JP2012129095A - Bipolar electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水電解質二次電池用バイポーラ電極、それを用いた非水電解質二次電池、およびその非水電解質二次電池を用いた組電池に関するものである。 The present invention relates to a bipolar electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, a non-aqueous electrolyte secondary battery using the bipolar electrode, and an assembled battery using the non-aqueous electrolyte secondary battery.
近年、携帯機器、電動自転車、ハイブリット自動車、電気自動車、家庭用蓄電用途に非水電解質二次電池の研究開発が盛んにおこなわれている。この非水電解質二次電池は、各用途に応じた出力を発現するために複数の電池を直列に接続して用いる必要がある。しかしながら、複数の電池を直列する場合、各電池の接続部の電気抵抗による出力低下や、接続部に空間を要するため、出力密度、エネルギー密度が低下するという問題点がある。この問題点を解決するために、特許文献1のようなバイポーラ電池が開発されている。バイポーラ電池とは、集電体の一方の面に正極、他方に負極を形成したバイポーラ電極が電解質層を介して複数積層された構成、すなわち、電池内で単電池が積層方向に直列に接続された電池である。この構成から、電池を高電圧化、コンパクト化することができるため、電池を高出力密度化、高エネルギー密度化することが可能となる。しかしながら、このバイポーラ電池は、電極劣化により一部の単電池部分の容量が減少した場合、他の単電池部分よりも充電が早く完了しても、他の電池が充電完了するまで電流が流れ続けるため、容量の減少した単電池部分が過充電状態となり、電池が破損するという問題点がある。特に、特許文献1のような正極にマンガン酸リチウムを用いる場合は、サイクル運転時の安定性が低いため、前記問題が発生しやすい。 In recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries have been actively researched and developed for portable devices, electric bicycles, hybrid cars, electric cars, and household power storage applications. This nonaqueous electrolyte secondary battery needs to be used by connecting a plurality of batteries in series in order to develop an output corresponding to each application. However, when a plurality of batteries are connected in series, there is a problem that the output density and energy density are reduced because the output decreases due to the electrical resistance of the connection part of each battery and the connection part requires a space. In order to solve this problem, a bipolar battery as disclosed in Patent Document 1 has been developed. A bipolar battery has a structure in which a plurality of bipolar electrodes, each having a positive electrode on one side of a current collector and a negative electrode on the other, are stacked via an electrolyte layer, that is, a single cell is connected in series in the stacking direction within the battery. Battery. With this configuration, since the battery can be increased in voltage and compact, it is possible to increase the output density and energy density of the battery. However, in this bipolar battery, when the capacity of a part of the single battery portion is reduced due to electrode deterioration, even if charging is completed earlier than other single battery parts, the current continues to flow until the other battery is fully charged. For this reason, there is a problem in that the unit cell portion with reduced capacity is overcharged and the battery is damaged. In particular, when lithium manganate is used for the positive electrode as in Patent Document 1, the problem is likely to occur because the stability during cycle operation is low.
本発明の課題は、優れたサイクル安定性を発現する非水電解質二次電池用バイポーラ電極を提供することである。つまり、サイクル安定性に優れる正極活物質を用いてなる非水電解質二次電池用バイポーラ電極を提供することである。 An object of the present invention is to provide a bipolar electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery that exhibits excellent cycle stability. That is, it is to provide a bipolar electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery using a positive electrode active material excellent in cycle stability.
上記事情に鑑み、本発明者が鋭意検討を重ねた結果、異元素をドープしたマンガン酸リチウムを用いて電極の安定性を向上させることによって、サイクル運転時に各電極のバラつきの発生を抑え、サイクル安定性のよいバイポーラ電池を得られることに成功し、本発明を完成するに至った。 In view of the above circumstances, as a result of repeated extensive studies by the present inventors, by improving the stability of the electrode using lithium manganate doped with a different element, the occurrence of variations in each electrode during cycle operation is suppressed, and the cycle The inventors have succeeded in obtaining a bipolar battery with good stability and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、集電体の一方の面にLi1+xMyMn2―x―yO4(0≦x≦0.2、0<y≦0.6、Mは2〜13族でかつ第3〜4周期に属する元素からなる群から選択される少なくとも1種)で表される正極活物質を含む正極、他方の面にチタン酸リチウムを含む負極が形成されてなる、非水電解質二次電池用バイポーラ電極である。 That is, the present invention, Li 1 on one face of the current collector + x M y Mn 2 - x - y O 4 (0 ≦ x ≦ 0.2,0 <y ≦ 0.6, M is 2 to 13 A positive electrode containing a positive electrode active material represented by at least one selected from the group consisting of elements belonging to the group and belonging to the third to fourth periods), a negative electrode containing lithium titanate on the other surface, It is a bipolar electrode for water electrolyte secondary batteries.
本発明の非水電解質二次電池用バイポーラ電極において、Li1+xMyMn2―x―yO4(0≦x≦0.2、0<y≦0.6)に含まれるMが、Al、Mg、Zn、Ni、Co、FeおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。 In the non-aqueous electrolyte secondary battery bipolar electrode of the present invention, Li 1 + x M y Mn 2 - x - y O 4 (0 ≦ x ≦ 0.2,0 <y ≦ 0.6) M contained in the It is preferably at least one selected from the group consisting of Al, Mg, Zn, Ni, Co, Fe and Cr.
本発明の非水電解質二次電池用バイポーラ電極において、チタン酸リチウムはスピネル構造であることが好ましい。 In the bipolar electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the lithium titanate preferably has a spinel structure.
本発明の非水電解質二次電池用バイポーラ電極において、集電体がアルミニウムであることが好ましい。 In the bipolar electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the current collector is preferably aluminum.
本発明の非水電解質二次電池用バイポーラ電極は、正極の電気容量と負極の電気容量とが下記式(1)を満たすことが好ましい。
1≦B/A≦1.2 (1)
(但し、Aは正極1cm2あたりの電気容量、B:負極1cm2あたりの電気容量)
本発明の非水電解質二次電池は、本発明の非水二次電池用バイポーラ電極を備える。
In the bipolar electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the positive electrode capacity and the negative electrode capacity preferably satisfy the following formula (1).
1 ≦ B / A ≦ 1.2 (1)
(However, A is the electric capacity per 1 cm 2 of the positive electrode, B: electric capacity per 1 cm 2 of the negative electrode)
The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes the bipolar electrode for a nonaqueous secondary battery of the present invention.
本発明の組電池は、本発明の非水二次電池を複数個接続してなる。 The assembled battery of the present invention is formed by connecting a plurality of nonaqueous secondary batteries of the present invention.
本発明の非水電解質二次電池用バイポーラ電極を用いることによって、サイクル安定性に優れた非水電解質二次電池を提供することができる。 By using the bipolar electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, a non-aqueous electrolyte secondary battery excellent in cycle stability can be provided.
本発明の一実施形態について説明すれば以下の通りである。なお、本発明は以下の説明に限定されるものではない。 An embodiment of the present invention will be described as follows. The present invention is not limited to the following description.
<1.正極>
本発明のバイポーラ電極における正極はLi1+xMyMn2―x―yO4(0≦x≦0.2、0<y≦0.6、Mは2〜13族でかつ第3〜4周期に属する元素からなる群から選ばれる少なくとも1種)で表される正極活物質(以下、「本発明の正極活物質」と称することがある。)を含むことを特徴とする。Mは、2〜13族でかつ第3〜4周期に属する元素から選ばれる少なくとも1種であるが、安定性向上の効果が大きい点から、Al、Mg、Zn、Ni、Co、FeおよびCrが好ましく、Al、Mg、Zn、NiおよびCrがより好ましく、Al、Mg、ZnおよびNiがさらに好ましい。x<0の場合は、正極活物質の容量が減少する傾向がある。また、x>0.2の場合は炭酸リチウムなどの不純物が多く含まれるようになる傾向がある。y=0の場合は、正極活物質の安定性が低くなる傾向がある。また、y>0.6の場合はMの酸化物などの不純物が多く含まれるようになる傾向がある。
<1. Positive electrode>
Positive in the bipolar electrode of the present invention is Li 1 + x M y Mn 2 - x - y O 4 (0 ≦ x ≦ 0.2,0 <y ≦ 0.6, M is 2-13 Group a and the third to And a positive electrode active material (hereinafter, also referred to as “positive electrode active material of the present invention”) represented by at least one selected from the group consisting of elements belonging to four periods. M is at least one selected from elements belonging to Groups 2 to 13 and belonging to the 3rd to 4th periods, but Al, Mg, Zn, Ni, Co, Fe, and Cr are effective in improving stability. Are preferred, Al, Mg, Zn, Ni and Cr are more preferred, and Al, Mg, Zn and Ni are even more preferred. When x <0, the capacity of the positive electrode active material tends to decrease. Further, when x> 0.2, there is a tendency that many impurities such as lithium carbonate are included. When y = 0, the stability of the positive electrode active material tends to be low. Further, when y> 0.6, a large amount of impurities such as M oxide tends to be contained.
