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JP5995161B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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JP5995161B2 JP2012057510A JP2012057510A JP5995161B2 JP 5995161 B2 JP5995161 B2 JP 5995161B2 JP 2012057510 A JP2012057510 A JP 2012057510A JP 2012057510 A JP2012057510 A JP 2012057510A JP 5995161 B2 JP5995161 B2 JP 5995161B2
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なつみ 後藤
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Description

本発明は、非水電解質二次電池に関する。   The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.

近年、高エネルギー密度の蓄電デバイスとして、リチウム一次電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池などが実用化されている。   In recent years, lithium primary batteries, lithium ion secondary batteries, lithium polymer secondary batteries, and the like have been put to practical use as high energy density power storage devices.

中でも、リチウムイオン二次電池は、モバイル機器の電源としてだけでなく、ハイブリッド自動車および電気自動車、また家庭用蓄電などの用途での蓄電池としても注目され、開発が進められている。これらの用途では、低温や高温などの過酷な環境下で使用される場合もあり、そのような状況での急速充放電特性や長期にわたる信頼性が要求される。   In particular, lithium ion secondary batteries are attracting attention and are being developed not only as power sources for mobile devices, but also as storage batteries for applications such as hybrid vehicles and electric vehicles, and household power storage. These applications may be used in harsh environments such as low and high temperatures, and rapid charge / discharge characteristics and long-term reliability in such situations are required.

リチウムイオン二次電池は、正極および負極にリチウムイオンを吸蔵放出可能な材料を用い、電気的な接触を防ぐためのセパレータとリチウムイオン伝導性の電解質とを介して、正極および負極を互いに対向させた構成を有している。電池内では電解質を通して、充電時には正極からリチウムイオンを放出し負極で吸蔵、逆に放電時には正極が負極から放出されたリチウムイオンを吸蔵する反応が起こっている。この時、外部回路を通して電池内部でのリチウムイオンの移動に相当する電子の受け渡しを行って、充放電が行われている。   Lithium ion secondary batteries use materials that can occlude and release lithium ions for the positive electrode and negative electrode, with the positive electrode and negative electrode facing each other through a separator to prevent electrical contact and a lithium ion conductive electrolyte. It has a configuration. In the battery, through the electrolyte, a reaction occurs in which lithium ions are released from the positive electrode during storage and stored in the negative electrode, and conversely, during discharge, the positive electrode stores lithium ions released from the negative electrode. At this time, electrons corresponding to the movement of lithium ions in the battery are transferred through an external circuit, and charging / discharging is performed.

従来、リチウムイオンの吸蔵放出が可能な負極活物質として、炭素系の材料が一般に用いられている。しかしながら、炭素材料を用いた負極では、リチウムイオンの吸蔵放出の反応電位が0.1V(vs.Li/Li+)以下と低く、リチウムの溶解析出電位に近いため、特に反応性の低下する低温環境下での急速充電時において負極表面への金属リチウムの析出が起こりやすい。負極上への金属リチウムの析出は、内部短絡の原因となるだけでなく、不働態化することで容量低下の原因ともなり、電池の動作不良や性能劣化を引き起こす可能性がある。 Conventionally, a carbon-based material is generally used as a negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium ions. However, in a negative electrode using a carbon material, the reaction potential of the insertion and release of lithium ions is as low as 0.1 V (vs. Li / Li + ) or less, and is close to the dissolution and precipitation potential of lithium. Precipitation of metallic lithium on the negative electrode surface tends to occur during rapid charging in the environment. The deposition of metallic lithium on the negative electrode not only causes an internal short circuit, but also causes a decrease in capacity due to passivation, which may cause battery malfunction and performance deterioration.

そこで、炭素材料に代わる負極活物質として、酸化物系材料の検討が行われている。酸化物系材料では、アニオンとカチオンから成る結晶格子内のサイトへリチウムイオンを吸蔵および放出させることにより可逆的な充放電が可能であるため、充放電反応時の体積変化が小さく、充放電を繰り返す二次電池用の電極材料として良好な特性が期待される。   Thus, studies have been made on oxide-based materials as negative electrode active materials that can replace carbon materials. Oxide-based materials can be reversibly charged and discharged by inserting and extracting lithium ions into the sites in the crystal lattice consisting of anions and cations. Good characteristics are expected as an electrode material for repetitive secondary batteries.

同時に、酸化物系材料は、リチウムとの反応電位が炭素材料と比較して高く、リチウムの溶解析出電位よりも十分に貴である。このことから、酸化物系材料では、上述の炭素材料で課題の一つとなっている金属リチウムの析出を抑制することができ、電池の信頼性をより高めることができる。   At the same time, the oxide-based material has a higher reaction potential with lithium than the carbon material, and is sufficiently noble than the dissolution precipitation potential of lithium. For this reason, in the oxide-based material, precipitation of metallic lithium, which is one of the problems with the above-described carbon material, can be suppressed, and the reliability of the battery can be further improved.

ただし、酸化物系材料であっても、リチウムとの反応電位が0.8V(vs.Li/Li+)を下回るような材料であれば、リチウムの溶解析出電位との差が小さく、炭素材料と同様に負極上への金属リチウムの析出が起こりやすくなってしまう。また、導電剤として炭素材料が添加されている場合、その炭素材料が充放電反応を起こしてしまい、負極の体積変化および表面での電解液の分解反応などがより顕著に起こるため、性能劣化を加速させる要因となる場合がある。 However, even if it is an oxide material, if the reaction potential with lithium is less than 0.8 V (vs. Li / Li + ), the difference from the dissolution precipitation potential of lithium is small, and the carbon material In the same manner as above, precipitation of metallic lithium on the negative electrode is likely to occur. In addition, when a carbon material is added as a conductive agent, the carbon material causes a charge / discharge reaction, and the volume change of the negative electrode and the decomposition reaction of the electrolytic solution on the surface occur more significantly. It may be a factor to accelerate.

ここでは、リチウムイオン二次電池の負極活物質として用いることが可能な代表的な酸化物材料として、チタン酸リチウムを例に挙げて説明する。チタン酸リチウムは、正極活物質として用いられるマンガン酸リチウムと同様のスピネル型の結晶構造を有する複合酸化物であり、可逆的にリチウムイオンを吸蔵放出することができる。ただし、マンガン酸リチウムとは異なり、約1.55V(vs.Li/Li+)と低い電位で可逆的にリチウムと反応するので、負極活物質として用いることができる。また、チタン酸リチウムをこの電位で用いる場合には、一般的な酸化物系材料と比較しても充放電反応時の体積変化が非常に小さい。したがって、チタン酸リチウムは、充放電を繰り返す二次電池用の電極材料としては特に優れた特性を有することが期待できる。 Here, lithium titanate will be described as an example of a typical oxide material that can be used as a negative electrode active material of a lithium ion secondary battery. Lithium titanate is a composite oxide having a spinel crystal structure similar to that of lithium manganate used as a positive electrode active material, and can reversibly occlude and release lithium ions. However, unlike lithium manganate, since it reacts reversibly with lithium at a low potential of about 1.55 V (vs. Li / Li + ), it can be used as a negative electrode active material. Further, when lithium titanate is used at this potential, the volume change during the charge / discharge reaction is very small even when compared with general oxide materials. Therefore, lithium titanate can be expected to have particularly excellent characteristics as an electrode material for a secondary battery that repeats charging and discharging.

具体的には、一般式LiaTi3-a4(式中、aは0<a<3の数を示す)で表されるチタン酸リチウム化合物を負極に用い、一般式:LiCobNi1-b2(0≦b≦1)、LiAlcCodNi1-c-d2(0≦c≦1、0≦d≦1、0≦c+d≦1)、で表される化合物を正極に用いた非水二次電池などが既に提案されている。 Specifically, a lithium titanate compound represented by the general formula Li a Ti 3-a O 4 (wherein a represents a number of 0 <a <3) is used for the negative electrode, and the general formula: LiCo b Ni 1-b O 2 (0 ≦ b ≦ 1), LiAl c Co d Ni 1-cd O 2 (0 ≦ c ≦ 1, 0 ≦ d ≦ 1, 0 ≦ c + d ≦ 1) Non-aqueous secondary batteries used in the field have already been proposed.

しかしながら、一般にチタン酸リチウム等の酸化物系材料は、従来の負極活物質として用いられている炭素材料と比較して導電性が低く、比較的大きな電流での充放電性能に劣る可能性が考えられる。このことは、大きな電流での入出力が求められるハイレート特性およびパワー特性の面で課題となるため、電極の構成時に炭素材料を導電剤として加えて集電性を向上させることが広く行われている。例えば、特許文献1では、より集電性を向上させる手段として炭素繊維を含む導電剤を加えた電極を用いることが提案されている。また、特許文献2では、導電剤として積層方向の格子定数C0が6.7Å以上6.8Å以下となるように黒鉛化された気相成長炭素繊維を用いることで、さらに特性が改善されるとことが開示されている。なお、上記に示したC0の値は、黒鉛の構造を規定するために広く用いられているd002の値では0.335nm(3.35Å)以上0.340nm(3.40Å)以下に相当する。 However, in general, an oxide-based material such as lithium titanate has a lower conductivity than a carbon material used as a conventional negative electrode active material, and may be inferior in charge / discharge performance at a relatively large current. It is done. This is a problem in terms of high rate characteristics and power characteristics that require input / output with a large current, and therefore it is widely practiced to improve the current collection by adding a carbon material as a conductive agent during electrode construction. Yes. For example, in Patent Document 1, it is proposed to use an electrode to which a conductive agent containing carbon fiber is added as a means for improving the current collecting property. Further, in Patent Document 2, the characteristics are further improved by using a vapor-grown carbon fiber graphitized so that the lattice constant C 0 in the stacking direction is 6.7 mm or more and 6.8 mm or less as a conductive agent. It is disclosed that. The value of C 0 shown above corresponds to a value of d 002 widely used to define the structure of graphite, which is 0.335 nm (3.35 Å) or more and 0.340 nm (3.40 Å) or less. To do.

一方で、リチウムイオン二次電池は、正極表面および負極表面での非水電解質の反応による劣化が課題となる場合がある。これは、非水電解液からなる非水電解質が、負極表面で還元反応、および正極表面で酸化反応を起こすことが一因であり、電池特性の劣化だけではなくガス発生による電池の膨れの原因ともなる。非水電解質の非水溶媒としては、一般に高誘電率を有する環状カーボネートと低粘性の鎖状カーボネートとが混合して用いられるが、環状カーボネートの中でもプロピレンカーボネート(炭酸プロピレン)を用いることで、劣化抑制の効果が得られる。特許文献3においても、プロピレンカーボネートが電気化学的酸化還元での安定性に富むことが開示されている。   On the other hand, in the lithium ion secondary battery, deterioration due to the reaction of the nonaqueous electrolyte on the positive electrode surface and the negative electrode surface may be a problem. This is because the non-aqueous electrolyte composed of a non-aqueous electrolyte causes a reduction reaction on the negative electrode surface and an oxidation reaction on the positive electrode surface, which causes not only deterioration of battery characteristics but also swelling of the battery due to gas generation. It also becomes. As a non-aqueous solvent for non-aqueous electrolytes, a cyclic carbonate having a high dielectric constant and a low-viscosity chain carbonate are generally used as a mixture, but deterioration occurs due to the use of propylene carbonate (propylene carbonate) among cyclic carbonates. The suppression effect is obtained. Patent Document 3 also discloses that propylene carbonate is rich in electrochemical redox stability.

