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JP6731155B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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JP6731155B2 JP2017008904A JP2017008904A JP6731155B2 JP 6731155 B2 JP6731155 B2 JP 6731155B2 JP 2017008904 A JP2017008904 A JP 2017008904A JP 2017008904 A JP2017008904 A JP 2017008904A JP 6731155 B2 JP6731155 B2 JP 6731155B2
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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.

リチウムイオン二次電池(リチウム二次電池)等の非水電解質二次電池は、既存の電池に比べて軽量且つエネルギー密度が高いことから、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として用いられている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両の駆動用高出力電源として好ましく用いられている。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium-ion secondary batteries (lithium secondary batteries) are lighter in weight and have higher energy density than existing batteries, so in recent years, so-called portable power sources for vehicles such as personal computers and mobile terminals, and vehicle drives. It is used as a power source. In particular, a lithium ion secondary battery that is lightweight and obtains a high energy density is preferably used as a high output power source for driving vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HV), and plug-in hybrid vehicles (PHV). There is.

リチウムイオン二次電池のサイクル寿命等を向上させるために、リチウムイオン二次電池に初期充電を行って、負極表面にSEI(Solid Electrolyte Interface)膜と呼ばれる不動態被膜を形成することが行われている。当該被膜は、非水電解液の分解を抑制するとともに、スムースなリチウムイオンの挿入および脱離を可能にする。 In order to improve the cycle life and the like of the lithium ion secondary battery, the lithium ion secondary battery is initially charged to form a passivation film called SEI (Solid Electrolyte Interface) film on the negative electrode surface. There is. The film suppresses the decomposition of the non-aqueous electrolyte and enables smooth insertion and desorption of lithium ions.

そして、電池性能を向上させるために、非水電解質に添加剤を加えることによって、このような被膜を改質することが行なわれている。例えば、特許文献1では、非水電解質二次電池の非水電解質にジフルオロリン酸塩を添加することが提案されている。 Then, in order to improve the battery performance, such a coating is modified by adding an additive to the non-aqueous electrolyte. For example, Patent Document 1 proposes to add a difluorophosphate to a non-aqueous electrolyte of a non-aqueous electrolyte secondary battery.

特開2014−011072号公報JP, 2014-011072, A

しかしながら、本発明者が鋭意検討した結果、特許文献1に記載の技術において、電池の使用状態によっては、金属リチウム(Li)が析出することにより、電池容量が低下する場合があることを見出した。すなわち、特許文献1に記載の技術には、金属Liが析出しやすい条件で電池を使用した場合の電池容量の劣化抑制に改善の余地があることを見出した。
そこで本発明の目的は、金属Liが析出しやすい条件で電池を使用した場合でも、電池容量の劣化が抑制された非水電解質二次電池を提供することにある。
However, as a result of diligent study by the present inventor, in the technique described in Patent Document 1, it has been found that the battery capacity may decrease due to the deposition of metallic lithium (Li) depending on the usage state of the battery. .. That is, it has been found that the technique described in Patent Document 1 has room for improvement in suppressing deterioration of the battery capacity when the battery is used under conditions where metal Li is likely to precipitate.
Therefore, an object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery in which the deterioration of the battery capacity is suppressed even when the battery is used under the condition that metal Li is easily deposited.

ここに開示される非水電解質二次電池は、正極と、負極と、非水電解質と、を備える。前記非水電解質は、フッ素原子およびリン原子の少なくともいずれかを含有する化合物である添加剤を含有する。前記負極には被膜(A)が形成されている。前記非水電解質が前記フッ素原子またはリン原子を含有する化合物である添加剤を含有しない場合に形成される前記負極の被膜(B)の量を1としたときの、前記形成される被膜(A)の量の比率は、1.03以上1.11以下である。
このような構成によれば、負極上に被膜が高い密度で点在し、負極の所定の面積に対して、被膜を介してリチウムイオンを受け入れ可能な部分の面積が大きくなる。よって、金属Liが析出し難くなり、金属Liに起因する電池容量の劣化が起こり難くなる。すなわち、このような構成によれば、金属Liが析出しやすい条件で電池を使用した場合でも、電池容量の劣化が抑制された非水電解質二次電池を提供することができる。
The non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein includes a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. The non-aqueous electrolyte contains an additive which is a compound containing at least one of a fluorine atom and a phosphorus atom. A coating film (A) is formed on the negative electrode. The formed coating film (A) when the amount of the coating film (B) of the negative electrode formed when the non-aqueous electrolyte does not contain an additive that is a compound containing a fluorine atom or a phosphorus atom is 1 The ratio of the amount of) is 1.03 or more and 1.11.
According to such a configuration, the coating film is scattered on the negative electrode with a high density, and the area of the portion capable of receiving lithium ions through the coating film is larger than the predetermined area of the negative electrode. Therefore, the metal Li is less likely to deposit, and the deterioration of the battery capacity due to the metal Li is less likely to occur. That is, according to such a configuration, it is possible to provide the non-aqueous electrolyte secondary battery in which the deterioration of the battery capacity is suppressed even when the battery is used under the condition that metal Li is easily deposited.

本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池を模式的に示す断面図である。1 is a sectional view schematically showing a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention. リチウムイオン二次電池に用いられる電極体の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the electrode body used for a lithium ion secondary battery. (a)少量の被膜が形成された負極を表す模式図であり、(b)適度に被膜が形成された負極を表す模式図であり、(c)多量の被膜が形成された負極を表す模式図である。(A) It is a schematic diagram showing the negative electrode in which a small amount of film was formed, (b) It is a schematic diagram showing the negative electrode in which the film was formed moderately, (c) Schematic showing the negative electrode in which a large amount of film was formed. It is a figure. 実施例における検討において、負極活物質に対する添加剤量と、エージング時間との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the amount of additive to the negative electrode active material and the aging time in the examination in Examples.