本発明の正極活物質は、スピネル構造であることが好ましい。スピネル構造の場合、リチウムイオンの挿入・脱離の反応における活物質の膨張収縮が小さいので好ましい。 The positive electrode active material of the present invention preferably has a spinel structure. The spinel structure is preferable because the expansion and contraction of the active material in the lithium ion insertion / extraction reaction is small.
本発明の正極活物質は、CuKαによる粉末X線回折の(400)面の半値幅が0.5°以下であることが好ましい。0.5°より大きいと、正極活物質の結晶性が低いため、電極の安定性が低下する場合がある。 The positive electrode active material of the present invention preferably has a half width of (400) plane of powder X-ray diffraction by CuKα of 0.5 ° or less. When it is larger than 0.5 °, the crystallinity of the positive electrode active material is low, and thus the stability of the electrode may be lowered.
本発明の正極活物質は、X線回折によるリートベルト解析法による8aサイトに占めるリチウム含有率は、90%以上であることが好ましい。90%未満であると、正極活物質の結晶中の欠陥が多いため、電極の安定性が低下する場合がある。 The positive electrode active material of the present invention preferably has a lithium content of 90% or more in the 8a site according to the Rietveld analysis method by X-ray diffraction. If it is less than 90%, there are many defects in the crystal of the positive electrode active material, and the stability of the electrode may be lowered.
本発明の正極活物質の粒子径は、0.5μm以上50μm以下であることが好ましく、1μm以上30μm以下であることは取り扱いの観点からさらに好ましい。ここでの粒子径はSEM、TEM像から各粒子の大きさを測定し、平均粒子径を算出した値である。 The particle diameter of the positive electrode active material of the present invention is preferably 0.5 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 1 μm or more and 30 μm or less from the viewpoint of handling. The particle diameter here is a value obtained by measuring the size of each particle from the SEM and TEM images and calculating the average particle diameter.
本発明の正極活物質の比表面積は、0.1m2/g以上50m2/g以下であることは所望の出力密度を得やすいことから好ましい。比表面積はBET法での測定により算出できる。 The specific surface area of the positive electrode active material of the present invention is preferably 0.1 m 2 / g or more and 50 m 2 / g or less because a desired output density is easily obtained. The specific surface area can be calculated by measurement by the BET method.
本発明の正極活物質の嵩密度は、0.2g/cm3以上2.0g/cm3以下であることが好ましい。0.2g/cm3未満の場合では後述のスラリー作製時に多量の溶媒が必要となるため経済的に不利となり、2.0g/cm3より大きい場合では後述の導電助材、バインダーとの混合が困難となる傾向がある。 The positive electrode active material of the present invention preferably has a bulk density of 0.2 g / cm 3 or more and 2.0 g / cm 3 or less. 0.2 g / cm economically be disadvantageous because it requires a large amount of solvent in the step of preparing the slurry below in the case of less than 3, 2.0 g / cm 3 conductive agent described later is greater than, it is mixed with a binder It tends to be difficult.
本発明の正極活物質は、リチウム化合物、マンガン化合物、Mの化合物を500℃以上、1500℃以下で加熱処理することによって得ることができる。500℃未満、または1500℃より高いと、所望の構造をした正極活物質を得ることができない場合がある。加熱処理は、リチウム化合物、マンガン化合物、およびMの化合物を混合して加熱処理もよいし、マンガン化合物とMの化合物とを加熱処理した後に、リチウム化合物と加熱処理してもよい。正極活物質の結晶性を向上させるため、加熱処理後、再び500℃以上、1500℃以下で再加熱処理してもよい。再加熱処理の温度は、最初におこなった温度と同じでもよいし、違っていてもよい。加熱処理は、空気存在下でもよいし、窒素あるいはアルゴンなどの不活性ガスの存在下でおこなってもよい。加熱処理には、特に限定されないが、例えば、箱型炉、管状炉、トンネル炉、ロータリーキルン等を用いることができる。 The positive electrode active material of the present invention can be obtained by heat-treating a lithium compound, a manganese compound, and an M compound at 500 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. When the temperature is lower than 500 ° C. or higher than 1500 ° C., a positive electrode active material having a desired structure may not be obtained. The heat treatment may be performed by mixing a lithium compound, a manganese compound, and a compound of M, or may be heat-treated with a lithium compound after heat-treating the manganese compound and the M compound. In order to improve the crystallinity of the positive electrode active material, after the heat treatment, the heat treatment may be performed again at 500 ° C. or more and 1500 ° C. or less. The temperature of the reheating treatment may be the same as or different from the initial temperature. The heat treatment may be performed in the presence of air or in the presence of an inert gas such as nitrogen or argon. Although it does not specifically limit in heat processing, For example, a box furnace, a tubular furnace, a tunnel furnace, a rotary kiln etc. can be used.
リチウム化合物としては、例えば、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、シュウ酸リチウム、ハロゲン化リチウムなどを用いることができる。これらリチウム化合物は、1種類でもよいし、2種類以上用いてもよい。 As the lithium compound, for example, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium nitrate, lithium acetate, lithium oxalate, lithium halide and the like can be used. These lithium compounds may be used alone or in combination of two or more.
マンガン化合物としては、例えば、二酸化マンガン等のマンガン酸化物、炭酸マンガン、硝酸マンガン、マンガン水酸化物などを用いることができる。これらマンガン化合物は、1種類でもよいし、2種類以上用いてもよい。 As the manganese compound, for example, manganese oxide such as manganese dioxide, manganese carbonate, manganese nitrate, manganese hydroxide and the like can be used. These manganese compounds may be used alone or in combination of two or more.
Mの化合物としては、例えば、炭酸化物、酸化物、硝酸化物、水酸化物、硫酸化物などを用いることができる。Li1+xMyMn2―x―yO4に含まれるMの量は、加熱処理時におけるMの化合物の量で制御することができる。Mの化合物は、1種類でもよいし、2種類以上用いてもよい。 As the compound of M, for example, carbonate, oxide, nitrate, hydroxide, sulfate and the like can be used. Li 1 + x M y Mn 2 - x - amount of M contained in y O 4 can be controlled by the amount of the compound of M in the heat treatment. One type of M compound may be used, or two or more types may be used.
リチウム化合物、マンガン化合物およびMの化合物の配合比は、リチウム、マンガンおよびMの原子比をそれぞれ1+x(リチウム)、2−x−y(マンガン)、およびy(M)、但し、0≦x≦0.2、0<y≦0.6を満たす範囲で選択される。例えば、Mn/Liの原子比1.5の正極活物質を作製する場合、原料の性状や加熱条件によって前記配合比1.5前後で多少の幅をもたせてもよい。 The compounding ratio of the lithium compound, the manganese compound and the compound of M is such that the atomic ratio of lithium, manganese and M is 1 + x (lithium), 2-xy (manganese), and y (M), respectively, where 0 ≦ x ≦ It is selected in a range satisfying 0.2, 0 <y ≦ 0.6. For example, when a positive electrode active material having an atomic ratio of 1.5 of Mn / Li is produced, a slight width may be provided around the blending ratio of 1.5 depending on the properties of the raw materials and heating conditions.
本発明の正極活物質の表面には、導電性向上、あるいは安定性向上のため、炭素材料、金属酸化物、あるいは高分子等で覆われてもよい。 The surface of the positive electrode active material of the present invention may be covered with a carbon material, a metal oxide, a polymer, or the like in order to improve conductivity or stability.
本発明の正極には導電助材を含有させてもよい。導電助材としては、特に限定されないが、炭素材料が好ましい。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、およびファーネスブラックなどが挙げられる。これら炭素材料は1種類でもよいし、2種類以上用いてもよい。 The positive electrode of the present invention may contain a conductive additive. Although it does not specifically limit as a conductive support material, A carbon material is preferable. Examples thereof include natural graphite, artificial graphite, vapor grown carbon fiber, carbon nanotube, acetylene black, ketjen black, and furnace black. These carbon materials may be used alone or in combination of two or more.
