electrode tends to be insufficient, and when the content is too large, the content of the binder or the like is relatively insufficient. This is because the strength of the negative electrode tends to be insufficient. When two or more negative electrode active materials are used in combination, the total amount of the negative electrode active materials may be set to satisfy the above range.
負極に用いられる導電材としては、銅やニッケル等の金属材料;黒鉛、カーボンブラック等の炭素材料等が挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。特に、導電材として炭素材料を用いると、炭素材料が活物質としても作用するため好ましい。負極材中における導電材の含有量は、通常3質量%以上、特に5質量%以上、また、通常30質量%以下、特に25質量%以下であることが好ましい。導電材の含有量が少な過ぎると導電性が不足する傾向があり、多過ぎると相対的に負極活物質等の含有量が不足することにより、電池容量や強度が低下する傾向となるためである。なお、二以上の導電材を併用する場合には、導電材の合計量が上記範囲を満たすようにすればよい。 Examples of the conductive material used for the negative electrode include metal materials such as copper and nickel; carbon materials such as graphite and carbon black. These may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio. In particular, it is preferable to use a carbon material as the conductive material because the carbon material acts as an active material. It is preferable that the content of the conductive material in the negative electrode material is usually 3% by mass or more, particularly 5% by mass or more, and usually 30% by mass or less, particularly 25% by mass or less. When the content of the conductive material is too small, the conductivity tends to be insufficient. When the content is too large, the content of the negative electrode active material or the like is relatively insufficient, which tends to decrease the battery capacity and strength. . Note that when two or more conductive materials are used in combination, the total amount of the conductive materials may satisfy the above range.
負極に用いられる結着剤としては、電極製造時に使用する溶媒や電解液に対して安全な材料であれば、任意のものを使用することができる。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、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・アクリル酸共重合体、エチレン・メタクリル酸共重合体等が挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。結着剤の含有量は、負極材100重量部に対して通常0.5重量部以上、特に1重量部以上、また、通常10重量部以下、特に8重量部以下であることが好ましい。結着剤の含有量が少な過ぎると得られる負極の強度が不足する傾向があり、多過ぎると相対的に負極活物質等の含有量が不足することにより、電池容量や導電性が不足する傾向となるためである。なお、2以上の結着剤を併用する場合には、結着剤の合計量が上記範囲を満たすようにすればよい。 As the binder used for the negative electrode, any material can be used as long as it is a material safe with respect to the solvent and the electrolytic solution used at the time of producing the electrode. Examples thereof include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, styrene / butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene / acrylic acid copolymer, and ethylene / methacrylic acid copolymer. These may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio. The content of the binder is usually 0.5 parts by weight or more, particularly 1 part by weight or more, and usually 10 parts by weight or less, particularly 8 parts by weight or less, with respect to 100 parts by weight of the negative electrode material. When the content of the binder is too small, the strength of the obtained negative electrode tends to be insufficient. When the content is too large, the content of the negative electrode active material and the like is relatively insufficient, and thus the battery capacity and conductivity tend to be insufficient. It is because it becomes. In addition, when using two or more binders together, what is necessary is just to make it the total amount of a binder satisfy | fill the said range.
負極に用いられる増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、燐酸化スターチ、カゼイン等が挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。増粘剤は必要に応じて使用すればよいが、使用する場合には、負極活物質層中における増粘剤の含有量が通常0.5質量%以上、5質量%以下の範囲で用いることが好ましい。 Examples of the thickener used for the negative electrode include carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, oxidized starch, phosphorylated starch, and casein. These may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio. The thickener may be used as necessary, but when used, the thickener content in the negative electrode active material layer is usually in the range of 0.5 mass% or more and 5 mass% or less. Is preferred.
負極活物質層を形成するためのスラリーは、上記負極活物質に、必要に応じて導電剤や結着剤、増粘剤を混合し、水系溶媒又は有機溶媒を分散媒として用いて調製される。水系溶媒としては、通常は水が用いられるが、エタノール等のアルコール類やN−メチルピロリドン等の環状アミド類等の水以外の溶媒を、水に対して30質量%以下程度の割合で併用することもできる。また、有機溶媒としては、通常、N−メチルピロリドン等の環状アミド類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の直鎖状アミド類、アニソール、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、ブタノール、シクロヘキサノール等のアルコール類が挙げられ、中でも、N−メチルピロリドン等の環状アミド類、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド等の直鎖状アミド類等が好ましい。なお、これらは何れか1種を単独で使用してもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 The slurry for forming the negative electrode active material layer is prepared by mixing the negative electrode active material with a conductive agent, a binder, or a thickener as necessary, and using an aqueous solvent or an organic solvent as a dispersion medium. . As the aqueous solvent, water is usually used, but a solvent other than water such as alcohols such as ethanol and cyclic amides such as N-methylpyrrolidone is used in combination at a ratio of about 30% by mass or less with respect to water. You can also As the organic solvent, usually, cyclic amides such as N-methylpyrrolidone, linear amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide, and aromatic carbonization such as anisole, toluene and xylene Examples thereof include alcohols such as hydrogens, butanol and cyclohexanol, among which cyclic amides such as N-methylpyrrolidone, linear amides such as N, N-dimethylformamide and N, N-dimethylacetamide are preferable. . Any one of these may be used alone, or two or more may be used in any combination and ratio.
スラリーの粘度は、集電体上に塗布することが可能な粘度であれば、特に制限されない。塗布が可能な粘度となるように、スラリーの調製時に溶媒の使用量等を変えて、適宜調製すればよい。 The viscosity of the slurry is not particularly limited as long as it is a viscosity that can be applied onto the current collector. What is necessary is just to prepare suitably by changing the usage-amount of a solvent etc. at the time of preparation of a slurry so that it may become the viscosity which can be apply | coated.
得られたスラリーを上述の負極集電体上に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより、負極活物質層が形成される。塗布の手法は特に制限されず、それ自体既知の方法を用いることができる。乾燥の手法も特に制限されず、自然乾燥、加熱乾燥、減圧乾燥等の公知の手法を用いることができる。 The obtained slurry is applied onto the above-described negative electrode current collector, dried, and then pressed to form a negative electrode active material layer. The method of application is not particularly limited, and a method known per se can be used. The drying method is not particularly limited, and a known method such as natural drying, heat drying, or reduced pressure drying can be used.
上記手法により負極活物質を電極化した際の電極構造は特には限定されないが、集電体上に存在している活物質の密度は、1g・cm−3以上が好ましく、1.2g・cm−3以上が更に好ましく、1.3g・cm−3以上が特に好ましく、また、2g・cm−3以下が好ましく、1.9g・cm−3以下がより好ましく、1.8g・cm−3以下が更に好ましく、1.7g・cm−3以下が特に好ましい。 The electrode structure when the negative electrode active material is made into an electrode by the above method is not particularly limited, but the density of the active material present on the current collector is preferably 1 g · cm −3 or more, and 1.2 g · cm −3 or more is more preferable, 1.3 g · cm −3 or more is particularly preferable, 2 g · cm −3 or less is preferable, 1.9 g · cm −3 or less is more preferable, and 1.8 g · cm −3 or less. Is more preferable, and 1.7 g · cm −3 or less is particularly preferable.
集電体上に存在している活物質の密度が、上記範囲を上回ると、活物質粒子が破壊され、初期不可逆容量の増加や、集電体/活物質界面付近への非水系電解液の浸透性低下による高電流密度充放電特性悪化を招く場合がある。また、上記範囲を下回ると、活物質間の導電性が低下し、電池抵抗が増大し、単位容積当たりの容量が低下する場合がある。 When the density of the active material existing on the current collector exceeds the above range, the active material particles are destroyed, the initial irreversible capacity increases, and the non-aqueous electrolyte solution near the current collector / active material interface There is a case where high current density charge / discharge characteristics are deteriorated due to a decrease in permeability. On the other hand, below the above range, the conductivity between the active materials may be reduced, the battery resistance may be increased, and the capacity per unit volume may be reduced.
<2−3−4.リチウム含有金属複合酸化物材料、及びリチウム含有金属複合酸化物材料を用いた負極の構成、物性、調製方法>
負極活物質として用いられるリチウム含有金属複合酸化物材料としては、リチウムを吸蔵・放出可能であれば、特に限定はされないが、好ましくはチタンを含むリチウム含有複合金属酸化物材料が好ましく、更にリチウムとチタンの複合酸化物(以下、「リチウムチタン複合酸化物」と略記する)が好ましい。すなわちスピネル構造を有するリチウムチタン複合酸化物を、リチウムイオン二次電池用負極活物質に含有させて用いると、出力抵抗が大きく低減するので特に好ましい。
<2-3-4. Lithium-containing metal composite oxide material, and negative electrode configuration, physical properties, and preparation method using lithium-containing metal composite oxide material>
The lithium-containing metal composite oxide material used as the negative electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude and release lithium, but preferably a lithium-containing composite metal oxide material containing titanium, A composite oxide of titanium (hereinafter abbreviated as “lithium titanium composite oxide”) is preferable. That is, it is particularly preferable to use a lithium-titanium composite oxide having a spinel structure in a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery because the output resistance is greatly reduced.
また、リチウムチタン複合酸化物のリチウムやチタンが、他の金属元素、例えば、Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn及びNbからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素で置換されているものも好ましい。 In addition, lithium or titanium of the lithium titanium composite oxide is at least selected from the group consisting of other metal elements such as Na, K, Co, Al, Fe, Ti, Mg, Cr, Ga, Cu, Zn, and Nb. Those substituted with one element are also preferred.
上記金属酸化物が、一般式(1)で表されるリチウムチタン複合酸化物であり、一般式(1)中、0.7≦x≦1.5、1.5≦y≦2.3、0≦z≦1.6であることが、リチウムイオンのドープ・脱ドープの際の構造が安定であることから好ましい。 The metal oxide is a lithium titanium composite oxide represented by the general formula (1). In the general formula (1), 0.7 ≦ x ≦ 1.5, 1.5 ≦ y ≦ 2.3, It is preferable that 0 ≦ z ≦ 1.6 because the structure upon doping and dedoping of lithium ions is stable.
LixTiyMzO4 (1)
[一般式(1)中、Mは、Na、K、Co、Al、Fe、Ti、Mg、Cr、Ga、Cu、Zn及びNbからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を表わす。]
Li x Ti y MzO 4 (1)
[In General Formula (1), M represents at least one element selected from the group consisting of Na, K, Co, Al, Fe, Ti, Mg, Cr, Ga, Cu, Zn, and Nb. ]
上記の一般式(1)で表される組成の中でも、
(a)1.2≦x≦1.4、1.5≦y≦1.7、z=0
(b)0.9≦x≦1.1、1.9≦y≦2.1、z=0
(c)0.7≦x≦0.9、2.1≦y≦2.3、z=0
の構造が、電池性能のバランスが良好なため特に好ましい。
Among the compositions represented by the general formula (1),
(A) 1.2 ≦ x ≦ 1.4, 1.5 ≦ y ≦ 1.7, z = 0
(B) 0.9 ≦ x ≦ 1.1, 1.9 ≦ y ≦ 2.1, z = 0
(C) 0.7 ≦ x ≦ 0.9, 2.1 ≦ y ≦ 2.3, z = 0
This structure is particularly preferable because of a good balance of battery performance.
上記化合物の特に好ましい代表的な組成は、(a)ではLi4/3Ti5/3O4、(b)ではLi1Ti2O4、(c)ではLi4/5Ti11/5O4である。また、Z≠0の構造については、例えば、Li4/3Ti4/3Al1/3O4が好ましいものとして挙げられる。 Particularly preferred representative compositions of the above compounds are Li 4/3 Ti 5/3 O 4 in (a), Li 1 Ti 2 O 4 in (b), and Li 4/5 Ti 11/5 O in (c). 4 . As for the structure of Z ≠ 0, for example, Li 4/3 Ti 4/3 Al 1/3 O 4 is preferable.
本発明の負極活物質は、上記した要件に加えて、更に、下記の(1)〜(15)に示した物性及び形状等の特徴の内、少なくとも1種を満たしていることが好ましく、2種以上を同時に満たすことが特に好ましい。 In addition to the above-described requirements, the negative electrode active material of the present invention preferably further satisfies at least one of the characteristics such as physical properties and shapes shown in the following (1) to (15). It is particularly preferred to satisfy more than one species at the same time.
(1)BET比表面積
本発明のリチウムイオン二次電池の負極活物質として用いられるチタンを含有する金属酸化物(以下、適宜「チタン含有金属酸化物」という)のBET比表面積は、BET法を用いて測定した比表面積の値が、0.5m2・g−1以上が好ましく、0.7m2・g−1以上がより好ましく、1.0m2・g−1以上が更に好ましく、1.5m2・g−1以上が特に好ましく、また、200m2・g−1以下が好ましく、100m2・g−1以下がより好ましく、50m2・g−1以下が更に好ましく、25m2・g−1以下が特に好ましい。
(1) BET specific surface area The BET specific surface area of a titanium-containing metal oxide (hereinafter referred to as “titanium-containing metal oxide” as appropriate) used as the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery of the present invention is determined by the BET method. the value of the measured specific surface area using the, preferably 0.5 m 2 · g -1 or more, more preferably 0.7 m 2 · g -1 or more, more preferably 1.0 m 2 · g -1 or more, 1. 5 m 2 · g −1 or more is particularly preferable, 200 m 2 · g −1 or less is preferable, 100 m 2 · g −1 or less is more preferable, 50 m 2 · g −1 or less is further preferable, and 25 m 2 · g − 1 or less is particularly preferable.
BET比表面積が、上記範囲を下回ると、負極材料として用いた場合の非水系電解液と接する反応面積が減少し、出力抵抗が増加する場合がある。一方、上記範囲を上回ると、チタンを含有する金属酸化物の結晶の表面や端面の部分が増加し、また、これに起因して、結晶の歪も生じるため、不可逆容量が無視できなくなり、好ましい電池が得られにくい場合がある。 When the BET specific surface area is less than the above range, the reaction area in contact with the non-aqueous electrolyte when used as the negative electrode material may decrease, and the output resistance may increase. On the other hand, if it exceeds the above range, the surface of the metal oxide crystal containing titanium and the portion of the end face increase, and due to this, crystal distortion also occurs, irreversible capacity cannot be ignored, which is preferable It may be difficult to obtain a battery.
BET法による比表面積の測定は、表面積計(大倉理研製全自動表面積測定装置)を用いて、試料に対して窒素流通下350℃で15分間、予備乾燥を行なった後、大気圧に対する窒素の相対圧の値が0.3となるように正確に調整した窒素ヘリウム混合ガスを用いて、ガス流動法による窒素吸着BET1点法によって行なう。該測定で求められる比表面積を、本発明のチタン含有金属酸化物のBET比表面積と定義する。 The specific surface area was measured by the BET method using a surface area meter (a fully automated surface area measuring device manufactured by Okura Riken), preliminarily drying the sample at 350 ° C. for 15 minutes under nitrogen flow, Using a nitrogen helium mixed gas accurately adjusted so that the value of the relative pressure becomes 0.3, the nitrogen adsorption BET one-point method by the gas flow method is used. The specific surface area determined by the measurement is defined as the BET specific surface area of the titanium-containing metal oxide of the present invention.
(2)体積基準平均粒径
チタン含有金属酸化物の体積基準平均粒径(一次粒子が凝集して二次粒子を形成している場合には二次粒子径)は、レーザー回折・散乱法により求めた体積基準の平均粒径(メジアン径)で定義される。
(2) Volume-based average particle diameter Volume-based average particle diameter of titanium-containing metal oxide (secondary particle diameter when primary particles are aggregated to form secondary particles) is determined by laser diffraction / scattering method. It is defined by the obtained volume-based average particle diameter (median diameter).
チタン含有金属酸化物の体積基準平均粒径は、通常0.1μm以上であり、0.5μm以上が好ましく、0.7μm以上が更に好ましく、また、通常50μm以下であり、40μm以下が好ましく、30μm以下が更に好ましく、25μm以下が特に好ましい。 The volume-based average particle size of the titanium-containing metal oxide is usually 0.1 μm or more, preferably 0.5 μm or more, more preferably 0.7 μm or more, and usually 50 μm or less, preferably 40 μm or less, preferably 30 μm. The following is more preferable, and 25 μm or less is particularly preferable.
体積基準平均粒径の測定は、界面活性剤であるポリオキシエチレン(20)ソルビタンモノラウレートの0.2質量%水溶液(10mL)に炭素粉末を分散させて、レーザー回折・散乱式粒度分布計(堀場製作所社製LA−700)を用いて行なう。該測定で求められるメジアン径を、本発明の炭素質材料の体積基準平均粒径と定義する。 The volume-based average particle size is measured by dispersing a carbon powder in a 0.2% by mass aqueous solution (10 mL) of polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate, which is a surfactant, and a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer. (LA-700 manufactured by Horiba Ltd.) is used. The median diameter determined by the measurement is defined as the volume-based average particle diameter of the carbonaceous material of the present invention.
