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JP3863282B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery and method of using non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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JP3863282B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery and method of using non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

Non-aqueous electrolyte secondary battery and method of using non-aqueous electrolyte secondary battery Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水電解質二次電池に関し、特に炭素質物を含む負極を改良した非水電解質二次電池に係わる。
【0002】
【従来の技術】
近年、負極活物質としてリチウムを用いた非水電解質電池は高エネルギー密度電池として注目されており、正極活物質に二酸化マンガン(MnO2 )、フッ化炭素[(CF2n ]、塩化チオニル(SOCl2 )等を用いた一次電池は、既に電卓、時計の電源やメモリのバックアップ電池として多用されている。
【0003】
さらに、近年、VTR、通信機器などの各種の電子機器の小型、軽量化に伴いそれらの電源として高エネルギー密度の二次電池の要求が高まり、リチウムを負極活物質とするリチウム二次電池の研究が活発に行われている。
【0004】
リチウム二次電池は、負極にリチウムを用い、電解液として炭酸プロピレン (PC)、1,2−ジメトキシエタン(DME)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、テトラヒドロフラン(THF)等の非水溶媒中にLiClO4 、LiBF4 、LiAsF6 等のリチウム塩を溶解した非水電解液やリチウムイオン伝導性固体電解質を用い、また正極活物質としては主にTiS2 、MoS2 、V25 、V613、MnO2 等のリチウムとの間でトポケミカル反応する化合物を用いることが研究されている。
【0005】
しかしながら、上述したリチウム二次電池は現在まだ実用化されていない。この主な理由は、充放電効率が低く、しかも充放電が可能な回数(サイクル寿命)が短いためである。この原因は、負極のリチウムと非水電解液との反応によるリチウムの劣化によるところが大きいと考えられている。すなわち、放電時にリチウムイオンとして非水電解液中に溶解したリチウムは、充電時に析出する際に溶媒と反応し、その表面が一部不活性化される。このため、充放電を繰り返していくとデンドライド状(樹枝状)や小球状にリチウムが析出し、さらにはリチウムが集電体より脱離するなどの現象が生じる。
【0006】
このようなことから、リチウム二次電池に組み込まれる負極としてリチウムを吸蔵・放出する炭素質物、例えばコークス、樹脂焼成体、炭素繊維、熱分解気相炭素などを用いることによって、リチウムと非水電解液との反応、さらにはデンドライド析出による負極特性の劣化を改善することが提案されている。
【0007】
前記炭素質物を含む負極は、炭素質物の中でも主に炭素原子からなる六角網面層が積み重なった構造(黒鉛構造)の部分において、前記の層と層の間の部分にリチウムイオンが出入りすることにより充放電を行うと考えられている。
【0008】
ところで、ピッチ、コークス、樹脂などを1000℃以下で熱処理した炭素質物は、水素が多量に残留しており、H/Cが0.1以上であるため、黒鉛の容量を越える高容量が得られる。しかしながら、前記炭素質物は、電子伝導性が低く、n型半導体的性質を有するため、前記炭素質物を含む負極は充放電電位に大きなヒステリシスを示し、充放電効率が低いという問題点がある。このため、前記負極を備えた非水電解質二次電池は、大電流放電特性及びサイクル寿命が劣り、携帯機器電源用の小型電池のみならず電気自動車や電力貯蔵電源として用いる大型電池においての実用化が困難であった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、炭素質物を含む負極の改良により高容量で、大電流放電特性に優れ、かつ長寿命な非水電解質二次電池を提供しようとするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる非水電解質二次電池は、容器と、
前記容器内に収納される正極と、
前記容器内に収納され、水素(H)と炭素(C)の原子比(H/C)が0.1〜0.4で、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物A及び前記原子比(H/C)が0.1未満で、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物Bを含む負極と、
前記容器内に収容される非水電解質と、
前記容器の壁の温度を充電時に50℃以上に保持すると共に放電時には充電時よりも高温に保持する温度保持手段とを具備することを特徴とするものである。
【0011】
本発明に係る非水電解質二次電池の使用方法は、容器と、
前記容器内に収納される正極と、
前記容器内に収納され、水素(H)と炭素(C)の原子比(H/C)が0.1〜0.4で、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物A及び前記原子比(H/C)が0.1未満で、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物Bを含む負極と、
前記容器内に収容される非水電解質とを具備する非水電解質二次電池に充放電サイクルを施す際、前記容器の壁の温度を充電時に50℃以上に保持すると共に放電時には充電時よりも高温に保持することを特徴とするものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
(第1の非水電解質二次電池)
以下、本発明に係わる第1の非水電解質二次電池(例えば円筒形非水電解質二次電池)を図1を参照して詳細に説明する。
【0013】
例えばステンレスからなる有底円筒状の容器1は、底部に絶縁体2が配置されている。電極群3は、前記容器1内に収納されている。前記電極群3は、正極4、セパレ―タ5及び負極6をこの順序で積層した帯状物を渦巻き状に巻回した構造になっている。
【0014】
前記容器1内には、電解液が収容されている。中央部が開口された絶縁紙7は、前記容器1内の前記電極群3の上方に載置されている。絶縁封口板8は、前記容器1の上部開口部に配置され、かつ前記上部開口部付近を内側にかしめ加工することにより前記封口板8は前記容器1に液密に固定されている。正極端子9は、前記絶縁封口板8の中央には嵌合されている。正極リ―ド10の一端は、前記正極4に、他端は前記正極端子9にそれぞれ接続されている。前記負極6は、図示しない負極リ―ドを介して負極端子である前記容器1に接続されている。
【0015】
次に、前記正極4、前記セパレータ5、前記負極6および前記電解液について詳しく説明する。
1)正極4
正極4は、正極活物質に導電剤および結着剤を適当な溶媒に懸濁し、この懸濁物を集電体に塗布、乾燥して薄板状にすることにより作製される。
【0016】
前記正極活物質としては、種々の酸化物、例えば二酸化マンガン、リチウムマンガン複合酸化物、リチウム含有ニッケル酸化物、リチウム含有コバルト化合物、リチウム含有ニッケルコバルト酸化物、リチウム含有鉄酸化物、リチウムを含むバナジウム酸化物や、二硫化チタン、二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物などを挙げることができる。中でも、リチウム含有コバルト酸化物(例えば、LiCoO2 )、リチウム含有ニッケル酸化物(例えば、LiNiO2 )、リチウムマンガン複合酸化物(例えば、LiMn24 、LiMnO2 )を用いると、高電圧が得られるために好ましい。
【0017】
前記導電剤としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等を挙げることができる。
前記結着剤としては、例えば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)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)等を用いることができる。
【0018】
前記正極活物質、導電剤および結着剤の配合割合は、正極活物質80〜95重量%、導電剤3〜20重量%、結着剤2〜7重量%の範囲にすることが好ましい。
【0019】
前記集電体としては、例えばアルミニウム箔、ステンレス箔、ニッケル箔等を用いることができる。
2)セパレータ5