本発明の正極に含まれる導電助材の量は、正極活物質100重量部に対して、好ましくは1重量部以上30重量部以下、より好ましくは2重量部以上15重量部以下である。上記範囲であれば、正極の導電性が確保される。また、後述のバインダーとの接着性が維持され、集電体との接着性が十分に得ることができる。 The amount of the conductive additive contained in the positive electrode of the present invention is preferably 1 part by weight or more and 30 parts by weight or less, more preferably 2 parts by weight or more and 15 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the positive electrode active material. If it is the said range, the electroconductivity of a positive electrode will be ensured. Moreover, adhesiveness with the below-mentioned binder is maintained, and adhesiveness with a collector can fully be obtained.
本発明の正極にはバインダーを含有させてよい。バインダーは、特に限定されないが、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム、ポリイミド、およびそれらの誘導体からなる群からえらばれる少なくとも1種を用いることができる。バインダーは正極の作製しやすさから、非水溶媒または水に溶解または分散されていることが好ましい。非水溶媒は、特に限定されないが、例えば、N−メチル−2−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、酢酸メチル、酢酸エチル、およびテトラヒドロフランなどを挙げることができる。これらに分散剤、増粘剤を加えてもよい。 The positive electrode of the present invention may contain a binder. The binder is not particularly limited, and for example, at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber, polyimide, and derivatives thereof can be used. . The binder is preferably dissolved or dispersed in a non-aqueous solvent or water from the viewpoint of easy production of the positive electrode. The non-aqueous solvent is not particularly limited, and examples thereof include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, methyl acetate, ethyl acetate, and tetrahydrofuran. You may add a dispersing agent and a thickener to these.
本発明の正極に含まれるバインダーの量は、正極活物質100重量部に対して、好ましくは1重量部以上30重量部以下、より好ましくは2重量部以上15重量部以下である。上記範囲であれば、正極活物質と導電助材との接着性が維持され、集電体との接着性が十分に得ることができる。 The amount of the binder contained in the positive electrode of the present invention is preferably 1 part by weight or more and 30 parts by weight or less, more preferably 2 parts by weight or more and 15 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the positive electrode active material. If it is the said range, the adhesiveness of a positive electrode active material and a conductive support material will be maintained, and adhesiveness with a collector can fully be acquired.
本発明の正極の作製方法としては、正極活物質、導電助材、およびバインダーの混合物を集電体上に塗工することによって作製する方法が挙げられるが、作製方法の容易さから、前記混合物および溶媒でスラリーを作製し、得られたスラリーを集電体上に塗工した後に、溶媒を除去することによって正極を作製する方法が好ましい。 Examples of the method for producing the positive electrode of the present invention include a method of producing a positive electrode active material, a conductive additive, and a binder by coating a current collector on the current collector. A method of producing a positive electrode by preparing a slurry with a solvent and coating the obtained slurry on a current collector and then removing the solvent is preferable.
スラリーの作製は、特に限定されないが、正極活物質、導電助材、バインダー、および溶媒を均一に混合できることから、ボールミル、プラネタリミキサ、ジェットミル、薄膜旋回型ミキサーを用いることが好ましい。スラリーの作製は、特に限定されないが、正極活物質、導電助材、およびバインダーを混合した後に溶媒を加えて作製してもよいし、正極活物質、導電助材、バインダー、および溶媒を一緒に混合して作製してもよい。 Although the production of the slurry is not particularly limited, it is preferable to use a ball mill, a planetary mixer, a jet mill, or a thin film swirl mixer because the positive electrode active material, the conductive additive, the binder, and the solvent can be mixed uniformly. Although the preparation of the slurry is not particularly limited, it may be prepared by mixing the positive electrode active material, the conductive additive, and the binder and then adding a solvent, or the positive electrode active material, the conductive additive, the binder, and the solvent may be combined together. You may mix and produce.
スラリーの固形分濃度は、30wt%以上80wt%以下であることが好ましい。30wt%未満の場合スラリーの粘度が低すぎる傾向があるため、一方、80wt%より高い場合はスラリーの粘度が高すぎる傾向があるため、後述の電極の形成が困難となる場合がある。 The solid content concentration of the slurry is preferably 30 wt% or more and 80 wt% or less. If it is less than 30 wt%, the viscosity of the slurry tends to be too low. On the other hand, if it is higher than 80 wt%, the viscosity of the slurry tends to be too high, so that it may be difficult to form an electrode described later.
スラリーに用いる溶媒は、非水溶媒、あるいは水であることが好ましい。非水溶媒は、特に限定されないが、例えば、N−メチル−2−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、酢酸メチル、酢酸エチル、およびテトラヒドロフランなどを挙げることができる。また、これらに分散剤、増粘剤を加えてもよい。 The solvent used for the slurry is preferably a non-aqueous solvent or water. The non-aqueous solvent is not particularly limited, and examples thereof include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, methyl acetate, ethyl acetate, and tetrahydrofuran. Moreover, you may add a dispersing agent and a thickener to these.
集電体上への正極の形成は、特に限定されないが、例えば上記スラリーをドクターブレード、ダイコータ、コンマコータ等により塗布した後に、溶剤を除去する方法、あるいはスプレーにより塗布した後に溶剤を除去する方法が好ましい。溶媒を除去する方法は、オーブンや真空オーブンを用いた乾燥が簡単であり好ましい。溶媒を除去する雰囲気としては、空気、不活性ガス、真空状態などが挙げられる。また、溶媒を除去する温度は、特に限定されないが、60℃以上250℃以下であることが好ましい。60℃未満では溶媒の除去に時間を要する場合があり、250℃より高いと、バインダーが劣化する場合がある。なお、正極の形成は、後述の負極を形成する前でも、後でもよい。 Formation of the positive electrode on the current collector is not particularly limited. For example, a method of removing the solvent after applying the slurry with a doctor blade, a die coater, a comma coater, or the like, or a method of removing the solvent after applying with a spray. preferable. The method for removing the solvent is preferable because it is easy to dry using an oven or a vacuum oven. Examples of the atmosphere for removing the solvent include air, an inert gas, and a vacuum state. The temperature at which the solvent is removed is not particularly limited, but is preferably 60 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. When the temperature is lower than 60 ° C., it may take time to remove the solvent. When the temperature is higher than 250 ° C., the binder may be deteriorated. The positive electrode may be formed before or after forming the negative electrode described later.
本発明の正極の厚みは、10μm以上200μm以下であることが好ましい。10μm未満では所望の容量を得ることが難しい場合があり、一方、200μmより厚い場合は所望の出力密度を得ることが難しい場合がある。 The thickness of the positive electrode of the present invention is preferably 10 μm or more and 200 μm or less. If it is less than 10 μm, it may be difficult to obtain a desired capacity, while if it is thicker than 200 μm, it may be difficult to obtain a desired output density.
本発明の正極の密度は、1.0g/cm3以上4.0g/cm3以下であることが好ましい。1.0mg/cm3未満であると、正極活物質、導電助材との接触が不十分となり電子伝導性が低下する場合がある。一方、4.0g/cm3より大きいと、電解液が正極内に浸透しにくくなり、リチウム伝導性が低下する場合がある。 The density of the positive electrode of the present invention is preferably 1.0 g / cm 3 or more and 4.0 g / cm 3 or less. If it is less than 1.0 mg / cm 3 , the contact with the positive electrode active material and the conductive additive becomes insufficient, and the electronic conductivity may decrease. On the other hand, if it is larger than 4.0 g / cm 3 , the electrolytic solution is less likely to penetrate into the positive electrode, and the lithium conductivity may decrease.
本発明の正極は、所望の厚み、密度まで圧縮させてもよい。圧縮は、特に限定されないが、例えば、ロールプレス、油圧プレス等を用いておこなうことができる。電極の圧縮は、後述の負極を形成する前でも、後でもよい。 The positive electrode of the present invention may be compressed to a desired thickness and density. Although compression is not specifically limited, For example, it can carry out using a roll press, a hydraulic press, etc. The electrode may be compressed before or after the later-described negative electrode is formed.
本発明の正極は、正極1cm2あたりの電気容量が0.5mAh以上3.0mAh以下であることが好ましい。0.5mAh未満である場合は所望する容量の電池の大きさが大きくなる傾向があり、3.0mAhより多い場合は所望の出力密度を得ることが難しくなる傾向がある。正極1cm2あたりの電気容量の算出は、正極作製後、リチウム金属を対極とした半電池を作製した後に、充放電特性を測定することによって算出してもよい。 The positive electrode of the present invention preferably has an electric capacity per 1 cm 2 of positive electrode of 0.5 mAh to 3.0 mAh. When it is less than 0.5 mAh, the size of a battery having a desired capacity tends to increase, and when it exceeds 3.0 mAh, it tends to be difficult to obtain a desired output density. The electric capacity per 1 cm 2 of the positive electrode may be calculated by measuring charge / discharge characteristics after preparing a positive electrode and then preparing a half battery using lithium metal as a counter electrode.