チタン含有金属酸化物の体積平均粒径が、上記範囲を下回ると、電極作製時に多量の結着剤が必要となり、結果的に電池容量が低下する場合がある。また、上記範囲を上回ると、電極極板化時に、不均一な塗面になりやすく、電池製作工程上望ましくない場合がある。 If the volume average particle size of the titanium-containing metal oxide is below the above range, a large amount of binder is required at the time of producing the electrode, and as a result, the battery capacity may be reduced. On the other hand, if it exceeds the above range, an uneven coating surface tends to be formed when forming an electrode plate, which may be undesirable in the battery manufacturing process.
(3)平均一次粒子径
一次粒子が凝集して二次粒子を形成している場合においては、チタン含有金属酸化物の平均一次粒子径が、通常0.01μm以上であり、0.05μm以上が好ましく、0.1μm以上が更に好ましく、0.2μm以上が特に好ましく、また、通常2μm以下であり、1.6μm以下が好ましく、1.3μm以下が更に好ましく、1μm以下が特に好ましい。
(3) Average primary particle diameter In the case where primary particles are aggregated to form secondary particles, the average primary particle diameter of the titanium-containing metal oxide is usually 0.01 μm or more, and 0.05 μm or more. It is preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.2 μm or more, and usually 2 μm or less, preferably 1.6 μm or less, more preferably 1.3 μm or less, and particularly preferably 1 μm or less.
体積基準平均一次粒子径が、上記範囲を上回ると、球状の二次粒子を形成し難く、粉体充填性に悪影響を及ぼしたり、比表面積が大きく低下したりするために、出力特性等の電池性能が低下する可能性が高くなる場合がある。また、上記範囲を下回ると、通常、結晶が未発達になるために充放電の可逆性が劣る等、二次電池の性能を低下させる場合がある。 If the volume-based average primary particle diameter exceeds the above range, it is difficult to form spherical secondary particles, which adversely affects the powder packing property and the specific surface area greatly decreases. There is a possibility that performance is likely to deteriorate. On the other hand, below the above range, there are cases where the performance of the secondary battery is lowered, for example, reversibility of charge / discharge is inferior because crystals are underdeveloped.
なお、一次粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた観察により測定される。具体的には、粒子が確認できる倍率、例えば10000〜100000倍の倍率の写真で、水平方向の直線に対する一次粒子の左右の境界線による切片の最長の値を、任意の50個の一次粒子について求め、平均値をとることにより求められる。 The primary particle diameter is measured by observation using a scanning electron microscope (SEM). Specifically, in a photograph at a magnification at which particles can be confirmed, for example, a magnification of 10,000 to 100,000 times, the longest value of the intercept by the left and right boundary lines of the primary particles with respect to the horizontal straight line is determined for any 50 primary particles. Obtained and obtained by taking an average value.
(4)形状
チタン含有金属酸化物の粒子の形状は、従来用いられるような、塊状、多面体状、球状、楕円球状、板状、針状、柱状等が用いられるが、中でも一次粒子が凝集して、二次粒子を形成して成り、その二次粒子の形状が球状ないし楕円球状であるものが好ましい。
(4) Shape As the shape of the titanium-containing metal oxide particles, a lump shape, a polyhedron shape, a sphere shape, an oval sphere shape, a plate shape, a needle shape, a column shape, etc., which are conventionally used, are used. Thus, it is preferable to form secondary particles, and the shape of the secondary particles is spherical or elliptical.
通常、電気化学素子はその充放電に伴い、電極中の活物質が膨張収縮をするため、そのストレスによる活物質の破壊や導電パス切れ等の劣化がおきやすい。そのため一次粒子のみの単一粒子活物質であるよりも、一次粒子が凝集して、二次粒子を形成したものである方が膨張収縮のストレスを緩和して、劣化を防ぐためである。 In general, an electrochemical element expands and contracts as the active material in the electrode expands and contracts as it is charged and discharged. Therefore, the active material is easily damaged due to the stress or the conductive path is broken. Therefore, the primary particles are aggregated to form secondary particles rather than a single particle active material consisting of only primary particles, so that the expansion and contraction stress is relieved and deterioration is prevented.
また、板状等軸配向性の粒子であるよりも、球状又は楕円球状の粒子の方が、電極の成形時の配向が少ないため、充放電時の電極の膨張収縮も少なく、また電極を作製する際の導電剤との混合においても、均一に混合されやすいため好ましい。 In addition, spherical or oval spherical particles are less oriented during molding of the electrode than plate-like equiaxed particles, so there is less expansion and contraction of the electrode during charge and discharge, and an electrode is produced. The mixing with the conductive agent is also preferable because it is easy to mix uniformly.
(5)タップ密度
チタン含有金属酸化物のタップ密度は、0.05g・cm−3以上が好ましく、0.1g・cm−3以上がより好ましく、0.2g・cm−3以上が更に好ましく、0.4g・cm−3以上が特に好ましく、また、2.8g・cm−3以下が好ましく、2.4g・cm−3以下が更に好ましく、2g・cm−3以下が特に好ましい。
(5) Tap Density Tap density titanium-containing metal oxide is preferably from 0.05 g · cm -3 or more, 0.1 g · cm -3 or more, and more preferably 0.2 g · cm -3 or more, 0.4 g · cm −3 or more is particularly preferable, 2.8 g · cm −3 or less is preferable, 2.4 g · cm −3 or less is further preferable, and 2 g · cm −3 or less is particularly preferable.
タップ密度が、上記範囲を下回ると、負極として用いた場合に充填密度が上がり難く、また粒子間の接触面積が減少するため、粒子間の抵抗が増加し、出力抵抗が増加する場合がある。また、上記範囲を上回ると、電極中の粒子間の空隙が少なくなり過ぎ、非水系電解液の流路が減少することで、出力抵抗が増加する場合がある。 When the tap density is less than the above range, the packing density is difficult to increase when used as a negative electrode, and the contact area between particles decreases, so that the resistance between particles increases and the output resistance may increase. On the other hand, if the above range is exceeded, the voids between the particles in the electrode may become too small, and the output resistance may increase due to a decrease in the flow path of the non-aqueous electrolyte solution.
タップ密度の測定は、目開き300μmの篩を通過させて、20cm3のタッピングセルに試料を落下させてセルの上端面まで試料を満たした後、粉体密度測定器(例えば、セイシン企業社製タップデンサー)を用いて、ストローク長10mmのタッピングを1000回行なって、その時の体積と試料の重量から密度を算出する。該測定で算出されるタップ密度を、本発明のチタン含有金属酸化物のタップ密度として定義する。 The tap density is measured by passing through a sieve having an opening of 300 μm, dropping the sample onto a 20 cm 3 tapping cell and filling the sample to the upper end surface of the cell, and then measuring a powder density measuring device (for example, manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd.). Using a tap denser, tapping with a stroke length of 10 mm is performed 1000 times, and the density is calculated from the volume at that time and the weight of the sample. The tap density calculated by the measurement is defined as the tap density of the titanium-containing metal oxide of the present invention.
(6)円形度
チタン含有金属酸化物の球形の程度として、円形度を測定した場合、以下の範囲に収まることが好ましい。円形度は、「円形度=(粒子投影形状と同じ面積を持つ相当円の周囲長)/(粒子投影形状の実際の周囲長)」で定義され、円形度が1のときに理論的真球となる。
(6) Circularity When the circularity is measured as the spherical degree of the titanium-containing metal oxide, it is preferably within the following range. The circularity is defined as “circularity = (peripheral length of an equivalent circle having the same area as the particle projection shape) / (actual perimeter of the particle projection shape)”. It becomes.
チタン含有金属酸化物の円形度は、1に近いほど好ましく、通常0.10以上であり、0.80以上が好ましく、0.85以上が更に好ましく、0.90以上が特に好ましい。高電流密度充放電特性は、円形度が大きいほどが向上する。従って、円形度が上記範囲を下回ると、負極活物質の充填性が低下し、粒子間の抵抗が増大して、短時間高電流密度充放電特性が低下する場合がある。 The circularity of the titanium-containing metal oxide is preferably as close to 1 as possible, usually 0.10 or more, preferably 0.80 or more, more preferably 0.85 or more, and particularly preferably 0.90 or more. High current density charge / discharge characteristics improve as the circularity increases. Therefore, when the circularity is less than the above range, the filling property of the negative electrode active material is lowered, the resistance between particles is increased, and the high current density charge / discharge characteristics may be lowered for a short time.
円形度の測定は、フロー式粒子像分析装置(シスメックス社製FPIA)を用いて行なう。試料約0.2gを、界面活性剤であるポリオキシエチレン(20)ソルビタンモノラウレートの0.2質量%水溶液(約50mL)に分散させ、28kHzの超音波を出力60Wで1分間照射した後、検出範囲を0.6〜400μmに指定し、粒径が3〜40μmの範囲の粒子について測定する。該測定で求められる円形度を、本発明のチタン含有金属酸化物の円形度と定義する。 The circularity is measured using a flow type particle image analyzer (FPIA manufactured by Sysmex Corporation). About 0.2 g of a sample was dispersed in a 0.2% by mass aqueous solution (about 50 mL) of polyoxyethylene (20) sorbitan monolaurate as a surfactant, and irradiated with 28 kHz ultrasonic waves at an output of 60 W for 1 minute. The detection range is specified as 0.6 to 400 μm, and the particle size is measured in the range of 3 to 40 μm. The circularity determined by the measurement is defined as the circularity of the titanium-containing metal oxide of the present invention.
(7)アスペクト比
チタン含有金属酸化物のアスペクト比は、通常1以上、また、通常5以下であり、4以下が好ましく、3以下が更に好ましく、2以下が特に好ましい。アスペクト比が、上記範囲を上回ると、極板化時にスジ引きや、均一な塗布面が得られず、短時間高電流密度充放電特性が低下する場合がある。なお、上記範囲の下限は、チタン含有金属酸化物のアスペクト比の理論下限値である。
(7) Aspect ratio The aspect ratio of the titanium-containing metal oxide is usually 1 or more and usually 5 or less, preferably 4 or less, more preferably 3 or less, and particularly preferably 2 or less. If the aspect ratio exceeds the above range, streaking or a uniform coated surface cannot be obtained when forming an electrode plate, and high current density charge / discharge characteristics may be deteriorated for a short time. The lower limit of the above range is the theoretical lower limit value of the aspect ratio of the titanium-containing metal oxide.
アスペクト比の測定は、チタン含有金属酸化物の粒子を走査型電子顕微鏡で拡大観察して行なう。厚さ50μm以下の金属の端面に固定した任意の50個の粒子を選択し、それぞれについて試料が固定されているステージを回転、傾斜させて、3次元的に観察した時の粒子の最長となる径Aと、それと直交する最短となる径Bを測定し、A/Bの平均値を求める。該測定で求められるアスペクト比(A/B)を、本発明のチタン含有金属酸化物のアスペクト比と定義する。 The aspect ratio is measured by magnifying and observing titanium-containing metal oxide particles with a scanning electron microscope. Arbitrary 50 particles fixed on the end face of a metal having a thickness of 50 μm or less are selected, and the stage on which the sample is fixed is rotated and tilted for each, and the maximum particle size is obtained when three-dimensionally observed. The diameter A and the shortest diameter B perpendicular to it are measured, and the average value of A / B is obtained. The aspect ratio (A / B) obtained by the measurement is defined as the aspect ratio of the titanium-containing metal oxide of the present invention.
(8)負極活物質の製造法
チタン含有金属酸化物の製造法としては、本発明の要旨を超えない範囲で特には制限されないが、いくつかの方法が挙げられ、無機化合物の製造法として一般的な方法が用いられる。
(8) Method for producing negative electrode active material The method for producing a titanium-containing metal oxide is not particularly limited as long as it does not exceed the gist of the present invention. The method is used.
例えば、酸化チタン等のチタン原料物質と、必要に応じ他の元素の原料物質とLiOH、Li2CO3、LiNO3等のLi源を均一に混合し、高温で焼成して活物質を得る方法が挙げられる。 For example, a method of obtaining an active material by uniformly mixing a titanium source material such as titanium oxide and a source material of another element and a Li source such as LiOH, Li 2 CO 3 , or LiNO 3 as necessary, and firing at a high temperature. Is mentioned.
特に球状又は楕円球状の活物質を作成するには種々の方法が考えられる。一例として、酸化チタン等のチタン原料物質と、必要に応じ他の元素の原料物質を水等の溶媒中に溶解ないし粉砕分散して、攪拌をしながらpHを調節して球状の前駆体を作成回収し、これを必要に応じて乾燥した後、LiOH、Li2CO3、LiNO3等のLi源を加えて高温で焼成して活物質を得る方法が挙げられる。 In particular, various methods are conceivable for producing a spherical or elliptical active material. As an example, a titanium precursor material such as titanium oxide and, if necessary, a raw material material of another element are dissolved or pulverized and dispersed in a solvent such as water, and the pH is adjusted while stirring to create a spherical precursor. There is a method in which the active material is obtained by recovering and drying it as necessary, and then adding a Li source such as LiOH, Li 2 CO 3 , or LiNO 3 and baking at a high temperature.
また、別の例として、酸化チタン等のチタン原料物質と、必要に応じ他の元素の原料物質を水等の溶媒中に溶解ないし粉砕分散して、それをスプレードライヤー等で乾燥成型して球状ないし楕円球状の前駆体とし、これにLiOH、Li2CO3、LiNO3等のLi源を加えて高温で焼成して活物質を得る方法が挙げられる。 As another example, a titanium raw material such as titanium oxide and, if necessary, a raw material of another element are dissolved or pulverized and dispersed in a solvent such as water. A method of obtaining an active material by adding a Li source such as LiOH, Li 2 CO 3 , LiNO 3 and the like to an elliptical spherical precursor and baking at a high temperature can be mentioned.
更に別の方法として、酸化チタン等のチタン原料物質と、LiOH、Li2CO3、LiNO3等のLi源と、必要に応じ他の元素の原料物質とを水等の溶媒中に溶解ないし粉砕分散して、それをスプレードライヤー等で乾燥成型して球状ないし楕円球状の前駆体とし、これを高温で焼成して活物質を得る方法が挙げられる。 As yet another method, a titanium raw material such as titanium oxide, a Li source such as LiOH, Li 2 CO 3 and LiNO 3 and a raw material of another element as necessary are dissolved or pulverized in a solvent such as water. There is a method in which it is dispersed and dried by a spray dryer or the like to obtain a spherical or elliptical precursor, which is then fired at a high temperature to obtain an active material.
また、これらの工程中に、Ti以外の元素、例えば、Al、Mn、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、C、Si、Sn、Agを、チタンを含有する金属酸化物構造中及び/又はチタンを含有する酸化物に接する形で存在していることも可能である。これらの元素を含有することで、電池の作動電圧、容量を制御することが可能となる。 Also, during these steps, elements other than Ti, such as Al, Mn, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Li, Ni, Cu, Zn, Mg, Ga, Zr, C, Si, Sn , Ag may be present in the metal oxide structure containing titanium and / or in contact with the oxide containing titanium. By containing these elements, the operating voltage and capacity of the battery can be controlled.
(9)電極作製
電極の製造は、公知の何れの方法を用いることができる。例えば、負極活物質に、バインダー、溶媒、必要に応じて、増粘剤、導電材、充填材等を加えてスラリーとし、これを集電体に塗布、乾燥した後にプレスすることによって形成することができる。
(9) Electrode preparation Any known method can be used to manufacture the electrode. For example, it is formed by adding a binder, a solvent, and, if necessary, a thickener, a conductive material, a filler, etc. to a negative electrode active material to form a slurry, which is applied to a current collector, dried and then pressed. Can do.
電池の非水系電解液注液工程直前の段階での片面あたりの負極活物質層の厚さは通常15μm以上、好ましくは20μm以上、より好ましくは30μm以上であり、上限は150μm以下、好ましくは120μm以下、より好ましくは100μm以下が望ましい。この範囲を上回ると、非水系電解液が集電体界面付近まで浸透しにくいため、高電流密度充放電特性が低下する場合がある。またこの範囲を下回ると、負極活物質に対する集電体の体積比が増加し、電池の容量が減少する場合がある。また、負極活物質をロール成形してシート電極としてもよく、圧縮成形によりペレット電極としてもよい。 The thickness of the negative electrode active material layer per side in the stage immediately before the non-aqueous electrolyte injection process of the battery is usually 15 μm or more, preferably 20 μm or more, more preferably 30 μm or more, and the upper limit is 150 μm or less, preferably 120 μm. Below, more preferably 100 μm or less. If it exceeds this range, the non-aqueous electrolyte solution hardly penetrates to the vicinity of the current collector interface, and thus the high current density charge / discharge characteristics may deteriorate. On the other hand, below this range, the volume ratio of the current collector to the negative electrode active material increases, and the battery capacity may decrease. Further, the negative electrode active material may be roll-formed to form a sheet electrode, or may be formed into a pellet electrode by compression molding.