前記セパレータ5としては、例えば合成樹脂製不織布、ポリエチレン多孔質フィルム、ポリプロピレン多孔質フィルム等を用いることができる。
【0020】
3)負極6
前記負極6は、水素(H)と炭素(C)の原子比(H/C)が0.1〜0.4で、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物A及び前記原子比(H/C)が0.1未満(0を含む)で、リチウムイオンを吸蔵・放出する繊維状の炭素質物Bを含む。
【0021】
炭素質物のH/Cが小さくなるほど、微細構造が黒鉛構造に近づき、リチウムイオンの吸蔵・放出速度及び電子伝導性が高くなる。一方、炭素質物のH/Cが大きくなるほど、リチウムイオンの吸蔵・放出量が高くなるものの、吸蔵・放出速度及び電子伝導性が低下する傾向にある。前記H/Cが0.4を越えると、炭素質物はリチウムイオンを放出することが困難になる。H/Cが0.1〜0.4の範囲にある炭素質物Aは、リチウムイオンの吸蔵・放出量を400mAh/g以上に増大することができるものの、電子伝導性が劣る。一方、H/Cが0.1未満の炭素質物Bは、リチウムの吸蔵・放出を効率良く行うことができ、かつ電子伝導性が高いものの、吸蔵・放出量が小さい。
【0022】
前記炭素質物AのBET法による比表面積は、10〜500m2 /gにすることが好ましい。これは次のような理由によるものである。前記比表面積が500m2 /gを越えると、自己放電反応の進行速度が大きくなり、電池の保存特性が低下する恐れがある。前記比表面積を10m2 /g未満にすると、リチウム吸蔵・放出速度が遅くなり、電池の大電流放電特性が低下する恐れがある。前記比表面積のより好ましい範囲は、20〜400m2 /gである。
【0023】
前記炭素質物Aは、繊維か、粒子か、もしくは繊維と粒子の混合物の形態で負極中に存在することができる。
前記炭素質物Aは、例えば、石油、石炭、合成して得られるピッチ、コークス、メソフェーズピッチ、メソフェーズ小球体、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、フラン樹脂などの芳香族縮合分子を有する有機物を原料とし、これらを500〜1000℃の不活性雰囲気で熱処理することによって作製することができる。
【0024】
前記熱処理の温度が前記範囲を逸脱すると、H/Cが0.1〜0.4の範囲を外れる恐れがある。前記熱処理温度のより好ましい範囲は、550〜800℃である。
【0025】
前記炭素質物Bの真密度は、2.0g/cm3 以上にすることが好ましい。前記真密度を2.0g/cm3 未満にすると、負極の嵩密度が低下する恐れがある。
【0026】
前記炭素質物Bの黒鉛構造の(002)面の面間隔(d002 )は、0.38nm以下にすることが好ましい。前記面間隔(d002 )が0.38nmを越えると、負極のリチウムイオン吸蔵・放出速度及び電子伝導性が低下する恐れがある。前記炭素質物Bの電子伝導性及びリチウムイオン吸蔵・放出量を向上する観点から、前記面間隔d002 は0.337nm以下にすることが好ましい。前記面間隔d002 は、例えば、粉末X線回折によって得られる回折図のピークの位置から求めることができる。算出方法としては、学振法に規定された半値幅中点法を用いる。なお、半値幅中点法は、「Tanso(炭素)」、1963、p25の文献に記載されている。
【0027】
前記繊維状の炭素質物Bの平均長さは、10〜100μmの範囲にすることが好ましい。
前記繊維状の炭素質物Bの平均直径は、1〜20μmの範囲にすることが好ましい。
【0028】
前記炭素質物Bとしては、例えば、石油、石炭、合成して得られるピッチ、コークス、メソフェーズピッチ、メソフェーズ小球体、ピッチ系繊維、メソフェーズピッチ系繊維、ポリアクリロニトリル繊維、気相成長系繊維、フェノール樹脂、ノボラック樹脂、フラン樹脂などの芳香族縮合分子を有する有機物を原料とし、これらを1000℃以上の不活性雰囲気で熱処理することによって作製することができる。前記熱処理の温度が前記範囲よりも低くなると、H/Cが0.1を越える恐れがある。また、前記熱処理時の温度を2000℃以上にし、黒鉛化処理を施すことが好ましい。前記炭素質物Bとしては、前述した方法で作製された炭素材料の他に、繊維状の天然黒鉛(H/Cは0である)を用いることができる。前記炭素質物Bには、前記天然黒鉛及び前記炭素材料のいずれかを用いても良いし、前記天然黒鉛及び前記炭素材料の双方を用いることもできる。中でも、黒鉛化処理が施されており、H/Cが0.1未満である炭素繊維、特に2500℃以上で黒鉛化処理が施されており、H/Cが0.1未満であるメソフェーズピッチ系炭素繊維を前記炭素質物Bとして用いることが好ましい。このメソフェーズピッチ系炭素繊維を炭素質物Bとして用いることによって、電子伝導性が高く、リチウム吸蔵・放出反応が速く、かつ電極強度が高い負極を実現することができるため、二次電池の大電流放電特性及びサイクル寿命を大幅に向上することができる。
【0029】
前記炭素質物A及び炭素質物Bにおける前記炭素質物Bの配合量は、5〜50重量%の範囲にすることが好ましい。これは次のような理由によるものである。前記配合量を5重量%未満にすると、負極の電子伝導性を向上することが困難になる恐れがある。一方、前記配合量が50重量%を越えると、負極の容量が低下する恐れがある。前記配合量のより好ましい範囲は、10〜40重量%である。
【0030】
前記負極6は、例えば、前記炭素質物及び結着剤を溶媒の存在下で混練し、得られた懸濁物を集電体に塗布し、乾燥した後、所望の圧力で1回プレスもしくは2〜5回多段階プレスすることにより作製することができる。
【0031】
前記結着剤としては、例えば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)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロース (CMC)、ポリアクリロニトリル等を用いることができる。
【0032】
前記炭素質物および結着剤の配合割合は、炭素材90〜98重量%、結着剤2〜10重量%の範囲にすることが好ましい。特に、前記炭素質物は負極6を作製した状態で5〜20mg/cm2 の範囲することが好ましい。
【0033】
前記集電体としては、例えば銅箔、ステンレス箔、ニッケル箔等を用いることができる。
4)固体状もしくはゲル状の非水電解質
この非水電解質は、前記セパレータに保持される。
【0034】
前記非水電解質としては、例えば、高分子固体電解質、無機固体電解質を用いることができる。
前記高分子固体電解質としては、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)などの高分子材料に、LiPF6 、LiBF4 、LiCF3 SO3 、LiN(CF3 SO22 などのリチウム塩を添加した固体電解質、前記高分子材料、前記リチウム塩及び非水溶媒(例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、トリフルオロプロピレンカーボネート(TFPC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、アセトニトリル(AN)、あるいは常温型溶融塩など)からなるゲル状電解質等を挙げることができる。
【0035】
前記無機固体電解質としては、例えば、リチウム硫化物系ガラス、リチウム酸化物系ガラス等を挙げることができる。特に、イオン伝導性が高いLi3 PO4 −Li2 S−SiS2 ガラスが好ましい。
【0036】
以下、第2の非水電解質二次電池について説明する。
(第2の非水電解質二次電池)
この第2の非水電解質二次電池は、正極と、水素(H)と炭素(C)の原子比(H/C)が0.1〜0.4で、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物A及び前記原子比(H/C)が0.1未満で、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物Bを含む負極と、非水電解質とを具備し、前記正極、前記負極及び前記非水電解質が少なくとも放電時に50℃以上に保持されることを特徴とする。
【0037】
この第2の非水電解質二次電池の用途は、特に限定されるものではないが、携帯機器駆動電源の他に、特に電力貯蔵用電源か、あるいは電気自動車・ハイブリッド自動車の駆動電源となる大型電池として使用することに適している。
【0038】
前記正極及び前記負極としては、前述した第1の非水電解質二次電池で説明したのと同様なものを挙げることができる。また、前述した第1の非水電解質二次電池においては繊維状の炭素質物Bを使用したが、この第2の非水電解質二次電池においては粒子状の炭素質物Bを使用しても良い。
【0039】
前記非水電解質は、セパレータに保持される。前記セパレータとしては、前述した第1の非水電解質二次電池で説明したのと同様なものを挙げることができる。
【0040】