前記正極の正極1cm2あたりの電気容量は、特に限定されないが、集電体単位面積あたりに形成させる正極の重量で制御する方法、例えば、前述のスラリー塗工時の塗工厚みで制御することができる。 The electric capacity per 1 cm 2 of the positive electrode of the positive electrode is not particularly limited, but is controlled by the weight of the positive electrode formed per unit area of the current collector, for example, by the coating thickness at the time of the slurry coating described above. Can do.
<2.負極>
本発明のバイポーラ電極における負極は、チタン酸リチウムを含む。チタン酸リチウムは、リチウムイオン挿入・脱離反応の電位が1V(vs.Li+/Li)よりも貴であることから、集電体として、一般的に正極用に用いられる集電体、たとえばアルミニウムなどを用いることができる。この場合、正極を形成した集電体の裏面に負極を形成することができるため、負極用に別途集電体を設けなくてもよい。つまり、負極活物質にチタン酸リチウムを用いたバイポーラ電極は、同じ集電体の表および裏にそれぞれ正極および負極を形成できることから、材料量の低減、およびバイポーラ電極作製工程の簡略化によるコストダウンすることができ、さらに、バイポーラ電極の厚み低減による電池の出力密度も向上させることができる。
<2. Negative electrode>
The negative electrode in the bipolar electrode of the present invention contains lithium titanate. Since lithium titanate has a noble potential of lithium ion insertion / extraction reaction higher than 1 V (vs. Li + / Li), a current collector generally used for a positive electrode, for example, Aluminum or the like can be used. In this case, since the negative electrode can be formed on the back surface of the current collector on which the positive electrode is formed, it is not necessary to provide a separate current collector for the negative electrode. In other words, bipolar electrodes using lithium titanate as the negative electrode active material can form positive and negative electrodes on the front and back of the same current collector, respectively, reducing the amount of materials and reducing costs by simplifying the bipolar electrode manufacturing process. In addition, the output density of the battery can be improved by reducing the thickness of the bipolar electrode.
チタン酸リチウムは、スピネル構造であることが好ましく、分子式としてLi4Ti5O12で表されるものが好ましい。スピネル構造の場合、リチウムイオンの挿入・脱離の反応における活物質の膨張収縮が小さい。チタン酸リチウムには、たとえばNbなどのリチウム、チタン以外の元素が微量含まれていてもよい。 The lithium titanate preferably has a spinel structure, and a molecular formula represented by Li 4 Ti 5 O 12 is preferable. In the case of the spinel structure, the expansion and contraction of the active material in the reaction of insertion / extraction of lithium ions is small. Lithium titanate may contain a small amount of elements other than lithium such as Nb and titanium, for example.
チタン酸リチウムは、CuKαによる粉末X線回折の(400)面の半値幅が0.5°以下であることが好ましい。0.5°より大きいと、チタン酸リチウムの結晶性が低いため、電極の安定性が低下する場合がある。 Lithium titanate preferably has a half width of (400) plane of powder X-ray diffraction by CuKα of 0.5 ° or less. If it is larger than 0.5 °, the crystallinity of lithium titanate is low, and the stability of the electrode may be lowered.
チタン酸リチウムは、X線回折によるリートベルト解析法による8aサイトに占めるリチウム含有率が90%以上であることが好ましい。90%未満であると、チタン酸リチウムの結晶中の欠陥が多いため、電極の安定性が低下する場合がある。 The lithium titanate preferably has a lithium content of 90% or more in the 8a site according to the Rietveld analysis by X-ray diffraction. If it is less than 90%, since there are many defects in the crystal of lithium titanate, the stability of the electrode may be lowered.
チタン酸リチウムは、リチウム化合物、チタン化合物を500℃以上1500℃以下で加熱処理することによって得ることができる。500℃未満、または1500℃より高いと、所望の構造をしたチタン酸リチウムを得ることができにくい傾向がある。チタン酸リチウムの結晶性を向上させるため、加熱処理後、再び500℃以上1500℃以下で再加熱処理してもよい。再加熱処理の温度は、最初におこなった温度と同じでもよいし、違っていてもよい。加熱処理は、空気存在下でもよいし、窒素あるいはアルゴンなどの不活性ガスの存在下でおこなってもよい。加熱処理には、特に限定されないが、例えば、箱型炉、管状炉、トンネル炉、ロータリーキルン等を用いることができる。 Lithium titanate can be obtained by heat-treating a lithium compound and a titanium compound at 500 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. When the temperature is lower than 500 ° C. or higher than 1500 ° C., lithium titanate having a desired structure tends to be difficult to obtain. In order to improve the crystallinity of lithium titanate, after the heat treatment, the heat treatment may be performed again at a temperature of 500 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. The temperature of the reheating treatment may be the same as or different from the initial temperature. The heat treatment may be performed in the presence of air or in the presence of an inert gas such as nitrogen or argon. Although it does not specifically limit in heat processing, For example, a box furnace, a tubular furnace, a tunnel furnace, a rotary kiln etc. can be used.
リチウム化合物としては、例えば、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、シュウ酸リチウム、ハロゲン化リチウムなどを用いることができる。これらリチウム化合物は、1種類でもよいし、2種類以上用いてもよい。 As the lithium compound, for example, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium nitrate, lithium acetate, lithium oxalate, lithium halide and the like can be used. These lithium compounds may be used alone or in combination of two or more.
チタン化合物としては、特に限定されないが、例えば、二酸化チタン、一酸化チタンなどのチタン酸化物を用いることができる。 Although it does not specifically limit as a titanium compound, For example, titanium oxides, such as titanium dioxide and a titanium monoxide, can be used.
リチウム化合物、およびチタン化合物の配合比は、原料の性状や加熱条件によってリチウム、およびチタンの原子比、Ti/Li=1.25前後で多少の幅をもたせてもよい。 The compounding ratio of the lithium compound and the titanium compound may be slightly widened depending on the properties of the raw materials and the heating conditions, and the atomic ratio of lithium and titanium, and Ti / Li = 1.25.
チタン酸リチウムの表面には、導電性向上、あるいは安定性向上のため、炭素材料、金属酸化物、あるいは高分子等で覆われてもよい。 The surface of the lithium titanate may be covered with a carbon material, a metal oxide, a polymer, or the like in order to improve conductivity or stability.
チタン酸リチウムの粒子径は、0.5μm以上50μm以下であることが好ましく、1μm以上、30μm以下であることは取り扱いの観点からさらに好ましい。前記粒子径はSEM、TEM像から各粒子の大きさを測定し、平均粒子径を算出した値である。 The particle size of lithium titanate is preferably 0.5 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 1 μm or more and 30 μm or less from the viewpoint of handling. The particle diameter is a value obtained by measuring the size of each particle from SEM and TEM images and calculating the average particle diameter.
チタン酸リチウムの比表面積は、0.1m2/g以上50m2/g以下であることは所望の出力密度を得やすいことから好ましい。前記比表面積は、水銀ポロシメータ、BET法での測定により算出するのがよい。 The specific surface area of lithium titanate is preferably 0.1 m 2 / g or more and 50 m 2 / g or less because a desired output density is easily obtained. The specific surface area may be calculated by measurement using a mercury porosimeter or BET method.
前記チタン酸リチウムの嵩密度は、0.2g/cm3以上1.5g/cm3以下であることが好ましい。0.2g/cm3未満の場合では後述のスラリー作製時に多量の溶媒が必要となるため経済的に不利となる傾向があり、1.5g/cm3より大きいと後述の導電助材、バインダーとの混合が困難となる傾向がある。 The lithium titanate preferably has a bulk density of 0.2 g / cm 3 or more and 1.5 g / cm 3 or less. 0.2 g / cm in the case of less than 3 tend to be economically disadvantageous because it requires a large amount of solvent in the step of preparing the slurry described below, 1.5 g / cm 3 greater than the later of conductive agent, and a binder Tend to be difficult to mix.
本発明において、負極には導電助材を含有させてよい。導電助材としては、特に限定されないが、炭素材料が好ましい。例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、およびファーネスブラックなどが挙げられる。これら炭素材料は1種類でもよいし、2種類以上用いてもよい。 In the present invention, the negative electrode may contain a conductive additive. Although it does not specifically limit as a conductive support material, A carbon material is preferable. Examples thereof include natural graphite, artificial graphite, vapor grown carbon fiber, carbon nanotube, acetylene black, ketjen black, and furnace black. These carbon materials may be used alone or in combination of two or more.