(10)集電体
負極活物質を保持させる集電体としては、公知のものを任意に用いることができる。負極の集電体としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属材料が挙げられ、中でも加工し易さとコストの点から特に銅が好ましい。
(10) Current collector As the current collector for holding the negative electrode active material, a known material can be arbitrarily used. Examples of the current collector for the negative electrode include metal materials such as copper, nickel, stainless steel, and nickel-plated steel. Of these, copper is particularly preferable from the viewpoint of ease of processing and cost.
また、集電体の形状は、集電体が金属材料の場合は、例えば金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル等が挙げられる。中でも好ましくは銅(Cu)及び/又はアルミニウム(Al)を含有する金属箔膜であり、より好ましくは銅箔、アルミニウム箔であり、更に好ましくは圧延法による圧延銅箔と、電解法による電解銅箔があり、どちらも集電体として用いることができる。 The shape of the current collector includes, for example, a metal foil, a metal cylinder, a metal coil, a metal plate, a metal thin film, an expanded metal, a punch metal, and a foam metal when the current collector is a metal material. Among them, a metal foil film containing copper (Cu) and / or aluminum (Al) is preferable, copper foil and aluminum foil are more preferable, rolled copper foil by a rolling method, and electrolytic copper by an electrolytic method are more preferable. There are foils, both of which can be used as current collectors.
また、銅箔の厚さが25μmよりも薄い場合、純銅よりも強度の高い銅合金(リン青銅、チタン銅、コルソン合金、Cu−Cr−Zr合金等)を用いることができる。またアルミニウム箔は、その比重が軽いことから、集電体として用いた場合に、電池の重量を減少させることが可能となり、好ましく用いることができる。 In addition, when the thickness of the copper foil is less than 25 μm, a copper alloy (phosphor bronze, titanium copper, Corson alloy, Cu—Cr—Zr alloy, etc.) having higher strength than pure copper can be used. Moreover, since the specific gravity of aluminum foil is light, when it is used as a current collector, the weight of the battery can be reduced and can be preferably used.
圧延法により作製した銅箔からなる集電体は、銅結晶が圧延方向に並んでいるため、負極を密に丸めても、鋭角に丸めても割れにくく、小型の円筒状電池に好適に用いることができる。 A current collector made of a copper foil produced by a rolling method is suitable for use in a small cylindrical battery because the copper crystals are arranged in the rolling direction so that the negative electrode is hard to crack even if it is rounded sharply or rounded at an acute angle. be able to.
電解銅箔は、例えば、銅イオンが溶解された非水系電解液中に金属製のドラムを浸漬し、これを回転させながら電流を流すことにより、ドラムの表面に銅を析出させ、これを剥離して得られるものである。上記の圧延銅箔の表面に、電解法により銅を析出させていてもよい。銅箔の片面又は両面には、粗面化処理や表面処理(例えば、厚さが数nm〜1μm程度までのクロメート処理、Ti等の下地処理等)がなされていてもよい。 Electrolytic copper foil, for example, immerses a metal drum in a non-aqueous electrolyte solution in which copper ions are dissolved, and causes the copper to precipitate on the surface of the drum by flowing current while rotating it. Is obtained. Copper may be deposited on the surface of the rolled copper foil by an electrolytic method. One side or both sides of the copper foil may be subjected to a roughening treatment or a surface treatment (for example, a chromate treatment having a thickness of about several nm to 1 μm, a base treatment such as Ti).
また、集電体基板には、更に次のような物性が望まれる。
(10−1)平均表面粗さ(Ra)
JISB0601−1994に記載の方法で規定される集電体基板の活物質薄膜形成面の平均表面粗さ(Ra)は、特に制限されないが、通常0.01μm以上であり、0.03μm以上が好ましく、また、通常1.5μm以下であり、1.3μm以下が好ましく、1.0μm以下が更に好ましい。
Further, the following physical properties are desired for the current collector substrate.
(10-1) Average surface roughness (Ra)
The average surface roughness (Ra) of the active material thin film forming surface of the current collector substrate defined by the method described in JIS B0601-1994 is not particularly limited, but is usually 0.01 μm or more, preferably 0.03 μm or more. Further, it is usually 1.5 μm or less, preferably 1.3 μm or less, and more preferably 1.0 μm or less.
集電体基板の平均表面粗さ(Ra)が、上記の範囲内であると、良好な充放電サイクル特性が期待できるためである。また、活物質薄膜との界面の面積が大きくなり、負極活物質薄膜との密着性が向上するためである。なお、平均表面粗さ(Ra)の上限値は特に制限されるものではないが、平均表面粗さ(Ra)が1.5μmを超えるものは電池として実用的な厚みの箔としては一般に入手しにくいため、1.5μm以下のものが通常用いられる。 This is because when the average surface roughness (Ra) of the current collector substrate is within the above range, good charge / discharge cycle characteristics can be expected. In addition, the area of the interface with the active material thin film is increased, and the adhesion with the negative electrode active material thin film is improved. The upper limit value of the average surface roughness (Ra) is not particularly limited, but those having an average surface roughness (Ra) exceeding 1.5 μm are generally available as foils having a practical thickness as a battery. Since it is difficult, those of 1.5 μm or less are usually used.
(10−2)引張強度
引張強度とは、試験片が破断に至るまでに要した最大引張力を、試験片の断面積で割ったものである。本発明における引張強度は、JISZ2241(金属材料引張試験方法)に記載と同様な装置及び方法で測定される。
(10-2) Tensile strength Tensile strength is obtained by dividing the maximum tensile force required until the test piece breaks by the cross-sectional area of the test piece. The tensile strength in the present invention is measured by the same apparatus and method as described in JISZ2241 (metal material tensile test method).
集電体基板の引張強度は、特に制限されないが、通常50N・mm−2以上であり、100N・mm−2以上が好ましく、150N・mm−2以上が更に好ましい。引張強度は、値が高いほど好ましいが、工業的入手可能性の観点から、通常1000N・mm−2以下が望ましい。引張強度が高い集電体基板であれば、充電・放電に伴う活物質薄膜の膨張・収縮による集電体基板の亀裂を抑制することができ、良好なサイクル特性を得ることができる。 The tensile strength of the current collector substrate is not particularly limited, is generally 50 N · mm -2 or more, preferably 100 N · mm -2 or more, more preferably 150 N · mm -2 or more. The tensile strength is preferably as high as possible, but usually 1000 N · mm −2 or less is desirable from the viewpoint of industrial availability. If the current collector substrate has a high tensile strength, cracking of the current collector substrate due to expansion / contraction of the active material thin film accompanying charging / discharging can be suppressed, and good cycle characteristics can be obtained.
(10−3)0.2%耐力
0.2%耐力とは、0.2%の塑性(永久)歪みを与えるに必要な負荷の大きさであり、この大きさの負荷を加えた後に除荷しても0.2%変形している事を意味している。0.2%耐力は、引張強度と同様な装置及び方法で測定される。
(10-3) 0.2% proof stress 0.2% proof stress is the size of a load necessary to give a plastic (permanent) strain of 0.2%. It means that 0.2% deformation even when loaded. The 0.2% yield strength is measured by the same apparatus and method as the tensile strength.
集電体基板の0.2%耐力は、特に制限されないが、通常30N・mm−2以上、好ましくは100N・mm−2以上、特に好ましくは150N・mm−2以上である。0.2%耐力は、値が高いほど好ましいが、工業的入手可能性の観点から、通常900N・mm−2以下が望ましい。0.2%耐力が高い集電体基板であれば、充電・放電に伴う活物質薄膜の膨張・収縮による集電体基板の塑性変形を抑制することができ、良好なサイクル特性を得ることができるためである。 0.2% proof stress of the current collector substrate is not particularly limited, normally 30 N · mm -2 or more, preferably 100 N · mm -2 or more, particularly preferably 150 N · mm -2 or more. The 0.2% proof stress is preferably as high as possible, but usually 900 N · mm −2 or less is desirable from the viewpoint of industrial availability. If the current collector substrate has a high 0.2% proof stress, plastic deformation of the current collector substrate due to expansion / contraction of the active material thin film accompanying charging / discharging can be suppressed, and good cycle characteristics can be obtained. This is because it can.
(10−4金属薄膜の厚さ)
金属薄膜の厚さは任意であるが、通常1μm以上であり、3μm以上が好ましく、5μm以上が更に好ましく、また、通常1mm以下であり、100μm以下が好ましく、30μm以下が更に好ましい。金属皮膜の厚さが、1μmより薄くなると、強度が低下するため塗布が困難となる場合がある。また、100μmより厚くなると、捲回等の電極の形を変形させる場合がある。なお、金属薄膜は、メッシュ状でもよい。
(10-4 thickness of metal thin film)
The thickness of the metal thin film is arbitrary, but is usually 1 μm or more, preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, and usually 1 mm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 30 μm or less. If the thickness of the metal film is less than 1 μm, the strength may be reduced, making application difficult. Moreover, when it becomes thicker than 100 micrometers, the shape of electrodes, such as winding, may be changed. The metal thin film may be mesh.
(11)集電体と活物質層の厚さの比
集電体と活物質層の厚さの比は特には限定されないが、「(非水系電解液注液直前の片面の活物質層の厚さ)/(集電体の厚さ)」の値が、通常150以下であり、20以下が好ましく、10以下が更に好ましく、また、通常0.1以上であり、0.4以上が好ましく、1以上が更に好ましい。
(11) Thickness ratio between current collector and active material layer The thickness ratio between the current collector and active material layer is not particularly limited, but “(the active material layer on one side immediately before non-aqueous electrolyte injection) The value of “thickness) / (current collector thickness)” is usually 150 or less, preferably 20 or less, more preferably 10 or less, and usually 0.1 or more, preferably 0.4 or more. One or more is more preferable.
集電体と負極活性物質層の厚さの比が、上記範囲を上回ると、高電流密度充放電時に集電体がジュール熱による発熱を生じる場合がある。また、上記範囲を下回ると、負極活物質に対する集電体の体積比が増加し、電池の容量が減少する場合がある。 When the ratio of the thickness of the current collector to the negative electrode active material layer exceeds the above range, the current collector may generate heat due to Joule heat during high current density charge / discharge. On the other hand, below the above range, the volume ratio of the current collector to the negative electrode active material increases, and the battery capacity may decrease.
(12)電極密度
負極活物質の電極化した際の電極構造は特には限定されないが、集電体上に存在している活物質の密度は、1g・cm−3以上が好ましく、1.2g・cm−3がより好ましく、1.3g・cm−3以上が更に好ましく、1.5g・cm−3以上が特に好ましく、また、3g・cm−3以下が好ましく、2.5g・cm−3以下がより好ましく、2.2g・cm−3以下が更に好ましく、2g・cm−3以下が特に好ましい。集電体上に存在している活物質の密度が、上記範囲を上回ると、集電体と負極活物質の結着が弱くなり、電極と活物質が乖離する場合がある。また、上記範囲を下回ると、負極活物質間の導電性が低下し、電池抵抗が増大する場合がある。
(12) Electrode density The electrode structure when the negative electrode active material is converted into an electrode is not particularly limited, but the density of the active material present on the current collector is preferably 1 g · cm −3 or more, and 1.2 g・ Cm −3 is more preferable, 1.3 g · cm −3 or more is further preferable, 1.5 g · cm −3 or more is particularly preferable, 3 g · cm −3 or less is preferable, and 2.5 g · cm −3. The following is more preferable, 2.2 g · cm −3 or less is further preferable, and 2 g · cm −3 or less is particularly preferable. When the density of the active material present on the current collector exceeds the above range, the binding between the current collector and the negative electrode active material becomes weak, and the electrode and the active material may be separated. On the other hand, below the above range, the conductivity between the negative electrode active materials may decrease, and the battery resistance may increase.
(13)バインダー
負極活物質を結着するバインダーとしては、非水系電解液や電極製造時に用いる溶媒に対して安定な材料であれば、特に制限されない。
(13) Binder The binder for binding the negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a material that is stable with respect to the non-aqueous electrolyte and the solvent used during electrode production.
具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、芳香族ポリアミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子;SBR(スチレン・ブタジエンゴム)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴム、NBR(アクリロニトリル・ブタジエンゴム)、エチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体及びその水素添加物;EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体及びその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子;シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子;ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子;アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 Specific examples include resin polymers such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, polyimide, aromatic polyamide, cellulose, nitrocellulose; SBR (styrene-butadiene rubber), isoprene rubber, butadiene rubber, fluororubber, Rubber polymers such as NBR (acrylonitrile / butadiene rubber) and ethylene / propylene rubber; styrene / butadiene / styrene block copolymer and hydrogenated products thereof; EPDM (ethylene / propylene / diene terpolymer), styrene / Thermoplastic elastomeric polymers such as ethylene / butadiene / styrene copolymers, styrene / isoprene / styrene block copolymers and hydrogenated products thereof; syndiotactic-1,2-polybutadiene, polyvinyl acetate , Soft resinous polymers such as ethylene / vinyl acetate copolymer, propylene / α-olefin copolymer; polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene / ethylene copolymer, etc. And a polymer composition having ion conductivity of alkali metal ions (particularly lithium ions). These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
スラリーを形成するための溶媒としては、負極活物質、バインダー、必要に応じて使用される増粘剤及び導電剤を、溶解又は分散することが可能な溶媒であれば、その種類に特に制限はなく、水系溶媒と有機系溶媒のどちらを用いてもよい。 The solvent for forming the slurry is not particularly limited as long as it is a solvent that can dissolve or disperse the negative electrode active material, binder, thickener and conductive agent used as necessary. Alternatively, either an aqueous solvent or an organic solvent may be used.
水系溶媒の例としては水、アルコール等が挙げられ、有機系溶媒の例としてはN−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、テトラヒドロフラン(THF)、トルエン、アセトン、ジメチルエーテル、ジメチルアセトアミド、ヘキサメリルホスファルアミド、ジメチルスルフォキシド、ベンゼン、キシレン、キノリン、ピリジン、メチルナフタレン、ヘキサン等が挙げられる。特に水系溶媒を用いる場合、上述の増粘剤に併せて分散剤等を加え、SBR等のラテックスを用いてスラリー化する。なお、これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 Examples of the aqueous solvent include water, alcohol and the like, and examples of the organic solvent include N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, N , N-dimethylaminopropylamine, tetrahydrofuran (THF), toluene, acetone, dimethyl ether, dimethylacetamide, hexameryl phosphalamide, dimethyl sulfoxide, benzene, xylene, quinoline, pyridine, methylnaphthalene, hexane and the like. In particular, when an aqueous solvent is used, a dispersant or the like is added in addition to the above-described thickener, and a slurry is formed using a latex such as SBR. In addition, these may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
負極活物質に対するバインダーの割合は、通常0.1質量%以上であり、0.5質量%以上が好ましく、0.6質量%以上が更に好ましく、また、通常20質量%以下であり、15質量%以下が好ましく、10質量%以下が更に好ましく、8質量%以下が特に好ましい。負極活物質に対するバインダーの割合が、上記範囲を上回ると、バインダー量が電池容量に寄与しないバインダー割合が増加して、電池容量が低下する場合がある。また、上記範囲を下回ると、負極電極の強度低下を招き、電池作製工程上好ましくない場合がある。 The ratio of the binder to the negative electrode active material is usually 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, more preferably 0.6% by mass or more, and usually 20% by mass or less, 15% by mass. % Or less is preferable, 10 mass% or less is more preferable, and 8 mass% or less is particularly preferable. When the ratio of the binder with respect to a negative electrode active material exceeds the said range, the binder ratio in which the amount of binders does not contribute to battery capacity may increase, and battery capacity may fall. On the other hand, if it is below the above range, the strength of the negative electrode is lowered, which may be undesirable in the battery production process.
特に、SBRに代表されるゴム状高分子を主要成分に含有する場合には、活物質に対するバインダーの割合は、通常0.1質量%以上であり、0.5質量%以上が好ましく、0.6質量%以上が更に好ましく、また、通常5質量%以下であり、3質量%以下が好ましく、2質量%以下が更に好ましい。 In particular, when a rubbery polymer represented by SBR is contained as a main component, the ratio of the binder to the active material is usually 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, and 6 mass% or more is still more preferable, and it is 5 mass% or less normally, 3 mass% or less is preferable, and 2 mass% or less is still more preferable.