特開2001−196060号公報JP 2001-196060 A 特開2005−317509号公報JP 2005-317509 A 特開平4−155775号公報JP-A-4-155775

前述のように導電剤として電極内での集電性を向上させる効果の高い黒鉛材料を用いた場合には、電解質の非水溶媒であるプロピレンカーボネートと黒鉛材料との反応が問題となる。チタン酸リチウムのような反応電位が1.55V(vs.Li/Li+)と比較的高い負極活物質では、通常の使用条件では問題とはならない。しかし、何らかのトラブルで過充電状態となって負極の電位が低下した場合には、前述のプロピレンカーボネートと黒鉛材料との反応が起こり、電池特性が大きく損なわれることになる。また、反応電位が0.8V(vs.Li/Li+)以下であるような負極活物質を用いた場合には、通常の充放電条件であってもプロピレンカーボネートと黒鉛材料との反応が問題となってしまう。 As described above, when a graphite material having a high effect of improving the current collecting property in the electrode is used as the conductive agent, the reaction between propylene carbonate, which is a nonaqueous solvent for the electrolyte, and the graphite material becomes a problem. A negative electrode active material having a relatively high reaction potential of 1.55 V (vs. Li / Li + ) such as lithium titanate does not cause a problem under normal use conditions. However, when the potential of the negative electrode is lowered due to some trouble, the above-described reaction between propylene carbonate and the graphite material occurs, and the battery characteristics are greatly impaired. In addition, when a negative electrode active material having a reaction potential of 0.8 V (vs. Li / Li + ) or less is used, the reaction between propylene carbonate and graphite material is a problem even under normal charge / discharge conditions. End up.

本発明はこのような従来技術の課題を改善し、充放電特性および信頼性に優れ、かつ過充電時の特性劣化が抑制された非水電解質二次電池を提供することを目的とする。   The object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery that improves such problems of the prior art, has excellent charge / discharge characteristics and reliability, and suppresses deterioration of characteristics during overcharge.

本発明の非水電解質二次電池は、
正極と、
負極と、
前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、
非水電解質と、
を備え、
前記負極は、リチウムの溶解析出電位を基準として0.8Vよりも高い反応電位でリチウムを吸蔵放出する活物質と、黒鉛材料を含む導電剤とを含有し、
前記非水電解質は、プロピレンカーボネートを含有し、さらに1,3−プロパンサルトン、ビニレンカーボネートおよびフルオロエチレンカーボネートから選ばれる少なくともいずれか一種の化合物を含有する。
The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention is
A positive electrode;
A negative electrode,
A separator disposed between the positive electrode and the negative electrode;
A non-aqueous electrolyte,
With
The negative electrode contains an active material that occludes and releases lithium at a reaction potential higher than 0.8 V on the basis of a dissolution and precipitation potential of lithium, and a conductive agent including a graphite material,
The non-aqueous electrolyte contains propylene carbonate, and further contains at least one compound selected from 1,3-propane sultone, vinylene carbonate, and fluoroethylene carbonate.

本発明の非水電解質二次電池では、リチウムの溶解析出電位を基準として0.8Vよりも高い反応電位でリチウムを吸蔵放出する活物質と、黒鉛材料を含む導電剤とを含有する負極に対して、プロピレンカーボネートを含有する非水電解質が用いられている。このような負極と非水電解質との組み合わせにおいて、本発明の非水電解質二次電池では、非水電解質が、1,3−プロパンサルトン、ビニレンカーボネートおよびフルオロエチレンカーボネートから選ばれる少なくともいずれか一種の化合物をさらに含んでいる。これにより、本発明の非水電解質二次電池は、優れた充放電特性および信頼性を有すると同時に、非水電解質と黒鉛材料を含む導電剤との反応を抑制することによって、過充電時の特性劣化も抑制することができる。   In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the negative electrode containing an active material that occludes and releases lithium at a reaction potential higher than 0.8 V with respect to the dissolution and precipitation potential of lithium, and a conductive agent including a graphite material. Thus, a nonaqueous electrolyte containing propylene carbonate is used. In such a combination of the negative electrode and the non-aqueous electrolyte, in the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the non-aqueous electrolyte is at least one selected from 1,3-propane sultone, vinylene carbonate, and fluoroethylene carbonate. And further comprising: Thereby, the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention has excellent charge / discharge characteristics and reliability, and at the same time, suppresses the reaction between the non-aqueous electrolyte and the conductive agent containing the graphite material. Characteristic deterioration can also be suppressed.

(a)は、本発明の非水電解質二次電池の一実施形態であるリチウムイオン二次電池を示す斜視図であり、(b)は、図1(a)のI−I線に沿った断面図であり、(c)は、図1(a)および(b)に示す電極群13を拡大して示す断面図である。(A) is a perspective view which shows the lithium ion secondary battery which is one Embodiment of the nonaqueous electrolyte secondary battery of this invention, (b) was along the II line | wire of Fig.1 (a). It is sectional drawing, (c) is sectional drawing which expands and shows the electrode group 13 shown to Fig.1 (a) and (b). 実施例1で作製した正極1の寸法を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing dimensions of the positive electrode 1 produced in Example 1. 実施例1で作製した負極2の寸法を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing dimensions of a negative electrode 2 produced in Example 1.

本発明の非水電解質二次電池では、リチウムの溶解析出電位を基準として0.8Vよりも高い反応電位でリチウムを吸蔵放出する負極活物質(以下、「充放電の反応電位が0.8V(vs.Li/Li+)を超える負極活物質」という。)と、黒鉛材料を含む導電剤とを含有する負極が用いられる。本発明の非水電解質二次電池では、このような負極と組み合わせて、非水溶媒としてプロピレンカーボネートを含有する非水電解質が用いられる。本発明の非水電解質二次電池では、非水電解質がさらに、1,3−プロパンサルトン(1,3−Propanesultone)、ビニレンカーボネート(Vinylenecarbonate、1,3−Dioxo−2−one)およびフルオロエチレンカーボネート(Fluoroethylenecarbonate、4−Fluoro−1,3−dioxolan−2−one)から選ばれる少なくともいずれか一種の化合物を含むことにより、過充電時の特性劣化を抑制することができる。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, a negative electrode active material that occludes and releases lithium at a reaction potential higher than 0.8 V on the basis of the dissolution and precipitation potential of lithium (hereinafter, “charge / discharge reaction potential is 0.8 V ( vs. Li / Li + ) ”) and a negative electrode containing a conductive agent including a graphite material. In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, a nonaqueous electrolyte containing propylene carbonate as a nonaqueous solvent is used in combination with such a negative electrode. In the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the non-aqueous electrolyte further includes 1,3-propane sultone (1,3-Propanesultone), vinylene carbonate (Vinylene carbonate, 1,3-Dioxo-2-one), and fluoroethylene. By including at least one kind of compound selected from carbonate (Fluoroethylene carbonate, 4-Fluoro-1,3-dioxolin-2-one), it is possible to suppress deterioration of characteristics during overcharge.

この観点で、充放電の反応電位が0.8V(vs.Li/Li+)を超える負極活物質と、黒鉛材料を含む導電剤とを含有する負極を用いた非水電解質二次電池について、非水電解質に関する検討を行い、本発明に至った。以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態は本発明の一例であり、本発明は以下の実施形態に限定されない。 In this respect, a non-aqueous electrolyte secondary battery using a negative electrode containing a negative electrode active material having a charge / discharge reaction potential exceeding 0.8 V (vs. Li / Li + ) and a conductive agent including a graphite material, The present inventors have studied the nonaqueous electrolyte and have arrived at the present invention. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The following embodiment is an example of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment.

まず、本発明の非水電解質二次電池の一実施形態であるリチウムイオン二次電池について、その一構成例を説明する。   First, a configuration example of a lithium ion secondary battery which is an embodiment of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention will be described.

図1(a)は、本実施形態のリチウムイオン二次電池の斜視図である。図1(b)は、図1(a)におけるI−I線に沿った断面を示している。   FIG. 1A is a perspective view of the lithium ion secondary battery of the present embodiment. FIG.1 (b) has shown the cross section along the II line | wire in Fig.1 (a).

図1(a)および(b)に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、電極群13と、電極群13を収納する電池ケース14と、電池ケース14内に充填された非水電解液(非水電解質)15とを備える。電極群13における正極は、正極リード11に接続されている。電極群13における負極は、負極リード12に接続されている。正極リード11および負極リード12は、電池ケース14の外部に引き出されている。   As shown in FIGS. 1A and 1B, the lithium ion secondary battery of the present embodiment includes an electrode group 13, a battery case 14 that houses the electrode group 13, and a non-filled battery case 14. A water electrolyte solution (non-aqueous electrolyte) 15. The positive electrode in the electrode group 13 is connected to the positive electrode lead 11. The negative electrode in the electrode group 13 is connected to the negative electrode lead 12. The positive electrode lead 11 and the negative electrode lead 12 are drawn out of the battery case 14.

非水電解液15は、非水溶媒としてプロピレンカーボネート(PC)を含有している。プロピレンカーボネートが電池特性の劣化を抑制できるとの理由により、非水溶媒は、プロピレンカーボネートを20重量%以上含むことが好ましく、40重量%以上含むことがより好ましい。   The non-aqueous electrolyte 15 contains propylene carbonate (PC) as a non-aqueous solvent. The non-aqueous solvent preferably contains 20% by weight or more, more preferably 40% by weight or more, because propylene carbonate can suppress deterioration of battery characteristics.