本発明において、負極に含まれる導電助材の量は、負極活物質100重量部に対して、好ましくは1重量部以上30重量部以下、より好ましくは2重量部以上15重量部以下である。上記範囲であれば、負極の導電性が確保される。また、後述のバインダーとの接着性が維持され、集電体との接着性が十分に得ることができる。 In the present invention, the amount of the conductive additive contained in the negative electrode is preferably 1 part by weight or more and 30 parts by weight or less, more preferably 2 parts by weight or more and 15 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the negative electrode active material. If it is the said range, the electroconductivity of a negative electrode will be ensured. Moreover, adhesiveness with the below-mentioned binder is maintained, and adhesiveness with a collector can fully be obtained.
本発明において、負極にはバインダーを含有させてもよい。特に限定されないが、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム、ポリイミドおよびそれらの誘導体からなる群からえらばれる少なくとも1種を用いることができる。バインダーは負極の作製しやすさから、非水溶媒または水に、溶解または分散されていることが好ましい。非水溶媒は、特に限定されないが、N−メチル−2−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、酢酸メチル、酢酸エチル、およびテトラヒドロフランなどを挙げることができる。これらに分散剤、増粘剤を加えてもよい。 In the present invention, the negative electrode may contain a binder. Although not particularly limited, for example, at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber, polyimide, and derivatives thereof can be used. The binder is preferably dissolved or dispersed in a non-aqueous solvent or water from the viewpoint of easy production of the negative electrode. The non-aqueous solvent is not particularly limited, and examples thereof include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, methyl acetate, ethyl acetate, and tetrahydrofuran. You may add a dispersing agent and a thickener to these.
本発明において、負極に含まれるバインダーの量は、負極活物質100重量部に対して、好ましくは1重量部以上30重量部以下、より好ましくは2重量部以上15重量部以下である。上記範囲であれば、負極活物質と導電助材との接着性が維持され、集電体との接着性が十分に得ることができる。 In the present invention, the amount of the binder contained in the negative electrode is preferably 1 part by weight or more and 30 parts by weight or less, more preferably 2 parts by weight or more and 15 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of the negative electrode active material. If it is the said range, the adhesiveness of a negative electrode active material and a conductive support material will be maintained, and adhesiveness with a collector can fully be acquired.
本発明において好ましい負極の一形態としては、負極活物質、導電助材、およびバインダーの混合物を集電体上に形成することによって作製されるが、作製方法の容易さから、上記混合物および溶媒でスラリーを作製し、得られたスラリーを集電体上に塗工した後に、溶媒を除去することによって負極を作製する方法が好ましい。 As a preferred embodiment of the negative electrode in the present invention, it is produced by forming a mixture of a negative electrode active material, a conductive additive and a binder on a current collector. From the ease of the production method, the above mixture and solvent are used. A method of preparing a negative electrode by removing the solvent after preparing the slurry and coating the obtained slurry on a current collector is preferable.
スラリーの作製は、特に限定されないが、負極活物質、導電助材、バインダー、および溶媒を均一に混合できることから、ボールミル、プラネタリミキサ、ジェットミル、薄膜旋回型ミキサーを用いることが好ましい。スラリーの作製は、特に限定されないが、負極活物質、導電助材、およびバインダーを混合した後に溶媒を加えて作製してもよいし、負極活物質、導電助材、バインダー、および溶媒を一緒に混合して作製してもよい。 The production of the slurry is not particularly limited, but it is preferable to use a ball mill, a planetary mixer, a jet mill, or a thin film swirl mixer because the negative electrode active material, the conductive additive, the binder, and the solvent can be mixed uniformly. Although the preparation of the slurry is not particularly limited, it may be prepared by mixing the negative electrode active material, the conductive additive, and the binder and then adding a solvent, or the negative electrode active material, the conductive additive, the binder, and the solvent together. You may mix and produce.
スラリーの固形分濃度は、30wt%以上80wt%以下であることが好ましい。30wt%未満の場合、スラリーの粘度が低すぎる傾向があり、一方、80wt%より高い場合は、スラリーの粘度が高すぎる傾向があるため、後述の電極の形成が困難となる場合がある。 The solid content concentration of the slurry is preferably 30 wt% or more and 80 wt% or less. If it is less than 30 wt%, the viscosity of the slurry tends to be too low, whereas if it is higher than 80 wt%, the viscosity of the slurry tends to be too high, and it may be difficult to form an electrode described later.
スラリーに用いる溶媒は、非水溶媒、あるいは水であることが好ましい。非水溶媒は、特に限定されないが、例えば、N−メチル−2−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、酢酸メチル、酢酸エチル、およびテトラヒドロフランなどを挙げることができる。また、これらに分散剤、増粘剤を加えてもよい。 The solvent used for the slurry is preferably a non-aqueous solvent or water. The non-aqueous solvent is not particularly limited, and examples thereof include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, methyl acetate, ethyl acetate, and tetrahydrofuran. Moreover, you may add a dispersing agent and a thickener to these.
集電体上への負極の形成は、特に限定されないが、例えば上記スラリーをドクターブレード、ダイコータ、コンマコータ等により塗布した後に、溶剤を除去する方法、あるいはスプレーにより塗布した後に溶剤を除去する方法が好ましい。溶媒を除去する方法は、オーブンや真空オーブンを用いた乾燥が簡単であり好ましい。雰囲気としては室温、あるいは高温とした空気、不活性ガス、真空状態などが挙げられる。負極の形成は、前述の正極を形成する前でも、後でもよい。また、負極作製後、ロールプレス機などを用いて負極を圧縮させてもよい。前記電極の圧縮は、前述の正極を形成する前でも、後でもよい。 The formation of the negative electrode on the current collector is not particularly limited. For example, there is a method of removing the solvent after applying the slurry with a doctor blade, a die coater, a comma coater or the like, or a method of removing the solvent after applying with a spray. preferable. The method for removing the solvent is preferable because it is easy to dry using an oven or a vacuum oven. Examples of the atmosphere include room temperature or high temperature air, an inert gas, and a vacuum state. The negative electrode may be formed before or after the above-described positive electrode is formed. Moreover, you may compress a negative electrode using a roll press machine etc. after negative electrode preparation. The electrode may be compressed before or after the positive electrode is formed.
本発明において、負極の厚みは、10μm以上200μm以下であることが好ましい。10μm以下では、所望の容量を得ることが難しい場合があり、200μmより厚い場合は、所望の出力密度を得ることが難しい場合がある。 In the present invention, the thickness of the negative electrode is preferably 10 μm or more and 200 μm or less. If it is 10 μm or less, it may be difficult to obtain a desired capacity, and if it is thicker than 200 μm, it may be difficult to obtain a desired output density.
本発明において、負極の密度は、1.0g/cm3以上4.0g/cm3以下であることが好ましい。1.0mg/cm3未満であれば、チタン酸リチウム、導電助材との接触が不十分となり電子伝導性が低下する場合がある。4.0g/cm3より大きい場合は、後述の電解液が負極内に浸透しにくくなり、リチウム伝導性が低下する場合がある。負極は、所望の厚み、密度まで圧縮させてもよい。圧縮は、特に限定されないが、例えば、ロールプレス、油圧プレス等を用いておこなうことができる。電極の圧縮は、前述の正極を形成する前でも、後でもよい。 In the present invention, the density of the negative electrode is preferably 1.0 g / cm 3 or more and 4.0 g / cm 3 or less. If it is less than 1.0 mg / cm 3 , the contact with lithium titanate and the conductive additive becomes insufficient, and the electronic conductivity may be lowered. When it is larger than 4.0 g / cm 3 , an electrolyte solution described later hardly penetrates into the negative electrode, and lithium conductivity may be lowered. The negative electrode may be compressed to a desired thickness and density. Although compression is not specifically limited, For example, it can carry out using a roll press, a hydraulic press, etc. The electrode may be compressed before or after the above-described positive electrode is formed.
本発明において、負極の1cm2あたりの電気容量は、0.5mAh以上3.6mAh以下であることが好ましい。0.5mAh未満である場合は所望する容量の電池の大きさが大きくなる場合があり、一方、3.6mAhより多い場合は所望の出力密度を得ることが難しい場合がある。負極の1cm2あたりの電気容量の算出は、負極作製後、リチウム金属を対極とした半電池を作製した後に、充放電特性を測定することによって算出できる。 In the present invention, the electric capacity per 1 cm 2 of the negative electrode is preferably 0.5 mAh or more and 3.6 mAh or less. If it is less than 0.5 mAh, the size of the battery having a desired capacity may be increased. On the other hand, if it is more than 3.6 mAh, it may be difficult to obtain a desired output density. Calculation of the electric capacity per 1 cm < 2 > of a negative electrode can be calculated by measuring a charging / discharging characteristic after producing a half cell which made lithium metal a counter electrode after negative electrode preparation.