また、ポリフッ化ビニリデンに代表されるフッ素系高分子を主要成分に含有する場合には活物質に対する割合は、1質量%以上であり、2質量%以上が好ましく、3質量%以上が更に好ましく、通常15質量%以下であり、10質量%以下が好ましく、8質量%以下が更に好ましい。 Further, when the main component contains a fluorine polymer represented by polyvinylidene fluoride, the ratio to the active material is 1% by mass or more, preferably 2% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, Usually, it is 15 mass% or less, 10 mass% or less is preferable, and 8 mass% or less is still more preferable.
増粘剤は、通常、スラリーの粘度を調製するために使用される。増粘剤としては、特に制限はないが、具体的には、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、燐酸化スターチ、カゼイン及びこれらの塩等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 A thickener is usually used to adjust the viscosity of the slurry. The thickener is not particularly limited, and specific examples include carboxymethyl cellulose, methyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, oxidized starch, phosphorylated starch, casein, and salts thereof. These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios.
更に増粘剤を用いる場合には、負極活物質に対する増粘剤の割合は、0.1質量%以上であり、0.5質量%以上が好ましく、0.6質量%以上が更に好ましく、また、通常5質量%以下であり、3質量%以下が好ましく、2質量%以下が更に好ましい。 Further, when a thickener is used, the ratio of the thickener to the negative electrode active material is 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, more preferably 0.6% by mass or more, Usually, it is 5 mass% or less, 3 mass% or less is preferable, and 2 mass% or less is still more preferable.
負極活物質に対する増粘剤の割合が、上記範囲を下回ると、著しく塗布性が低下する場合がある。また、上記範囲を上回ると、負極活物質層に占める活物質の割合が低下し、電池の容量が低下する問題や負極活物質間の抵抗が増大する場合がある。 When the ratio of the thickener to the negative electrode active material is less than the above range, applicability may be significantly reduced. Moreover, when it exceeds the said range, the ratio of the active material which occupies for a negative electrode active material layer will fall, the problem that the capacity | capacitance of a battery falls, and the resistance between negative electrode active materials may increase.
(14)インピーダンス
放電状態から公称容量の60%まで充電した時の負極の抵抗は、500Ω以下が好ましく、100Ω以下が更に好ましく、50Ω以下が特に好ましく、及び/又は二重層容量が1×10−6F以上が好ましく、1×10−5F以上が更に好ましく、3×10−5F以上が特に好ましい。上記範囲の負極電極を用いると出力特性が良く好ましいためである。
(14) Impedance The resistance of the negative electrode when charged from the discharged state to 60% of the nominal capacity is preferably 500Ω or less, more preferably 100Ω or less, particularly preferably 50Ω or less, and / or the double layer capacity is 1 × 10 −. 6 F or more is preferable, 1 × 10 −5 F or more is more preferable, and 3 × 10 −5 F or more is particularly preferable. This is because the use of a negative electrode in the above range provides good output characteristics.
負極の抵抗及び二重層容量は、測定するリチウムイオン二次電池を、公称容量を5時間で充電できる電流値にて充電した後に、20分間充放電をしない状態を維持し、次に公称容量を1時間で放電できる電流値で放電したときの容量が、公称容量の80%以上あるものを用いる。 The resistance and double layer capacity of the negative electrode are determined by maintaining the state where the lithium ion secondary battery to be measured is not charged / discharged for 20 minutes after being charged at a current value at which the nominal capacity can be charged in 5 hours. A capacitor whose capacity when discharged at a current value that can be discharged in one hour is 80% or more of the nominal capacity is used.
前述の放電状態のリチウムイオン二次電池について、公称容量を5時間で充電できる電流値にて公称容量の60%まで充電し、直ちにリチウムイオン二次電池をアルゴンガス雰囲気下のグローブボックス内に移す。ここで該リチウムイオン二次電池を負極が放電又はショートしない状態ですばやく解体して取り出し、両面塗布電極であれば、片面の電極活物質を他面の電極活物質を傷つけずに剥離し、負極電極をφ12.5mmに2枚打ち抜き、セパレータを介して活物質面がずれないよう対向させる。電池に使用されていた非水系電解液60μLをセパレータと両負極間に滴下して密着し、外気と触れない状態を保持して、両負極の集電体に導電をとり、交流インピーダンス法を実施する。 About the lithium ion secondary battery of the above-mentioned discharge state, it charges to 60% of a nominal capacity with the electric current value which can charge a nominal capacity in 5 hours, and immediately transfers a lithium ion secondary battery in the glove box under argon gas atmosphere. . Here, the lithium ion secondary battery is quickly disassembled and taken out in a state where the negative electrode does not discharge or short-circuit, and if it is a double-sided coated electrode, the electrode active material on one side is peeled off without damaging the electrode active material on the other side, Two electrodes are punched out to a diameter of 12.5 mm and faced so as not to shift the active material surface through a separator. 60μL of non-aqueous electrolyte used in the battery was dropped between the separator and both negative electrodes, and kept in close contact with the outside air, and the current collector of both negative electrodes was made conductive and the AC impedance method was carried out. To do.
測定は温度25℃で、10−2〜105Hzの周波数帯で複素インピーダンス測定を行ない、求められたナイキスト・プロットの負極抵抗成分の円弧を半円で近似して表面抵抗(インピーダンスRct)と、二重層容量(インピーダンスCdl)を求める。 The measurement is performed at a temperature of 25 ° C. and a complex impedance measurement is performed in a frequency band of 10 −2 to 10 5 Hz, and the arc of the negative resistance component of the obtained Nyquist plot is approximated by a semicircle to obtain a surface resistance (impedance Rct). The double layer capacitance (impedance Cdl) is obtained.
(15)負極板の面積
負極板の面積は特に限定されるものではないが、対向する正極板よりもわずかに大きくして正極板が負極板から外にはみ出すことがないように設計することが好ましい。充放電を繰り返したサイクルの寿命や高温保存による劣化を抑制する観点から、出来る限り正極に等しい面積に近づけることが、より均一かつ有効に働く電極割合を高めて特性が向上するので好ましい。特に、大電流で使用される場合には、この電極面積の設計が重要である。
(15) Area of negative electrode plate The area of the negative electrode plate is not particularly limited, but it may be designed to be slightly larger than the opposing positive electrode plate so that the positive electrode plate does not protrude from the negative electrode plate. preferable. From the viewpoint of suppressing the cycle life of repeated charge and discharge and deterioration due to high temperature storage, it is preferable to make it as close as possible to the area equal to the positive electrode because the characteristics are improved by increasing the proportion of the electrodes that work more uniformly and effectively. In particular, when the electrode is used at a large current, the design of the electrode area is important.
(16)負極板の厚さ
負極板の厚さは用いられる正極板に合わせて設計されるものであり、特に限定されるものではないが、芯材の金属箔厚さを差し引いた合材層の厚さは通常15μm以上、好ましくは20μm以上、より好ましくは30μm以上、また、通常150μm以下、好ましくは120μm以下、より好ましくは100μm以下が望ましい。
(16) Thickness of negative electrode plate The thickness of the negative electrode plate is designed in accordance with the positive electrode plate used, and is not particularly limited, but is a composite layer obtained by subtracting the thickness of the metal foil of the core material. The thickness is usually 15 μm or more, preferably 20 μm or more, more preferably 30 μm or more, and usually 150 μm or less, preferably 120 μm or less, more preferably 100 μm or less.
<2−4正極>
以下に本発明の非水系電解液二次電池に使用される正極について説明する。
<2-4 positive electrode>
The positive electrode used for the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention will be described below.
<2−4−1正極活物質>
以下に正極に使用される正極活物質について説明する。
<2-4-1 positive electrode active material>
The positive electrode active material used for the positive electrode will be described below.
(1)組成
正極活物質としては、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば特に制限はないが、例えば、リチウムと少なくとも1種の遷移金属を含有する物質が好ましい。具体例としては、リチウム遷移金属複合酸化物、リチウム含有遷移金属燐酸化合物が挙げられる。
(1) Composition The positive electrode active material is not particularly limited as long as it can electrochemically occlude and release lithium ions. For example, a material containing lithium and at least one transition metal is preferable. Specific examples include lithium transition metal composite oxides and lithium-containing transition metal phosphate compounds.
リチウム遷移金属複合酸化物の遷移金属としてはV、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等が好ましく、具体例としては、LiCoO2等のリチウム・コバルト複合酸化物、LiNiO2等のリチウム・ニッケル複合酸化物、LiMnO2、LiMn2O4、Li2MnO4等のリチウム・マンガン複合酸化物、これらのリチウム遷移金属複合酸化物の主体となる遷移金属原子の一部をAl、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Si等の他の金属で置換したもの等が挙げられる。 V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, etc. are preferable as the transition metal of the lithium transition metal composite oxide. Specific examples include lithium-cobalt composite oxides such as LiCoO 2 and LiNiO 2 . Lithium / nickel composite oxides, LiMnO 2 , LiMn 2 O 4 , Li 2 MnO 4 and other lithium / manganese composite oxides, Al, Ti , V, Cr, Mn, Fe, Co, Li, Ni, Cu, Zn, Mg, Ga, Zr, and those substituted with other metals such as Si.
置換されたものの具体例としては、例えば、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.85Co0.10Al0.05O2、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiMn1.8Al0.2O4、LiMn1.5Ni0.5O4等が挙げられる。 As specific examples of the substituted ones, for example, LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , LiNi 0.85 Co 0.10 Al 0.05 O 2 , LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 , LiMn 1.8 Al 0.2 O 4 , LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 and the like.
リチウム含有遷移金属燐酸化合物の遷移金属としては、V、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等が好ましく、具体例としては、例えば、LiFePO4、Li3Fe2(PO4)3、LiFeP2O7等の燐酸鉄類、LiCoPO4等の燐酸コバルト類、これらのリチウム遷移金属燐酸化合物の主体となる遷移金属原子の一部をAl、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、Nb、Si等の他の金属で置換したもの等が挙げられる。 As the transition metal of the lithium-containing transition metal phosphate compound, V, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and the like are preferable, and specific examples include, for example, LiFePO 4 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3. , Iron phosphates such as LiFeP 2 O 7 , cobalt phosphates such as LiCoPO 4 , and some of the transition metal atoms that are the main components of these lithium transition metal phosphate compounds are Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co , Li, Ni, Cu, Zn, Mg, Ga, Zr, Nb, Si and the like substituted with other metals.
(2)表面被覆
上記の正極活物質の表面に、主体となる正極活物質を構成する物質とは異なる組成の物質(以後、適宜「表面付着物質」という)が付着したものを用いることもできる。表面付着物質の例としては酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ホウ素、酸化アンチモン、酸化ビスマス等の酸化物、硫酸リチウム、硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸マグネシウム、硫酸カルシウム、硫酸アルミニウム等の硫酸塩、炭酸リチウム、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム等の炭酸塩等が挙げられる。
(2) Surface coating A material having a composition different from that of the main constituent of the positive electrode active material (hereinafter referred to as “surface adhering substance” as appropriate) may be used on the surface of the positive electrode active material. . Examples of surface adhering substances include aluminum oxide, silicon oxide, titanium oxide, zirconium oxide, magnesium oxide, calcium oxide, boron oxide, antimony oxide, bismuth oxide, lithium sulfate, sodium sulfate, potassium sulfate, magnesium sulfate, Examples thereof include sulfates such as calcium sulfate and aluminum sulfate, and carbonates such as lithium carbonate, calcium carbonate and magnesium carbonate.
これら表面付着物質は、例えば、溶媒に溶解又は懸濁させて正極活物質に含浸添加させた後に乾燥する方法、表面付着物質前駆体を溶媒に溶解又は懸濁させて正極活物質に含浸添加させた後に加熱等により反応させる方法、正極活物質前駆体に添加して同時に焼成する方法等により、正極活物質表面に付着させることができる。 These surface adhering substances are, for example, a method in which they are dissolved or suspended in a solvent and impregnated and added to the positive electrode active material and then dried, or a surface adhering substance precursor is dissolved or suspended in a solvent and impregnated and added to the positive electrode active material. Then, it can be made to adhere to the surface of the positive electrode active material by a method of reacting by heating or the like, a method of adding to the positive electrode active material precursor and firing simultaneously.
正極活物質の表面に付着している表面付着物質の質量は、正極活物質の質量に対して、通常0.1ppm以上であり、1ppm以上が好ましく、10ppm以上が更に好ましく、また、通常20%以下であり、10%以下が好ましく、5%以下が更に好ましい。 The mass of the surface adhering material adhering to the surface of the positive electrode active material is usually 0.1 ppm or more, preferably 1 ppm or more, more preferably 10 ppm or more, and usually 20% with respect to the mass of the positive electrode active material. Or less, preferably 10% or less, more preferably 5% or less.
表面付着物質により、正極活物質表面での非水系電解液の酸化反応を抑制することができ、電池寿命を向上させることができる。しかし、付着量が上記範囲を下回ると、その効果は十分に発現せず、また上記範囲を上回ると、リチウムイオンの出入りを阻害するために抵抗が増加する場合があるため、上記範囲が好ましい。 The surface adhering substance can suppress the oxidation reaction of the non-aqueous electrolyte on the surface of the positive electrode active material, and can improve the battery life. However, when the adhesion amount is less than the above range, the effect is not sufficiently exhibited. When the adhesion amount is more than the above range, the resistance may increase in order to inhibit the entry / exit of lithium ions, so the above range is preferable.
(3)形状
正極活物質粒子の形状は、従来用いられるような、塊状、多面体状、球状、楕円球状、板状、針状、柱状等が用いられるが、中でも一次粒子が凝集して、二次粒子を形成して成り、その二次粒子の形状が球状又は楕円球状であるものが好ましい。
(3) Shape As the shape of the positive electrode active material particles, a lump shape, a polyhedron shape, a sphere shape, an oval sphere shape, a plate shape, a needle shape, a column shape, etc., which are conventionally used, are used. It is preferable to form secondary particles, and the shape of the secondary particles is spherical or elliptical.
通常、電気化学素子はその充放電に伴い、電極中の活物質が膨張収縮をするため、そのストレスによる活物質の破壊や導電パス切れ等の劣化がおきやすい。従って、一次粒子のみの単一粒子活物質であるよりも、一次粒子が凝集して、二次粒子を形成したものである方が膨張収縮のストレスを緩和して、劣化を防ぐためである。 In general, an electrochemical element expands and contracts as the active material in the electrode expands and contracts as it is charged and discharged. Therefore, the active material is easily damaged due to the stress or the conductive path is broken. Therefore, the primary particles are aggregated to form secondary particles rather than a single particle active material having only primary particles, so that the stress of expansion and contraction is relieved and deterioration is prevented.
また、板状等軸配向性の粒子よりも、球状又は楕円球状の粒子の方が、電極の成形時の配向が少ないため、充放電時の電極の膨張収縮も少なく、また電極を作成する際の導電剤との混合においても、均一に混合されやすいため好ましい。 In addition, spherical or oval spherical particles are less oriented at the time of forming the electrode than the plate-like equiaxially oriented particles, so there is less expansion and contraction of the electrode during charge and discharge, and when creating the electrode The mixing with the conductive agent is also preferable because it can be easily mixed uniformly.
(4)タップ密度
正極活物質のタップ密度は、通常1.3g・cm−3以上であり、1.5g・cm−3以上が好ましく、1.6g・cm−3以上が更に好ましく、1.7g・cm−3以上が特に好ましく、また、通常2.5g・cm−3以下であり、2.4g・cm−3以下が好ましい。
(4) Tap density The tap density of the positive electrode active material is usually 1.3 g · cm −3 or more, preferably 1.5 g · cm −3 or more, more preferably 1.6 g · cm −3 or more. 7 g · cm −3 or more is particularly preferable, usually 2.5 g · cm −3 or less, and preferably 2.4 g · cm −3 or less.
タップ密度の高い金属複合酸化物粉体を用いることにより、高密度の正極活物質層を形成することができる。従って、正極活物質のタップ密度が上記範囲を下回ると、正極活物質層形成時に必要な分散媒量が増加すると共に、導電材や結着剤の必要量が増加し、正極活物質層への正極活物質の充填率が制約され、電池容量が制約される場合がある。また、タップ密度は一般に大きいほど好ましく特に上限はないが、上記範囲を下回ると、正極活物質層内における非水系電解液を媒体としたリチウムイオンの拡散が律速となり、負荷特性が低下しやすくなる場合がある。 By using a metal composite oxide powder having a high tap density, a high-density positive electrode active material layer can be formed. Therefore, when the tap density of the positive electrode active material is lower than the above range, the amount of the dispersion medium necessary for forming the positive electrode active material layer increases, and the necessary amount of the conductive material and the binder increases. The filling rate of the positive electrode active material is limited, and the battery capacity may be limited. In general, the tap density is preferably as large as possible, but there is no particular upper limit. However, if the tap density is less than the above range, diffusion of lithium ions in the positive electrode active material layer using the non-aqueous electrolyte solution as a medium becomes rate-determining, and load characteristics are likely to deteriorate. There is a case.