非水電解液15は、さらに、1,3−プロパンサルトン(PS)、ビニレンカーボネート(VC)およびフルオロエチレンカーボネート(FEC)から選ばれる少なくともいずれか一種の化合物をさらに含有する。非水電解液15に含まれる支持電解質塩には、リチウムイオン二次電池の支持電解質塩として使用可能なものを用いることができる。例えば、プロピレンカーボネート(市販バッテリーグレード)に、支持電解質塩として1mol/Lの濃度でLiPF6(市販バッテリーグレード)が溶解されている溶液であって、1,3−プロパンサルトン、ビニレンカーボネートおよびフルオロエチレンカーボネートから選ばれる少なくともいずれか一種の化合物がさらに添加された溶液を、非水電解液15として用いることができる。本実施形態では、非水電解液15の一例として、上記非水溶媒および上記支持電解質塩の組み合わせを用いた。しかし、プロピレンカーボネートと、1,3−プロパンサルトン、ビニレンカーボネートおよびフルオロエチレンカーボネートから選ばれる少なくともいずれか一種の化合物とを含有する非水電解質であって、かつ、リチウムイオン二次電池に用いることが可能なものであれば、上記非水溶媒と上記支持電解質塩との組み合わせ以外の他の組み合わせを用いてもよい。例えば、エチレンカーボネートなどの環状カーボネート、および、ジメチルカーボネートおよびエチルメチルカーボネートなどの鎖状カーボネートが、非水溶媒としてさらに含有されていてもよい。また、ガンマブチロラクトンなどの環状エステル、および、メチルプロピオネートなどの鎖状エステルが、非水溶媒としてさらに含有されていてもよい。支持電解質塩としても、四フッ化ホウ酸リチウムなど、リチウムイオン電池用電解液の支持電解質塩として用いることができるリチウム塩であれば、他のリチウム塩を用いてもよい。 The nonaqueous electrolytic solution 15 further contains at least one compound selected from 1,3-propane sultone (PS), vinylene carbonate (VC), and fluoroethylene carbonate (FEC). As the supporting electrolyte salt contained in the nonaqueous electrolytic solution 15, those usable as the supporting electrolyte salt of the lithium ion secondary battery can be used. For example, a solution in which LiPF 6 (commercial battery grade) is dissolved in propylene carbonate (commercial battery grade) as a supporting electrolyte salt at a concentration of 1 mol / L, which is 1,3-propane sultone, vinylene carbonate and fluoro A solution to which at least one compound selected from ethylene carbonate is further added can be used as the non-aqueous electrolyte 15. In the present embodiment, as an example of the non-aqueous electrolyte solution 15, a combination of the non-aqueous solvent and the supporting electrolyte salt is used. However, it is a nonaqueous electrolyte containing propylene carbonate and at least one compound selected from 1,3-propane sultone, vinylene carbonate, and fluoroethylene carbonate, and used for a lithium ion secondary battery. However, other combinations than the combination of the non-aqueous solvent and the supporting electrolyte salt may be used. For example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate and chain carbonates such as dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate may further be contained as a non-aqueous solvent. Further, a cyclic ester such as gamma butyrolactone and a chain ester such as methyl propionate may further be contained as a non-aqueous solvent. As the supporting electrolyte salt, other lithium salts may be used as long as they can be used as a supporting electrolyte salt of an electrolyte solution for lithium ion batteries, such as lithium tetrafluoroborate.

図1(c)は電極群13の断面を拡大して示している。図1(c)に示すように、電極群13は、正極1と、負極2と、正極2と負極2との間に設けられたセパレータ3とを備えている。正極1は、例えば、アルミニウム箔からなる正極集電体1aと、正極集電体1aの表面に配置されたLiNi0.80Co0.15Al0.052を含有する正極合剤層1bとを有している。一方、負極2は、例えば、アルミニウム箔からなる負極集電体2aと、負極集電体2aの表面に配置されたチタン酸リチウム(Li4Ti512)を含有する負極合剤層2bとを有している。セパレータ3は、例えばポリプロピレン製の不織布シートからなる。ただし、ポリプロピレン等のポリオレフィンを用いたセパレータと、プロピレンカーボネートを主成分とする非水溶媒とを組み合わせて用いる場合には、セパレータにコロナ放電処理およびプラズマ放電処理のような濡れ性改善の表面処理を施すことが好ましい。また、セパレータにセルロース繊維からなる紙状シートなどを用いることもでき、この場合には表面処理の必要はない。 FIG. 1C shows an enlarged cross section of the electrode group 13. As shown in FIG. 1C, the electrode group 13 includes a positive electrode 1, a negative electrode 2, and a separator 3 provided between the positive electrode 2 and the negative electrode 2. The positive electrode 1 includes, for example, a positive electrode current collector 1a made of an aluminum foil, and a positive electrode mixture layer 1b containing LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 disposed on the surface of the positive electrode current collector 1a. . On the other hand, the negative electrode 2 includes, for example, a negative electrode current collector 2a made of an aluminum foil, and a negative electrode mixture layer 2b containing lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) disposed on the surface of the negative electrode current collector 2a. have. The separator 3 is made of a nonwoven fabric sheet made of polypropylene, for example. However, when a separator using polyolefin such as polypropylene and a non-aqueous solvent mainly composed of propylene carbonate are used in combination, the separator is subjected to a surface treatment for improving wettability such as corona discharge treatment and plasma discharge treatment. It is preferable to apply. Moreover, a paper-like sheet | seat which consists of a cellulose fiber etc. can also be used for a separator, In this case, surface treatment is not required.

正極合剤層1bの正極活物質としては、LiNi0.80Co0.15Al0.052以外のリチウム含有遷移金属酸化物を用いてもよい。例えば、LixCoO2、LixNiO2、LixMnO2、LixCoyNi1-y2、LixCoy1-yz、LixNi1-yyz、LixMn24、LixMn2-yy4(Mは、Na、Mg、Sc、Y、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Cr、Pb、SbおよびBから選択される少なくとも一種である。x、yおよびzは、x=0〜1.2、y=0〜0.9、z=1.7〜2.3を満たす。)が挙げられる。これらの材料以外でも、充電時の正極1の電位がリチウム基準で4Vを超えるような材料であれば、正極活物質として使用できる。また、正極活物質として、複数の異なった材料を混合して用いてもよい。正極活物質が粉末である場合には、平均粒径は特に限定はされないが、例えば0.1〜30μmの平均粒径を有する粉末が好ましい。正極合剤層1bは、通常50〜200μm程度の厚さを有するが、特に厚さに制約はない。正極合剤層1bは、0.1〜50μmの厚さを有していてもよい。なお、ここでいう平均粒径とは、レーザー回折/散乱法で測定された値である。 As the positive electrode active material of the positive electrode mixture layer 1b, a lithium-containing transition metal oxide other than LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 may be used. For example, Li x CoO 2, Li x NiO 2, Li x MnO 2, Li x Co y Ni 1-y O 2, Li x Co y M 1-y O z, Li x Ni 1-y M y O z, Li x Mn 2 O 4 , Li x Mn 2 -y My O 4 (M is Na, Mg, Sc, Y, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Cr, Pb, Sb and B X, y, and z satisfy x = 0 to 1.2, y = 0 to 0.9, and z = 1.7 to 2.3. Other than these materials, any material can be used as the positive electrode active material as long as the potential of the positive electrode 1 during charging exceeds 4 V on the basis of lithium. A plurality of different materials may be mixed and used as the positive electrode active material. When the positive electrode active material is a powder, the average particle diameter is not particularly limited, but for example, a powder having an average particle diameter of 0.1 to 30 μm is preferable. The positive electrode mixture layer 1b usually has a thickness of about 50 to 200 μm, but the thickness is not particularly limited. The positive electrode mixture layer 1b may have a thickness of 0.1 to 50 μm. Here, the average particle diameter is a value measured by a laser diffraction / scattering method.

正極合剤層1bは、前記酸化物以外の導電剤および結着剤の両方を含んでいてもよいし、いずれか一方のみを含んでいてもよい。または、正極合剤層1bは、導電剤および結着剤のいずれも含んでおらず、正極活物質のみから構成されていてもよい。   The positive electrode mixture layer 1b may include both a conductive agent and a binder other than the oxide, or may include only one of them. Alternatively, the positive electrode mixture layer 1b does not include either a conductive agent or a binder, and may be composed of only a positive electrode active material.

正極合剤層1bに用いられる導電剤は、正極1の充放電電位において、化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば何でもよい。例えば、黒鉛類、カ−ボンブラック類、炭素繊維および金属繊維などの導電性繊維類、金属粉末類、導電性ウィスカー類、導電性金属酸化物、または、有機導電性材料などを単独で用いてもよいし、これらの混合物として用いてもよい。導電剤の添加量は、特に限定されないが、正極活物質に対して1〜50重量%が好ましく、特に1〜30重量%が好ましい。   The conductive agent used for the positive electrode mixture layer 1 b may be anything as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change at the charge / discharge potential of the positive electrode 1. For example, using conductive fibers such as graphites, carbon blacks, carbon fibers and metal fibers, metal powders, conductive whiskers, conductive metal oxides, or organic conductive materials alone. It may also be used as a mixture thereof. Although the addition amount of a electrically conductive agent is not specifically limited, 1-50 weight% is preferable with respect to a positive electrode active material, and 1-30 weight% is especially preferable.

正極合剤層1bに用いられる結着剤には、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂を用いることができる。好ましい結着剤としては、例えば、ポリエチレンおよびポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)およびヘキサフルオロプロピレン(HFP)などのフッ素系樹脂およびその共重合体樹脂、ポリアクリル酸およびその共重合体樹脂などである。   A thermoplastic resin and a thermosetting resin can be used for the binder used for the positive electrode mixture layer 1b. Preferred binders include, for example, polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, fluorine resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and hexafluoropropylene (HFP), and copolymer resins thereof, And polyacrylic acid and copolymer resins thereof.

導電剤および結着剤の他にも、フィラー、分散剤、イオン伝導体、圧力増強剤およびその他の各種添加剤を用いることができる。フィラーは、リチウムイオン二次電池内で化学変化を起こさない繊維状材料であれば何でもよい。   In addition to the conductive agent and the binder, a filler, a dispersant, an ionic conductor, a pressure enhancer, and other various additives can be used. The filler may be any fibrous material that does not cause a chemical change in the lithium ion secondary battery.

正極集電体1aの材料は、正極1の充放電電位において化学変化を起こさない電子伝導体であれば何でもよい。例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、炭素および導電性樹脂などを用いることができる。また、正極集電体1aの表面には、表面処理により凹凸を付けてもよい。形状は、フォイルの他、フィルム、シート、ネット、パンチングメタル、エキスパンドメタル、多孔質体、発泡体、繊維群、不織布体、およびそれらの成形体などのいずれであってもよい。正極集電体1aの厚さは、特に限定されないが、一般には1〜500μmである。   The material of the positive electrode current collector 1a may be any electronic conductor that does not cause a chemical change at the charge / discharge potential of the positive electrode 1. For example, stainless steel, aluminum, titanium, carbon, conductive resin, and the like can be used. Moreover, you may give an unevenness | corrugation to the surface of the positive electrode electrical power collector 1a by surface treatment. The shape may be any of a film, a sheet, a net, a punching metal, an expanded metal, a porous body, a foam, a fiber group, a nonwoven fabric, and a molded body thereof, in addition to the foil. The thickness of the positive electrode current collector 1a is not particularly limited, but is generally 1 to 500 μm.