負極の負極1cm2あたりの電気容量は、特に限定されないが、集電体単位面積あたりに形成させる負極の重量で制御する方法、例えば、前述の負極塗工時の塗工厚みで制御することができる。 Although the electric capacity per 1 cm 2 of the negative electrode of the negative electrode is not particularly limited, it can be controlled by the method of controlling by the weight of the negative electrode formed per unit area of the current collector, for example, the coating thickness at the time of the negative electrode coating described above. it can.
<3.バイポーラ電極>
本発明のバイポーラ電極は、集電体の一方の面に正極が、他方の面に負極が形成されてなる。
<3. Bipolar electrode>
The bipolar electrode of the present invention is formed by forming a positive electrode on one surface of a current collector and a negative electrode on the other surface.
本発明のバイポーラ電極は、正極の電気容量と負極の電気容量とが下記式(1)を満たすことが好ましい。
1≦B/A≦1.2 (1)
但し、上記式(1)中、Aは正極1cm2あたりの電気容量を示し、Bは負極1cm2あたりの電気容量を示す。
In the bipolar electrode of the present invention, it is preferable that the positive electrode capacitance and the negative electrode capacitance satisfy the following formula (1).
1 ≦ B / A ≦ 1.2 (1)
In the above formula (1), A represents the electric capacity per 1 cm 2 of the positive electrode, and B represents the electric capacity per 1 cm 2 of the negative electrode.
B/Aが1未満である場合は、過充電時に負極の電位がリチウムの析出電位になる場合があり、一方、B/Aが1.2より大きい場合は電池反応に関与しないチタン酸リチウム多いために副反応が起こる場合がある。 When B / A is less than 1, the potential of the negative electrode may become the deposition potential of lithium during overcharge. On the other hand, when B / A is greater than 1.2, there is a large amount of lithium titanate not involved in the battery reaction. As a result, side reactions may occur.
本発明のバイポーラ電極は、正極および負極の面積比が、特に限定されないが、下記式(2)を満たすことが好ましい。
1≦D/C≦1.2 (2)
(但し、Cは正極の面積、Dは負極の面積を示す。)
D/Cが1未満である場合は、例えば先述のB/A=1の場合、負極の容量が正極よりも小さくなるため、過充電時に負極の電位がリチウムの析出電位になる恐れがある。一方、D/Cが1.2より大きい場合は、正極と接していない部分の負極が大きいため、電池反応に関与しないチタン酸リチウムが副反応を起こす場合がある。正極および負極の面積の制御は特に限定されないが、例えば、スラリー塗工の際、塗工幅を制御することによって行うことができる。
In the bipolar electrode of the present invention, the area ratio of the positive electrode and the negative electrode is not particularly limited, but preferably satisfies the following formula (2).
1 ≦ D / C ≦ 1.2 (2)
(However, C represents the area of the positive electrode, and D represents the area of the negative electrode.)
When D / C is less than 1, for example, when B / A = 1 as described above, the capacity of the negative electrode is smaller than that of the positive electrode, so that the potential of the negative electrode may become a lithium deposition potential during overcharge. On the other hand, when D / C is greater than 1.2, the portion of the negative electrode that is not in contact with the positive electrode is large, and thus lithium titanate that is not involved in the battery reaction may cause a side reaction. Although control of the area of a positive electrode and a negative electrode is not specifically limited, For example, in the case of slurry coating, it can carry out by controlling the coating width.
バイポーラ電極に用いる集電体は、0.5V(vs.Li+/Li)よりも貴である雰囲気下で安定である金属が好ましく、Li1+xMyMn2―x―yO4(0≦x≦0.2、0<y≦0.6、Mは2〜13族でかつ第3〜4周期に属する元素からなる群から選ばれる少なくとも1種)で表される正極活物質、およびチタン酸リチウムのリチウムイオン挿入、脱離反応の電位に対する安定性が高いことから、アルミニウムであることが特に好ましい。前記アルミニウムは、正極および負極の電極反応雰囲気下で安定であることから、特に限定されないが、JIS規格1030、1050、1085、1N90、1N99等に代表される高純度アルミニウムであることが好ましい。 Current collector used in the bipolar electrode, 0.5V is preferred metals are (vs.Li + / Li) stable in an atmosphere which is more noble than, Li 1 + x M y Mn 2 - x - y O 4 ( A positive electrode active material represented by 0 ≦ x ≦ 0.2, 0 <y ≦ 0.6, and M is at least one selected from the group consisting of elements belonging to Group 2-13 and belonging to the third to fourth periods; Aluminum is particularly preferred because of its high stability against the potential of lithium ion insertion and desorption reactions of lithium titanate. The aluminum is not particularly limited because it is stable in the positive electrode and negative electrode reaction atmospheres, but is preferably high-purity aluminum represented by JIS standards 1030, 1050, 1085, 1N90, 1N99 and the like.
集電体の表面粗度Raは、0.05μm以上0.5μm以下であることが好ましい。0.05μm未満であると、前述の正極および負極との接着性が低下する場合があり、0.5μmより大きいと、前述の正極および負極を均一に形成することが困難となる場合がある。なお、表面粗度Raは、光波干渉式表面粗さ測定器などを用いて測定できる。 The surface roughness Ra of the current collector is preferably 0.05 μm or more and 0.5 μm or less. If the thickness is less than 0.05 μm, the adhesion between the positive electrode and the negative electrode may be lowered. If the thickness is more than 0.5 μm, it may be difficult to form the positive electrode and the negative electrode uniformly. The surface roughness Ra can be measured using a light wave interference type surface roughness measuring instrument or the like.
集電体の電気抵抗は、5μΩ・cm以下であることが好ましい。5μΩ・cmより高い場合は、電池の性能が低下する恐れがある。電気抵抗は、四端子法で測定することができる。 The electrical resistance of the current collector is preferably 5 μΩ · cm or less. If it is higher than 5 μΩ · cm, the battery performance may be reduced. Electrical resistance can be measured by the four probe method.
集電体の厚みは、特に限定されないが、10μm以上100μm以下であることが好ましい。10μm未満では作製の観点から取り扱いが困難となり、100μmより厚い場合は経済的観点から不利になる。 The thickness of the current collector is not particularly limited, but is preferably 10 μm or more and 100 μm or less. If it is less than 10 μm, handling is difficult from the viewpoint of production, and if it is thicker than 100 μm, it is disadvantageous from an economic viewpoint.
なお、集電体は、アルミニウム以外の物資(銅、SUS、ニッケル、チタン、およびそれらの合金)の表面にアルミニウムを被覆したものも用いることもできる。 In addition, the thing which coat | covered aluminum on the surface of materials (copper, SUS, nickel, titanium, and those alloys) other than aluminum can also be used for a collector.
<4.非水電解質二次電池>
本発明のバイポーラ電極を用いた非水電解質二次電池は、例えば、本発明のバイポーラ電極をセパレータで挟み、隣り合うバイポーラ電極の正極側と負極側とが対向した構造の積層体を含む電池が挙げられる。正極、負極、およびセパレータにはリチウムイオン伝導を担う電解液が含まれていてよい。また、各正極側と負極側とが対向した層内は、液絡を防止するため正極および負極の周辺部に絶縁材料が配置されていてよい。
<4. Non-aqueous electrolyte secondary battery>
The nonaqueous electrolyte secondary battery using the bipolar electrode of the present invention is, for example, a battery including a laminate having a structure in which the bipolar electrode of the present invention is sandwiched between separators and the positive electrode side and the negative electrode side of adjacent bipolar electrodes are opposed to each other. Can be mentioned. The positive electrode, the negative electrode, and the separator may contain an electrolyte solution that is responsible for lithium ion conduction. Moreover, in the layer where each positive electrode side and the negative electrode side face each other, an insulating material may be disposed around the positive electrode and the negative electrode in order to prevent liquid junction.
セパレータは、特に限定されず、例えば織布、不織布、微多孔膜などが挙げられる。セパレータの材質は、特に限定されないが、例えば、ナイロン、セルロース、ポリスルホン、ポリエチレン、ポリポロピレン、ポリブテン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、およびそれらを2種類以上複合したものが用いられる。セパレータには、各種可塑剤、酸化防止剤、難燃剤が含まれてもよいし、金属酸化物等が被覆されていてもよい。 A separator is not specifically limited, For example, a woven fabric, a nonwoven fabric, a microporous film etc. are mentioned. The material of the separator is not particularly limited, and for example, nylon, cellulose, polysulfone, polyethylene, polypropylene, polybutene, polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, and a composite of two or more thereof are used. The separator may include various plasticizers, antioxidants, flame retardants, and may be coated with a metal oxide or the like.