タップ密度の測定は、目開き300μmの篩を通過させて、20cm3のタッピングセルに試料を落下させてセル容積を満たした後、粉体密度測定器(例えば、セイシン企業社製タップデンサー)を用いて、ストローク長10mmのタッピングを1000回行なって、その時の体積と試料の重量から密度を算出する。該測定で算出されるタップ密度を、本発明の正極活物質のタップ密度として定義する。 The tap density is measured by passing a sieve having an opening of 300 μm, dropping the sample onto a 20 cm 3 tapping cell to fill the cell volume, and then using a powder density measuring instrument (for example, a tap denser manufactured by Seishin Enterprise Co., Ltd.). The tapping with a stroke length of 10 mm is performed 1000 times, and the density is calculated from the volume at that time and the weight of the sample. The tap density calculated by the measurement is defined as the tap density of the positive electrode active material of the present invention.
(5)メジアン径d50
正極活物質の粒子のメジアン径d50(一次粒子が凝集して二次粒子を形成している場合には二次粒子径)は、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いても測定することができる。
(5) Median diameter d50
The median diameter d50 (secondary particle diameter when primary particles are aggregated to form secondary particles) of the positive electrode active material particles should also be measured using a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer. Can do.
メジアン径d50は、通常0.1μm以上であり、0.5μm以上が好ましく、1μm以上が更に好ましく、3μm以上が特に好ましく、また、通常20μm以下であり、18μm以下が好ましく、16μm以下が更に好ましく、15μm以下が特に好ましい。 The median diameter d50 is usually 0.1 μm or more, preferably 0.5 μm or more, more preferably 1 μm or more, particularly preferably 3 μm or more, and usually 20 μm or less, preferably 18 μm or less, more preferably 16 μm or less. 15 μm or less is particularly preferable.
メジアン径d50が、上記範囲を下回ると、高嵩密度品が得られなくなる場合があり、上記範囲を上回ると粒子内のリチウムの拡散に時間がかかるため、電池特性の低下や、電池の正極作成すなわち活物質と導電剤やバインダー等を溶媒でスラリー化し、薄膜状に塗布する際に、スジを引く等が生じる場合がある。 If the median diameter d50 is below the above range, a high bulk density product may not be obtained. If the median diameter d50 is above the above range, it takes time to diffuse lithium in the particles. That is, when an active material, a conductive agent, a binder, or the like is slurried with a solvent and applied in a thin film shape, streaks may occur.
なお、異なるメジアン径d50をもつ正極活物質を2種類以上、任意の比率で混合することで、正極作成時の充填性を更に向上させることもできる。 In addition, the filling property at the time of positive electrode preparation can be further improved by mixing two or more types of positive electrode active materials having different median diameters d50 at an arbitrary ratio.
メジアン径d50の測定は、0.1質量%ヘキサメタ燐酸ナトリウム水溶液を分散媒にして、粒度分布計として堀場製作所社製LA−920用いて、5分間の超音波分散後に測定屈折率1.24に設定して測定する。 The median diameter d50 is measured by using a 0.1% by mass sodium hexametaphosphate aqueous solution as a dispersion medium, and using LA-920 manufactured by HORIBA, Ltd. as a particle size distribution meter, and measuring the refractive index to 1.24 after ultrasonic dispersion for 5 minutes. Set and measure.
(6)平均一次粒子径
一次粒子が凝集して二次粒子を形成している場合、正極活物質の平均一次粒子径は、通常0.01μm以上であり、0.05μm以上が好ましく、0.08μm以上が更に好ましく、0.1μm以上が特に好ましく、また、通常3μm以下であり、2μm以下が好ましく、1μm以下更に好ましく、0.6μm以下が特に好ましい。
(6) Average primary particle diameter When primary particles aggregate to form secondary particles, the average primary particle diameter of the positive electrode active material is usually 0.01 μm or more, preferably 0.05 μm or more, and It is more preferably at least 08 μm, particularly preferably at least 0.1 μm, usually not more than 3 μm, preferably not more than 2 μm, more preferably not more than 1 μm, particularly preferably not more than 0.6 μm.
上記範囲を上回ると球状の二次粒子を形成し難く、粉体充填性に悪影響を及ぼしたり、比表面積が大きく低下するために、出力特性等の電池性能が低下する可能性が高くなる場合があるためである。また、上記範囲を下回ると、通常、結晶が未発達であるために充放電の可逆性が劣る等、二次電池の性能を低下させる場合があるためである。 If the above range is exceeded, it may be difficult to form spherical secondary particles, which may adversely affect the powder filling property, or the specific surface area will be greatly reduced, which may increase the possibility that the battery performance such as output characteristics will deteriorate. Because there is. Further, if the value is below the above range, the performance of the secondary battery may be deteriorated, for example, the reversibility of charge / discharge is inferior because the crystal is not developed.
なお、平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた観察により測定される。具体的には、10000倍の倍率の写真で、水平方向の直線に対する一次粒子の左右の境界線による切片の最長の値を、任意の50個の一次粒子について求め、平均値をとることにより求められる。 The average primary particle diameter is measured by observation using a scanning electron microscope (SEM). Specifically, in a photograph at a magnification of 10000 times, the longest value of the intercept by the left and right boundary lines of the primary particles with respect to the horizontal straight line is obtained for any 50 primary particles and obtained by taking the average value. It is done.
(7)BET比表面積
正極活物質のBET比表面積は、BET法を用いて測定した比表面積の値が、通常0.2m2・g−1以上であり、0.3m2・g−1以上が好ましく、0.4m2・g−1以上が更に好ましく、また、通常4.0m2・g−1以下であり、2.5m2・g−1以下が好ましく、1.5m2・g−1以下が更に好ましい。
(7) BET specific surface area As for the BET specific surface area of the positive electrode active material, the value of the specific surface area measured using the BET method is usually 0.2 m 2 · g −1 or more, and 0.3 m 2 · g −1 or more. 0.4 m 2 · g −1 or more is more preferable, usually 4.0 m 2 · g −1 or less, preferably 2.5 m 2 · g −1 or less, and 1.5 m 2 · g −. 1 or less is more preferable.
BET比表面積の値が、上記範囲を下回ると、電池性能が低下しやすくなる。また、上記範囲を上回ると、タップ密度が上がりにくくなり、正極活物質形成時の塗布性が低下する場合がある。 When the value of the BET specific surface area is below the above range, the battery performance tends to be lowered. Moreover, when it exceeds the said range, a tap density becomes difficult to raise and the applicability | paintability at the time of positive electrode active material formation may fall.
BET比表面積は、表面積計(大倉理研製全自動表面積測定装置)を用いて測定する。試料に対して窒素流通下150℃で30分間、予備乾燥を行なった後、大気圧に対する窒素の相対圧の値が0.3となるように正確に調整した窒素ヘリウム混合ガスを用いて、ガス流動法による窒素吸着BET1点法によって測定する。該測定で求められる比表面積を、本発明の陽極活物質のBET比表面積と定義する。 The BET specific surface area is measured using a surface area meter (a fully automatic surface area measuring device manufactured by Okura Riken). The sample was preliminarily dried at 150 ° C. for 30 minutes under a nitrogen flow, and then a nitrogen helium mixed gas that was accurately adjusted so that the relative pressure of nitrogen with respect to atmospheric pressure was 0.3 was used. It is measured by the nitrogen adsorption BET one-point method by the flow method. The specific surface area determined by the measurement is defined as the BET specific surface area of the anode active material of the present invention.
(8)正極活物質の製造法
正極活物質の製造法としては、本発明の要旨を超えない範囲で特には制限されないが、いくつかの方法が挙げられ、無機化合物の製造法として一般的な方法が用いられる。
(8) Method for Producing Positive Electrode Active Material The method for producing the positive electrode active material is not particularly limited as long as it does not exceed the gist of the present invention, but there are several methods, which are common as methods for producing inorganic compounds. The method is used.
特に球状ないし楕円球状の活物質を作製するには種々の方法が考えられるが、例えばその1つとして、遷移金属硝酸塩、硫酸塩等の遷移金属原料物質と、必要に応じ他の元素の原料物質を水等の溶媒中に溶解ないし粉砕分散して、攪拌をしながらpHを調節して球状の前駆体を作製回収し、これを必要に応じて乾燥した後、LiOH、Li2CO3、LiNO3等のLi源を加えて高温で焼成して活物質を得る方法が挙げられる。 In particular, various methods are conceivable for producing a spherical or elliptical active material. For example, transition metal source materials such as transition metal nitrates and sulfates, and other element source materials as required. Is dissolved or pulverized and dispersed in a solvent such as water, and the pH is adjusted while stirring to produce and recover a spherical precursor, which is dried as necessary, and then LiOH, Li 2 CO 3 , LiNO There is a method in which an active material is obtained by adding a Li source such as 3 and baking at a high temperature.
また、別の方法の例として、遷移金属硝酸塩、硫酸塩、水酸化物、酸化物等の遷移金属原料物質と、必要に応じ他の元素の原料物質を水等の溶媒中に溶解ないし粉砕分散して、それをスプレードライヤー等で乾燥成型して球状ないし楕円球状の前駆体とし、これにLiOH、Li2CO3、LiNO3等のLi源を加えて高温で焼成して活物質を得る方法が挙げられる。 In addition, as an example of another method, transition metal raw materials such as transition metal nitrates, sulfates, hydroxides, oxides and the like, and if necessary, raw materials of other elements are dissolved or pulverized and dispersed in a solvent such as water. Then, it is dry-molded with a spray dryer or the like to obtain a spherical or oval spherical precursor, and a Li source such as LiOH, Li 2 CO 3 , LiNO 3 is added to the precursor and calcined at a high temperature to obtain an active material Is mentioned.
更に別の方法の例として、遷移金属硝酸塩、硫酸塩、水酸化物、酸化物等の遷移金属原料物質と、LiOH、Li2CO3、LiNO3等のLi源と、必要に応じ他の元素の原料物質とを水等の溶媒中に溶解ないし粉砕分散して、それをスプレードライヤー等で乾燥成型して球状ないし楕円球状の前駆体とし、これを高温で焼成して活物質を得る方法が挙げられる。 Examples of other methods include transition metal source materials such as transition metal nitrates, sulfates, hydroxides, oxides, Li sources such as LiOH, Li 2 CO 3 , LiNO 3 , and other elements as necessary. The raw material is dissolved or pulverized and dispersed in a solvent such as water, and is then dried by a spray dryer or the like to form a spherical or elliptical precursor, which is fired at a high temperature to obtain an active material. Can be mentioned.
<2−4−2電極構造と作製法>
以下に、本発明に使用される正極の構成及びその作製法について説明する。
<2-4-2 Electrode structure and fabrication method>
Below, the structure of the positive electrode used for this invention and its preparation method are demonstrated.
(1)正極の作製法
正極は、正極活物質粒子と結着剤とを含有する正極活物質層を、集電体上に形成して作製される。正極活物質を用いる正極の製造は、公知の何れの方法で作製することができる。すなわち、正極活物質と結着剤、並びに必要に応じて導電材及び増粘剤等を乾式で混合してシート状にしたものを正極集電体に圧着するか、又はこれらの材料を液体媒体に溶解又は分散させてスラリーとして、これを正極集電体に塗布し、乾燥することにより、正極活物質層を集電体上に形成させることにより正極を得ることができる。
(1) Method for Producing Positive Electrode The positive electrode is produced by forming a positive electrode active material layer containing positive electrode active material particles and a binder on a current collector. The production of the positive electrode using the positive electrode active material can be produced by any known method. That is, a positive electrode active material and a binder, and if necessary, a conductive material and a thickener mixed in a dry form are pressure-bonded to a positive electrode current collector, or these materials are liquid media A positive electrode can be obtained by forming a positive electrode active material layer on the current collector by applying it to a positive electrode current collector and drying it as a slurry by dissolving or dispersing in a slurry.
正極活物質の正極活物質層中の含有量は、通常10質量%以上、好ましくは30質量%以上、特に好ましくは50質量%以上、また、通常99.9質量%以下、好ましくは99質量%以下である。正極活物質層中の正極活物質の含有量が、上記範囲を下回ると、電気容量が不十分となる場合があるためである。また、上記範囲を上回ると、正極の強度が不足する場合があるためである。なお、本発明の正極活物質粉体は1種を単独で用いてもよく、異なる組成又は異なる粉体物性の2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is usually 10% by mass or more, preferably 30% by mass or more, particularly preferably 50% by mass or more, and usually 99.9% by mass or less, preferably 99% by mass. It is as follows. This is because if the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is less than the above range, the electric capacity may be insufficient. Moreover, it is because the intensity | strength of a positive electrode may be insufficient when it exceeds the said range. In addition, the positive electrode active material powder of this invention may be used individually by 1 type, and may use together 2 or more types of a different composition or different powder physical properties by arbitrary combinations and ratios.
(2)導電材
導電材としては、公知の導電材を任意に用いることができる。具体例としては、銅、ニッケル等の金属材料;天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛(グラファイト);アセチレンブラック等のカーボンブラック;ニードルコークス等の無定形炭素等の炭素質材料等が挙げられる。なお、これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。
(2) Conductive material As the conductive material, a known conductive material can be arbitrarily used. Specific examples include metal materials such as copper and nickel; graphite such as natural graphite and artificial graphite (graphite); carbon black such as acetylene black; and carbonaceous materials such as amorphous carbon such as needle coke. In addition, these may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
導電材は、正極活物質層中に、通常0.01質量%以上、好ましくは0.1質量%以上、より好ましくは1質量%以上、また、通常50質量%以下、好ましくは30質量%以下、より好ましくは15質量%以下含有するように用いられる。 The conductive material is usually 0.01% by mass or more, preferably 0.1% by mass or more, more preferably 1% by mass or more, and usually 50% by mass or less, preferably 30% by mass or less in the positive electrode active material layer. More preferably, it is used so as to contain 15% by mass or less.
含有量が上記範囲よりも下回ると、導電性が不十分となる場合がある。また、上記範囲よりも上回ると、電池容量が低下する場合がある。 If the content is lower than the above range, the conductivity may be insufficient. Moreover, when it exceeds the said range, battery capacity may fall.
(3)結着剤
正極活物質層の製造に用いる結着剤は、非水系電解液や電極製造時用いる溶媒に対して安定な材料であれば、特に限定されない。
(3) Binder The binder used in the production of the positive electrode active material layer is not particularly limited as long as it is a material that is stable with respect to the non-aqueous electrolyte solution and the solvent used during electrode production.
塗布法の場合は、電極製造時に用いる液体媒体に対して溶解又は分散される材料であればよいが、具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、芳香族ポリアミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子;SBR(スチレン・ブタジエンゴム)、NBR(アクリロニトリル・ブタジエンゴム)、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子;スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物、EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・エチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体又はその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子;シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子;ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子;アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物等が挙げられる。なお、これらの物質は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 In the case of the coating method, any material can be used as long as it is dissolved or dispersed in the liquid medium used during electrode production. Specific examples include polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, aromatic polyamide, cellulose, nitro Resin polymers such as cellulose; rubbery polymers such as SBR (styrene butadiene rubber), NBR (acrylonitrile butadiene rubber), fluorine rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene propylene rubber; styrene butadiene styrene block Copolymer or its hydrogenated product, EPDM (ethylene / propylene / diene terpolymer), styrene / ethylene / butadiene / ethylene copolymer, styrene / isoprene / styrene block copolymer or its hydrogenated product, etc. Thermoplastic Stoma-like polymers; soft resin-like polymers such as syndiotactic-1,2-polybutadiene, polyvinyl acetate, ethylene / vinyl acetate copolymer, propylene / α-olefin copolymer; polyvinylidene fluoride (PVdF), Examples include fluorine-based polymers such as polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene / ethylene copolymers; polymer compositions having ion conductivity of alkali metal ions (particularly lithium ions). In addition, these substances may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios.
正極活物質層中の結着剤の割合は、通常0.1質量%以上であり、1質量%以上が好ましく、3質量%以上が更に好ましく、また、通常80質量%以下であり、60質量%以下が好ましく、40質量%以下が更に好ましく、10質量%以下が特に好ましい。 The ratio of the binder in the positive electrode active material layer is usually 0.1% by mass or more, preferably 1% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, and usually 80% by mass or less, and 60% by mass. % Or less is preferable, 40% by mass or less is more preferable, and 10% by mass or less is particularly preferable.