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けない非水電解質二次電池の一般的な構成および製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that matters other than matters particularly referred to in the present specification and matters necessary for carrying out the present invention (for example, a general configuration and manufacturing process of a non-aqueous electrolyte secondary battery that does not characterize the present invention). Can be understood as a matter of design by a person skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and the common general technical knowledge in the field. Further, in the following drawings, the same reference numerals are given to the members/sites that have the same effect. Further, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect the actual dimensional relationships.

なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池等のいわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。以下、リチウムイオン二次電池を例にして本発明について詳細に説明する。
なお、本発明をかかる実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではなく、本発明の技術思想は、その他の電荷担体(例えばナトリウムイオン)を備える他の非水電解質二次電池(例えばナトリウムイオン二次電池)にも適用される。
In the present specification, the term “secondary battery” generally refers to an electricity storage device that can be repeatedly charged and discharged, and is a term that includes so-called storage batteries such as lithium-ion secondary batteries and electricity storage elements such as electric double layer capacitors. Hereinafter, the present invention will be described in detail by taking a lithium ion secondary battery as an example.
It should be noted that the present invention is not intended to be limited to those described in the embodiments, and the technical idea of the present invention is to provide another non-aqueous electrolyte secondary battery including another charge carrier (for example, sodium ion). (For example, sodium ion secondary battery)

図1は、一実施形態に係るリチウムイオン二次電池10を模式的に示す断面図である。図2は、リチウムイオン二次電池10に用いられる電極体40の構成を示す模式図である。リチウムイオン二次電池10は、図1に示すように、電池ケース20と、電極体40(図1では、捲回電極体)とを備えている。 FIG. 1 is a sectional view schematically showing a lithium ion secondary battery 10 according to an embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the electrode body 40 used in the lithium ion secondary battery 10. As shown in FIG. 1, the lithium-ion secondary battery 10 includes a battery case 20 and an electrode body 40 (a wound electrode body in FIG. 1).

電池ケース20は、ケース本体21と、封口板22とを備えている。ケース本体21は、一端に矩形の開口部を有する箱形を有している。ここで、ケース本体21は、リチウムイオン二次電池10の通常の使用状態における上面に相当する一面が開口した有底直方体形状を有している。封口板22は、ケース本体21の開口を塞ぐ部材である。封口板22は凡そ矩形のプレートで構成されている。かかる封口板22がケース本体21の開口周縁に溶接されることによって、略六面体形状の電池ケース20が構成されている。電池ケース20は、例えば、軽量で熱伝導性の良い金属材料を主体に構成される。このような金属製材料としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼等が挙げられる。なお、ここでは、矩形のケースが例示されているが、電池ケース20はかかる形状に限定されない。例えば、電池ケース20は、円筒形状のケースであってもよい。また、電池ケース20は、電極体を包む袋状の形態でもよく、いわゆるラミネートタイプの電池ケース20でもよい。 The battery case 20 includes a case body 21 and a sealing plate 22. The case body 21 has a box shape having a rectangular opening at one end. Here, the case body 21 has a bottomed rectangular parallelepiped shape with an opening on one surface corresponding to the upper surface of the lithium ion secondary battery 10 in a normal use state. The sealing plate 22 is a member that closes the opening of the case body 21. The sealing plate 22 is composed of a substantially rectangular plate. The sealing plate 22 is welded to the peripheral edge of the opening of the case body 21 to form the substantially hexahedral battery case 20. The battery case 20 is mainly composed of, for example, a light weight metal material having good thermal conductivity. Examples of such metallic materials include aluminum, stainless steel, nickel-plated steel, and the like. Although a rectangular case is illustrated here, the battery case 20 is not limited to such a shape. For example, the battery case 20 may be a cylindrical case. The battery case 20 may be in the form of a bag that wraps the electrode body, or may be a so-called laminate type battery case 20.

図1に示す例では、封口板22に外部接続用の正極端子23(外部端子)および負極端子24(外部端子)が取り付けられている。封口板22には、安全弁30と、注液口32が形成されている。安全弁30は、電池ケース20の内圧が所定レベル(例えば、設定開弁圧0.3MPa〜1.0MPa程度)以上に上昇した場合に該内圧を開放するように構成されている。また、図1では、非水電解質80が注入された後で、注液口32が封止材33によって封止された状態が図示されている。 In the example shown in FIG. 1, a positive electrode terminal 23 (external terminal) and a negative electrode terminal 24 (external terminal) for external connection are attached to the sealing plate 22. A safety valve 30 and a liquid injection port 32 are formed on the sealing plate 22. The safety valve 30 is configured to release the internal pressure of the battery case 20 when the internal pressure rises above a predetermined level (for example, a set valve opening pressure of about 0.3 MPa to 1.0 MPa). Further, FIG. 1 illustrates a state in which the liquid injection port 32 is sealed by the sealing material 33 after the nonaqueous electrolyte 80 is injected.

電極体40は、図2に示すように、帯状の正極(正極シート50)と、帯状の負極(負極シート60)と、帯状のセパレータ(セパレータ72,74)とを備えている。 As shown in FIG. 2, the electrode body 40 includes a strip-shaped positive electrode (positive electrode sheet 50), a strip-shaped negative electrode (negative electrode sheet 60), and strip-shaped separators (separators 72, 74).