負極合剤層2bの負極活物質としては、充放電の反応電位が0.8V(vs.Li/Li+)よりも高ければ、チタン酸リチウム(Li4Ti512)以外の材料を使用できる。負極活物質は、例えばTiを含有する酸化物であってもよい。例えば、LiTi24、H2Ti1225およびTiO2などが挙げられる。また、負極活物質として、複数の異なった材料を混合して用いてもよい。負極活物質が粉末である場合には、平均粒径は特に限定はされないが、例えば0.05μm〜30μmの平均粒径を有する粉末が好ましい。負極合剤層2bは、通常50〜200μm程度の厚さを有するが、特に厚さに制約はない。負極合剤層2bは、0.1〜50μmの厚さを有していてもよい。なお、ここでいう平均粒径とは、レーザー回折/散乱法で測定された値である。 As the negative electrode active material of the negative electrode mixture layer 2b, a material other than lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) is used if the charge / discharge reaction potential is higher than 0.8 V (vs. Li / Li + ). it can. The negative electrode active material may be an oxide containing Ti, for example. Examples thereof include LiTi 2 O 4 , H 2 Ti 12 O 25 and TiO 2 . A plurality of different materials may be mixed and used as the negative electrode active material. When the negative electrode active material is a powder, the average particle diameter is not particularly limited, but for example, a powder having an average particle diameter of 0.05 μm to 30 μm is preferable. The negative electrode mixture layer 2b usually has a thickness of about 50 to 200 μm, but the thickness is not particularly limited. The negative electrode mixture layer 2b may have a thickness of 0.1 to 50 μm. Here, the average particle diameter is a value measured by a laser diffraction / scattering method.

負極合剤層2bは、黒鉛材料を含む導電剤をさらに含有する。負極合剤層2bは、導電剤として機能する黒鉛材料以外の物質を含んでいてもよい。しかし、以下に詳しく説明するが、より高い電導性を電極に付与するためには、負極合剤層2bに含まれる導電剤の50重量%以上が黒鉛材料であることが好ましく、70重量%以上が黒鉛材料であることがより好ましく、当該導電剤は黒鉛材料のみからなっていてもよい。   The negative electrode mixture layer 2b further contains a conductive agent including a graphite material. The negative electrode mixture layer 2b may contain a substance other than the graphite material that functions as a conductive agent. However, as will be described in detail below, in order to impart higher conductivity to the electrode, it is preferable that 50% by weight or more of the conductive agent contained in the negative electrode mixture layer 2b is a graphite material, and 70% by weight or more. Is more preferably a graphite material, and the conductive agent may be composed of only a graphite material.

負極集電体2aとしては、アルミニウム箔が好ましいが、例えば、銅箔、ニッケル箔、またはステンレス箔などを用いてもよい。また、負極集電体2aは、前記の正極集電体1aと同様の形状であってもよい。   As the negative electrode current collector 2a, an aluminum foil is preferable. For example, a copper foil, a nickel foil, or a stainless steel foil may be used. The negative electrode current collector 2a may have the same shape as the positive electrode current collector 1a.

セパレータ3としては、ポリプロピレン製の不織布シートだけでなく、ポリエチレン製の微多孔質シート、ポリプロピレン製の微多孔質シート、不織布シート、セルロース繊維を用いて叩解・抄紙したシート、およびこれらを複合化させたシートを用いることができる。また、必要に応じて濡れ性改善のための表面処理等を行ってもよい。もちろん、これら以外にも、リチウムイオン二次電池のセパレータとして用いることが可能な材料を使用することができる。   As the separator 3, not only a nonwoven fabric sheet made of polypropylene, but also a microporous sheet made of polyethylene, a microporous sheet made of polypropylene, a nonwoven fabric sheet, a sheet beaten and made using cellulose fibers, and a composite of these, Sheet can be used. Moreover, you may perform the surface treatment for wettability improvement as needed. Of course, in addition to these, materials that can be used as separators for lithium ion secondary batteries can be used.

次に、電極に含まれる導電剤および導電剤として使用される黒鉛材料、並びに、この導電剤と組み合わせて用いられる非水電解液について説明する。   Next, the conductive agent contained in the electrode, the graphite material used as the conductive agent, and the non-aqueous electrolyte used in combination with this conductive agent will be described.

一般に酸化物材料からなる活物質は、金属材料および炭素材料からなる活物質と比較して、電導性の面でやや劣る場合が多い。活物質は、充放電反応の際に、電解質を経由してリチウムイオンの授受を行うが、同時にその反応電気量に対応する電子を集電体から電極内部を通じて受け渡ししている。一般に、前述のような活物質の電子の受け渡しの行われやすさを、集電性と表現している。   In general, an active material made of an oxide material is often slightly inferior in terms of conductivity compared to an active material made of a metal material and a carbon material. In the charge / discharge reaction, the active material exchanges lithium ions via the electrolyte, and at the same time, electrons corresponding to the amount of reaction electricity are transferred from the current collector through the inside of the electrode. In general, the ease with which electrons of the active material are transferred as described above is expressed as current collection.

リチウムイオン二次電池の電極としては、金属箔等からなる集電体上に、粉末の酸化物材料を活物質として含有する合剤層が形成されることによって得られる電極が、広く用いられている。しかし、このような構成の場合、電極内で集電体に直接接触していない活物質の粒子は、隣接した電導性に劣る活物質の粒子を経由して、電子の授受を行うこととなる。従って、集電性が不十分となり、充放電性能が低下することとなる。このような電極内での活物質の粒子に対する集電性を改善するための手法として、電極合剤中に電導性に優れた炭素材料の粉末を導電剤として混合することが、一般的に行われている。   As an electrode of a lithium ion secondary battery, an electrode obtained by forming a mixture layer containing a powdered oxide material as an active material on a current collector made of a metal foil or the like is widely used. Yes. However, in such a configuration, the active material particles that are not in direct contact with the current collector in the electrode perform electron transfer through the adjacent active material particles having poor conductivity. . Accordingly, the current collecting property becomes insufficient, and the charge / discharge performance is lowered. As a technique for improving the current collecting property for the active material particles in such an electrode, it is generally practiced to mix a carbon material powder having excellent conductivity in the electrode mixture as a conductive agent. It has been broken.

電極合剤に混合する導電剤としては、前述のように炭素材料の粉末が広く用いられている。その中でも、結晶化度が高く電子電導性に優れた黒鉛材料を用いることで、より高い電導性を電極に付与することができる。黒鉛材料としては、鱗片状、塊状、球状および繊維状などの種々形状を有する黒鉛材料を用いることができる。   As described above, carbon material powder is widely used as the conductive agent to be mixed with the electrode mixture. Among them, higher conductivity can be imparted to the electrode by using a graphite material having a high degree of crystallinity and excellent electronic conductivity. As the graphite material, graphite materials having various shapes such as scales, lumps, spheres, and fibers can be used.

一方で、リチウムイオン二次電池の課題の一つとして、ガス発生による電池膨れおよび特性劣化が挙げられる。リチウムイオン二次電池は、高い反応電位を有する正極と、反応電位の低い負極との組み合わせからなり、両者間の大きな電位差により他の電池系と比較して高い電池電圧を発生させている。ところが、この非常に高い正極電位および非常に低い負極電位により、これらの電極に接触している非水電解液が酸化および還元されてしまい、ガス発生を伴うような劣化反応を起こしてしまう場合がある。一般にリチウムイオン二次電池の非水電解液の溶媒に用いられているカーボネート系の化合物は、比較的広い電位窓を有する材料ではあるが、長期間にわたる使用によって微量ずつではあるが劣化反応が進行してしまう。そのため、電極を構成する材料、並びに、電池の使用環境および条件によっては、劣化が蓄積され顕在化する場合がある。しかし、カーボネート化合物の中でもプロピレンカーボネートを用いた場合には、その良好な酸化還元に対する安定性によって、上記の劣化反応を抑制することができる。   On the other hand, as one of the problems of the lithium ion secondary battery, there are battery swelling and characteristic deterioration due to gas generation. A lithium ion secondary battery is composed of a combination of a positive electrode having a high reaction potential and a negative electrode having a low reaction potential, and generates a higher battery voltage than other battery systems due to a large potential difference therebetween. However, this very high positive electrode potential and very low negative electrode potential may cause the non-aqueous electrolyte in contact with these electrodes to be oxidized and reduced, resulting in a deterioration reaction involving gas generation. is there. In general, carbonate-based compounds used as solvents for non-aqueous electrolytes in lithium ion secondary batteries are materials that have a relatively wide potential window. Resulting in. Therefore, depending on the material constituting the electrode and the usage environment and conditions of the battery, deterioration may accumulate and become apparent. However, when propylene carbonate is used among the carbonate compounds, the above-described deterioration reaction can be suppressed due to its good redox stability.

ところが、負極が前述のように導電剤として黒鉛材料を含んでいる場合に、非水電解液の溶媒にプロピレンカーボネートを含有させると、黒鉛材料とプロピレンカーボネートとの反応が課題となる場合がある。この反応は、黒鉛の結晶層間へプロピレンカーボネート分子が挿入してしまい、黒鉛の結晶構造を破壊してしまうものである。同時に、プロピレンカーボネートの分解反応による電解液の劣化も起こる。上記反応は、0.8V(vs.Li/Li+)付近の電位で起こるため、それ以下の充放電反応電位を有するような負極活物質を用いた場合に問題となる。 However, when the negative electrode contains a graphite material as a conductive agent as described above, the reaction between the graphite material and propylene carbonate may become a problem when the solvent of the non-aqueous electrolyte contains propylene carbonate. In this reaction, propylene carbonate molecules are inserted between the crystal layers of graphite, and the crystal structure of graphite is destroyed. At the same time, deterioration of the electrolytic solution due to the decomposition reaction of propylene carbonate also occurs. Since the above reaction occurs at a potential in the vicinity of 0.8 V (vs. Li / Li + ), there is a problem when a negative electrode active material having a charge / discharge reaction potential lower than that is used.

従って、例えばチタン酸リチウム(Li4Ti512)を負極活物質として用いた場合には、その充放電反応の電位が1.55V(vs.Li/Li+)と高いので、通常の使用条件では問題になることはない。しかし、過充電状態となった際には、負極電位が低下して0.8V(vs.Li/Li+)以下となってしまう可能性が考えられる。そのため、チタン酸リチウム(Li4Ti512)を負極活物質として用いた場合であっても、上述の黒鉛材料とプロピレンカーボネートとの反応が起こり、電池特性の劣化を引き起こすことがある。また、0.8V(vs.Li/Li+)以下の反応電位を有するような負極活物質であれば、通常の使用条件でもこの反応が問題となってしまう。 Therefore, for example, when lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) is used as the negative electrode active material, the charge / discharge reaction potential is as high as 1.55 V (vs. Li / Li + ). There is no problem with the conditions. However, when an overcharged state is reached, the negative electrode potential may be reduced to 0.8 V (vs. Li / Li + ) or less. Therefore, even when lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) is used as the negative electrode active material, the reaction between the above-mentioned graphite material and propylene carbonate may occur, leading to deterioration of battery characteristics. In addition, if the negative electrode active material has a reaction potential of 0.8 V (vs. Li / Li + ) or less, this reaction becomes a problem even under normal use conditions.