結着剤の割合が、上記範囲を下回ると、正極活物質を十分保持できずに正極の機械的強度が不足し、サイクル特性等の電池性能を悪化させてしまう場合がある。また、上記範囲を上回ると、電池容量や導電性の低下につながる場合がある。 When the ratio of the binder is below the above range, the positive electrode active material cannot be sufficiently retained, the positive electrode has insufficient mechanical strength, and battery performance such as cycle characteristics may be deteriorated. Moreover, when it exceeds the said range, it may lead to a battery capacity or electroconductivity fall.
(4)液体媒体
スラリーを形成するための液体媒体としては、正極活物質、導電剤、結着剤、並びに必要に応じて使用される増粘剤を溶解又は分散することが可能な溶媒であれば、その種類に特に制限はなく、水系溶媒と有機系溶媒のどちらを用いてもよい。
(4) Liquid medium The liquid medium for forming the slurry may be a solvent capable of dissolving or dispersing the positive electrode active material, the conductive agent, the binder, and the thickener used as necessary. For example, the type is not particularly limited, and either an aqueous solvent or an organic solvent may be used.
水系媒体の例としては、例えば、水、アルコールと水との混合媒等が挙げられる。有機系媒体の例としては、ヘキサン等の脂肪族炭化水素類;ベンゼン、トルエン、キシレン、メチルナフタレン等の芳香族炭化水素類;キノリン、ピリジン等の複素環化合物;アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類;酢酸メチル、アクリル酸メチル等のエステル類;ジエチレントリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン等のアミン類;ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)等のエーテル類;N−メチルピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド等のアミド類;ヘキサメチルホスファルアミド、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶媒等を挙げることができる。なお、これらは、1種を単独で用いてもよく、また2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 Examples of the aqueous medium include water, a mixed medium of alcohol and water, and the like. Examples of organic media include aliphatic hydrocarbons such as hexane; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, and methylnaphthalene; heterocyclic compounds such as quinoline and pyridine; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, and cyclohexanone. Esters such as methyl acetate and methyl acrylate; amines such as diethylenetriamine and N, N-dimethylaminopropylamine; ethers such as diethyl ether and tetrahydrofuran (THF); N-methylpyrrolidone (NMP) and dimethylformamide Amides such as dimethylacetamide; aprotic polar solvents such as hexamethylphosphalamide and dimethylsulfoxide. In addition, these may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
(5)増粘剤
スラリーを形成するための液体媒体として水系媒体を用いる場合、増粘剤と、スチレンブタジエンゴム(SBR)等のラテックスを用いてスラリー化するのが好ましい。増粘剤は、通常、スラリーの粘度を調製するために使用される。
(5) Thickener When using an aqueous medium as a liquid medium for forming a slurry, it is preferable to make a slurry using a thickener and a latex such as styrene butadiene rubber (SBR). A thickener is usually used to adjust the viscosity of the slurry.
増粘剤としては、本発明の効果を著しく制限しない限り制限はないが、具体的には、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、酸化スターチ、燐酸化スターチ、カゼイン及びこれらの塩等が挙げられる。これらは、1種を単独で用いても、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 The thickener is not limited as long as the effect of the present invention is not significantly limited. Specifically, carboxymethylcellulose, methylcellulose, hydroxymethylcellulose, ethylcellulose, polyvinyl alcohol, oxidized starch, phosphorylated starch, casein and salts thereof Etc. These may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios.
更に増粘剤を使用する場合には、活物質に対する増粘剤の割合は、通常0.1質量%以上、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは0.6質量%以上、また、通常5質量%以下、好ましくは3質量%以下、より好ましくは2質量%以下が望ましい。上記範囲を下回ると著しく塗布性が低下する場合があり、また上記範囲を上回ると、正極活物質層に占める活物質の割合が低下し、電池の容量が低下する問題や正極活物質間の抵抗が増大する場合がある。 Further, when using a thickener, the ratio of the thickener to the active material is usually 0.1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, more preferably 0.6% by mass or more, Usually, it is 5% by mass or less, preferably 3% by mass or less, more preferably 2% by mass or less. If it falls below the above range, applicability may be remarkably reduced, and if it exceeds the above range, the ratio of the active material in the positive electrode active material layer is lowered, the battery capacity is reduced, and the resistance between the positive electrode active materials. May increase.
(6)圧密化
塗布、乾燥によって得られた正極活物質層は、正極活物質の充填密度を上げるために、ハンドプレス、ローラープレス等により圧密化することが好ましい。正極活物質層の密度は、1g・cm−3以上が好ましく、1.5g・cm−3以上が更に好ましく、2g・cm−3以上が特に好ましく、また、4g・cm−3以下が好ましく、3.5g・cm−3以下が更に好ましく、3g・cm−3以下が特に好ましい。
(6) Consolidation The positive electrode active material layer obtained by coating and drying is preferably consolidated by a hand press, a roller press or the like in order to increase the packing density of the positive electrode active material. The density of the positive electrode active material layer is preferably 1 g · cm −3 or more, more preferably 1.5 g · cm −3 or more, particularly preferably 2 g · cm −3 or more, and preferably 4 g · cm −3 or less. 3.5 g · cm −3 or less is more preferable, and 3 g · cm −3 or less is particularly preferable.
正極活物質層の密度が、上記範囲を上回ると集電体/活物質界面付近への非水系電解液の浸透性が低下し、特に高電流密度での充放電特性が低下する場合がある。また上記範囲を下回ると、活物質間の導電性が低下し、電池抵抗が増大する場合がある。 If the density of the positive electrode active material layer exceeds the above range, the permeability of the non-aqueous electrolyte solution to the vicinity of the current collector / active material interface may decrease, and the charge / discharge characteristics at a high current density may decrease. Moreover, when less than the said range, the electroconductivity between active materials may fall and battery resistance may increase.
(7)集電体
正極集電体の材質としては特に制限は無く、公知のものを任意に用いることができる。具体例としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ、チタン、タンタル等の金属材料;カーボンクロス、カーボンペーパー等の炭素質材料が挙げられる。中でも金属材料、特にアルミニウムが好ましい。
(7) Current collector The material of the positive electrode current collector is not particularly limited, and any known material can be used. Specific examples include metal materials such as aluminum, stainless steel, nickel plating, titanium, and tantalum; and carbonaceous materials such as carbon cloth and carbon paper. Of these, metal materials, particularly aluminum, are preferred.
集電体の形状としては、金属材料の場合、金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル等が挙げられ、炭素質材料の場合、炭素板、炭素薄膜、炭素円柱等が挙げられる。これらのうち、金属薄膜が好ましい。なお、薄膜は適宜メッシュ状に形成してもよい。 Examples of the shape of the current collector include metal foil, metal cylinder, metal coil, metal plate, metal thin film, expanded metal, punch metal, foam metal, etc. A carbon thin film, a carbon cylinder, etc. are mentioned. Of these, metal thin films are preferred. In addition, you may form a thin film suitably in mesh shape.
金属薄膜の厚さは任意であるが、通常1μm以上であり、3μm以上が好ましく、5μm以上が更に好ましく、また、通常1mm以下であり、100μm以下が好ましく、50μm以下が更に好ましい。薄膜が、上記範囲よりも薄いと、集電体として必要な強度が不足する場合がある。また、薄膜が上記範囲よりも厚いと、取り扱い性が損なわれる場合がある。 Although the thickness of the metal thin film is arbitrary, it is usually 1 μm or more, preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, and usually 1 mm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less. If the thin film is thinner than the above range, the strength required for the current collector may be insufficient. Moreover, when a thin film is thicker than the said range, a handleability may be impaired.
集電体と正極活物質層の厚さの比は特には限定されないが、(非水系電解液注液直前の片面の活物質層厚さ)/(集電体の厚さ)が通常150以下であり、20以下が好ましく、10以下が特に好ましく、また、通常0.1以上であり、0.4以上が好ましく、1以上が特に好ましい。集電体と正極活物質層の厚さの比が、上記範囲を上回ると、高電流密度充放電時に集電体がジュール熱による発熱を生じる場合がある。また、上記範囲を下回ると、正極活物質に対する集電体の体積比が増加し、電池の容量が減少する場合がある。 The ratio of the thickness of the current collector to the positive electrode active material layer is not particularly limited, but (the thickness of the active material layer on one side immediately before the nonaqueous electrolyte solution injection) / (thickness of the current collector) is usually 150 or less. It is preferably 20 or less, particularly preferably 10 or less, usually 0.1 or more, preferably 0.4 or more, and particularly preferably 1 or more. When the ratio of the thickness of the current collector to the positive electrode active material layer exceeds the above range, the current collector may generate heat due to Joule heat during high current density charge / discharge. On the other hand, below the above range, the volume ratio of the current collector to the positive electrode active material may increase, and the battery capacity may decrease.
(8)電極面積
高出力かつ高温時の安定性を高める観点から、正極活物質層の面積は、電池外装ケースの外表面積に対して大きくすることが好ましい。具体的には、二次電池の外装の表面積に対する前記正極の電極面積の総和が面積比で20倍以上とすることが好ましく、更に40倍以上とすることがより好ましい。外装ケースの外表面積とは、有底角型形状の場合には、端子の突起部分を除いた発電要素が充填されたケース部分の縦と横と厚さの寸法から計算で求める総面積をいう。有底円筒形状の場合には、端子の突起部分を除いた発電要素が充填されたケース部分を円筒として近似する幾何表面積である。正極の電極面積の総和とは、負極活物質を含む合材層に対向する正極合材層の幾何表面積であり、集電体箔を介して両面に正極合材層を形成してなる構造では、それぞれの面を別々に算出する面積の総和をいう。
(8) Electrode area From the viewpoint of increasing the stability at high output and high temperature, the area of the positive electrode active material layer is preferably larger than the outer surface area of the battery outer case. Specifically, the total electrode area of the positive electrode with respect to the surface area of the exterior of the secondary battery is preferably 20 times or more, and more preferably 40 times or more. The outer surface area of the outer case is the total area obtained by calculation from the vertical, horizontal, and thickness dimensions of the case part filled with the power generation element excluding the protruding part of the terminal in the case of a bottomed square shape. . In the case of a bottomed cylindrical shape, the geometric surface area approximates the case portion filled with the power generation element excluding the protruding portion of the terminal as a cylinder. The total electrode area of the positive electrode is the geometric surface area of the positive electrode mixture layer facing the mixture layer containing the negative electrode active material, and in the structure in which the positive electrode mixture layer is formed on both sides via the current collector foil. , The sum of the areas where each surface is calculated separately.
(9)放電容量
本発明の二次電池用非水系電解液を用いる場合、二次電池の1個の電池外装に収納される電池要素のもつ電気容量(電池を満充電状態から放電状態まで放電したときの電気容量)が、3アンペアーアワー(Ah)以上であると、低温放電特性の向上効果が大きくなるため好ましい。そのため、正極板は、放電容量が満充電で、通常3Ah(アンペアアワー)、好ましくは4Ah以上、また、通常20Ah以下、好ましくは10Ah以下になるように設計する。
(9) Discharge capacity When the non-aqueous electrolyte for secondary battery of the present invention is used, the electric capacity of the battery element housed in one battery exterior of the secondary battery (the battery is discharged from a fully charged state to a discharged state) When the electric capacity is 3 ampere hours (Ah) or more, the effect of improving the low-temperature discharge characteristics is increased, which is preferable. Therefore, the positive electrode plate is designed so that the discharge capacity is fully charged and is usually 3 Ah (ampere hour), preferably 4 Ah or more, and usually 20 Ah or less, preferably 10 Ah or less.
上記範囲を下回ると、大電流の取り出し時に電極反応抵抗による電圧低下が大きくなり電力効率が悪くなる場合がある。また、上記範囲を上回ると、電極反応抵抗が小さくなり電力効率は良くなるが、パルス充放電時の電池内部発熱による温度分布が大きく、充放電繰り返しの耐久性が劣り、また、過充電や内部短絡等の異常時の急激な発熱に対して放熱効率も悪くなる場合がある。 If it falls below the above range, the voltage drop due to the electrode reaction resistance becomes large when taking out a large current, and the power efficiency may deteriorate. If the above range is exceeded, the electrode reaction resistance is reduced and the power efficiency is improved, but the temperature distribution due to the internal heat generation of the battery during pulse charge / discharge is large, the durability of repeated charge / discharge is inferior, and overcharge and internal In some cases, the heat radiation efficiency is also deteriorated with respect to sudden heat generation at the time of abnormality such as a short circuit.
(10)正極板の厚さ
正極板の厚さは特に限定されるものではないが、高容量かつ高出力、高レート特性の観点から、芯材の金属箔厚さを差し引いた合材層の厚さは、集電体の片面に対して、10μm以上が好ましく、20μm以上が更に好ましく、また、200μm以下が好ましく、100μm以下が更に好ましい。
(10) Thickness of positive electrode plate The thickness of the positive electrode plate is not particularly limited, but from the viewpoint of high capacity, high output, and high rate characteristics, the thickness of the composite layer obtained by subtracting the metal foil thickness of the core material The thickness is preferably 10 μm or more, more preferably 20 μm or more, more preferably 200 μm or less, and even more preferably 100 μm or less with respect to one side of the current collector.
<2−5.セパレータ>
正極と負極との間には、短絡を防止するために、通常はセパレータを介在させる。この場合、本発明の非水系電解液は、通常はこのセパレータに含浸させて用いる。
<2-5. Separator>
Usually, a separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode in order to prevent a short circuit. In this case, the nonaqueous electrolytic solution of the present invention is usually used by impregnating the separator.
セパレータの材料や形状については特に制限は無く、本発明の効果を著しく損なわない限り、公知のものを任意に採用することができる。中でも、本発明の非水系電解液に対し安定な材料で形成された、樹脂、ガラス繊維、無機物等が用いられ、保液性に優れた多孔性シート又は不織布状の形態の物等を用いるのが好ましい。 There is no restriction | limiting in particular about the material and shape of a separator, A well-known thing can be arbitrarily employ | adopted unless the effect of this invention is impaired remarkably. Among them, a resin, glass fiber, inorganic material, etc. formed of a material that is stable with respect to the non-aqueous electrolyte solution of the present invention is used, and a porous sheet or a nonwoven fabric-like material having excellent liquid retention properties is used. Is preferred.
樹脂、ガラス繊維セパレータの材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルスルホン、ガラスフィルター等を用いることができる。中でも好ましくはガラスフィルター、ポリオレフィンであり、更に好ましくはポリオレフィンである。これらの材料は1種を単独で用いてもよく、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用してもよい。 As materials for the resin and the glass fiber separator, for example, polyolefins such as polyethylene and polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyethersulfone, glass filters and the like can be used. Of these, glass filters and polyolefins are preferred, and polyolefins are more preferred. These materials may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
上記セパレータの厚さは任意であるが、通常1μm以上であり、5μm以上が好ましく、10μm以上が更に好ましく、また、通常50μm以下であり、40μm以下が好ましく、30μm以下が更に好ましい。セパレータが、上記範囲より薄過ぎると、絶縁性や機械的強度が低下する場合がある。また、上記範囲より厚過ぎると、レート特性等の電池性能が低下する場合があるばかりでなく、非水系電解液二次電池全体としてのエネルギー密度が低下する場合がある。 The thickness of the separator is arbitrary, but is usually 1 μm or more, preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, and usually 50 μm or less, preferably 40 μm or less, more preferably 30 μm or less. If the separator is too thin than the above range, the insulating properties and mechanical strength may decrease. On the other hand, if it is thicker than the above range, not only the battery performance such as the rate characteristic may be lowered, but also the energy density of the whole non-aqueous electrolyte secondary battery may be lowered.
更に、セパレータとして多孔性シートや不織布等の多孔質のものを用いる場合、セパレータの空孔率は任意であるが、通常20%以上であり、35%以上が好ましく、45%以上が更に好ましく、また、通常90%以下であり、85%以下が好ましく、75%以下が更に好ましい。空孔率が、上記範囲より小さ過ぎると、膜抵抗が大きくなってレート特性が悪化する傾向がある。また、上記範囲より大き過ぎると、セパレータの機械的強度が低下し、絶縁性が低下する傾向にある。 Furthermore, when a porous material such as a porous sheet or nonwoven fabric is used as the separator, the porosity of the separator is arbitrary, but is usually 20% or more, preferably 35% or more, more preferably 45% or more, Moreover, it is 90% or less normally, 85% or less is preferable and 75% or less is still more preferable. If the porosity is too smaller than the above range, the membrane resistance tends to increase and the rate characteristics tend to deteriorate. Moreover, when larger than the said range, it exists in the tendency for the mechanical strength of a separator to fall and for insulation to fall.