前記非水電解質としては、固体状もしくはゲル状の非水電解質、常温型溶融塩、あるいは非水電解液を用いることができる。前記固体状もしくはゲル状の非水電解質としては、前述した第1の非水電解質二次電池で説明したのと同様なものを挙げることができる。前記常温型溶融塩は、常温から100℃以上の高温域において高いイオン伝導性を示すため、前記炭素質物A及び前記炭素質物Bを含む負極と組み合わせることによって、高容量で、充放電サイクルが安定した非水電解質二次電池を得ることができる。
【0041】
前記非水電解液は、非水溶媒に電解質を溶解することにより調製される。
前記非水溶媒としては、非水電解質二次電池の溶媒として公知の非水溶媒を用いることができ、特に限定はされないが、エチレンカーボネート(EC)と前記エチレンカーボネートより低融点であり且つドナー数が18以下である1種以上の非水溶媒(以下第2溶媒と称す)との混合溶媒を主体とする非水溶媒を用いることが好ましい。
【0042】
前記第2種の溶媒としては、例えば鎖状カーボンが好ましく、中でもジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)、プロピオン酸エチル、プロピオン酸メチル、またはプロピレンカーボネート(PC)、トリフルオロプロピレンカーボネート(TFPC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、アセトニトリル(AN)、酢酸エチル(EA)、トルエン、キシレンまたは、酢酸メチル(MA)などが挙げられる。これらの第2の溶媒は、単独または2種以上の混合物の形態で用いることができる。特に、前記第2種の溶媒はドナー数が16.5以下であることがより好ましい。
【0043】
前記第2溶媒の粘度は、25℃において28mp以下であることが好ましい。前記混合溶媒中の前記エチレンカーボネートの配合量は、体積比率で10〜80%であることが好ましい。より好ましい前記エチレンカーボネートの配合量は体積比率で20〜75%である。
【0044】
前記混合溶媒のより好ましい組成は、ECとMEC、ECとPCとMEC、ECとMECとDEC、ECとDEC、ECとMECとPCとDECの混合溶媒で、MECの体積比率は30〜80%とすることが好ましい。より好ましいMECの体積比率は、40〜75%の範囲である。
【0045】
前記非水電解液に含まれる電解質としては、例えば過塩素酸リチウム(LiClO4 )、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )、ホウフッ化リチウム(LiBF4 )、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6 )、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3 SO3 )、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CF3 SO22 ]などのリチウム塩(電解質)が挙げられる。中でもLiPF6 、LiBF4 を用いるのが好ましい。
【0046】
前記電解質の前記非水溶媒に対する溶解量は、0.5〜2.0モル/1とすることが望ましい。
この第2の非水電解質二次電池は、前記正極、前記負極及び前記非水電解質が少なくとも放電時に50℃以上に保持される。保持温度を前記範囲にするのは次のような理由によるものである。前記保持温度を50℃未満にすると、負極の充放電電位におけるヒステリシスを小さくし、かつ負極のリチウムイオン放出時の電子移動抵抗を低くすることが困難になる恐れがあり、二次電池の放電容量及び大電流放電特性の改善が図れなくなる恐れがある。前記保持温度は、ゲル状の非水電解質の場合は150℃以下、固体状の非水電解質の場合には300℃以下にすることが好ましい。かかる温度を超えると、正極材料の安定性が低下するためにサイクル劣化が生じやすくなる。特に、放電時の保持温度は、80〜120℃にすることが好ましい。ただし、正極材料の安定性が保持できるのであれば上記温度範囲に限定されない。また、充電時及び放電時の双方において温度制御を行う場合、放電時の保持温度を充電時に比べて高くすることが好ましい。
【0047】
正極、負極及び非水電解質の温度保持は、前記二次電池に温度保持手段を設置することで行うことができる。この温度保持手段は、例えば、二次電池の温度を制御する装置と、ヒータと、保温材から構成することができる。前記ヒータの電源として、充電電流及び放電電流の一部を利用しても良い。このようにすると、ヒータ用の電源が不要になるため、保持手段を小型にすることができる。また、このような温度保持手段を設けなくとも、前記二次電池を例えば電気自動車や、ハイブリッド自動車のような二次電池が高温環境下に晒される機器ないし装置に搭載すれば、前記正極、負極及び非水電解質の温度は前記範囲に保持される。
【0048】
以上説明した本発明に係る第1の非水電解質二次電池は、水素(H)と炭素(C)の原子比(H/C)が0.1〜0.4で、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物A及び前記原子比(H/C)が0.1未満で、リチウムイオンを吸蔵・放出する繊維状の炭素質物Bを含む負極と、固体状もしくはゲル状の非水電解質とを具備する。H/Cが0.1〜0.4の範囲にある炭素質物Aは、リチウムの吸蔵・放出量を400mAh/g以上に増大することができるものの、電子伝導性が劣る。一方、H/Cが0.1未満の炭素質物Bは、リチウムの吸蔵・放出を効率良く行うことができ、かつ電子伝導性が高いため、負極の電子伝導抵抗を軽減する作用を有する。この炭素質物Bを繊維状にすることによって、電子伝導性の高い炭素質物Bを負極全体に分散させることができると共に、充放電サイクルの繰り返しにおいても炭素質物Aと炭素質物Bの接触が十分にとれるネットワーク構造をとることができる。従って、負極の電子伝導性を均一に、かつ十分に向上させることができるため、負極の充放電電位のヒステリシスを小さくすることができる。このため、固体状もしくはゲル状の非水電解質を備えた非水電解質二次電池の放電容量、大電流放電特性及びサイクル寿命を向上することができる。
【0049】
本発明に係る第2の非水電解質二次電池は、正極と、水素(H)と炭素(C)の原子比(H/C)が0.1〜0.4で、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物A及び前記原子比(H/C)が0.1未満で、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物Bを含む負極と、非水電解質とを具備し、前記正極、前記負極及び前記非水電解質が少なくとも放電時に50℃以上に保持されることを特徴とするものである。このような二次電池は、負極の炭素質物のリチウム放出時の電子移動抵抗を大幅に小さくすることができると共に、負極の充放電電位のヒステリシスを小さくすることができるため、高温環境下において高容量、優れた大電流放電特性及び長寿命を実現することができる。
【0050】
【実施例】
以下、本発明の実施例を前述した図1を参照して詳細に説明する。
実施例1
<正極の作製>
まず、リチウムコバルト酸化物(LiCoO2 )粉末91重量%をアセチレンブラック3.5重量%、グラファイト3.5重量%及びエチレンプロピレンジエンモノマ粉末2重量%とトルエンを加えて共に混合し、アルミニウム箔(30μm)集電体に塗布した後、プレスすることにより正極を作製した。
<負極の作製>
合成ピッチをアルゴン雰囲気下、600℃で熱処理することによりH/Cが0.25で、比表面積が120m2 /gの炭素質物Aを作製した。一方、3000℃で黒鉛化処理が施され、平均繊維長さが50μmで、平均繊維径が8μmで、H/Cが0で、真密度が2.25g/cm3 で、d002 が0.336nmのメソフェーズピッチ系炭素繊維を炭素質物Bとして用意した。
【0051】
次いで、80重量%の炭素質物A及び20重量%の炭素質物Bを混合し、得られた炭素質物粉末96.7重量%をスチレンブタジエンゴム2.2重量%とカルボキシメチルセルロース1.1重量%と共に混合し、これを集電体としての銅箔に塗布し、乾燥し、プレスすることにより負極を作製した。
【0052】
前記正極、ポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレ―タおよび前記負極をそれぞれこの順序で積層した後、渦巻き状に巻回して電極群を作製した。
さらに、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )をエチレンカーボネート(EC)とジメチルエチルカーボネート(DEC)の混合溶媒(混合体積比率50:50)に1.0モル/1溶解して非水電解液を調製した。
【0053】
前記電極群及び前記電解液をステンレス製の有底円筒状容器内にそれぞれ収納して前述した図1に示す構造の円筒形非水電解質二次電池を組み立てた。
実施例2
以下に説明する負極を用いたこと以外は、実施例1と同様な構成の円筒形非水電解質二次電池を組み立てた。
【0054】
平均粒径が3μmで、H/Cが0で、真密度が2.25g/cm3 で、d002 が0.3354nmの天然黒鉛を炭素質物Bとして用意した。実施例1と同様な炭素質物Aに前記炭素質物Bを30重量%で混合し、炭素質物粉末を得た。得られた炭素質物粉末から実施例1と同様にして負極を作製した。