正極シート50は、帯状の正極集電箔51と、正極活物質層53とを備えている。正極集電箔51には、例えば、アルミニウム箔等を用いることができる。正極集電箔51の幅方向片側には、縁部に沿って露出部52が設けられている。図示例では、正極活物質層53は、正極集電箔51に設けられた露出部52を除いて、正極集電箔51の両面に形成されている。しかしながら、正極活物質層53は、正極集電箔51の片面のみに形成されていてもよい。 The positive electrode sheet 50 includes a strip-shaped positive electrode current collector foil 51 and a positive electrode active material layer 53. For the positive electrode current collector foil 51, for example, an aluminum foil or the like can be used. An exposed portion 52 is provided on one side in the width direction of the positive electrode current collector foil 51 along the edge portion. In the illustrated example, the positive electrode active material layer 53 is formed on both surfaces of the positive electrode current collector foil 51 except for the exposed portion 52 provided on the positive electrode current collector foil 51. However, the positive electrode active material layer 53 may be formed only on one surface of the positive electrode current collector foil 51.

正極活物質層53は、典型的には正極活物質と導電材と結着剤(バインダ)等とを含む。正極活物質としては、例えば、層状構造やスピネル構造等のリチウム複合金属酸化物(例えば、LiNi1/3Co1/3Mn1/3、LiNiO、LiCoO、LiFeO、LiMn、LiNi0.5Mn1.5、LiFePO等)を採用し得る。導電材としては、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラックやケッチェンブラック)等の炭素材料を採用し得る。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)やポリエチレンオキサイド(PEO)等の各種のポリマー材料を採用し得る。 The positive electrode active material layer 53 typically includes a positive electrode active material, a conductive material, a binder (binder), and the like. Examples of the positive electrode active material include a lithium composite metal oxide having a layered structure or a spinel structure (for example, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiNiO 2 , LiCoO 2 , LiFeO 2 , LiMn 2 O). 4 , LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , LiFePO 4, etc.) can be adopted. As the conductive material, a carbon material such as carbon black (for example, acetylene black or Ketjen black) can be adopted. As the binder, various polymer materials such as polyvinylidene fluoride (PVdF) and polyethylene oxide (PEO) can be adopted.

負極シート60は、帯状の負極集電箔61と、負極活物質層63とを備えている。負極集電箔61には、例えば、銅箔等を用いることができる。負極集電箔61の幅方向片側には、縁部に沿って露出部62が設けられている。図示例では、負極活物質層63は、負極集電箔61に設けられた露出部62を除いて、負極集電箔61の両面に形成されている。しかしながら、負極活物質層63は、負極集電箔61の片面のみに形成されていてもよい。 The negative electrode sheet 60 includes a strip-shaped negative electrode current collector foil 61 and a negative electrode active material layer 63. For the negative electrode current collector foil 61, for example, a copper foil or the like can be used. On one side in the width direction of the negative electrode current collector foil 61, an exposed portion 62 is provided along the edge. In the illustrated example, the negative electrode active material layer 63 is formed on both surfaces of the negative electrode current collector foil 61 except for the exposed portion 62 provided on the negative electrode current collector foil 61. However, the negative electrode active material layer 63 may be formed on only one surface of the negative electrode current collector foil 61.

負極活物質層63は、典型的には、負極活物質と結着剤と増粘剤等とを含む。負極活物質としては、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、低結晶性カーボン(ハードカーボン、ソフトカーボン)等の炭素材料を用いることができ、なかでも黒鉛を好適に採用し得る。結着剤としては、スチレンブタジエンゴム(SBR)等の各種ポリマー材料を採用し得る。増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の各種のポリマー材料を採用し得る。 The negative electrode active material layer 63 typically includes a negative electrode active material, a binder, a thickener, and the like. As the negative electrode active material, for example, carbon materials such as graphite (natural graphite, artificial graphite) and low crystalline carbon (hard carbon, soft carbon) can be used, and among them, graphite can be preferably used. As the binder, various polymer materials such as styrene-butadiene rubber (SBR) can be adopted. As the thickener, various polymer materials such as carboxymethyl cellulose (CMC) can be adopted.

セパレータ72、74としては、例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂からなる多孔性シート(フィルム)等を用いることができ、好ましくは、ポリオレフィン樹脂(例、PE、PP)からなる多孔性シートが用いられる。かかる多孔性シートは、単層構造であってもよく、二層以上の積層構造(例えば、PE層の両面にPP層が積層された三層構造)であってもよい。なお、セパレータ72、74には、耐熱層(HRL)が設けられていてもよい。 As the separators 72 and 74, for example, a porous sheet (film) made of a resin such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, cellulose or polyamide can be used, and preferably a polyolefin resin (eg, PE , PP) is used. Such a porous sheet may have a single-layer structure or a laminated structure of two or more layers (for example, a three-layer structure in which a PP layer is laminated on both surfaces of a PE layer). A heat resistant layer (HRL) may be provided on the separators 72 and 74.