導電剤としてカーボンブラックなどの黒鉛化度の低い低結晶性の炭素材料を用いれば以上のような問題は発生しないが、電導度の観点から、黒鉛材料を用いることが望ましい。導電剤として用いられる黒鉛材料は、黒鉛結晶の層間隔を表す値としてX線回折測定から求められるd002が0.335nm以上0.340nm以下であることが好ましい。0.340nm以上では黒鉛化度が低く電導性が劣る。0.335nmは黒鉛のd002の理論値である。 If a low crystalline carbon material such as carbon black having a low degree of graphitization is used as the conductive agent, the above problem does not occur, but it is desirable to use a graphite material from the viewpoint of conductivity. The graphite material used as the conductive agent preferably has a d 002 obtained from an X-ray diffraction measurement as a value representing the interlayer spacing of the graphite crystals of 0.335 nm to 0.340 nm. If it is 0.340 nm or more, the degree of graphitization is low and the conductivity is poor. 0.335 nm is the theoretical value of d 002 of graphite.

本実施形態の非水電解液は、1,3−プロパンサルトン、ビニレンカーボネートおよびフルオロエチレンカーボネートから選ばれる少なくともいずれか一種の化合物を含んでいる。これらの化合物は、黒鉛材料とプロピレンカーボネートとが反応する約0.8V(vs.Li/Li+)よりも高い電位で還元反応を起こして、負極上に反応生成物から成る被膜を形成する。この被膜は、導電剤である黒鉛材料の表面にも形成されて保護層として機能するので、黒鉛材料とプロピレンカーボネートとの反応を抑制する効果がある。 The nonaqueous electrolytic solution of this embodiment contains at least one kind of compound selected from 1,3-propane sultone, vinylene carbonate, and fluoroethylene carbonate. These compounds cause a reduction reaction at a potential higher than about 0.8 V (vs. Li / Li + ) at which the graphite material reacts with propylene carbonate to form a film made of the reaction product on the negative electrode. Since this film is also formed on the surface of the graphite material that is a conductive agent and functions as a protective layer, there is an effect of suppressing the reaction between the graphite material and propylene carbonate.

非水電解液における、1,3−プロパンサルトン、ビニレンカーボネートおよびフルオロエチレンカーボネートの含有量は、それぞれ0.1重量%以上5.0重量%以下であることが好ましい。0.1重量%未満では黒鉛材料に対する表面保護効果が小さい。また、上記化合物による被膜は黒鉛材料だけでなく活物質表面にも形成されるため、5.0重量%を超えると活物質表面の被膜量が多くなり充放電反応が阻害されて特性の低下を招く場合がある。   The contents of 1,3-propane sultone, vinylene carbonate, and fluoroethylene carbonate in the nonaqueous electrolytic solution are each preferably 0.1% by weight or more and 5.0% by weight or less. If it is less than 0.1% by weight, the surface protecting effect on the graphite material is small. In addition, since the coating of the above compound is formed not only on the graphite material but also on the surface of the active material, if it exceeds 5.0% by weight, the amount of coating on the surface of the active material increases and the charge / discharge reaction is hindered and the characteristics are deteriorated. May invite.

なお、フルオロエチレンカーボネートを用いる場合については、メカニズムの詳細は不明であるが、同時にアジポニトリル(Adiponitrile)およびスクシノニトリル(Succinonitrile)等のジニトリル化合物を加えることによって、25重量%を超えて加えることが可能である。   In the case of using fluoroethylene carbonate, details of the mechanism are unclear, but at the same time, by adding dinitrile compounds such as adiponitrile and succinonitrile, it may be added in excess of 25% by weight. Is possible.

なお、本実施形態では、シート型のリチウムイオン二次電池を一例として説明したが、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、他の形状を有していてもよい。例えば、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、円筒形および角形形状を有していてもよい。また、電気自動車等に用いる大型の形状を有していてもよい。   In the present embodiment, the sheet-type lithium ion secondary battery has been described as an example. However, the lithium ion secondary battery of the present embodiment may have other shapes. For example, the lithium ion secondary battery of the present embodiment may have a cylindrical shape and a rectangular shape. Moreover, you may have a large sized shape used for an electric vehicle etc.

本実施形態のリチウムイオン二次電池は、携帯情報端末、携帯電子機器、家庭用小型電力貯蔵装置、自動二輪車、電気自動車およびハイブリッド電気自動車等に用いることができる。また、これら以外の機器にも用いることができる。   The lithium ion secondary battery of this embodiment can be used for a portable information terminal, a portable electronic device, a small electric power storage device for home use, a motorcycle, an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, and the like. Moreover, it can be used for devices other than these.

以下に本発明の実施例を詳細に説明する。   Examples of the present invention will be described in detail below.

1.電池の作製
(実施例1)
<正極の作製>
まず、正極活物質として、LiNi0.80Co0.15Al0.052を準備した。LiNi0.80Co0.15Al0.052の調製法は、以下の通りである。
1. Production of battery (Example 1)
<Preparation of positive electrode>
First, LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 was prepared as a positive electrode active material. The preparation method of LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 is as follows.

濃度1mol/lの硫酸ニッケル水溶液に、所定比率の硫酸コバルトを加え、金属塩水溶液を調製した。この金属塩水溶液を50℃に維持した状態で低速で攪拌しながら、水酸化ナトリウムを30重量%含むアルカリ溶液をpHが12になるように滴下して、水酸化物の沈殿を得た。この沈殿物をろ過および水洗した後、空気中で80℃に加熱することにより乾燥した。   A predetermined ratio of cobalt sulfate was added to a nickel sulfate aqueous solution having a concentration of 1 mol / l to prepare a metal salt aqueous solution. While stirring this aqueous metal salt solution at 50 ° C. at a low speed, an alkaline solution containing 30% by weight of sodium hydroxide was added dropwise so as to have a pH of 12 to obtain a hydroxide precipitate. The precipitate was filtered and washed with water, and then dried by heating to 80 ° C. in air.

次に、得られた水酸化物を30℃の反応槽内の水中で攪拌し、反応槽にNaAlO2を所定量添加して十分に攪拌した。その後、反応槽内の溶液を、pHが9になるまで硫酸を用いて中和した。その結果、Alを含む化合物である水酸化アルミニウムが水酸化物の表面に均一に析出した。その後、水分を除去し、空気雰囲気中、700℃で10時間焼成し、3元系の酸化物である[Ni0.80Co0.15Al0.05]Oを得た。粉末X線回折(リガク製)により、得られた酸化物が単一相を有することを確認した。 Next, the obtained hydroxide was stirred in water in a reaction tank at 30 ° C., and a predetermined amount of NaAlO 2 was added to the reaction tank and sufficiently stirred. Thereafter, the solution in the reaction vessel was neutralized with sulfuric acid until the pH reached 9. As a result, aluminum hydroxide, which is a compound containing Al, was uniformly deposited on the surface of the hydroxide. Thereafter, moisture was removed, and calcination was performed in an air atmosphere at 700 ° C. for 10 hours to obtain [Ni 0.80 Co 0.15 Al 0.05 ] O which is a ternary oxide. It was confirmed by powder X-ray diffraction (manufactured by Rigaku) that the obtained oxide had a single phase.

さらに、得られた酸化物に、Ni、CoおよびAlを合わせたモル数とLiのモル数との比が1:1になるように水酸化リチウム一水和物の粉末を混合した。この混合物を、酸素雰囲気中で750℃まで10時間で昇温し、750℃で熱処理を36時間行うことにより、目的とするLiNi0.80Co0.15Al0.052を得た。粉末X線回折(リガク製)により、得られたLiNi0.80Co0.15Al0.052が単一相の六方晶層状構造であることを確認した。粉砕および分級の処理を行った後、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ製)による観察から、0.2μm〜1.0μm程度の一次粒子が多数凝集してほぼ球状あるいは楕円体状の二次粒子を形成していることを確認した。なお、平均粒径は、散乱式粒度分布測定装置(HORIBA製)を用いて求めた。 Further, lithium hydroxide monohydrate powder was mixed with the obtained oxide so that the ratio of the total number of moles of Ni, Co and Al to the number of moles of Li was 1: 1. This mixture was heated to 750 ° C. in an oxygen atmosphere over 10 hours, and heat-treated at 750 ° C. for 36 hours to obtain the target LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 . It was confirmed by powder X-ray diffraction (manufactured by Rigaku) that the obtained LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 had a single-phase hexagonal layered structure. After pulverizing and classifying treatment, secondary particles of almost spherical or ellipsoidal shape are formed by aggregation of many primary particles of about 0.2 μm to 1.0 μm from observation with a scanning electron microscope (manufactured by Hitachi High-Technologies). Was confirmed to form. In addition, the average particle diameter was calculated | required using the scattering type particle size distribution measuring apparatus (made by HORIBA).

次に、得られたLiNi0.80Co0.15Al0.052粉末を用いて正極を作製した。LiNi0.80Co0.15Al0.052と、導電剤であるアセチレンブラック(AB)、および結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、重量比で、LiNi0.80Co0.15Al0.052:AB:PVdF=100:3:4となるように秤量し、適量のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて攪拌・混合し、スラリー状の正極合剤を得た。 Next, a positive electrode was produced using the obtained LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 powder. LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 , acetylene black (AB) as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder in a weight ratio of LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 : AB: PVdF = 100: 3: 4, and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added and stirred and mixed to obtain a slurry-like positive electrode mixture.

次に、図2に示すように、厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体1aの片面に、前記スラリー状の正極合剤を塗布し、塗膜を乾燥し、ローラーで圧延することによって、正極合剤層1bを得た。   Next, as shown in FIG. 2, by applying the slurry-like positive electrode mixture to one side of the current collector 1a made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm, drying the coating film, and rolling with a roller, A positive electrode mixture layer 1b was obtained.

得られた極板を、図2に示す寸法に打ち抜いて、リード取り付け部であるタブの部分の正極合剤層1bを剥離して、正極1を得た。正極合剤層1bが設けられた正極集電体1aは、30mm×40mmの長方形状を有していた。   The obtained electrode plate was punched out to the dimensions shown in FIG. 2, and the positive electrode mixture layer 1 b at the tab portion as the lead attachment portion was peeled off to obtain the positive electrode 1. The positive electrode current collector 1a provided with the positive electrode mixture layer 1b had a rectangular shape of 30 mm × 40 mm.