【0055】
実施例3
以下に説明する負極を用いたこと以外は、実施例1と同様な構成の円筒形非水電解質二次電池を組み立てた。
【0056】
フェノール樹脂をアルゴン雰囲気下、600℃で熱処理することによりH/Cが0.3で、比表面積が200m2 /gの炭素質物Aを作製した。一方、コークスを1500℃で熱処理することにより、平均粒径が5μmで、H/Cが0.003で、真密度が2.0g/cm3 で、d002 が0.345nmのコークスを得た(炭素質物B)。70重量%の炭素質物A及び30重量%の炭素質物Bを混合し、炭素質物粉末を得た。得られた炭素質物粉末から実施例1と同様にして負極を作製した。
【0057】
実施例4
PANとTFPCとECとLiPF6 (モル比11:27:54:9)から構成されるゲル状電解質を高分子固体電解質として用意した。得られた電解質を実施例1と同様なセパレータに含浸させたこと以外は、実施例1と同様にして円筒形非水電解質二次電池を組み立てた。
【0058】
比較例1
実施例1で使用した炭素質物Aのみを炭素質物粉末として用いること以外は、実施例1と同様にして円筒形非水電解質二次電池を組み立てた。
【0059】
比較例2
実施例1で使用した炭素質物Bのみを炭素質物粉末として用いること以外は、実施例1と同様にして円筒形非水電解質二次電池を組み立てた。
【0060】
比較例3
充放電サイクル評価時の温度を20℃にすること以外は、実施例1と同様な構成の円筒形非水電解質二次電池を用意した。
【0061】
比較例4
充放電サイクル評価時の温度を実施例1と同様にすること以外は、比較例1と同様な構成の円筒形非水電解質二次電池を用意した。
【0062】
得られた実施例1〜4及び比較例4の二次電池の電池缶側面にコイル状のヒータを装着し、電池充電時には電池缶壁温度を50〜60℃に制御し、放電時には80℃に制御した。一方、比較例1〜3の二次電池については、充電及び放電の双方において電池缶壁温度を20℃に制御した。これら実施例1〜4及び比較例1〜4の二次電池について、充電電流10Aで、4.2Vまで10時間充電した後、10Aで、2.5Vまで放電する充放電サイクル試験を行い、充放電電圧の経時変化(充放電曲線)を図2に、300サイクル時における容量維持率(1サイクル目の放電容量に対する)を表1に示す。
【0063】
【表1】

Figure 0003863282
【0064】
図2から明らかなように、実施例1〜4の二次電池は、比較例1〜4に比べて充放電電位のヒステリシスが小さいことがわかる。中でも、比較例2の二次電池は、放電時に電圧が他のものに比べて急激に低下することがわかる。また、表1から、実施例1〜4の二次電池は、比較例1,3,4に比べて300サイクル時の容量維持率が高いことがわかる。
【0065】
なお、前記実施例では円筒形非水電解質二次電池に適用した例を説明したが、角形非水電解質二次電池にも同様に適用できる。また、前記電池の容器内に収納される電極群は渦巻形に限らず、正極、セパレータおよび負極をこの順序で複数積層した形態にしてもよい。
【0066】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、高容量で、大電流放電特性に優れ、かつ長寿命な非水電解質二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる非水電解質二次電池の一例を示す部分断面図。
【図2】実施例1〜4及び比較例1〜4の非水電解質二次電池における充放電電圧の経時変化(充放電曲線)を示す特性図。
【符号の説明】
1…容器、
3…電極群、
4…正極、
6…負極、
8…封口板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery, and more particularly to a non-aqueous electrolyte secondary battery having an improved negative electrode containing a carbonaceous material.
[0002]
[Prior art]
In recent years, non-aqueous electrolyte batteries using lithium as a negative electrode active material have attracted attention as high energy density batteries. Manganese dioxide (MnO 2 ), fluorocarbon [(CF 2 ) n ], thionyl chloride ( Primary batteries using SOCl 2 ) and the like are already widely used as power sources for calculators, watches, and memory backup batteries.
[0003]
Furthermore, in recent years, with the reduction in size and weight of various electronic devices such as VTRs and communication devices, the demand for high energy density secondary batteries has increased, and research on lithium secondary batteries using lithium as a negative electrode active material has been made. Is being actively conducted.
[0004]
Lithium secondary batteries use lithium for the negative electrode, and in non-aqueous solvents such as propylene carbonate (PC), 1,2-dimethoxyethane (DME), γ-butyrolactone (γ-BL), and tetrahydrofuran (THF) as the electrolyte. A non-aqueous electrolyte solution or a lithium ion conductive solid electrolyte in which a lithium salt such as LiClO 4 , LiBF 4 or LiAsF 6 is dissolved is used, and the positive electrode active materials are mainly TiS 2 , MoS 2 , V 2 O 5 , V The use of compounds that undergo a topochemical reaction with lithium such as 6 O 13 and MnO 2 has been studied.
[0005]
However, the above-described lithium secondary battery has not yet been put into practical use. The main reason is that the charge / discharge efficiency is low and the number of times (cycle life) that can be charged / discharged is short. The cause of this is thought to be largely due to the deterioration of lithium due to the reaction between lithium in the negative electrode and the non-aqueous electrolyte. That is, lithium dissolved in the non-aqueous electrolyte as lithium ions at the time of discharge reacts with the solvent when deposited at the time of charging, and the surface thereof is partially inactivated. For this reason, when charging and discharging are repeated, lithium is deposited in a dendritic shape (dendritic shape) or in a small spherical shape, and further, a phenomenon such that lithium is desorbed from the current collector occurs.