セパレータの厚みは、10μm以上100μm以下であることが好ましい。10μm未満の場合、正極と負極との接触する場合があり、100μmより厚い場合は電池の抵抗が高くなる場合がある。経済性、取り扱いの観点から、15μm以上50μm以下であることがさらに好ましい。 The thickness of the separator is preferably 10 μm or more and 100 μm or less. When the thickness is less than 10 μm, the positive electrode and the negative electrode may be in contact with each other. When the thickness is greater than 100 μm, the resistance of the battery may be increased. From the viewpoint of economy and handling, it is more preferably 15 μm or more and 50 μm or less.
セパレータの大きさとバイポーラ電極の負極側の面積比は特に限定されないが、下記式(3)を満たすことが好ましい。
1≦F/E≦1.5 (3)
(但し、Eは負極の面積、Fはセパレータの面積を示す。)
F/Eが1未満である場合は、正極と負極とが接触し、1.5より大きい場合は外装に要する体積が大きくなり、電池の出力密度が低下する場合がある。
The size ratio of the separator and the area ratio of the bipolar electrode on the negative electrode side is not particularly limited, but it is preferable to satisfy the following formula (3).
1 ≦ F / E ≦ 1.5 (3)
(However, E represents the area of the negative electrode, and F represents the area of the separator.)
When F / E is less than 1, the positive electrode and the negative electrode are in contact with each other, and when F / E is greater than 1.5, the volume required for the exterior increases, and the output density of the battery may decrease.
電解液は、特に限定されないが、液体の溶媒に溶質を溶解させたものを用いることができる。溶媒は、例えば、アセトニトリル、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルウプロピルカーボネート、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、γ−ブチルラクトン、1,2−ジメトキシエタンなどを用いることができる。これら溶媒は1種類で用いてもよいし、2種類以上混合しても用いてもよいが、後述の溶質を溶解させやすさ、リチウムイオンの伝導性の高さから、2種類以上混合した溶媒を用いることが好ましい。また、電解液の代わりに、高分子に電解液をしみこませたゲル状電解質、ポリエチレンオキシド、プロピレンオキシドなどの高分子固体電解質、あるいは、サルファイドガラス、オキシナイトライドなどの無機固体電解質も用いることができる。 The electrolytic solution is not particularly limited, but an electrolytic solution in which a solute is dissolved in a liquid solvent can be used. As the solvent, for example, acetonitrile, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, dimethyl carbonate, dipropyl carbonate, methyl uppropyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, γ-butyl lactone, 1,2-dimethoxyethane, etc. should be used. Can do. These solvents may be used alone or as a mixture of two or more. However, in view of the ease of dissolving the solute described below and the high conductivity of lithium ions, a mixture of two or more of these solvents. Is preferably used. In place of the electrolyte, a gel electrolyte in which the polymer is impregnated with the electrolyte, a solid polymer electrolyte such as polyethylene oxide or propylene oxide, or an inorganic solid electrolyte such as sulfide glass or oxynitride may be used. it can.
溶質は、特に限定されないが、例えば、LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2などは溶媒に溶解しやすいことから好ましい。電解液にふくまれる溶質の濃度は、0.5mol/L以上2.0mol/L以下であることが好ましい。0.5mol/L未満では所望のリチウムイオン伝導性が発現しない場合があり、一方、2.0mol/Lより高いと、溶質がそれ以上溶解しない場合がある。 Although the solute is not particularly limited, for example, LiClO 4 , LiBF 4 , LiPF 6 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 and the like are preferable because they are easily dissolved in a solvent. The concentration of the solute contained in the electrolytic solution is preferably 0.5 mol / L or more and 2.0 mol / L or less. If it is less than 0.5 mol / L, the desired lithium ion conductivity may not be exhibited. On the other hand, if it is higher than 2.0 mol / L, the solute may not be dissolved any more.
電解液には、難燃剤、安定化剤などの添加剤が微量含まれてもよい。 The electrolyte solution may contain a trace amount of additives such as a flame retardant and a stabilizer.
正極および負極の周辺部に配置される絶縁体は、電解液の浸透、外部からの水分、酸素などの浸透に対する密封性、耐熱性があることが好ましい。前記絶縁体は、特に限定されないが、例えば、ウレタン樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴムなどを用いることができる。 It is preferable that the insulators disposed in the periphery of the positive electrode and the negative electrode have sealing properties and heat resistance against electrolyte penetration, moisture from the outside, oxygen penetration, and the like. Although the said insulator is not specifically limited, For example, a urethane resin, a silicon resin, an epoxy resin, a polyethylene resin, a polypropylene resin, a polyimide resin, rubber | gum etc. can be used.
本発明の非水電解質二次電池は、上記積層体を複数積層した後にラミネートフィルムで外装してもよいし、金属缶で外装してもよい。また、外装には発生したガスを放出するための機構が備わっていてもよい。積層体の積層数は、所望の電圧値を発現するまで積層させることができる。 The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention may be packaged with a laminate film after being laminated with a plurality of the above laminates, or may be packaged with a metal can. Further, the exterior may be provided with a mechanism for releasing the generated gas. The number of stacked layers can be stacked until a desired voltage value is expressed.
本発明の非水電解質二次電池は、複数接続することによって組電池とすることができる。本発明の組電池は、所望の大きさ、容量、電圧によって適宜直列、並列に接続することによって作製することができる。また、各電池の充電状態の確認、安全性向上のため、前記組電池に制御回路が付属されていることが好ましい。 The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention can be formed into an assembled battery by connecting a plurality of the nonaqueous electrolyte secondary batteries. The assembled battery of the present invention can be produced by appropriately connecting in series or in parallel according to a desired size, capacity, and voltage. Moreover, it is preferable that a control circuit is attached to the assembled battery in order to confirm the state of charge of each battery and improve safety.
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited at all by these Examples, In the range which does not change the summary, it can change suitably.
(バイポーラ電極・正極側の製造)
正極活物質のLi1.1Al0.1Mn1.8O4は、文献(Electrochemical and Solid−State Letters,9(12),A557(2006))に記載されている方法で作製した。この正極活物質を100重量部、導電助材(アセチレンブラック)を6.8重量部、およびバインダー(固形分濃度12wt%、NMP溶液)を6.8重量部混合してスラリーを作製した。このスラリーをアルミニウム箔(20μm)に塗工した後に、150℃で真空乾燥することによって正極(50cm2)を作製した。
(Production of bipolar electrode / positive electrode side)
The positive electrode active material Li 1.1 Al 0.1 Mn 1.8 O 4 was produced by the method described in the literature (Electrochemical and Solid-State Letters, 9 (12), A557 (2006)). 100 parts by weight of this positive electrode active material, 6.8 parts by weight of a conductive additive (acetylene black), and 6.8 parts by weight of a binder (solid content concentration 12 wt%, NMP solution) were mixed to prepare a slurry. The slurry was applied to an aluminum foil (20 μm) and then vacuum dried at 150 ° C. to produce a positive electrode (50 cm 2 ).
正極の容量は次の充放電試験で測定した。
前述と同様にアルミニウム箔の片面に塗工した電極を16mmΦに打ち抜き動作極、Li金属を16mmΦに打ち抜き対極とした。これらの電極を用いて、動作極(片面塗工)/セパレータ/Li金属の順に試験セル(HSセル、宝泉社製)内に積層し、電解液(エチレンカーボネート/ジメチルカーボネート=3/7vol%、LiPF6、1mol/L)を0.15mL入れ、半電池を作製した。この半電池を25℃で一日放置した後、充放電試験装置(HJ1005SD8、北斗電工社製)に接続した。この半電池を25℃、0.4mAで定電流充電(終止電圧:4.5V)および定電流放電(終止電圧:3.5V)を5回繰り返し、5回目の結果を正極の容量とした。その結果、正極の容量は、1.0mAh/cm2であった。
The capacity of the positive electrode was measured by the following charge / discharge test.