<電解液の調製>
プロピレンカーボネート(PC)に、1.0Mの濃度となるように六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を加えて溶解し、さらに0.05重量%、0.1重量%、1.5重量%、5.0重量%となるように1,3−プロパンサルトン(PS)を加えて溶解し、電解液を調製した。
<Preparation of electrolyte>
To propylene carbonate (PC), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is added and dissolved to a concentration of 1.0 M, and further 0.05 wt%, 0.1 wt%, 1.5 wt% 1,3-propane sultone (PS) was added and dissolved so as to be 5.0% by weight to prepare an electrolytic solution.

<負極の作製>
まず、負極活物質としてLi4Ti512(平均粒径≦1μm)を準備した。負極活物質として用いたLi4Ti512の調製法は以下の通りである。なお、ここでの平均粒径は、散乱式粒度分布測定装置(HORIBA製)で測定された値である。また、Li4Ti512の充放電の反応電位は、約1.55V(vs.Li/Li+)である。
<Production of negative electrode>
First, Li 4 Ti 5 O 12 (average particle size ≦ 1 μm) was prepared as a negative electrode active material. The preparation method of Li 4 Ti 5 O 12 used as the negative electrode active material is as follows. In addition, the average particle diameter here is a value measured with a scattering type particle size distribution measuring apparatus (manufactured by HORIBA). The reaction potential for charging / discharging Li 4 Ti 5 O 12 is about 1.55 V (vs. Li / Li + ).

市販試薬であるLiOH・H2OとTiO2の原料粉末を、Li/Tiのモル混合比が化学量論比よりもややLi過剰となるように秤量し、これらを乳鉢で混合した。原料のTiO2には、アナターゼ型の結晶構造を有するものを用いた。 LiOH · H 2 O and TiO 2 raw material powders, which are commercially available reagents, were weighed so that the Li / Ti molar mixing ratio was slightly more Li than the stoichiometric ratio, and these were mixed in a mortar. As the raw material TiO 2 , one having an anatase type crystal structure was used.

混合後の原料粉末をAl23製のるつぼに入れ、大気雰囲気中で850℃の熱処理を12時間行うことで、目的とするLi4Ti512を得た。 The mixed raw material powder was put in an Al 2 O 3 crucible and subjected to heat treatment at 850 ° C. for 12 hours in an air atmosphere to obtain the target Li 4 Ti 5 O 12 .

熱処理後の材料をるつぼから取り出して乳鉢にて粉砕し、Li4Ti512の粗粉末を得た。得られたLi4Ti512粗粉末の粉末X線回折(リガク製)による測定を行ったところ、空間群がFd3mに帰属されるスピネル型構造からなる単相の回折パターンが得られた。 The heat-treated material was taken out of the crucible and pulverized in a mortar to obtain a Li 4 Ti 5 O 12 coarse powder. When the obtained Li 4 Ti 5 O 12 coarse powder was measured by powder X-ray diffraction (manufactured by Rigaku), a single-phase diffraction pattern having a spinel structure in which the space group was attributed to Fd3m was obtained.

続いて、得られたLi4Ti512粗粉末を用いて、ジェットミル粉砕および分級の処理を行った。得られた粉末は、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ製)による観察から、粒径が0.7μm程度の単粒子に粉砕されていることを確認した。 Subsequently, the obtained Li 4 Ti 5 O 12 coarse powder was used for jet mill pulverization and classification. It was confirmed that the obtained powder was pulverized into single particles having a particle size of about 0.7 μm from observation with a scanning electron microscope (manufactured by Hitachi High-Technologies).

次に、上記の方法により得られたLi4Ti512粉末を用いて負極を作製した。Li4Ti512と、導電剤である黒鉛材料の気相成長炭素繊維(昭和電工製、VGCF)と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、重量比で、Li4Ti512:VGCF:PVdF=100:7:5となるように秤量し、適量のN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて、攪拌・混合し、スラリー状の負極合剤を得た。 Next, a negative electrode was produced using the Li 4 Ti 5 O 12 powder obtained by the above method. Li 4 Ti 5 O 12 , a vapor-grown carbon fiber of graphite material (VGCF, made by Showa Denko) as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder in a weight ratio of Li 4 Ti 5 O 12 : VGCF: PVdF = 100: 7: 5 Weighed so that an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added, and stirred and mixed to obtain a slurry-like negative electrode mixture. .

次に、図3に示すように、厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体2aの片面に、前記スラリー状の負極合剤を塗布し、塗膜を乾燥し、ローラーで圧延することによって、負極合剤層2bを得た。   Next, as shown in FIG. 3, by applying the slurry-like negative electrode mixture on one side of the current collector 2a made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm, drying the coating film, and rolling with a roller, A negative electrode mixture layer 2b was obtained.

得られた極板を、図3に示す寸法に打ち抜いて、リード取り付け部であるタブの部分の負極合剤層2bを剥離して、負極2を得た。負極合剤層2bが設けられた負極集電体2aは、30mm×40mmの長方形状を有していた。   The obtained electrode plate was punched out to the dimensions shown in FIG. 3, and the negative electrode mixture layer 2 b at the tab portion as a lead attachment portion was peeled off to obtain the negative electrode 2. The negative electrode current collector 2a provided with the negative electrode mixture layer 2b had a rectangular shape of 30 mm × 40 mm.

<組み立て>
得られた正極1および負極2を、セパレータ3を介して積層し、図1(c)に示すような電極群13を作製した。セパレータとしては、表面処理を行った厚さ80μmのポリプロピレン製の不織布シートを用いた。
<Assembly>
The obtained positive electrode 1 and negative electrode 2 were laminated via a separator 3 to produce an electrode group 13 as shown in FIG. As the separator, a polypropylene nonwoven fabric sheet having a surface treatment of 80 μm in thickness was used.

次に、図1(a)に示すように、電極群13の正極1にアルミニウム製正極リード11を、負極2にアルニミウム製負極リード12を溶接した。その後、電極群13を、3方向が開口している厚さ0.12mmのアルミラミネートフィルム製電池ケース14の内部に収容し、ポリプロピレン製のテープで電池ケース14の内面に固定した。正極リード11および負極リード12が出ている開口部を含む開口部を熱溶着し、1つの開口部のみを熱溶着せずに残して、電池ケース14を袋状とした。熱溶着していない開口部から、電解液15として調製した各電解液を注入し、減圧および脱気後、減圧状態で開口部を熱溶着することにより、電池内部を密封した。組み立てた電池を2.8Vで充電した時の設計容量は、40mAhであった。得られた電池について、1,3−プロパンサルトンの含有量が0.1重量%、1.5重量%、5.0重量%である電解液を用いて得られた電池を、それぞれ電池A1、A2、A3とした。   Next, as shown in FIG. 1A, an aluminum positive electrode lead 11 was welded to the positive electrode 1 of the electrode group 13, and an aluminum negative electrode lead 12 was welded to the negative electrode 2. Thereafter, the electrode group 13 was accommodated in a battery case 14 made of an aluminum laminate film having a thickness of 0.12 mm opened in three directions, and fixed to the inner surface of the battery case 14 with a polypropylene tape. The opening including the opening from which the positive electrode lead 11 and the negative electrode lead 12 protrude is thermally welded, and only one opening is left without being thermally welded, so that the battery case 14 has a bag shape. Each electrolyte solution prepared as the electrolyte solution 15 was injected from the opening portion that was not thermally welded, and the inside of the battery was sealed by thermally welding the opening portion under reduced pressure after depressurization and deaeration. The designed capacity when the assembled battery was charged at 2.8 V was 40 mAh. Regarding the obtained battery, batteries obtained by using an electrolyte solution having a content of 1,3-propane sultone of 0.1% by weight, 1.5% by weight, and 5.0% by weight were respectively designated as battery A1. , A2 and A3.

(実施例2)
電解液が異なる以外は、実施例1と同様の方法で電池A4を作製した。電解液には、プロピレンカーボネート(PC)とジエチルカーボネート(DEC)とを体積比で4:1となるように混合した混合溶媒に、1.0Mの濃度となるように六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を加えて溶解し、さらに1.5重量%となるように1,3−プロパンサルトン(PS)を加えて溶解したものを用いた。
(Example 2)
A battery A4 was produced in the same manner as in Example 1 except that the electrolytic solution was different. In the electrolyte solution, lithium hexafluorophosphate (a solution of 1.0M in a mixed solvent in which propylene carbonate (PC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a volume ratio of 4: 1 to a concentration of 1.0M was used. LiPF 6 ) was added and dissolved, and 1,3-propane sultone (PS) was added and dissolved so as to be 1.5% by weight.

(実施例3)
電解液が異なる以外は、実施例1と同様の方法で電池を作製した。電解液には、プロピレンカーボネート(PC)に、1.0Mの濃度となるように六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を加えて溶解し、さらに0.1重量%、1.5重量%、5.0重量%となるようにビニレンカーボネート(VC)を加えて混合したものを用いた。ビニレンカーボネートの含有量が0.1重量%、1.5重量%、5.0重量%である電解液を用いて得られた電池を、それぞれ電池A5、A6、A7とした。
(Example 3)
A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the electrolytic solution was different. In the electrolyte, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was added and dissolved in propylene carbonate (PC) to a concentration of 1.0 M, and further 0.1 wt%, 1.5 wt%, What added and mixed vinylene carbonate (VC) so that it might become 5.0 weight% was used. Batteries obtained using electrolyte solutions having vinylene carbonate contents of 0.1 wt%, 1.5 wt%, and 5.0 wt% were designated as batteries A5, A6, and A7, respectively.

(実施例4)
電解液が異なる以外は、実施例1と同様の方法で電池を作製した。電解液には、プロピレンカーボネート(PC)に、1.0Mの濃度となるように六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を加えて溶解し、さらに0.1重量%、1.5重量%、5.0重量%となるようにフルオロエチレンカーボネート(FEC)を加えて混合したものを用いた。フルオロエチレンカーボネートの含有量が0.1重量%、1.5重量%、5.0重量%である電解液を用いて得られた電池を、それぞれ電池A8、A9、A10とした。
Example 4
A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the electrolytic solution was different. In the electrolyte, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was added and dissolved in propylene carbonate (PC) to a concentration of 1.0 M, and further 0.1 wt%, 1.5 wt%, A mixture prepared by adding fluoroethylene carbonate (FEC) so as to be 5.0% by weight was used. Batteries obtained using electrolytic solutions having fluoroethylene carbonate contents of 0.1% by weight, 1.5% by weight, and 5.0% by weight were designated as batteries A8, A9, and A10, respectively.

(実施例5)
電解液が異なる以外は、実施例1と同様の方法で電池A11を作製した。電解液には、プロピレンカーボネート(PC)に、1.0Mの濃度となるように六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を加えて溶解し、さらに25.0重量%となるようにフルオロエチレンカーボネート(FEC)および1.5重量%となるようにアジポニトリルを加えて混合したものを用いた。
(Example 5)
A battery A11 was produced in the same manner as in Example 1 except that the electrolytic solution was different. In the electrolytic solution, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) is added to propylene carbonate (PC) to a concentration of 1.0 M and dissolved, and further, fluoroethylene carbonate is added to 25.0 wt%. (FEC) and 1.5 wt% adiponitrile added and mixed were used.