[0006]
For this reason, lithium and non-aqueous electrolysis can be obtained by using a carbonaceous material that occludes / releases lithium, such as coke, resin fired body, carbon fiber, pyrolytic vapor phase carbon, etc., as the negative electrode incorporated in the lithium secondary battery. It has been proposed to improve the deterioration of the negative electrode characteristics due to the reaction with the liquid and the dendrite precipitation.
[0007]
In the negative electrode containing the carbonaceous material, lithium ions enter and exit the portion between the layers in the structure (graphite structure) in which the hexagonal network layers mainly composed of carbon atoms are stacked among the carbonaceous materials. It is thought that charging / discharging is performed.
[0008]
By the way, a carbonaceous material obtained by heat-treating pitch, coke, resin or the like at 1000 ° C. or less has a large amount of hydrogen remaining, and H / C is 0.1 or more, so that a high capacity exceeding the capacity of graphite can be obtained. . However, since the carbonaceous material has low electronic conductivity and n-type semiconducting properties, the negative electrode including the carbonaceous material has a problem in that it has a large hysteresis in the charge / discharge potential and the charge / discharge efficiency is low. For this reason, the non-aqueous electrolyte secondary battery provided with the negative electrode is inferior in large current discharge characteristics and cycle life, and is practically used not only in small batteries for portable device power supply but also in large batteries used as electric vehicles and power storage power supplies. It was difficult.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery having a high capacity, excellent large current discharge characteristics, and a long life by improving a negative electrode containing a carbonaceous material.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes a container,
A positive electrode housed in the container;
The carbonaceous material A that is housed in the container and has an atomic ratio (H / C) of hydrogen (H) to carbon (C) of 0.1 to 0.4, and that absorbs and releases lithium ions, and the atomic ratio (H / C) less than 0.1, and a negative electrode containing carbonaceous material B that absorbs and releases lithium ions;
A non-aqueous electrolyte housed in the container;
And a temperature holding means for holding the temperature of the wall of the container at 50 ° C. or higher at the time of charging and holding at a higher temperature than at the time of charging at the time of discharging .
[0011]
The method of using the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention includes a container,
A positive electrode housed in the container;
The carbonaceous material A that is housed in the container and has an atomic ratio (H / C) of hydrogen (H) to carbon (C) of 0.1 to 0.4, and that absorbs and releases lithium ions, and the atomic ratio (H / C) less than 0.1, and a negative electrode containing carbonaceous material B that absorbs and releases lithium ions;
When performing a charge / discharge cycle on a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a non-aqueous electrolyte accommodated in the container, the temperature of the wall of the container is maintained at 50 ° C. or higher during charging and more than during charging during discharging. It is characterized by being kept at a high temperature .
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First nonaqueous electrolyte secondary battery)
Hereinafter, a first nonaqueous electrolyte secondary battery (for example, a cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery) according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.
[0013]
For example, a bottomed cylindrical container 1 made of stainless steel has an insulator 2 disposed at the bottom. The electrode group 3 is accommodated in the container 1. The electrode group 3 has a structure in which a belt-like material in which the positive electrode 4, the separator 5, and the negative electrode 6 are laminated in this order is wound in a spiral shape.
[0014]
An electrolytic solution is accommodated in the container 1. The insulating paper 7 having a central opening is placed above the electrode group 3 in the container 1. The insulating sealing plate 8 is disposed in the upper opening of the container 1, and the sealing plate 8 is liquid-tightly fixed to the container 1 by caulking the vicinity of the upper opening inward. The positive terminal 9 is fitted in the center of the insulating sealing plate 8. One end of the positive electrode lead 10 is connected to the positive electrode 4, and the other end is connected to the positive electrode terminal 9. The negative electrode 6 is connected to the container 1 serving as a negative electrode terminal through a negative electrode lead (not shown).
[0015]
Next, the positive electrode 4, the separator 5, the negative electrode 6, and the electrolytic solution will be described in detail.
1) Positive electrode 4
The positive electrode 4 is produced by suspending a conductive agent and a binder in an appropriate solvent in a positive electrode active material, and applying this suspension to a current collector and drying to form a thin plate.
[0016]
Examples of the positive electrode active material include various oxides such as manganese dioxide, lithium manganese composite oxide, lithium-containing nickel oxide, lithium-containing cobalt compound, lithium-containing nickel cobalt oxide, lithium-containing iron oxide, and vanadium containing lithium. Examples thereof include oxides and chalcogen compounds such as titanium disulfide and molybdenum disulfide. Among them, when a lithium-containing cobalt oxide (for example, LiCoO 2 ), a lithium-containing nickel oxide (for example, LiNiO 2 ), or a lithium manganese composite oxide (for example, LiMn 2 O 4 , LiMnO 2 ) is used, a high voltage can be obtained. Is preferable.
[0017]
Examples of the conductive agent include acetylene black, carbon black, and graphite.
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), and styrene-butadiene rubber (SBR).
[0018]
The blending ratio of the positive electrode active material, the conductive agent and the binder is preferably in the range of 80 to 95% by weight of the positive electrode active material, 3 to 20% by weight of the conductive agent, and 2 to 7% by weight of the binder.
[0019]
As the current collector, for example, aluminum foil, stainless steel foil, nickel foil or the like can be used.
2) Separator 5
As the separator 5, for example, a synthetic resin nonwoven fabric, a polyethylene porous film, a polypropylene porous film, or the like can be used.
[0020]
3) Negative electrode 6
The negative electrode 6 has an atomic ratio (H / C) of hydrogen (H) to carbon (C) of 0.1 to 0.4, a carbonaceous material A that absorbs and releases lithium ions, and the atomic ratio (H / C). ) Is less than 0.1 (including 0), and includes fibrous carbonaceous material B that absorbs and releases lithium ions.
[0021]
The smaller the H / C of the carbonaceous material, the closer the microstructure becomes to the graphite structure, and the higher the occlusion / release rate and electronic conductivity of lithium ions. On the other hand, as the H / C of the carbonaceous material increases, the amount of occlusion / release of lithium ions increases, but the occlusion / release rate and electron conductivity tend to decrease. When the H / C exceeds 0.4, it becomes difficult for the carbonaceous material to release lithium ions. Carbonaceous material A having H / C in the range of 0.1 to 0.4 can increase the amount of occlusion / release of lithium ions to 400 mAh / g or more, but is inferior in electron conductivity. On the other hand, the carbonaceous material B having H / C of less than 0.1 can efficiently store and release lithium, and has high electron conductivity, but has a small amount of storage and release.
[0022]
The specific surface area of the carbonaceous material A according to the BET method is preferably 10 to 500 m 2 / g. This is due to the following reason. When the specific surface area exceeds 500 m 2 / g, the progress rate of the self-discharge reaction increases, and the storage characteristics of the battery may be deteriorated. If the specific surface area is less than 10 m 2 / g, the lithium occlusion / release rate becomes slow, and the large current discharge characteristics of the battery may be deteriorated. A more preferable range of the specific surface area is 20 to 400 m 2 / g.