In the same manner as described above, an electrode coated on one surface of an aluminum foil was punched into a working electrode of 16 mmΦ, and a Li metal was punched out of 16 mmΦ as a counter electrode. Using these electrodes, the working electrode (single-sided coating) / separator / Li metal were laminated in this order in the test cell (HS cell, manufactured by Hosen Co., Ltd.), and the electrolyte (ethylene carbonate / dimethyl carbonate = 3/7 vol%). , LiPF 6 , 1 mol / L) was added to prepare a half battery. The half-cell was allowed to stand at 25 ° C. for one day, and then connected to a charge / discharge test apparatus (HJ1005SD8, manufactured by Hokuto Denko). This half-cell was subjected to constant current charging (end voltage: 4.5 V) and constant current discharge (end voltage: 3.5 V) at 25 ° C. and 0.4 mA five times, and the fifth result was taken as the positive electrode capacity. As a result, the capacity of the positive electrode was 1.0 mAh / cm 2 .
(バイポーラ電極・負極側の製造)
負極活物質のLi4Ti5O12は、文献(Journal of Electrochemical Sosiety,142,1431(1995))に記載されている方法で作製した。この負極活物質を100重量部、導電助材(アセチレンブラック)を6.8重量部、およびバインダー(固形分濃度12wt%、NMP溶液)を6.8重量部混合してスラリーを作製した。前記正極を形成させたアルミニウム箔(20μm)の裏面に作製されたスラリーを塗工した後に、150℃で真空乾燥することによって負極(50cm2)を作製した。その後、それぞれの電極密度が2.0mg/cm3となるようにロールプレスした。
(Manufacture of bipolar electrode and negative electrode side)
The negative electrode active material Li 4 Ti 5 O 12 was prepared by the method described in the literature (Journal of Electrochemical Society, 142, 1431 (1995)). 100 parts by weight of this negative electrode active material, 6.8 parts by weight of a conductive additive (acetylene black), and 6.8 parts by weight of a binder (solid content concentration 12 wt%, NMP solution) were mixed to prepare a slurry. After applying the slurry prepared on the back surface of the aluminum foil (20 μm) on which the positive electrode was formed, the negative electrode (50 cm 2 ) was prepared by vacuum drying at 150 ° C. Then, it roll-pressed so that each electrode density might be 2.0 mg / cm < 3 >.
負極の容量は次の充放電試験で測定した。
前述と同様の条件でアルミニウム箔の片面に電極を塗工し、16mmΦに打ち抜き動作極を作製した。Li金属を16mmΦに打ち抜き対極とした。これらの電極を用いて、動作極(片面塗工)/セパレータ/Li金属の順に試験セル(HSセル、宝泉社製)内に積層し、電解液(エチレンカーボネート/ジメチルカーボネート=3/7vol%、LiPF6、1mol/L)を0.15mL入れ、半電池を作製した。この半電池を25℃で一日放置した後、充放電試験装置(HJ1005SD8、北斗電工社製)に接続した。この半電池を25℃、0.4mAで定電流放電(終止電圧:1.0V)および定電流充電(終止電圧:2.0V)を5回繰り返し、5回目の結果を正極の容量とした。その結果、負極の容量は、1.2mAh/cm2であった。
The capacity of the negative electrode was measured by the following charge / discharge test.
An electrode was applied to one side of the aluminum foil under the same conditions as described above, and a working electrode was punched out to 16 mmΦ. Li metal was punched out to 16 mmΦ as a counter electrode. Using these electrodes, the working electrode (single-sided coating) / separator / Li metal were laminated in this order in the test cell (HS cell, manufactured by Hosen Co., Ltd.), and the electrolyte (ethylene carbonate / dimethyl carbonate = 3/7 vol%). , LiPF 6 , 1 mol / L) was added to prepare a half battery. The half-cell was allowed to stand at 25 ° C. for one day, and then connected to a charge / discharge test apparatus (HJ1005SD8, manufactured by Hokuto Denko). The half-cell was subjected to constant current discharge (end voltage: 1.0 V) and constant current charge (end voltage: 2.0 V) at 25 ° C. and 0.4 mA five times, and the fifth result was defined as the positive electrode capacity. As a result, the capacity of the negative electrode was 1.2 mAh / cm 2 .
(バイポーラ電池の製造)
実施例1のバイポーラ電池は次のとおりに作製した。積層の両端の電極は、アルミニウム箔の片面に正極、あるいは負極のみを片面塗工した電極を用いた。セパレータは、セルロース不職布(25μm、55cm2)を用いた。最初に、前記作製した正極(片面塗工)、負極(片面塗工)、バイポーラ電極、およびセパレータを、正極(片面塗工)/セパレータ/バイポーラ電極/セパレータ/負極(片面塗工)の順に積層した。次に、両端の正極および負極にアルミニウムタブを振動溶着させた後に、袋状のアルミラミネートシートに入れた。最後に、電解液(エチレンカーボネート/ジメチルカーボネート=3/7vol%、LiPF6、1mol/L)を2mL入れた後に、減圧しながら封止することによって実施例1のバイポーラ電池を作製した。
(Manufacture of bipolar batteries)
The bipolar battery of Example 1 was produced as follows. As the electrodes at both ends of the laminate, an electrode in which a positive electrode or a negative electrode alone was applied on one side of an aluminum foil was used. Cellulose unwoven cloth (25 μm, 55 cm 2 ) was used as the separator. First, the prepared positive electrode (single-sided coating), negative electrode (single-sided coating), bipolar electrode, and separator are laminated in the order of positive electrode (single-sided coating) / separator / bipolar electrode / separator / negative electrode (single-sided coating). did. Next, aluminum tabs were vibration welded to the positive and negative electrodes at both ends, and then placed in a bag-like aluminum laminate sheet. Finally, 2 mL of an electrolytic solution (ethylene carbonate / dimethyl carbonate = 3/7 vol%, LiPF 6 , 1 mol / L) was added, and then sealed under reduced pressure to produce a bipolar battery of Example 1.
正極活物質として、LiNi0.5Mn1.5O4を文献(Journal of PowerSources,81−82,90(1999))に記載されている方法で作製した。作製されたLiNi0.5Mn1.5O4を正極活物質に用いたこと以外は、実施例1と同様にバイポーラ電極、バイポーラ電池を作製した。 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 was prepared as a positive electrode active material by the method described in the literature (Journal of PowerSources, 81-82, 90 (1999)). A bipolar electrode and a bipolar battery were produced in the same manner as in Example 1 except that the produced LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 was used as the positive electrode active material.
(比較例1)
正極活物質として、LiMn2O4を、二酸化マンガンと水酸化リチウムとを混合した後に、空気中にて1000℃、12時間加熱処理することによって得た。得られたLiMn2O4を正極活物質に用いたこと以外は、実施例1と同様にバイポーラ電極、バイポーラ電池を作製した。
(Comparative Example 1)
As a positive electrode active material, LiMn 2 O 4 was obtained by mixing manganese dioxide and lithium hydroxide and then heat-treating in air at 1000 ° C. for 12 hours. A bipolar electrode and a bipolar battery were produced in the same manner as in Example 1 except that the obtained LiMn 2 O 4 was used as the positive electrode active material.
(サイクル特性の測定)
実施例1、実施例2、および比較例1の電池を、充放電装置(HJ1005SD8、北斗電工社製)に接続し、25℃、50mA定電流充電、50mA定電流放電を100回繰り返した。このときの実施例1と比較例1との充電終止電圧および放電終止電圧は、それぞれ6Vおよび4Vとし、実施例2の充電終止電圧および放電終止電圧は、それぞれ7Vおよび5Vとした。1回目の放電容量を100としたときの、100回目の放電容量を表1に示す。
(Measurement of cycle characteristics)
The batteries of Example 1, Example 2, and Comparative Example 1 were connected to a charge / discharge device (HJ1005SD8, manufactured by Hokuto Denko), and 25 ° C., 50 mA constant current charge, and 50 mA constant current discharge were repeated 100 times. The charge end voltage and discharge end voltage of Example 1 and Comparative Example 1 at this time were 6 V and 4 V, respectively, and the charge end voltage and discharge end voltage of Example 2 were 7 V and 5 V, respectively. Table 1 shows the 100th discharge capacity when the first discharge capacity is 100.
表1から明らかな通り、本発明の実施例1、および実施例2のバイポーラ電池は、比較例1のバイポーラ電池よりもサイクル安定性が向上する。 As is clear from Table 1, the cycle stability of the bipolar batteries of Example 1 and Example 2 of the present invention is higher than that of the bipolar battery of Comparative Example 1.
Claims (7)
1≦B/A≦1.2 (1)
(但し、Aは正極1cm2あたりの電気容量、B:負極1cm2あたりの電気容量) The bipolar electrode for a non-aqueous secondary battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the electric capacity of the positive electrode and the electric capacity of the negative electrode satisfy the following formula (1).
1 ≦ B / A ≦ 1.2 (1)
(However, A is the electric capacity per 1 cm 2 of the positive electrode, B: electric capacity per 1 cm 2 of the negative electrode)
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