また、セパレータの平均孔径も任意であるが、通常0.5μm以下であり、0.2μm以下が好ましく、また、通常0.05μm以上である。平均孔径が、上記範囲を上回ると、短絡が生じ易くなる。また、上記範囲を下回ると、膜抵抗が大きくなりレート特性が低下する場合がある。 Moreover, although the average pore diameter of a separator is also arbitrary, it is 0.5 micrometer or less normally, 0.2 micrometer or less is preferable, and it is 0.05 micrometer or more normally. If the average pore diameter exceeds the above range, a short circuit tends to occur. On the other hand, below the above range, the film resistance may increase and the rate characteristics may deteriorate.
一方、無機物の材料としては、例えば、アルミナや二酸化珪素等の酸化物類、窒化アルミや窒化珪素等の窒化物類、硫酸バリウムや硫酸カルシウム等の硫酸塩類が用いられ、粒子形状若しくは繊維形状のものが用いられる。 On the other hand, as the inorganic material, for example, oxides such as alumina and silicon dioxide, nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride, and sulfates such as barium sulfate and calcium sulfate are used. Things are used.
形態としては、不織布、織布、微多孔性フィルム等の薄膜形状のものが用いられる。薄膜形状では、孔径が0.01〜1μm、厚さが5〜50μmのものが好適に用いられる。前記の独立した薄膜形状以外に、樹脂製の結着剤を用いて前記無機物の粒子を含有する複合多孔層を正極及び/又は負極の表層に形成させてなるセパレータを用いることができる。例えば、正極の両面に90%粒径が1μm未満のアルミナ粒子を、フッ素樹脂を結着剤として多孔層を形成させることが挙げられる。 As the form, a thin film shape such as a non-woven fabric, a woven fabric, or a microporous film is used. In the thin film shape, those having a pore diameter of 0.01 to 1 μm and a thickness of 5 to 50 μm are preferably used. In addition to the independent thin film shape, a separator formed by forming a composite porous layer containing the inorganic particles on the surface layer of the positive electrode and / or the negative electrode using a resin binder can be used. For example, a porous layer may be formed by using alumina particles having a 90% particle size of less than 1 μm on both surfaces of the positive electrode and using a fluororesin as a binder.
<2−6.電池設計>
[電極群]
電極群は、前述の正極板と負極板とを前述のセパレータを介してなる積層構造のもの、及び前述の正極板と負極板とを前述のセパレータを介して渦巻き状に捲回した構造のものの何れでもよい。電極群の体積が電池内容積に占める割合(以下、電極群占有率と称する)は、通常40%以上であり、50%以上が好ましく、また、通常90%以下であり、80%以下が好ましい。
<2-6. Battery design>
[Electrode group]
The electrode group has a laminated structure in which the positive electrode plate and the negative electrode plate are interposed via the separator, and a structure in which the positive electrode plate and the negative electrode plate are wound in a spiral shape via the separator. Either may be used. The ratio of the volume of the electrode group to the internal volume of the battery (hereinafter referred to as the electrode group occupation ratio) is usually 40% or more, preferably 50% or more, and usually 90% or less, preferably 80% or less. .
電極群占有率が、上記範囲を下回ると、電池容量が小さくなる。また、上記範囲を上回ると空隙スペースが少なく、電池が高温になることによって部材が膨張したり電解質の液成分の蒸気圧が高くなったりして内部圧力が上昇し、電池としての充放電繰り返し性能や高温保存等の諸特性を低下させたり、更には、内部圧力を外に逃がすガス放出弁が作動する場合がある。 When the electrode group occupancy is below the above range, the battery capacity decreases. Also, if the above range is exceeded, the void space is small, the battery expands, and the member expands or the vapor pressure of the electrolyte liquid component increases and the internal pressure rises. In some cases, a gas release valve that lowers various characteristics such as storage at high temperature and the like, or releases the internal pressure to the outside is activated.
[集電構造]
集電構造は特に限定されるものではないが、本発明の非水系電解液による低温放電特性の向上をより効果的に実現するには、配線部分や接合部分の抵抗を低減する構造にすることが好ましい。この様に内部抵抗を低減させた場合、本発明の非水系電解液を使用した効果は特に良好に発揮される。
[Current collection structure]
The current collecting structure is not particularly limited, but in order to more effectively realize the low-temperature discharge characteristics by the non-aqueous electrolyte of the present invention, a structure that reduces the resistance of the wiring part and the joint part should be adopted. Is preferred. Thus, when internal resistance is reduced, the effect of using the non-aqueous electrolyte solution of this invention is exhibited especially favorable.
電極群が前述の積層構造では、各電極層の金属芯部分を束ねて端子に溶接して形成される構造が好適に用いられる。一枚の電極面積が大きくなる場合には、内部抵抗が大きくなるので、電極内に複数の端子を設けて抵抗を低減することも好適に用いられる。電極群が前述の捲回構造では、正極及び負極にそれぞれ複数のリード構造を設け、端子に束ねることにより、内部抵抗を低くすることができる。 In the laminated structure described above, a structure in which the metal core portions of the electrode layers are bundled and welded to the terminals is preferably used. When the area of one electrode increases, the internal resistance increases. Therefore, it is also preferable to provide a plurality of terminals in the electrode to reduce the resistance. When the electrode group has the winding structure described above, the internal resistance can be lowered by providing a plurality of lead structures on the positive electrode and the negative electrode, respectively, and bundling the terminals.
前述の構造を最適化することにより、内部抵抗をできるだけ小さくすることができる。大電流で用いられる電池では、10kHz交流法で測定されるインピーダンス(以下、「直流抵抗成分」と略記する)を10ミリオーム(mΩ)以下にすることが好ましく、直流抵抗成分を5ミリオーム(mΩ)以下にすることがより好ましい。 By optimizing the above structure, the internal resistance can be made as small as possible. In a battery used at a large current, the impedance measured by the 10 kHz AC method (hereinafter abbreviated as “DC resistance component”) is preferably 10 milliohms (mΩ) or less, and the DC resistance component is 5 milliohms (mΩ). It is more preferable to make it below.
直流抵抗成分を0.1ミリオーム(mΩ)以下にすると高出力特性が向上するが、用いられる集電構造材の占める比率が増え、電池容量が減少する場合がある。 When the direct current resistance component is 0.1 milliohm (mΩ) or less, the high output characteristics are improved, but the ratio of the current collecting structure used increases and the battery capacity may decrease.
本発明の非水系電解液は、電極活物質に対するリチウムの脱挿入に係わる反応抵抗の低減に効果があり、それが良好な低温放電特性を実現できる要因になっている。しかし、通常の直流抵抗が10ミリオーム(mΩ)より大きな電池では、直流抵抗に阻害されて反応抵抗低減の効果を低温放電特性に100%反映できない場合がある。そこで、直流抵抗成分の小さな電池を用いることでこれを改善することができ、本発明の非水系電解液の効果を充分に発揮できるようになる。 The non-aqueous electrolyte of the present invention is effective in reducing reaction resistance related to lithium insertion / extraction with respect to the electrode active material, which is a factor that can realize good low-temperature discharge characteristics. However, in a battery having a normal DC resistance greater than 10 milliohms (mΩ), the effect of reducing reaction resistance may not be reflected 100% on the low-temperature discharge characteristics due to inhibition by the DC resistance. Therefore, this can be improved by using a battery having a small DC resistance component, and the effect of the non-aqueous electrolyte solution of the present invention can be sufficiently exhibited.
また、非水系電解液の効果を引き出し、高い低温放電特性をもつ電池を作製するという観点からは、この要件と前述した二次電池の1個の電池外装に収納される電池要素のもつ電気容量(電池を満充電状態から放電状態まで放電したときの電気容量)が、3アンペアーアワー(Ah)以上である、という要件を同時に満たすことが特に好ましい。 Further, from the viewpoint of drawing out the effect of the non-aqueous electrolyte and producing a battery having high low-temperature discharge characteristics, this requirement and the electric capacity of the battery element housed in one battery exterior of the secondary battery described above. It is particularly preferable to satisfy the requirement that (the electric capacity when the battery is discharged from the fully charged state to the discharged state) is 3 ampere hours (Ah) or more at the same time.
[外装ケース]
外装ケースの材質は用いられる非水電解質に対して安定な物質であれば特に限定されるものではない。具体的には、ニッケルめっき鋼板、ステンレス、アルミニウム又はアルミニウム合金、マグネシウム合金等の金属類、又は、樹脂とアルミ箔との積層フィルム(ラミネートフィルム)が用いられる。軽量化の観点から、アルミニウム又はアルミニウム合金の金属、ラミネートフィルムが好適に用いられる。
[Exterior case]
The material of the outer case is not particularly limited as long as it is a substance that is stable with respect to the nonaqueous electrolyte used. Specifically, a nickel-plated steel plate, stainless steel, aluminum, an aluminum alloy, a metal such as a magnesium alloy, or a laminated film (laminate film) of a resin and an aluminum foil is used. From the viewpoint of weight reduction, an aluminum or aluminum alloy metal or a laminate film is preferably used.
前記金属類を用いる外装ケースでは、レーザー溶接、抵抗溶接、超音波溶接により金属同士を溶着して封止密閉構造とするもの、若しくは、樹脂製ガスケットを介して前記金属類を用いてかしめ構造とするものが挙げられる。前記ラミネートフィルムを用いる外装ケースでは、樹脂層同士を熱融着することにより封止密閉構造とするもの等が挙げられる。シール性を上げるために、前記樹脂層の間にラミネートフィルムに用いられる樹脂と異なる樹脂を介在させてもよい。特に、集電端子を介して樹脂層を熱融着して密閉構造とする場合には、金属と樹脂との接合になるので、介在する樹脂として極性基を有する樹脂や極性基を導入した変成樹脂が好適に用いられる。 In the exterior case using the above metals, a laser-sealed, resistance-welded, ultrasonic welding is used to weld the metals together to form a sealed sealed structure, or a caulking structure using the above-mentioned metals via a resin gasket To do. Examples of the outer case using the laminate film include those having a sealed and sealed structure by heat-sealing resin layers. In order to improve the sealing performance, a resin different from the resin used for the laminate film may be interposed between the resin layers. In particular, when a resin layer is heat-sealed through a current collecting terminal to form a sealed structure, a metal and a resin are joined, so that a resin having a polar group or a modified group having a polar group introduced as an intervening resin is used. Resins are preferably used.
[保護素子]
前述の保護素子として、異常発熱や過大電流が流れた時に抵抗が増大するPTC(Positive Temperature Coefficient)、温度ヒューズ、サーミスター、異常発熱時に電池内部圧力や内部温度の急激な上昇により回路に流れる電流を遮断する弁(電流遮断弁)等が挙げられる。前記保護素子は高電流の通常使用で作動しない条件のものを選択することが好ましく、高出力の観点から、保護素子がなくても異常発熱や熱暴走に至らない設計にすることがより好ましい。
[Protective element]
As the above-mentioned protective element, PTC (Positive Temperature Coefficient), which increases resistance when abnormal heat generation or excessive current flows, thermal fuse, thermistor, current that flows in the circuit due to sudden increase in battery internal pressure or internal temperature during abnormal heat generation For example, a valve (current cutoff valve) that shuts off the current can be used. It is preferable to select a protective element that does not operate under normal use at a high current. From the viewpoint of high output, it is more preferable to design the protective element so as not to cause abnormal heat generation or thermal runaway even without the protective element.
[外装体]
本発明の非水系電解液二次電池は、通常、上記の非水系電解液、負極、正極、セパレータ等を外装体内に収納して構成される。この外装体に制限は無く、本発明の効果を著しく損なわない限り公知のものを任意に採用することができる。具体的に、外装体の材質は任意であるが、通常は、例えばニッケルメッキを施した鉄、ステンレス、アルミニウム又はその合金、ニッケル、チタン等が用いられる。
[Exterior body]
The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is usually configured by housing the non-aqueous electrolyte, the negative electrode, the positive electrode, the separator, and the like in an exterior body. There is no restriction | limiting in this exterior body, As long as the effect of this invention is not impaired remarkably, a well-known thing can be employ | adopted arbitrarily. Specifically, the material of the exterior body is arbitrary, but usually, for example, nickel-plated iron, stainless steel, aluminum or an alloy thereof, nickel, titanium, or the like is used.
また、外装体の形状も任意であり、例えば円筒型、角形、ラミネート型、コイン型、大型等の何れであってもよい。 The shape of the exterior body is also arbitrary, and may be any of a cylindrical shape, a square shape, a laminate shape, a coin shape, a large size, and the like.
以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、その要旨を超えない限りこれらの実施例及び比較例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to these examples and comparative examples unless it exceeds the gist.
[正極の製造]
ニッケルとマンガンとコバルトを含むリチウム・遷移金属複合酸化物(LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2)92重量部とポリフッ化ビニリデン(以下適宜、「PVdF」という)4重量部とアセチレンブラック4重量部とを混合し、N−メチルピロリドンを加えてスラリー状にしたものを、アルミニウムからなる集電体の両面に塗布・乾燥して正極を得た。
[Production of positive electrode]
92 parts by weight of lithium / transition metal composite oxide (LiNi 0.33 Mn 0.33 Co 0.33 O 2 ) containing nickel, manganese and cobalt and 4 parts by weight of polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as “PVdF” as appropriate) A mixture obtained by mixing 4 parts by weight of acetylene black and adding N-methylpyrrolidone to form a slurry was applied to both surfaces of a current collector made of aluminum and dried to obtain a positive electrode.
[負極の製造]
グラファイト粉末92重量部と、PVdFを8重量部とを混合し、N−メチルピロリドンを加えスラリー状にしたものを、銅からなる集電体の片面に塗布・乾燥して負極を得た。
[Manufacture of negative electrode]
A mixture of 92 parts by weight of graphite powder and 8 parts by weight of PVdF, and a slurry obtained by adding N-methylpyrrolidone was applied to one side of a current collector made of copper and dried to obtain a negative electrode.
[非水系電解液二次電池の製造]
上記の正極、負極、及びポリエチレン製セパレータを、負極、セパレータ、正極、セパレータ、負極の順に積層した。こうして得られた電池要素を筒状のアルミニウムラミネートフィルムで包み込み、後述する電解液を注入した後で真空封止し、シート状の非水系電解液二次電池を作製した。更に、電極間の密着性を高めるために、ガラス板でシート状電池を挟んで加圧した。
[Manufacture of non-aqueous electrolyte secondary batteries]
The positive electrode, the negative electrode, and the polyethylene separator were laminated in the order of the negative electrode, the separator, the positive electrode, the separator, and the negative electrode. The battery element thus obtained was wrapped in a cylindrical aluminum laminate film, injected with an electrolyte described later, and then vacuum sealed to produce a sheet-like non-aqueous electrolyte secondary battery. Furthermore, in order to improve the adhesion between the electrodes, the sheet-like battery was sandwiched between glass plates and pressurized.
[容量評価]
25℃の恒温槽中、シート状の非水系電解液二次電池を0.2Cで4.4Vまで定電流−定電圧充電(以下適宜、「CCCV充電」という)した後、0.2Cで2.75Vまで放電した。これを3回繰り返してコンディショニングを行なった後、再び0.2Cで4.4VまでCCCV充電し、1Cで2.75Vまで再度放電し、初期放電容量を求めた。充電時のカットオフ電流は何れも0.05Cとした。なお、1Cとは電池の全容量を1時間で放電させる場合の電流値のことである。
[Capacity evaluation]
In a constant temperature bath at 25 ° C., the sheet-like non-aqueous electrolyte secondary battery was charged at a constant current-constant voltage (hereinafter referred to as “CCCV charge” as appropriate) to 0.2 V at 0.2 C, and then 2 at 0.2 C. Discharged to .75V. This was repeated three times, and after conditioning, the CCCV charge was again performed at 0.2 C to 4.4 V, and the discharge was again performed at 1 C to 2.75 V to obtain the initial discharge capacity. The cut-off current during charging was set to 0.05C in all cases. In addition, 1C is a current value when discharging the entire capacity of the battery in one hour.