[0023]
The carbonaceous material A can be present in the negative electrode in the form of fibers, particles, or a mixture of fibers and particles.
The carbonaceous material A is, for example, petroleum, coal, synthetically obtained pitch, coke, mesophase pitch, mesophase microspheres, organic materials having aromatic condensation molecules such as phenol resin, novolac resin, furan resin, etc. Can be produced by heat treatment in an inert atmosphere at 500 to 1000 ° C.
[0024]
If the temperature of the heat treatment deviates from the above range, H / C may be out of the range of 0.1 to 0.4. A more preferable range of the heat treatment temperature is 550 to 800 ° C.
[0025]
The true density of the carbonaceous material B is preferably 2.0 g / cm 3 or more. When the true density is less than 2.0 g / cm 3 , the bulk density of the negative electrode may be lowered.
[0026]
The spacing (d 002 ) between the (002) planes of the graphite structure of the carbonaceous material B is preferably 0.38 nm or less. If the interplanar spacing (d 002 ) exceeds 0.38 nm, the lithium ion occlusion / release rate and electronic conductivity of the negative electrode may be reduced. From the viewpoint of improving the electron conductivity and lithium ion occlusion and release of the carbonaceous material B, the spacing d 002 is preferably below 0.337 nm. The interplanar distance d002 can be obtained from the peak position of a diffraction diagram obtained by powder X-ray diffraction, for example. As a calculation method, the half-value width midpoint method defined in the Gakushin Law is used. The half-width half-point method is described in the document “Tanso (carbon)”, 1963, p25.
[0027]
The average length of the fibrous carbonaceous material B is preferably in the range of 10 to 100 μm.
The average diameter of the fibrous carbonaceous material B is preferably in the range of 1 to 20 μm.
[0028]
Examples of the carbonaceous material B include petroleum, coal, synthesized pitch, coke, mesophase pitch, mesophase spherule, pitch fiber, mesophase pitch fiber, polyacrylonitrile fiber, vapor growth fiber, and phenol resin. It can be produced by using an organic substance having an aromatic condensation molecule such as a novolak resin or a furan resin as a raw material and heat-treating them in an inert atmosphere at 1000 ° C. or higher. If the temperature of the heat treatment is lower than the above range, H / C may exceed 0.1. Moreover, it is preferable that the temperature at the time of the said heat processing shall be 2000 degreeC or more, and a graphitization process is performed. As the carbonaceous material B, fibrous natural graphite (H / C is 0) can be used in addition to the carbon material produced by the above-described method. As the carbonaceous material B, either the natural graphite or the carbon material may be used, or both the natural graphite and the carbon material may be used. Among them, carbon fiber that has been graphitized and H / C is less than 0.1, particularly mesophase pitch that has been graphitized at 2500 ° C. or higher and H / C is less than 0.1. It is preferable to use a carbon fiber as the carbonaceous material B. By using this mesophase pitch-based carbon fiber as the carbonaceous material B, it is possible to realize a negative electrode having high electron conductivity, fast lithium occlusion / release reaction, and high electrode strength. Characteristics and cycle life can be greatly improved.
[0029]
The blending amount of the carbonaceous material B in the carbonaceous material A and the carbonaceous material B is preferably in the range of 5 to 50% by weight. This is due to the following reason. If the blending amount is less than 5% by weight, it may be difficult to improve the electronic conductivity of the negative electrode. On the other hand, if the amount exceeds 50% by weight, the capacity of the negative electrode may be reduced. A more preferable range of the blending amount is 10 to 40% by weight.
[0030]
For example, the negative electrode 6 is obtained by kneading the carbonaceous material and a binder in the presence of a solvent, applying the obtained suspension to a current collector, drying, and then pressing once or 2 at a desired pressure. It can be produced by performing multi-stage pressing up to 5 times.
[0031]
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), styrene-butadiene rubber (SBR), carboxymethylcellulose (CMC), poly Acrylonitrile and the like can be used.
[0032]
The blending ratio of the carbonaceous material and the binder is preferably in the range of 90 to 98% by weight of the carbon material and 2 to 10% by weight of the binder. In particular, the carbonaceous material is preferably in the range of 5 to 20 mg / cm 2 in a state where the negative electrode 6 is produced.
[0033]
As the current collector, for example, copper foil, stainless steel foil, nickel foil or the like can be used.
4) Solid or gel non-aqueous electrolyte This non-aqueous electrolyte is held by the separator.
[0034]
As the non-aqueous electrolyte, for example, a polymer solid electrolyte or an inorganic solid electrolyte can be used.
Examples of the polymer solid electrolyte include polymer materials such as polyacrylonitrile (PAN), polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene oxide (PEO), and polypropylene oxide (PPO), LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , Solid electrolyte to which a lithium salt such as LiN (CF 3 SO 2 ) 2 is added, the polymer material, the lithium salt and a non-aqueous solvent (for example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), trifluoropropylene carbonate ( TFPC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (MEC), acetonitrile (AN), room temperature molten salt, etc.).
[0035]
Examples of the inorganic solid electrolyte include lithium sulfide glass and lithium oxide glass. In particular, Li 3 PO 4 —Li 2 S—SiS 2 glass having high ion conductivity is preferable.
[0036]
Hereinafter, the second nonaqueous electrolyte secondary battery will be described.
(Second nonaqueous electrolyte secondary battery)
This second non-aqueous electrolyte secondary battery has a positive electrode, a carbon (A / C) atomic ratio (H / C) of hydrogen (H) to carbon (C) of 0.1 to 0.4, and a carbon that occludes and releases lithium ions. A material A and a negative electrode including a carbonaceous material B having an atomic ratio (H / C) of less than 0.1 and storing / releasing lithium ions, and a non-aqueous electrolyte, the positive electrode, the negative electrode, and the non-aqueous The electrolyte is held at 50 ° C. or higher at least during discharge.
[0037]
The application of the second non-aqueous electrolyte secondary battery is not particularly limited, but in addition to a portable device driving power source, it is a large power source that is particularly a power storage power source or a driving power source for an electric vehicle / hybrid vehicle. Suitable for use as a battery.
[0038]
Examples of the positive electrode and the negative electrode include the same as those described in the first non-aqueous electrolyte secondary battery. In addition, although the fibrous carbonaceous material B is used in the first nonaqueous electrolyte secondary battery described above, the particulate carbonaceous material B may be used in the second nonaqueous electrolyte secondary battery. .
[0039]
The nonaqueous electrolyte is held by a separator. Examples of the separator include the same ones as described for the first nonaqueous electrolyte secondary battery.
[0040]
As the non-aqueous electrolyte, a solid or gel non-aqueous electrolyte, a room temperature molten salt, or a non-aqueous electrolyte can be used. Examples of the solid or gel non-aqueous electrolyte include the same as those described in the first non-aqueous electrolyte secondary battery. The room temperature type molten salt exhibits high ionic conductivity in a high temperature range from room temperature to 100 ° C. or higher, and therefore, by combining with the negative electrode containing the carbonaceous material A and the carbonaceous material B, the capacity and the charge / discharge cycle are stable. A non-aqueous electrolyte secondary battery can be obtained.
[0041]
The nonaqueous electrolytic solution is prepared by dissolving an electrolyte in a nonaqueous solvent.