電極体40においては、図2に示すように、正極シート50と、負極シート60と、セパレータ72,74とが順に重ねて捲回されており、捲回された電極体(捲回電極体)40は、捲回軸WLを含む一平面に沿って扁平に押し曲げられた形状を有する。負極活物質層63の幅b1は、正極活物質層53の幅a1よりも少し広い。さらにセパレータ72、74の幅c1、c2は、負極活物質層63の幅b1よりも少し広い(c1、c2>b1>a1)。図2に示す例では、正極集電箔51の露出部52と負極集電箔61の露出部62とは、それぞれセパレータ72、74の両側において、らせん状に露出している。本実施形態では、図1に示すように、電極体40は、セパレータ72、74からはみ出た正負の露出部52、62の中間部分が寄せ集められ、電池ケース20の内部に配置された正負の内部端子23、24の先端部23a、24aに溶接されている。
なお、本実施形態では、電極体40は捲回電極体として構成されているが、積層型電極体として構成してもよい。
In the electrode body 40, as shown in FIG. 2, the positive electrode sheet 50, the negative electrode sheet 60, and the separators 72, 74 are sequentially wound and wound, and the wound electrode body (wound electrode body). 40 has a shape that is flatly pressed and bent along a plane including the winding axis WL. The width b1 of the negative electrode active material layer 63 is slightly wider than the width a1 of the positive electrode active material layer 53. Further, the widths c1 and c2 of the separators 72 and 74 are slightly wider than the width b1 of the negative electrode active material layer 63 (c1, c2>b1>a1). In the example shown in FIG. 2, the exposed portion 52 of the positive electrode current collector foil 51 and the exposed portion 62 of the negative electrode current collector foil 61 are spirally exposed on both sides of the separators 72 and 74, respectively. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, in the electrode body 40, the intermediate portions of the positive and negative exposed portions 52 and 62 protruding from the separators 72 and 74 are gathered together, and the positive and negative electrodes arranged inside the battery case 20. The inner terminals 23, 24 are welded to the tip portions 23a, 24a.
Although the electrode body 40 is configured as a wound electrode body in the present embodiment, it may be configured as a laminated electrode body.

図1に示す形態では、捲回軸WLを含む一平面に沿って扁平な捲回電極体40が電池ケース20に収容されている。電池ケース20には、さらに非水電解質80が収容されている。非水電解質80は、捲回軸WL(図2参照)の軸方向の両側から電極体40の内部に浸入する。なお、図1は、電池ケース20内に注入される非水電解質80の量を厳密に示すものではない。 In the embodiment shown in FIG. 1, the flat wound electrode body 40 is housed in the battery case 20 along a plane including the winding axis WL. The battery case 20 further contains a non-aqueous electrolyte 80. The nonaqueous electrolyte 80 penetrates into the electrode body 40 from both axial sides of the winding shaft WL (see FIG. 2). It should be noted that FIG. 1 does not strictly show the amount of the non-aqueous electrolyte 80 injected into the battery case 20.

非水電解質80は、有機溶媒(非水溶媒)と、支持塩とを含有する。非水溶媒としては、一般的なリチウムイオン二次電池の非水電解質に用いられる各種のカーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の有機溶媒を、特に限定なく用いることができる。具体例として、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等が例示される。このような非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。支持塩としては、例えば、LiPF、LiBF、LiClO等のリチウム塩(好ましくはLiPF)を好適に用いることができる。支持塩の濃度は、0.7mol/L以上1.3mol/L以下(例えば1.0mol/L)が好ましい。 The non-aqueous electrolyte 80 contains an organic solvent (non-aqueous solvent) and a supporting salt. As the non-aqueous solvent, various carbonates, ethers, esters, nitrites, sulfones, lactones and other organic solvents used in the non-aqueous electrolyte of a general lithium ion secondary battery are used without particular limitation. be able to. Specific examples include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC) and the like. Such non-aqueous solvents may be used alone or in appropriate combination of two or more. As the supporting salt, for example, lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , and LiClO 4 (preferably LiPF 6 ) can be preferably used. The concentration of the supporting salt is preferably 0.7 mol/L or more and 1.3 mol/L or less (for example, 1.0 mol/L).

また、本実施形態においては、非水電解質80は、フッ素原子およびリン原子の少なくともいずれかを含有する化合物である添加剤を含有する。フッ素原子およびリン原子の少なくともいずれかを含有する化合物としては、ジフルオロリン酸塩が好適であるが、これに限られない。ジフルオロリン酸塩の例としては、ジフルオロリン酸アニオン(PO )と、Li、Na、K等のアルカリ金属のカチオン;Be、Mg、Ca等のアルカリ土類金属のカチオン;テトラアルキルアンモニウム、トリアルキルアンモニウム等のアンモニウムカチオンとの塩が挙げられる。なかでも、ジフルオロリン酸リチウム(LiPO)が好ましい。 Further, in the present embodiment, the non-aqueous electrolyte 80 contains an additive which is a compound containing at least one of a fluorine atom and a phosphorus atom. The compound containing at least one of a fluorine atom and a phosphorus atom is preferably difluorophosphate, but is not limited to this. Examples of the difluorophosphate include difluorophosphate anion (PO 2 F 2 ) and cations of alkali metals such as Li, Na and K; cations of alkaline earth metals such as Be, Mg and Ca; tetraalkyl Examples thereof include salts with ammonium cations such as ammonium and trialkylammonium. Among them, lithium difluorophosphate (LiPO 2 F 2 ) is preferable.

なお、上記非水電解質中には、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、上述した非水溶媒、支持塩以外の成分、例えば、ビフェニル(BP)、シクロヘキシルベンゼン(CHB)等のガス発生剤;分散剤;増粘剤;等の各種添加剤を含み得る。 In the non-aqueous electrolyte, components other than the above-mentioned non-aqueous solvent and supporting salt, for example, a gas generating agent such as biphenyl (BP) and cyclohexylbenzene (CHB) are included in the non-aqueous electrolyte unless the effects of the present invention are significantly impaired. Various additives such as a dispersant, a thickener, and the like may be included.