(実施例6)
異なる負極活物質を用い、さらに電解液に加えた1,3−プロパンサルトン(PS)を1.5重量%に変更した以外は、実施例1と同様の方法で電池A12を作製した。負極活物質には下記の方法で調製したLiTi24を用いた。なお、LiTi24の充放電の反応電位は、約1.3V(vs.Li/Li+)である。
(Example 6)
A battery A12 was produced in the same manner as in Example 1 except that different negative electrode active materials were used and that 1,3-propane sultone (PS) added to the electrolyte was changed to 1.5% by weight. LiTi 2 O 4 prepared by the following method was used as the negative electrode active material. The reaction potential for charging and discharging LiTi 2 O 4 is about 1.3 V (vs. Li / Li + ).

市販試薬であるLi2CO3とTiO2との原料粉末を、Li/Tiのモル混合比が化学量論比よりもややLi過剰となるように秤量し、これらを乳鉢で混合した。 Raw material powders of Li 2 CO 3 and TiO 2 , which are commercially available reagents, were weighed so that the molar mixing ratio of Li / Ti was slightly more Li than the stoichiometric ratio, and these were mixed in a mortar.

混合後の原料粉末をAl23製のるつぼに入れ、大気雰囲気中で850℃の熱処理を12時間行うことで、目的とするLiTi24を得た。 The mixed raw material powder was placed in an Al 2 O 3 crucible and subjected to heat treatment at 850 ° C. for 12 hours in an air atmosphere to obtain the target LiTi 2 O 4 .

熱処理後の材料をるつぼから取り出して乳鉢にて粉砕し、LiTi24の粗粉末を得た。得られたLiTi24粗粉末の粉末X線回折(リガク製)の測定を行ったところ、空間群がFd3mに帰属されるスピネル型構造からなる単相の回折パターンが得られた。 The heat-treated material was taken out of the crucible and pulverized in a mortar to obtain a coarse powder of LiTi 2 O 4 . When measurement of powder X-ray diffraction (manufactured by Rigaku) of the obtained LiTi 2 O 4 coarse powder was performed, a single-phase diffraction pattern having a spinel structure in which the space group was attributed to Fd3m was obtained.

続いて、得られたLiTi24粗粉末を用いて、ジェットミル粉砕および分級の処理を行った。得られた粉末は、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ製)による観察から、粒径が1.0μm程度の単粒子に粉砕されていることを確認した。 Subsequently, jet mill grinding and classification were performed using the obtained LiTi 2 O 4 coarse powder. It was confirmed that the obtained powder was pulverized into single particles having a particle size of about 1.0 μm from observation with a scanning electron microscope (manufactured by Hitachi High-Technologies).

次に、上記の方法により得られたLiTi24粉末を負極活物質として用いて、負極を作製した。負極活物質が異なる点以外は、実施例1と同じ方法で負極を作製した。 Next, using the LiTi 2 O 4 powder obtained by the above method as the negative electrode active material, a negative electrode was prepared. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode active material was different.

(実施例7)
異なる負極活物質を用い、さらに電解液に加えた1,3−プロパンサルトン(PS)を1.5重量%に変更した以外は、実施例1と同様の方法で電池A13を作製した。負極活物質には下記の方法で調製したH2Ti1225を用いた。なお、H2Ti1225の充放電の反応電位は、約1.55V(vs.Li/Li+)である。
(Example 7)
A battery A13 was produced in the same manner as in Example 1 except that different negative electrode active materials were used and 1,3-propane sultone (PS) added to the electrolytic solution was changed to 1.5% by weight. As the negative electrode active material, H 2 Ti 12 O 25 prepared by the following method was used. Note that the charge / discharge reaction potential of H 2 Ti 12 O 25 is about 1.55 V (vs. Li / Li + ).

市販試薬であるNa2CO3とTiO2との原料粉末を、Na/Tiのモル混合比が化学量論比となるように秤量し、これらを乳鉢で混合した。 Raw material powders of Na 2 CO 3 and TiO 2 , which are commercially available reagents, were weighed so that the molar mixing ratio of Na / Ti was a stoichiometric ratio, and these were mixed in a mortar.

混合後の原料粉末をAl23製のるつぼに入れ、大気雰囲気中で850℃の熱処理を12時間行うことで、目的とするNa2Ti37を得た。 The mixed raw material powder was put into an Al 2 O 3 crucible and subjected to heat treatment at 850 ° C. for 12 hours in an air atmosphere to obtain the target Na 2 Ti 3 O 7 .

得られたNa2Ti37を濃度が0.5mol/Lの塩酸中に7日間分散した後、十分に乾燥させてH2Ti37を得た。 The obtained Na 2 Ti 3 O 7 was dispersed in hydrochloric acid having a concentration of 0.5 mol / L for 7 days and then sufficiently dried to obtain H 2 Ti 3 O 7 .

更に得られたH2Ti37を大気雰囲気中で200℃の熱処理を12時間行うことで、目的とするH2Ti1225を得た。 Further, the obtained H 2 Ti 3 O 7 was heat-treated at 200 ° C. for 12 hours in an air atmosphere to obtain the target H 2 Ti 12 O 25 .

熱処理後の材料をるつぼから取り出して乳鉢にて粉砕し、H2Ti1225の粗粉末を得た。得られたH2Ti1225粗粉末の粉末X線回折(リガク製)の測定を行ったところ、空間群がP2/mに帰属される単相の回折パターンが得られた。 The heat-treated material was taken out from the crucible and pulverized in a mortar to obtain a coarse powder of H 2 Ti 12 O 25 . When measurement of powder X-ray diffraction (manufactured by Rigaku) of the obtained H 2 Ti 12 O 25 coarse powder was performed, a single-phase diffraction pattern in which the space group was attributed to P2 / m was obtained.

続いて、得られたH2Ti1225粗粉末を用いて、ジェットミル粉砕および分級の処理を行った。得られた粉末は、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ製)による観察から、粒径が0.8μm程度の粒子に粉砕されていることを確認した。 Subsequently, the obtained H 2 Ti 12 O 25 coarse powder was used for jet mill pulverization and classification. It was confirmed that the obtained powder was pulverized into particles having a particle size of about 0.8 μm from observation with a scanning electron microscope (manufactured by Hitachi High-Technologies).

次に、上記の方法により得られたH2Ti1225粉末を負極活物質として用いて、負極を作製した。負極活物質が異なる点以外は、実施例1と同じ方法で負極を作製した。 Next, using the H 2 Ti 12 O 25 powder obtained by the above method as the negative electrode active material, a negative electrode was prepared. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode active material was different.

(実施例8)
負極に異なる導電剤を用い、さらに電解液に加えた1,3−プロパンサルトン(PS)を1.5重量%と変更した以外は、実施例1と同様の方法で電池A14を作製した。導電剤には人造黒鉛粉末(Timcal社製、KS−4)を用いた。
(Example 8)
A battery A14 was produced in the same manner as in Example 1, except that a different conductive agent was used for the negative electrode and that 1,3-propane sultone (PS) added to the electrolyte was changed to 1.5% by weight. Artificial graphite powder (manufactured by Timcal, KS-4) was used as the conductive agent.

(実施例9)
電解液に加えた1,3−プロパンサルトン(PS)を、0.05重量%および5.5重量%と変更した以外は、実施例1と同様の方法で電池A15およびA16を作製した。
Example 9
Batteries A15 and A16 were produced in the same manner as in Example 1, except that 1,3-propane sultone (PS) added to the electrolytic solution was changed to 0.05 wt% and 5.5 wt%.

(実施例10)
電解液に加えたビニレンカーボネート(VC)を、0.05重量%および5.5重量%と変更した以外は、実施例1と同様の方法で電池A17およびA18を作製した。
(Example 10)
Batteries A17 and A18 were produced in the same manner as in Example 1 except that vinylene carbonate (VC) added to the electrolytic solution was changed to 0.05 wt% and 5.5 wt%.

(実施例11)
電解液に加えたフルオロエチレンカーボネート(FEC)を、0.05重量%および5.5重量%と変更した以外は、実施例1と同様の方法で電池A19およびA20を作製した。
(Example 11)
Batteries A19 and A20 were produced in the same manner as in Example 1 except that fluoroethylene carbonate (FEC) added to the electrolytic solution was changed to 0.05 wt% and 5.5 wt%.

(比較例1)
電解液に1,3−プロパンサルトン(PS)を加えなかった以外は、実施例1と同様の方法で電池B1を作製した。
(Comparative Example 1)
A battery B1 was produced in the same manner as in Example 1 except that 1,3-propane sultone (PS) was not added to the electrolytic solution.

(比較例2)
電解液が異なる以外は、実施例1と同様の方法で電池B2を作製した。電解液には、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを体積比で1:3となるように混合した混合溶媒に、1.0Mの濃度となるように六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を加えて溶解して得られたものを用いた。すなわち、比較例2の電解液には、非水溶媒としてプロピレンカーボネート(PC)が用いられておらず、さらに1,3−プロパンサルトン(PS)、ビニレンカーボネート(VC)およびフルオロエチレンカーボネート(FEC)は添加されていなかった。
(Comparative Example 2)
A battery B2 was produced in the same manner as in Example 1 except that the electrolytic solution was different. The electrolyte solution was lithium hexafluorophosphate in a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 1: 3 to a concentration of 1.0M. What was obtained by adding (LiPF 6 ) and dissolving was used. That is, in the electrolyte solution of Comparative Example 2, propylene carbonate (PC) was not used as a nonaqueous solvent, and 1,3-propane sultone (PS), vinylene carbonate (VC), and fluoroethylene carbonate (FEC) were used. ) Was not added.

なお、実施例1から11、および、比較例1および2において、電解液調製に用いた溶媒(PC、DEC、EC、EMC)、LiPF6、PS、VCおよびFECは、いずれもリチウムバッテリーグレードの市販品であった。 In Examples 1 to 11 and Comparative Examples 1 and 2, the solvents (PC, DEC, EC, EMC), LiPF 6 , PS, VC, and FEC used for preparing the electrolyte were all lithium battery grade. It was a commercial product.

2.電池の評価
<電池特性の評価>
作製した各電池を用いて、電池特性の評価を行った。
2. Battery evaluation <Evaluation of battery characteristics>
The battery characteristics were evaluated using each produced battery.

25℃の環境下において、電流値2mAで2.8Vまで定電流充電を行った。その後、電流値2mAで1.5Vまで定電流放電を行い、いずれの電池もほぼ設計容量で動作していることを確認した。   In an environment of 25 ° C., constant current charging was performed up to 2.8 V at a current value of 2 mA. Thereafter, constant current discharge was performed up to 1.5 V at a current value of 2 mA, and it was confirmed that all the batteries were operating at almost the designed capacity.