As the non-aqueous solvent, a known non-aqueous solvent can be used as a solvent for the non-aqueous electrolyte secondary battery, and is not particularly limited, but has a lower melting point than ethylene carbonate (EC) and the ethylene carbonate and the number of donors. It is preferable to use a non-aqueous solvent mainly composed of a mixed solvent with one or more kinds of non-aqueous solvents (hereinafter referred to as second solvent) having an A of 18 or less.
[0042]
As the second type of solvent, for example, chain carbon is preferable, among which dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), diethyl carbonate (DEC), ethyl propionate, methyl propionate, or propylene carbonate (PC). , Trifluoropropylene carbonate (TFPC), γ-butyrolactone (γ-BL), acetonitrile (AN), ethyl acetate (EA), toluene, xylene or methyl acetate (MA). These second solvents can be used alone or in the form of a mixture of two or more. In particular, the second type solvent preferably has a donor number of 16.5 or less.
[0043]
The viscosity of the second solvent is preferably 28 mp or less at 25 ° C. The blending amount of the ethylene carbonate in the mixed solvent is preferably 10 to 80% by volume ratio. The blending amount of the ethylene carbonate is more preferably 20 to 75% by volume ratio.
[0044]
A more preferable composition of the mixed solvent is EC and MEC, EC and PC and MEC, EC and MEC and DEC, EC and DEC, EC and MEC, PC and DEC, and the volume ratio of MEC is 30 to 80%. It is preferable that A more preferred MEC volume ratio is in the range of 40-75%.
[0045]
Examples of the electrolyte contained in the non-aqueous electrolyte include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium borofluoride (LiBF 4 ), and lithium arsenic hexafluoride (LiAsF 6 ). And lithium salts (electrolytes) such as lithium trifluorometasulfonate (LiCF 3 SO 3 ) and lithium bistrifluoromethylsulfonylimide [LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ]. Of these, LiPF 6 and LiBF 4 are preferably used.
[0046]
The amount of the electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent is preferably 0.5 to 2.0 mol / 1.
In the second non-aqueous electrolyte secondary battery, the positive electrode, the negative electrode, and the non-aqueous electrolyte are held at 50 ° C. or higher at least during discharge. The holding temperature is set in the above range for the following reason. If the holding temperature is less than 50 ° C., it is difficult to reduce the hysteresis at the charge / discharge potential of the negative electrode and to lower the electron transfer resistance at the time of lithium ion release from the negative electrode. In addition, there is a risk that improvement of large current discharge characteristics cannot be achieved. The holding temperature is preferably 150 ° C. or lower in the case of a gel-like non-aqueous electrolyte and 300 ° C. or lower in the case of a solid non-aqueous electrolyte. When this temperature is exceeded, the stability of the positive electrode material is lowered, and therefore cycle deterioration is likely to occur. In particular, the holding temperature during discharge is preferably 80 to 120 ° C. However, the temperature range is not limited as long as the stability of the positive electrode material can be maintained. Moreover, when performing temperature control both at the time of charge and at the time of discharge, it is preferable to make holding temperature at the time of discharge higher than at the time of charge.
[0047]
The temperature of the positive electrode, the negative electrode, and the nonaqueous electrolyte can be maintained by installing a temperature maintaining means in the secondary battery. This temperature holding means can be comprised from the apparatus which controls the temperature of a secondary battery, a heater, and a heat insulating material, for example. A part of the charging current and discharging current may be used as the power source of the heater. This eliminates the need for a power source for the heater, thereby reducing the size of the holding means. Further, even if such a temperature holding means is not provided, if the secondary battery is mounted on a device or apparatus in which the secondary battery is exposed to a high temperature environment such as an electric vehicle or a hybrid vehicle, the positive electrode and the negative electrode And the temperature of a nonaqueous electrolyte is hold | maintained in the said range.
[0048]
The first nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention described above has an atomic ratio (H / C) of hydrogen (H) to carbon (C) of 0.1 to 0.4, and occludes lithium ions. A carbonaceous material A to be released and a negative electrode containing a fibrous carbonaceous material B having an atomic ratio (H / C) of less than 0.1 and absorbing and releasing lithium ions, and a solid or gel nonaqueous electrolyte. It has. The carbonaceous material A having H / C in the range of 0.1 to 0.4 is inferior in electron conductivity, although it can increase the amount of occlusion / release of lithium to 400 mAh / g or more. On the other hand, the carbonaceous material B having an H / C of less than 0.1 can efficiently store and release lithium, and has high electron conductivity, and thus has an action of reducing the electron conduction resistance of the negative electrode. By making the carbonaceous material B into a fibrous form, the carbonaceous material B having high electron conductivity can be dispersed throughout the negative electrode, and the carbonaceous material A and the carbonaceous material B are sufficiently in contact with each other even in repeated charge / discharge cycles. A network structure can be taken. Therefore, since the electronic conductivity of the negative electrode can be improved uniformly and sufficiently, the hysteresis of the charge / discharge potential of the negative electrode can be reduced. For this reason, it is possible to improve the discharge capacity, large current discharge characteristics, and cycle life of the nonaqueous electrolyte secondary battery including the solid or gel nonaqueous electrolyte.
[0049]
The second nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention has a positive electrode, an atomic ratio (H / C) of hydrogen (H) to carbon (C) of 0.1 to 0.4, and occludes lithium ions. A negative electrode containing a carbonaceous material A to be released and a carbonaceous material B having an atomic ratio (H / C) of less than 0.1, and storing and releasing lithium ions; and a non-aqueous electrolyte, the positive electrode, the negative electrode, The nonaqueous electrolyte is maintained at 50 ° C. or more at least during discharge. Such a secondary battery can greatly reduce the electron transfer resistance during lithium release of the carbonaceous material of the negative electrode and can reduce the hysteresis of the charge / discharge potential of the negative electrode. Capacitance, excellent large current discharge characteristics and long life can be realized.
[0050]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
Example 1
<Preparation of positive electrode>
First, 91% by weight of lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) powder was mixed with 3.5% by weight of acetylene black, 3.5% by weight of graphite, 2% by weight of ethylene propylene diene monomer powder and toluene, and mixed together. 30 [mu] m) After applying to a current collector, the positive electrode was produced by pressing.
<Production of negative electrode>
A carbonaceous material A having an H / C of 0.25 and a specific surface area of 120 m 2 / g was produced by heat-treating the synthetic pitch at 600 ° C. in an argon atmosphere. On the other hand, graphitization was performed at 3000 ° C., the average fiber length was 50 μm, the average fiber diameter was 8 μm, H / C was 0, the true density was 2.25 g / cm 3 , and d 002 was 0.00. 336 nm mesophase pitch carbon fiber was prepared as carbonaceous material B.
[0051]
Next, 80% by weight of carbonaceous material A and 20% by weight of carbonaceous material B were mixed, and 96.7% by weight of the resulting carbonaceous material powder was mixed with 2.2% by weight of styrene-butadiene rubber and 1.1% by weight of carboxymethylcellulose. The negative electrode was produced by mixing, apply | coating this to the copper foil as a collector, drying, and pressing.
[0052]
The positive electrode, a separator made of a polyethylene porous film, and the negative electrode were laminated in this order, and then wound in a spiral shape to produce an electrode group.