また、リチウムイオン二次電池10は、負極60(特に負極活物質層63)に被膜(A)が形成されている。そして、この被膜(A)に関し、非水電解質がフッ素原子またはリン原子を含有する化合物である添加剤を含有しない場合に形成される負極の被膜(B)の量を1としたときの、形成される被膜(A)の量の比率は、1.03以上1.11以下である。 Further, in the lithium ion secondary battery 10, the coating film (A) is formed on the negative electrode 60 (particularly the negative electrode active material layer 63). With respect to this coating film (A), formation when the amount of the coating film (B) of the negative electrode formed when the non-aqueous electrolyte does not contain an additive which is a compound containing a fluorine atom or a phosphorus atom is 1 The ratio of the amount of the film (A) formed is 1.03 or more and 1.11.

このように、リチウムイオン二次電池10の負極60の被膜(A)の量が、非水電解質がフッ素原子またはリン原子を含有する化合物である添加剤を含有しない場合に対して、上記の範囲内の比率にあることにより、金属Liが析出しやすい条件で電池を使用した場合でも、電池容量の劣化を抑制することができる。ここで金属Liが析出しやすい条件での電池の使用とは、例えば、0℃以下(特に−20℃以下)でハイレート(例えば5C以上)で充放電を行なうような電池の使用が挙げられる。 Thus, the amount of the coating film (A) of the negative electrode 60 of the lithium ion secondary battery 10 is in the above range with respect to the case where the non-aqueous electrolyte does not contain an additive which is a compound containing a fluorine atom or a phosphorus atom. By setting the ratio to be within the range, deterioration of the battery capacity can be suppressed even when the battery is used under the condition that metal Li is easily deposited. Here, the use of the battery under the condition that metal Li is likely to be deposited includes, for example, the use of a battery that is charged and discharged at a high rate (for example, 5 C or more) at 0° C. or less (particularly −20° C. or less).

このようにして電池容量の劣化を抑制することができる理由は、以下のように推測される。
図3は、被膜90’が形成された負極60’を表す模式図であり、図3(a)は、被膜90’が少量形成された場合、図3(b)は、被膜90’が適度に形成された場合、図3(c)は、被膜90’が多量形成された場合をそれぞれ示している。
図3(a)のように、被膜90’の量が少ない場合には、被膜90’は低い密度で点在するため、負極60’の所定の面積に対して、被膜90’を介してリチウムイオンを受け入れ可能な部分の面積が小さい。このため、金属Liが析出しやすくなる。
図3(b)のように、被膜90’の量が適度である場合には、被膜90’は高い密度で点在するため、被膜90’の総表面積が大きくなる。したがって、負極60’の所定の面積に対して、被膜90’を介してリチウムイオンを受け入れ可能な部分の面積が大きい。このため、金属Liが析出し難くなる。
図3(c)のように、被膜90’の量が多い場合には、被膜90’が層状に発達しているため、被膜90’の総表面積が小さくなる。したがって、負極60’の所定の面積に対して、被膜90’を介してリチウムイオンを受け入れ可能な部分の面積が小さい。このため、金属Liが析出しやすくなる。
したがって、非水電解質がフッ素原子またはリン原子を含有する化合物である添加剤を含有しない場合に形成される前記負極の被膜(B)の量を1としたときの、形成される被膜(A)の量の比率が、1.03以上1.11以下である場合は、図3(b)の場合に相当するものと考えられる。すなわち、被膜が高い密度で点在し、負極60の所定の面積に対して、被膜を介してリチウムイオンを受け入れ可能な部分の面積が大きく、これにより、金属Liが析出し難いものと考えられる。この結果、金属Liに起因する電池容量の劣化が起こり難いものと考えられる。
The reason why the deterioration of the battery capacity can be suppressed in this way is presumed as follows.
FIG. 3 is a schematic view showing a negative electrode 60′ having a coating film 90′ formed thereon. FIG. 3(a) shows a case where a small amount of the coating film 90′ is formed, and FIG. 3C shows the case where a large amount of the coating film 90' is formed.
As shown in FIG. 3A, when the amount of the coating film 90′ is small, the coating film 90′ is scattered at a low density, and therefore lithium is intercalated through the coating film 90′ with respect to a predetermined area of the negative electrode 60′. The area of the part that can accept ions is small. Therefore, metal Li is likely to be deposited.
As shown in FIG. 3B, when the amount of the coating 90′ is appropriate, the coating 90′ is scattered at a high density, so that the total surface area of the coating 90′ becomes large. Therefore, the area of the portion capable of receiving lithium ions through the coating film 90′ is larger than the predetermined area of the negative electrode 60′. Therefore, it is difficult for metal Li to deposit.
As shown in FIG. 3C, when the amount of the coating 90′ is large, the coating 90′ has developed in a layered form, and the total surface area of the coating 90′ is small. Therefore, the area of the portion that can receive lithium ions through the coating film 90′ is smaller than the predetermined area of the negative electrode 60′. Therefore, metal Li is likely to be deposited.
Therefore, when the amount of the coating film (B) of the negative electrode formed when the non-aqueous electrolyte does not contain an additive which is a compound containing a fluorine atom or a phosphorus atom, the formed coating film (A) is It is considered that the case where the ratio of the amounts is 1.03 or more and 1.11 or less corresponds to the case of FIG. That is, it is considered that the coating is scattered at a high density, and the area of the portion capable of receiving lithium ions through the coating is large with respect to the predetermined area of the negative electrode 60, and as a result, metal Li is unlikely to deposit. .. As a result, it is considered that the battery capacity is less likely to deteriorate due to the metal Li.