[4.4V連続充電特性評価]
容量評価試験の終了した電池を60℃の恒温槽に入れ、0.2Cで定電流充電し、4.4Vに到達したところで定電圧充電に切り替えた。14日間充電を行なった後、電池を25℃まで冷却させた。ついで電池をエタノール浴に漬けて浮力を測定(アルキメデスの原理)し、浮力よりガスの発生量を求めた。また連続充電後の容量劣化の程度を評価するため、まず0.2Cで3Vまで放電し、次いで0.2Cで4.4VまでCCCV充電し、更に1Cで2.75Vまで放電して、この時の放電容量(回復容量)を測定し、下記の計算式に従い、連続充電後の容量維持率を求めた。この数値が大きいほど電池の劣化が少ないことを示している。
[4.4V continuous charge characteristics evaluation]
The battery for which the capacity evaluation test was completed was placed in a constant temperature bath at 60 ° C., charged at a constant current of 0.2 C, and switched to constant voltage charging when it reached 4.4V. After charging for 14 days, the battery was cooled to 25 ° C. Next, the battery was immersed in an ethanol bath and the buoyancy was measured (Archimedes principle), and the amount of gas generated was determined from the buoyancy. In addition, in order to evaluate the degree of capacity deterioration after continuous charging, first discharge to 3V at 0.2C, then CCCV charge to 4.4V at 0.2C, and further discharge to 2.75V at 1C. The discharge capacity (recovery capacity) was measured, and the capacity retention rate after continuous charging was determined according to the following formula. A larger value indicates less battery deterioration.
連続充電7日後の容量維持率(%)
=(連続充電7日後の回復容量/初期放電容量)×100
Capacity maintenance rate after 7 days of continuous charging (%)
= (Recovery capacity after 7 days of continuous charge / initial discharge capacity) x 100
実施例1
環状カーボネートであるエチレンカーボネート(EC)と鎖状カーボネートであるエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(混合体積比2:8、重量比24.7:75.3)に、電解質であるLiPF6を1mol/Lの割合で溶解したものをベース電解液(I)とし、このベース電解液(I)に、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン及びビニレンカーボネート(VC)を、非水系電解液に対する濃度がそれぞれ0.1質量%及び1質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行った。結果を表1示す。
Example 1
LiPF 6 as an electrolyte is mixed with a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) as a cyclic carbonate and ethyl methyl carbonate (EMC) as a chain carbonate (mixing volume ratio 2: 8, weight ratio 24.7: 75.3). Was dissolved at a rate of 1 mol / L as a base electrolyte (I), and 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane and vinylene carbonate (VC) were added to the base electrolyte (I) in a non-aqueous system. Using the non-aqueous electrolyte solution added so that the concentration with respect to the electrolyte solution is 0.1% by mass and 1% by mass, respectively, a non-aqueous electrolyte secondary battery is manufactured according to the above-described method, and capacity evaluation and 4.4V are performed. Continuous charging characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.
実施例2
ベース電解液(I)に、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン及びフルオロエチレンカーボネート(FEC)を、非水系電解液に対する濃度がそれぞれ0.1質量%及び1質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行った。結果を表1示す。
Example 2
1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane and fluoroethylene carbonate (FEC) are added to the base electrolyte (I) so that the concentration with respect to the non-aqueous electrolyte is 0.1% by mass and 1% by mass, respectively. Using the added non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced according to the method described above, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
実施例3
ベース電解液(I)に、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン及びジフルオロ燐酸リチウム(LiPO2F2)を、非水系電解液に対する濃度が、それぞれ0.1質量%及び0.5質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行った。結果を表1示す。
Example 3
In the base electrolyte (I), 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane and lithium difluorophosphate (LiPO 2 F 2 ) were added at a concentration of 0.1% by mass and 0.5% with respect to the non-aqueous electrolyte, respectively. A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared according to the above-described method using the non-aqueous electrolyte added so as to be in mass%, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
実施例4
ベース電解液(I)に、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカンを、非水系電解液に対する濃度が0.02質量%となるように加えて非水系電解液とした。得られた非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。
Example 4
1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane was added to the base electrolyte (I) so that the concentration with respect to the non-aqueous electrolyte was 0.02% by mass to obtain a non-aqueous electrolyte. Using the obtained non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced according to the above-described method, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
実施例5
ベース電解液(I)に、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカンを、非水系電解液に対する濃度が0.05質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。
Example 5
As described above, a non-aqueous electrolyte solution in which 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane was added to the base electrolyte solution (I) so that the concentration with respect to the non-aqueous electrolyte solution was 0.05% by mass was used. A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared according to the method, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
実施例6
ベース電解液(I)に、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカンを、非水系電解液に対する濃度が0.1質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。
Example 6
As described above, a non-aqueous electrolyte solution in which 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane was added to the base electrolyte solution (I) so that the concentration with respect to the non-aqueous electrolyte solution was 0.1% by mass was used. A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared according to the method, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
実施例7
ベース電解液(I)に、1,4,7,10−テトラアザシクロドデカンを、非水系電解液に対する濃度が0.1質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。
Example 7
As described above, a non-aqueous electrolyte solution in which 1,4,7,10-tetraazacyclododecane was added to the base electrolyte solution (I) so as to have a concentration of 0.1% by mass with respect to the non-aqueous electrolyte solution was used. A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared according to the method, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
実施例8
ベース電解液(I)に、1,4,8,11−テトラメチル−1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカンを、非水系電解液に対する濃度が0.1質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。
Example 8
1,4,8,11-tetramethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane is added to the base electrolyte (I) so that the concentration with respect to the non-aqueous electrolyte is 0.1% by mass Using the non-aqueous electrolyte solution, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced according to the method described above, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
実施例9
ベース電解液(I)に、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン−5,7−ジオンを、非水系電解液に対する濃度が0.1質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。
Example 9
A nonaqueous electrolytic solution obtained by adding 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-5,7-dione to the base electrolytic solution (I) so that the concentration with respect to the nonaqueous electrolytic solution is 0.1% by mass. A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared according to the method described above, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
実施例10
ベース電解液(I)に、シクロ(β−アラニルグリシル−β−アラニルグリシル)を、非水系電解液に対する濃度が0.02質量%となるように添加した非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。
Example 10
According to the above-described method, a non-aqueous electrolyte solution in which cyclo (β-alanylglycyl-β-alanylglycyl) was added to the base electrolyte solution (I) so that the concentration with respect to the non-aqueous electrolyte solution was 0.02% by mass was used. A non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
実施例11
環状カーボネートであるエチレンカーボネート(EC)と鎖状カーボネートであるエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(混合体積比1:9、重量比12.7:87.3)に、電解質であるLiPF6を1mol/Lの割合で溶解したものをベース電解液(II)とし、このベース電解液(II)に、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカンを、非水系電解液に対する濃度が0.1質量%となるように加えて非水系電解液とした。得られた非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。
Example 11
LiPF 6 as an electrolyte was mixed with a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) as a cyclic carbonate and ethyl methyl carbonate (EMC) as a chain carbonate (mixing volume ratio 1: 9, weight ratio 12.7: 87.3). Was dissolved at a rate of 1 mol / L as the base electrolyte (II), and 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane was added to the base electrolyte (II) at a concentration of 0 with respect to the non-aqueous electrolyte. In addition, a non-aqueous electrolyte was added so as to be 1% by mass. Using the obtained non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced according to the above-described method, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
実施例12
環状カーボネートであるフルオロエチレンカーボネート(FEC)と鎖状カーボネートであるエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(混合体積比1:9、重量比14.2:85.8)に、電解質であるLiPF6を1mol/Lの割合で溶解したものをベース電解液(III)とし、このベース電解液(III)に、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカンを、非水系電解液に対する濃度が0.1質量%となるように加えて非水系電解液とした。得られた非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。
Example 12
LiPF, which is an electrolyte, in a mixed solvent of fluoroethylene carbonate (FEC), which is a cyclic carbonate, and ethyl methyl carbonate (EMC), which is a chain carbonate (mixing volume ratio 1: 9, weight ratio 14.2: 85.8). 6 was dissolved at a rate of 1 mol / L as a base electrolyte (III), and 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane was added to this base electrolyte (III) at a concentration of non-aqueous electrolyte. A non-aqueous electrolyte was added to the content of 0.1% by mass. Using the obtained non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced according to the above-described method, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
実施例13
環状カーボネートであるエチレンカーボネート(EC)と鎖状カーボネートであるエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(混合体積比3:7、重量比36.0:64.0)に、電解質であるLiPF6を1mol/Lの割合で溶解したものをベース電解液(IV)とし、このベース電解液(IV)に、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカンを、非水系電解液に対する濃度が0.1質量%となるように加えて非水系電解液とした。得られた非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。
Example 13
LiPF 6 as an electrolyte was mixed with a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) as a cyclic carbonate and ethyl methyl carbonate (EMC) as a chain carbonate (mixing volume ratio 3: 7, weight ratio 36.0: 64.0). Was dissolved at a rate of 1 mol / L as a base electrolyte (IV), and 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane was added to this base electrolyte (IV) at a concentration of 0 with respect to the non-aqueous electrolyte. In addition, a non-aqueous electrolyte was added so as to be 1% by mass. Using the obtained non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced according to the above-described method, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
実施例14
環状カーボネートであるエチレンカーボネート(EC)と鎖状カーボネートであるエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(混合体積比4:6、重量比46.7:53.4)に、電解質であるLiPF6を1mol/Lの割合で溶解したものをベース電解液(V)とし、このベース電解液(V)に、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン−5,7−ジオンを、非水系電解液に対する濃度が0.1質量%となるように加えて非水系電解液とした。得られた非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。
Example 14
LiPF 6 as an electrolyte is mixed with a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) as a cyclic carbonate and ethyl methyl carbonate (EMC) as a chain carbonate (mixing volume ratio 4: 6, weight ratio 46.7: 53.4). Was dissolved at a rate of 1 mol / L as a base electrolyte (V), and 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-5,7-dione was added to this base electrolyte (V) in a non-aqueous system. A non-aqueous electrolyte was added in such a way that the concentration with respect to the electrolyte was 0.1% by mass. Using the obtained non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced according to the above-described method, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
実施例15
環状カーボネートであるエチレンカーボネート(EC)及びプロピレンカーボネート(PC)との混合溶媒(混合体積比5:5、重量比52.4:47.6)に、電解質であるLiPF6を1mol/Lの割合で溶解したものをベース電解液(VI)とし、このベース電解液(VI)に、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン−5,7−ジオンを、非水系電解液に対する濃度が0.1質量%となるように加えて非水系電解液とした。得られた非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。環状ポリアミド化合物を添加した場合には、溶媒として使用できる環状カーボネートの重量比に制限がないことがわかる。
Example 15
A ratio of 1 mol / L of LiPF 6 as an electrolyte to a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) as a cyclic carbonate (mixing volume ratio 5: 5, weight ratio 52.4: 47.6). The base electrolyte (VI) was dissolved in this solution, and 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-5,7-dione was added to the base electrolyte (VI) at a concentration of 0 with respect to the non-aqueous electrolyte. In addition, a non-aqueous electrolyte was added so as to be 1% by mass. Using the obtained non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced according to the above-described method, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1. When a cyclic polyamide compound is added, it turns out that there is no restriction | limiting in the weight ratio of the cyclic carbonate which can be used as a solvent.
比較例1
ベース電解液(I)そのものを用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。
Comparative Example 1
Using the base electrolyte (I) itself, a non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared according to the method described above, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
比較例2
環状カーボネートであるエチレンカーボネート(EC)と鎖状カーボネートであるエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(混合体積比35:65、重量比41.4:58.6)に、電解質であるLiPF6を1mol/Lの割合で溶解したものをベース電解液(VII)とし、このベース電解液(VII)に、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカンを、非水系電解液に対する濃度が0.1質量%となるように加えて非水系電解液とした。得られた非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。
Comparative Example 2
LiPF 6 as an electrolyte is mixed with a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) as a cyclic carbonate and ethyl methyl carbonate (EMC) as a chain carbonate (mixing volume ratio 35:65, weight ratio 41.4: 58.6). Was dissolved at a rate of 1 mol / L as the base electrolyte (VII), and 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane was added to the base electrolyte (VII) at a concentration of 0 with respect to the non-aqueous electrolyte. In addition, a non-aqueous electrolyte was added so as to be 1% by mass. Using the obtained non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced according to the above-described method, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
比較例3
環状カーボネートであるエチレンカーボネート(EC)と鎖状カーボネートであるエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(混合体積比4:6、重量比46.7:53.4)に、電解質であるLiPF6を1mol/Lの割合で溶解したものをベース電解液(V)とし、このベース電解液(V)に、1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカンを、非水系電解液に対する濃度が0.1質量%となるように加えて非水系電解液とした。得られた非水系電解液を用いて、上述した方法に従って非水系電解液二次電池を作製し、容量評価及び4.4V連続充電特性評価を行なった。結果を表1に示す。
Comparative Example 3
LiPF 6 as an electrolyte is mixed with a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) as a cyclic carbonate and ethyl methyl carbonate (EMC) as a chain carbonate (mixing volume ratio 4: 6, weight ratio 46.7: 53.4). Was dissolved at a rate of 1 mol / L as the base electrolyte (V), and 1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane was added to the base electrolyte (V) at a concentration of 0 with respect to the non-aqueous electrolyte. In addition, a non-aqueous electrolyte was added so as to be 1% by mass. Using the obtained non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte secondary battery was produced according to the above-described method, and capacity evaluation and 4.4 V continuous charge characteristic evaluation were performed. The results are shown in Table 1.
表1中の環状ポリアミン化合物又は環状ポリアミド化合物の記号は以下の通りである。
cyclam:
1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン
cyclen:
1,4,7,10−テトラアザシクロドデカン
TM−cyclam:
1,4,8,11−テトラメチル−1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン
DO−cyclam:
1,4,8,11−テトラアザシクロテトラデカン−5,7−ジオン
TetO−cyclam:
シクロ(β−アラニルグリシル−β−アラニルグリシル)
The symbols of the cyclic polyamine compound or cyclic polyamide compound in Table 1 are as follows.
cyclam:
1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane cyclen:
1,4,7,10-Tetraazacyclododecane TM-cyclam:
1,4,8,11-Tetramethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane DO-cyclam:
1,4,8,11-tetraazacyclotetradecane-5,7-dione TetO-cyclam:
Cyclo (β-alanylglycyl-β-alanylglycyl)
表1中、「不飽和カーボネート、フッ素含有カーボネート、モノフルオロ燐酸塩及びジフルオロ燐酸塩からなる群より選ばれた少なくとも1つの化合物」を「特定化合物」といい、「特定化合物」の記号は以下の通りである。
VC :ビニレンカーボネート
FEC :フルオロエチレンカーボネート
LiPO2F2:ジフルオロ燐酸リチウム
In Table 1, “at least one compound selected from the group consisting of unsaturated carbonates, fluorine-containing carbonates, monofluorophosphates and difluorophosphates” is referred to as “specific compound”, and the symbol of “specific compound” is as follows: Street.
VC : Vinylene carbonate FEC : Fluoroethylene carbonate LiPO 2 F 2 : Lithium difluorophosphate
上記表1から明らかなように、本発明に係る非水系電解液を用いれば連続充電特性が改善された(実施例1〜15)。一方、本発明に係る非水系電解液でないもの(態様1、態様2、態様3の何れにも該当しない非水系電解液)では、連続充電特性が劣っていた(比較例1〜3)。また、比較例2及び比較例3のように、非水系有機溶媒が環状ポリアミン化合物を含有し、更に、40質量%を超える環状カーボネートを含有した場合も、連続充電特性が劣っていた。 As apparent from Table 1 above, the continuous charge characteristics were improved by using the non-aqueous electrolyte solution according to the present invention (Examples 1 to 15). On the other hand, the non-aqueous electrolyte solution according to the present invention (non-aqueous electrolyte solution that does not correspond to any of Embodiment 1, Embodiment 2, and Embodiment 3) had poor continuous charge characteristics (Comparative Examples 1 to 3). In addition, as in Comparative Example 2 and Comparative Example 3, when the non-aqueous organic solvent contained a cyclic polyamine compound and further contained a cyclic carbonate exceeding 40% by mass, the continuous charge characteristics were inferior.
本発明の非水系電解液を用いた非水系電解液二次電池は、高い容量を維持し、連続充電特性等に優れているため、公知の各種の用途に用いることが可能である。具体例としては、例えば、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、モーター、自動車、バイク、原動機付自転車、自転車、照明器具、玩具、ゲーム機器、時計、電動工具、ストロボ、カメラ等を挙げることができる。 Since the non-aqueous electrolyte secondary battery using the non-aqueous electrolyte of the present invention maintains a high capacity and is excellent in continuous charge characteristics and the like, it can be used for various known applications. Specific examples include, for example, notebook computers, pen input computers, mobile computers, electronic book players, mobile phones, mobile faxes, mobile copy, mobile printers, headphone stereos, video movies, LCD TVs, handy cleaners, portable CDs, minidiscs. , Walkie Talkie, Electronic Notebook, Calculator, Memory Card, Portable Tape Recorder, Radio, Backup Power Supply, Motor, Car, Motorcycle, Motorbike, Bicycle, Lighting Equipment, Toy, Game Equipment, Clock, Electric Tool, Strobe, Camera, etc. Can be mentioned.
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