次に、各電池を、25℃の環境下で、電流値2mAで3.5Vまで定電流充電を行って過充電状態とした。その後、電流値2mAで1.5Vまで定電流放電を行った。引き続き、電流値2mAで2.8Vまで定電流充電を行い、その後、電流値2mAで1.5Vまで定電流放電を行った。過充電を行う前の放電容量に対する過充電を行った後の放電容量の百分率を、過充電後容量維持率として、以下の式により算出した。結果は、表1に示されている。なお、3.5Vの過充電状態における負極の電位は0.5V(vs.Li/Li+)であった。
過充電後容量維持率(%)=(過充電後の放電容量/過充電前の放電容量)×100
Next, each battery was subjected to constant current charging to 3.5 V at a current value of 2 mA in an environment of 25 ° C. to be in an overcharged state. Thereafter, constant current discharge was performed to 1.5 V at a current value of 2 mA. Subsequently, constant current charging was performed up to 2.8 V at a current value of 2 mA, and then constant current discharging was performed up to 1.5 V at a current value of 2 mA. The percentage of the discharge capacity after overcharging with respect to the discharge capacity before overcharging was calculated as the capacity maintenance rate after overcharging by the following formula. The results are shown in Table 1. Note that the potential of the negative electrode in an overcharged state of 3.5 V was 0.5 V (vs. Li / Li + ).
Capacity maintenance ratio after overcharge (%) = (discharge capacity after overcharge / discharge capacity before overcharge) × 100

<高温保存試験>
電池特性の評価を行った各電池を用いて60℃保存試験を行った。
<High temperature storage test>
A 60 ° C. storage test was performed using each battery for which the battery characteristics were evaluated.

上述のような3.5Vまでの過充電を含む特性評価を行った後の各電池を、25℃の環境下において、電流値2mAで2.8Vまで定電流充電を行った。その後、充電状態の電池を開回路状態で高温槽中に入れ、60℃の環境下で一週間保持した。その後、高温槽から取り出し、発生したガスの分析を行った。   Each battery after performing the characteristic evaluation including overcharge up to 3.5 V as described above was subjected to constant current charge up to 2.8 V at a current value of 2 mA in an environment of 25 ° C. Thereafter, the charged battery was placed in a high-temperature bath in an open circuit state, and kept at 60 ° C. for one week. Then, it took out from the high temperature tank and analyzed the generated gas.

高温保存後の各電池から内部に蓄積しているガスを捕集し、ガスクロマトグラフィー法により分析を行った。各電池内に蓄積していたCO2ガス量を表2に示す。 The gas accumulated in each battery after high temperature storage was collected and analyzed by gas chromatography. Table 2 shows the amount of CO 2 gas accumulated in each battery.

プロピレンカーボネート(PC)を溶媒とし、1,3−プロパンサルトン(PS)、ビニレンカーボネート(VC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)のいずれも含まない電解液を用いた電池B1では、過充電後の容量維持率が大幅に低下した。これは、導電剤として用いている繊維状の黒鉛材料(VGCF)とプロピレンカーボネート(PC)とが反応してしまい、電極内での集電構造が破壊したためである。   In battery B1 using propylene carbonate (PC) as a solvent and using an electrolyte solution that does not contain 1,3-propane sultone (PS), vinylene carbonate (VC), or fluoroethylene carbonate (FEC), The capacity maintenance rate has dropped significantly. This is because the fibrous graphite material (VGCF) used as the conductive agent and propylene carbonate (PC) react to destroy the current collecting structure in the electrode.

また、充電状態での60℃保存によるCO2ガス発生の比較でも、電池B1ではガスの発生量が多くなっている。これも、繊維状の黒鉛材料(VGCF)とプロピレンカーボネート(PC)との反応に起因するものである。 Further, in the comparison of CO 2 gas generation by storage at 60 ° C. in the charged state, the amount of gas generated in the battery B1 is large. This is also due to the reaction between the fibrous graphite material (VGCF) and propylene carbonate (PC).

電解液の溶媒としてプロピレンカーボネート(PC)を用いていない電池B2でも、CO2ガス発生量が増加している。これは、溶媒の酸化・還元反応によるものであると考えられる。 Even in the battery B2 that does not use propylene carbonate (PC) as the solvent of the electrolytic solution, the CO 2 gas generation amount is increased. This is considered to be due to the oxidation / reduction reaction of the solvent.

以上に示すように、充放電の反応電位が0.8V(vs.Li/Li+)を超える負極活物質と、導電剤としての黒鉛材料とを含有する負極を用いた電池において、電解液が溶媒としてプロピレンカーボネート(PC)を含み、なおかつ1,3−プロパンサルトン(PS)、ビニレンカーボネート(VC)およびフルオロエチレンカーボネート(FEC)から選ばれる少なくとも一種の化合物を含む組み合わせとした場合には、過充電での性能劣化が小さく、ガス発生の少ない電池を提供することができた。 As described above, in a battery using a negative electrode containing a negative electrode active material having a charge / discharge reaction potential exceeding 0.8 V (vs. Li / Li + ) and a graphite material as a conductive agent, the electrolytic solution is In the case of a combination containing propylene carbonate (PC) as a solvent and at least one compound selected from 1,3-propane sultone (PS), vinylene carbonate (VC) and fluoroethylene carbonate (FEC), It was possible to provide a battery with little performance deterioration due to overcharge and less gas generation.

また、電池A1からA20のうち、電解液に添加される1,3−プロパンサルトン(PS)、ビニレンカーボネート(VC)およびフルオロエチレンカーボネート(FEC)の含有量が、それぞれ0.1重量%以上5.0重量%以下の電池(電池A1からA10、および、電池A12からA14)と、電解液に25重量%のフルオロエチレンカーボネート(FEC)がアジポニトリルと共に添加された電池(電池A11)は、過充電後容量維持率が90%を超えていた。この結果から、電解液に添加される1,3−プロパンサルトン(PS)、ビニレンカーボネート(VC)およびフルオロエチレンカーボネート(FEC)の含有量を0.1重量%以上5.0重量%以下とすることにより、過充電での性能劣化をより確実に抑えることができるということがわかった。また、電解液に添加される化合物がフルオロエチレンカーボネート(FEC)の場合は、アジポニトリル等のジニトリル化合物をさらに添加することにより、5.0重量%を超えても高い性能劣化抑制効果が得られることもわかった。   Moreover, among batteries A1 to A20, the contents of 1,3-propane sultone (PS), vinylene carbonate (VC), and fluoroethylene carbonate (FEC) added to the electrolyte solution are each 0.1% by weight or more. A battery (battery A11) having 5.0 wt% or less (batteries A1 to A10 and batteries A12 to A14) and 25 wt% fluoroethylene carbonate (FEC) added to the electrolyte together with adiponitrile The capacity retention rate after charging exceeded 90%. From this result, the content of 1,3-propane sultone (PS), vinylene carbonate (VC) and fluoroethylene carbonate (FEC) added to the electrolytic solution is 0.1 wt% or more and 5.0 wt% or less. By doing so, it has been found that the performance deterioration due to overcharging can be more reliably suppressed. In addition, when the compound added to the electrolytic solution is fluoroethylene carbonate (FEC), the addition of a dinitrile compound such as adiponitrile can provide a high performance deterioration suppressing effect even if it exceeds 5.0% by weight. I understand.

Figure 0005995161
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本発明によれば、充放電特性に優れ、過充電時の特性劣化の少ないチウムイオン二次電池が実現できる。本発明は、特にリチウムの溶解析出電位を基準として0.8Vよりも高い反応電位でリチウムを吸蔵放出する活物質材料を用いるリチウムイオン二次電池に用いられる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the lithium ion secondary battery which is excellent in charging / discharging characteristics and has little characteristic deterioration at the time of overcharge is realizable. The present invention is particularly used for a lithium ion secondary battery using an active material that occludes and releases lithium at a reaction potential higher than 0.8 V with respect to the dissolution and precipitation potential of lithium.

1 正極
1a 正極集電体
1b 正極合剤層
2 負極
2a 負極集電体
2b 負極合剤層
3 セパレータ
11 正極リード
12 負極リード
13 電極群
14 電池ケース
15 電解液(非水電解質)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode 1a Positive electrode collector 1b Positive electrode mixture layer 2 Negative electrode 2a Negative electrode collector 2b Negative electrode mixture layer 3 Separator 11 Positive electrode lead 12 Negative electrode lead 13 Electrode group 14 Battery case 15 Electrolytic solution (nonaqueous electrolyte)

Claims (4)

正極と、
負極と、
前記正極と前記負極との間に配置されたセパレータと、
非水電解質と、
を備え、
前記負極は、リチウムの溶解析出電位を基準として0.8Vよりも高い反応電位でリチウムを吸蔵放出する活物質と、黒鉛材料を含む導電剤とを含有し、
前記非水電解質は、プロピレンカーボネートを含む非水溶媒を含有し、さらに1,3−プロパンサルトン、ビニレンカーボネートおよびフルオロエチレンカーボネートから選ばれる少なくともいずれか一種の化合物を含有し、
前記非水溶媒は、プロピレンカーボネートを20重量%以上含む、
非水電解質二次電池。
A positive electrode;
A negative electrode,
A separator disposed between the positive electrode and the negative electrode;
A non-aqueous electrolyte,
With
The negative electrode contains an active material that occludes and releases lithium at a reaction potential higher than 0.8 V on the basis of a dissolution and precipitation potential of lithium, and a conductive agent including a graphite material,
The non-aqueous electrolyte contains a non-aqueous solvent containing propylene carbonate, and further contains at least one compound selected from 1,3-propane sultone, vinylene carbonate and fluoroethylene carbonate,
The non-aqueous solvent contains 20% by weight or more of propylene carbonate,
Non-aqueous electrolyte secondary battery.
前記非水電解質は、1,3−プロパンサルトンおよびビニレンカーボネートから選ばれる少なくともいずれか一種の化合物を含有し、
前記非水電解質における前記化合物の含有量は、0.1重量%以上5.0重量%以下である、
請求項1に記載の非水電解質二次電池。
The non-aqueous electrolyte contains at least any one compound selected from 1,3-propane sultone and vinylene carbonate,
The content of the compound in the non-aqueous electrolyte is 0 . 1 wt% or more and 5.0 wt% or less,
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1.
前記負極に含まれる前記活物質が、Tiを含有する酸化物である、
請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。
The active material contained in the negative electrode is an oxide containing Ti,
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2.
前記負極に含まれる前記活物質が、一般式Li4Ti512で表されるチタン酸リチウムである、
請求項1から3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
The active material contained in the negative electrode is lithium titanate represented by the general formula Li 4 Ti 5 O 12 .
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 3.
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