被膜(A)の量は、非水電解質80に添加されるフッ素原子およびリン原子の少なくともいずれかを含有する化合物である添加剤の量、およびエージング条件を適宜選択することにより、調節することができる。 The amount of the coating film (A) can be adjusted by appropriately selecting the amount of an additive that is a compound containing at least one of a fluorine atom and a phosphorus atom added to the non-aqueous electrolyte 80, and the aging condition. it can.

以上のようにして構成されるリチウムイオン二次電池10は、各種用途に利用可能であり、好適な用途としては、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両に搭載される駆動用電源が挙げられる。リチウムイオン二次電池10は、典型的には複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態でも使用され得る。 The lithium-ion secondary battery 10 configured as described above can be used for various purposes, and preferred applications include electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HV), plug-in hybrid vehicles (PHV), and the like. The driving power source mounted on the vehicle is mentioned. The lithium ion secondary battery 10 can also be used in the form of an assembled battery, which is typically formed by connecting a plurality of batteries in series and/or in parallel.

以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.

<電池No.1(リファレンス用電池)>
正極活物質粉末としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3(LNCM)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、LNCM:AB:PVdF=90:8:2の質量比でNMPと混合し、正極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、長尺状のアルミニウム箔の両面に帯状に塗布して乾燥した後、プレスすることにより、正極を作製した。
また、負極活物質としての黒鉛(C)と、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、C:SBR:CMC=98:1:1の質量比でイオン交換水と混合して、負極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、長尺状の銅箔の両面に帯状に塗布して乾燥した後、プレスすることにより、負極を作製した。なお、プレスは、負極活物質層のBET比表面積が4.5m/gとなるように行なった。
また、2枚のセパレータシート(多孔性ポリオレフィンシート)を用意した。
作製した正極と負極と用意した2枚のセパレータシートとを重ね合わせ、捲回して捲回電極体を作製した。このとき、正極と負極との間にセパレータが介在するようにした。
この作製した捲回電極体を、注液口を有する電池ケースに収容した。
続いて、電池ケースの注液口から非水電解質を注入し、当該注液口を気密に封止してリチウムイオン二次電池組立体を作製した。なお、非水電解質には、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とをEC:DMC:EMC=3:4:3の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPFを1.1mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。
このリチウムイオン二次電池組立体に、5Cの電流レートで初期充電を施し、60℃で20時間エージング処理して、No.1のリチウムイオン二次電池を得た。
<Battery No. 1 (battery for reference)>
LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (LNCM) as the positive electrode active material powder, acetylene black (AB) as the conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as the binder were added to the LNCM: A mass ratio of AB:PVdF=90:8:2 was mixed with NMP to prepare a slurry for forming a positive electrode active material layer. This slurry was applied on both sides of a long aluminum foil in a strip shape, dried, and then pressed to produce a positive electrode.
In addition, graphite (C) as a negative electrode active material, styrene-butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener were added to a mass of C:SBR:CMC=98:1:1. A negative electrode active material layer forming slurry was prepared by mixing with ion-exchanged water in a ratio. The slurry was applied in a strip shape on both surfaces of a long copper foil, dried, and then pressed to prepare a negative electrode. The pressing was performed so that the BET specific surface area of the negative electrode active material layer was 4.5 m 3 /g.
Also, two separator sheets (porous polyolefin sheets) were prepared.
The prepared positive electrode, negative electrode, and two prepared separator sheets were stacked and wound to prepare a wound electrode body. At this time, the separator was interposed between the positive electrode and the negative electrode.
The produced wound electrode body was housed in a battery case having a liquid injection port.
Then, a non-aqueous electrolyte was injected from the liquid inlet of the battery case, and the liquid inlet was hermetically sealed to produce a lithium ion secondary battery assembly. As the non-aqueous electrolyte, a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of EC:DMC:EMC=3:4:3 was used, and a supporting salt was added. LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1.1 mol/L.
The lithium-ion secondary battery assembly was initially charged at a current rate of 5 C, and was aged at 60° C. for 20 hours to obtain No. A lithium ion secondary battery of No. 1 was obtained.