Furthermore, 1.0 mol / l of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and dimethyl ethyl carbonate (DEC) (mixed volume ratio 50:50) to obtain a non-aqueous electrolyte. Was prepared.
[0053]
The electrode group and the electrolytic solution were respectively stored in a bottomed cylindrical container made of stainless steel to assemble the cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery having the structure shown in FIG.
Example 2
A cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery having the same configuration as in Example 1 was assembled except that the negative electrode described below was used.
[0054]
An average particle diameter of 3 [mu] m, at H / C is 0, the true density of 2.25g / cm 3, d 002 was prepared natural graphite 0.3354nm as carbonaceous material B. The same carbonaceous material A as in Example 1 was mixed with 30% by weight of the carbonaceous material B to obtain a carbonaceous material powder. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 from the obtained carbonaceous material powder.
[0055]
Example 3
A cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery having the same configuration as in Example 1 was assembled except that the negative electrode described below was used.
[0056]
A carbonaceous material A having an H / C of 0.3 and a specific surface area of 200 m 2 / g was produced by heat-treating the phenol resin at 600 ° C. in an argon atmosphere. On the other hand, coke was heat-treated at 1500 ° C. to obtain coke having an average particle diameter of 5 μm, H / C of 0.003, true density of 2.0 g / cm 3 and d 002 of 0.345 nm. (Carbonaceous material B). 70% by weight of carbonaceous material A and 30% by weight of carbonaceous material B were mixed to obtain a carbonaceous material powder. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 from the obtained carbonaceous material powder.
[0057]
Example 4
A gel electrolyte composed of PAN, TFPC, EC, and LiPF 6 (molar ratio 11: 27: 54: 9) was prepared as a polymer solid electrolyte. A cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery was assembled in the same manner as in Example 1 except that the same electrolyte as that in Example 1 was impregnated into the separator.
[0058]
Comparative Example 1
A cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery was assembled in the same manner as in Example 1 except that only the carbonaceous material A used in Example 1 was used as the carbonaceous material powder.
[0059]
Comparative Example 2
A cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery was assembled in the same manner as in Example 1 except that only the carbonaceous material B used in Example 1 was used as the carbonaceous material powder.
[0060]
Comparative Example 3
A cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery having the same configuration as in Example 1 was prepared except that the temperature at the time of charge / discharge cycle evaluation was 20 ° C.
[0061]
Comparative Example 4
A cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery having the same configuration as that of Comparative Example 1 was prepared except that the temperature at the time of charge / discharge cycle evaluation was the same as that of Example 1.
[0062]
A coiled heater is attached to the side of the battery can of the obtained secondary batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Example 4, and the battery can wall temperature is controlled to 50 to 60 ° C. when charging the battery, and 80 ° C. when discharging. Controlled. On the other hand, about the secondary battery of Comparative Examples 1-3, the battery can wall temperature was controlled to 20 degreeC in both charge and discharge. The secondary batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 were charged at a charging current of 10A for 10 hours to 4.2V, and then charged and discharged at 10A to a voltage of 2.5V. FIG. 2 shows the change over time in the discharge voltage (charge / discharge curve), and Table 1 shows the capacity retention ratio (relative to the discharge capacity at the first cycle) at 300 cycles.
[0063]
[Table 1]
Figure 0003863282
[0064]
As can be seen from FIG. 2, the secondary batteries of Examples 1 to 4 have smaller charge / discharge potential hysteresis than Comparative Examples 1 to 4. In particular, it can be seen that the voltage of the secondary battery of Comparative Example 2 is drastically reduced compared to other batteries during discharging. Moreover, it can be seen from Table 1 that the secondary batteries of Examples 1 to 4 have a higher capacity retention rate at 300 cycles than those of Comparative Examples 1, 3, and 4.
[0065]
In addition, although the example applied to the cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery has been described in the above embodiment, the present invention can be similarly applied to a prismatic nonaqueous electrolyte secondary battery. The electrode group housed in the battery container is not limited to a spiral shape, and a plurality of positive electrodes, separators, and negative electrodes may be stacked in this order.
[0066]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high capacity, excellent large current discharge characteristics, and a long life.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing an example of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a change with time (charge / discharge curve) of charge / discharge voltages in the nonaqueous electrolyte secondary batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4.
[Explanation of symbols]
1 ... container,
3 ... Electrode group,
4 ... positive electrode,
6 ... negative electrode,
8 ... Sealing plate.

Claims (4)

容器と、
前記容器内に収納される正極と、
前記容器内に収納され、水素(H)と炭素(C)の原子比(H/C)が0.1〜0.4で、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物A及び前記原子比(H/C)が0.1未満で、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物Bを含む負極と、
前記容器内に収容される非水電解質と、
前記容器の壁の温度を充電時に50℃以上に保持すると共に放電時には充電時よりも高温に保持する温度保持手段とを具備することを特徴とする非水電解質二次電池。
A container,
A positive electrode housed in the container;
The carbonaceous material A that is housed in the container and has an atomic ratio (H / C) of hydrogen (H) to carbon (C) of 0.1 to 0.4, and that absorbs and releases lithium ions, and the atomic ratio (H / C) less than 0.1, and a negative electrode containing carbonaceous material B that absorbs and releases lithium ions;
A non-aqueous electrolyte housed in the container;
A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising temperature holding means for holding the temperature of the wall of the container at 50 ° C. or higher during charging and holding at a higher temperature than during charging during discharging .
容器と、
前記容器内に収納される正極と、
前記容器内に収納され、水素(H)と炭素(C)の原子比(H/C)が0.1〜0.4で、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物A及び前記原子比(H/C)が0.1未満で、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物Bを含む負極と、
前記容器内に収容される非水電解質とを具備する非水電解質二次電池に充放電サイクルを施す際、前記容器の壁の温度を充電時に50℃以上に保持すると共に放電時には充電時よりも高温に保持することを特徴とする非水電解質二次電池の使用方法。
A container,
A positive electrode housed in the container;
The carbonaceous material A that is housed in the container and has an atomic ratio (H / C) of hydrogen (H) to carbon (C) of 0.1 to 0.4, and that absorbs and releases lithium ions, and the atomic ratio (H / C) less than 0.1, and a negative electrode containing carbonaceous material B that absorbs and releases lithium ions;
When performing a charge / discharge cycle on a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a non-aqueous electrolyte accommodated in the container, the temperature of the wall of the container is maintained at 50 ° C. or higher during charging and more than during charging during discharging. A method of using a non-aqueous electrolyte secondary battery, characterized by being maintained at a high temperature .
前記温度保持は、前記非水電解質二次電池が50℃以上の環境下に曝される機器あるいは装置に搭載されることによりなされることを特徴とする請求項2記載の非水電解質二次電池の使用方法。 The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 2, wherein the temperature holding is performed by mounting the non-aqueous electrolyte secondary battery in a device or apparatus that is exposed to an environment of 50 ° C. or more. How to use. 前記非水電解質二次電池が50℃以上の環境下に曝される機器あるいは装置は、電気自動車あるいはハイブリッド自動車であることを特徴とする請求項記載の非水電解質二次電池の使用方法。 4. The method of using a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 3 , wherein the device or apparatus to which the nonaqueous electrolyte secondary battery is exposed to an environment of 50 [deg.] C. or higher is an electric vehicle or a hybrid vehicle .
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