<電池No.2>
正極活物質粉末としてのLiNi1/3Co1/3Mn1/3(LNCM)と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、LNCM:AB:PVdF=90:8:2の質量比でNMPと混合し、正極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、長尺状のアルミニウム箔の両面に帯状に塗布して乾燥した後、プレスすることにより、正極を作製した。
また、負極活物質としての黒鉛(C)と、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、C:SBR:CMC=98:1:1の質量比でイオン交換水と混合して、負極活物質層形成用スラリーを調製した。このスラリーを、長尺状の銅箔の両面に帯状に塗布して乾燥した後、プレスすることにより、負極を作製した。なお、プレスは、負極活物質層のBET比表面積が4.5m/gとなるように行なった。
また、2枚のセパレータシート(多孔性ポリオレフィンシート)を用意した。
作製した正極と負極と用意した2枚のセパレータシートとを重ね合わせ、捲回して捲回電極体を作製した。このとき、正極と負極との間にセパレータが介在するようにした。
この作製した捲回電極体を、注液口を有する電池ケースに収容した。
続いて、電池ケースの注液口から非水電解質を注入し、当該注液口を気密に封止してリチウムイオン二次電池組立体を作製した。なお、非水電解質には、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とをEC:DMC:EMC=3:4:3の体積比で含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPFを1.1mol/Lの濃度で溶解させ、さらにフッ素原子およびリン原子の少なくともいずれかを含有する化合物である添加剤としてLiPO2を負極活物質1gあたり1mmol添加したものを用いた。
このリチウムイオン二次電池組立体に、5Cの電流レートで初期充電を施し、60℃で5時間エージング処理して、No.2のリチウムイオン二次電池を得た。
<Battery No. 2>
LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (LNCM) as the positive electrode active material powder, acetylene black (AB) as the conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as the binder were added to the LNCM: A mass ratio of AB:PVdF=90:8:2 was mixed with NMP to prepare a slurry for forming a positive electrode active material layer. This slurry was applied on both sides of a long aluminum foil in a strip shape, dried, and then pressed to produce a positive electrode.
In addition, graphite (C) as a negative electrode active material, styrene-butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener were added to a mass of C:SBR:CMC=98:1:1. A negative electrode active material layer forming slurry was prepared by mixing with ion-exchanged water in a ratio. The slurry was applied in a strip shape on both surfaces of a long copper foil, dried, and then pressed to prepare a negative electrode. The pressing was performed so that the BET specific surface area of the negative electrode active material layer was 4.5 m 3 /g.
Also, two separator sheets (porous polyolefin sheets) were prepared.
The prepared positive electrode, negative electrode, and two prepared separator sheets were stacked and wound to prepare a wound electrode body. At this time, the separator was interposed between the positive electrode and the negative electrode.
The produced wound electrode body was housed in a battery case having a liquid injection port.
Subsequently, a non-aqueous electrolyte was injected from the liquid inlet of the battery case, and the liquid inlet was hermetically sealed to produce a lithium ion secondary battery assembly. As the non-aqueous electrolyte, a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of EC:DMC:EMC=3:4:3 was used, and a supporting salt was added. as of LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1.1 mol / L, what further LiPO 2 F 2 was 1mmol added per negative electrode active material 1g as the additive is a compound containing at least either a fluorine atom or a phosphorus atom Using.
This lithium-ion secondary battery assembly was initially charged at a current rate of 5 C, and was aged at 60° C. for 5 hours to obtain No. A lithium ion secondary battery of No. 2 was obtained.

<電池No.3〜23>
添加剤の負極活物質1gあたりの添加量、初期充電レート、エージング温度、およびエージング時間を表1に示す条件にした以外は、No.2のリチウムイオン二次電池と同様にして、No.3〜23のリチウムイオン二次電池を得た。
<Battery No. 3-23>
No. 1 except that the amount of the additive added per 1 g of the negative electrode active material, the initial charge rate, the aging temperature, and the aging time were set to the conditions shown in Table 1. Similar to the lithium ion secondary battery of No. 2, No. 3 to 23 lithium ion secondary batteries were obtained.

<電池No.24および25>
支持塩としてのLiPFの濃度、およびエージング時間を表1に示す条件にした以外は、No.2のリチウムイオン二次電池と同様にして、No.24および25のリチウムイオン二次電池を得た。
<Battery No. 24 and 25>
No. 3 except that the concentration of LiPF 6 as a supporting salt and the aging time were set to the conditions shown in Table 1. Similar to the lithium ion secondary battery of No. 2, No. 24 and 25 lithium ion secondary batteries were obtained.

<被膜量測定>
各リチウムイオン二次電池の負極の被膜量を、交流インピーダンス法により求めた。具体的には、各リチウムイオン二次電池をSOC(State of charge)60%に調整し、−30℃の温度環境下に置き、100000〜0.01Hzの周波数範囲で交流インピーダンス測定を行なった。測定により得られた円弧を等価回路フィッティングして、フィッティング結果より被膜量を算出した。添加剤が添加されていないNo.1のリチウムイオン二次電池の被膜量を1とした場合の、No.2〜25のリチウムイオン二次電池の被膜量の比率を算出した。結果を表1に示す。
<Coating amount measurement>
The coating amount of the negative electrode of each lithium ion secondary battery was determined by the AC impedance method. Specifically, each lithium ion secondary battery was adjusted to SOC (State of charge) 60%, placed in a temperature environment of −30° C., and AC impedance measurement was performed in the frequency range of 100000 to 0.01 Hz. The arc obtained by the measurement was subjected to equivalent circuit fitting, and the coating amount was calculated from the fitting result. No. with no additive added No. 1 when the coating amount of the lithium ion secondary battery of No. 1 was set to 1. The ratio of the coating amount of the lithium ion secondary battery of 2 to 25 was calculated. The results are shown in Table 1.

<Li析出試験後容量維持率評価>
上記作製した各リチウムイオン二次電池について、温度25℃、3.0Vから4.1Vの電圧範囲で、次の手順1〜手順3に従って初期容量を測定した。
(手順1)1Cの定電流放電によって3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10分間休止する。
(手順2)1Cの定電流充電によって4.1Vに到達後、定電圧充電にて2.5時間充電し、その後、10分間休止する。
(手順3)1Cの定電流放電によって、3.0Vに到達後、定電圧放電にて2時間放電し、その後、10分間休止する。
そして、手順3における定電流放電から定電圧放電に至る放電における放電容量(CCCV放電容量)を初期容量とした。
各リチウムイオン二次電池をSOC90%に調整し、−30℃の温度条件下に置いた。そして、以下のステップ1,2からなるパルス充放電のパターンで1000サイクルの矩形波サイクル試験を行った。
(ステップ1)20Cの定電流で0.1秒間のパルス充電を行い、5秒間休止する。
(ステップ2)20Cの定電流で0.1秒間のパルス放電を行い、5秒間休止する。
1000サイクル後の電池容量を、初期容量と同様の方法により測定し、これを1000サイクル後の放電容量とした。式:(1000サイクル後の放電容量/初期容量)×100より、容量維持率(%)を算出した。結果を表1に示す。
<Evaluation of capacity retention rate after Li precipitation test>
For each of the lithium ion secondary batteries prepared above, the initial capacity was measured according to the following procedure 1 to procedure 3 at a temperature of 25° C. and a voltage range of 3.0 V to 4.1 V.
(Procedure 1) After reaching 3.0 V by a constant current discharge of 1 C, a constant voltage discharge is performed for 2 hours and then a rest for 10 minutes.
(Procedure 2) After reaching 4.1 V by constant current charging of 1 C, charge by constant voltage charging for 2.5 hours, and then pause for 10 minutes.
(Procedure 3) After reaching 3.0 V by a constant current discharge of 1 C, a constant voltage discharge is performed for 2 hours and then a rest for 10 minutes.
Then, the discharge capacity (CCCV discharge capacity) in the discharge from constant current discharge to constant voltage discharge in Procedure 3 was taken as the initial capacity.
Each lithium ion secondary battery was adjusted to SOC 90% and placed under a temperature condition of −30° C. Then, a 1000-cycle rectangular wave cycle test was conducted with a pulse charge/discharge pattern consisting of the following steps 1 and 2.
(Step 1) Pulse charging is performed for 0.1 second at a constant current of 20 C, and then paused for 5 seconds.
(Step 2) Pulse discharge is performed for 0.1 second at a constant current of 20 C, and then paused for 5 seconds.
The battery capacity after 1000 cycles was measured by the same method as the initial capacity, and this was taken as the discharge capacity after 1000 cycles. The capacity retention rate (%) was calculated from the formula: (discharge capacity after 1000 cycles/initial capacity)×100. The results are shown in Table 1.

Figure 0006731155
Figure 0006731155

表1より、非水電解質がフッ素原子およびリン原子の少なくともいずれかを含有する化合物である添加剤を含有するリチウムイオン二次電池において、負極には被膜が形成されており、この被膜量が、非水電解質がフッ素原子またはリン原子を含有する化合物である添加剤を含有しない場合の被膜量に対して、1.03以上1.11以下の比率である場合には、金属Liが析出しやすい条件で電池を使用(充放電)した場合でも、電池容量の劣化が抑制されていることがわかる。
また、図4に、負極活物質に対する添加剤量と、エージング時間との関係を示すグラフを示す。図4より、添加剤量と、エージング時間とを適切に選択することにより、被膜量を制御できることがわかる。
From Table 1, in the lithium-ion secondary battery containing an additive in which the non-aqueous electrolyte is a compound containing at least one of a fluorine atom and a phosphorus atom, a coating film is formed on the negative electrode, and the coating amount is When the non-aqueous electrolyte has a ratio of 1.03 or more and 1.11 or less with respect to the coating amount when the additive that is a compound containing a fluorine atom or a phosphorus atom is not included, metal Li is easily deposited. It can be seen that the deterioration of the battery capacity is suppressed even when the battery is used (charged/discharged) under the conditions.
Further, FIG. 4 shows a graph showing the relationship between the amount of the additive to the negative electrode active material and the aging time. From FIG. 4, it can be seen that the film amount can be controlled by appropriately selecting the additive amount and the aging time.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Specific examples of the present invention have been described above in detail, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.

10 リチウムイオン二次電池
20 電池ケース
21 ケース本体
22 封口板
23 正極端子
24 負極端子
30 安全弁
32 注液口
33 封止材
40 捲回電極体
50 正極シート
51 正極集電箔
52 露出部
53 正極活物質層
60 負極シート
61 負極集電箔
62 露出部
63 負極活物質層
72,74 セパレータ
80 非水電解質
WL 捲回軸
10 lithium-ion secondary battery 20 battery case 21 case body 22 sealing plate 23 positive electrode terminal 24 negative electrode terminal 30 safety valve 32 liquid injection port 33 sealing material 40 wound electrode body 50 positive electrode sheet 51 positive electrode current collector foil 52 exposed portion 53 positive electrode active Material layer 60 Negative electrode sheet 61 Negative electrode current collector foil 62 Exposed part 63 Negative electrode active material layers 72, 74 Separator 80 Non-aqueous electrolyte WL Winding shaft

Claims (1)

正極と、負極と、非水電解質と、を備える非水電解質二次電池であって、
前記非水電解質は、フッ素原子およびリン原子の少なくともいずれかを含有する化合物である添加剤を含有し、
前記負極には被膜(A)が形成されており、
前記非水電解質が前記フッ素原子またはリン原子を含有する化合物である添加剤を含有しない場合に形成される前記負極の被膜(B)の量を1としたときの、前記形成される被膜(A)の量の比率が、1.03以上1.11以下であり、
前記被膜(A)の量および前記被膜(B)の量は、交流インピーダンス法により得られた円弧を等価回路フィッティングして、フィッティング結果より求められる量である、
ことを特徴とする、
非水電解質二次電池。
A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte,
The non-aqueous electrolyte contains an additive that is a compound containing at least one of a fluorine atom and a phosphorus atom,
A coating (A) is formed on the negative electrode,
The formed coating film (A) when the amount of the coating film (B) of the negative electrode formed when the non-aqueous electrolyte does not contain an additive that is a compound containing a fluorine atom or a phosphorus atom is 1 the amount ratio of) the state, and are 1.03 or 1.11 or less,
The amount of the coating film (A) and the amount of the coating film (B) are amounts obtained from fitting results by performing an equivalent circuit fitting on an arc obtained by the AC impedance method,
Characterized by that
Non-aqueous electrolyte secondary battery.
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