JP5052145B2 - Method for producing lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池の製造方法に関する。特に、正極に炭素材料を使用するリチウムイオン二次電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a lithium ion secondary battery. In particular, a method for manufacturing a lithium ion secondary battery using a carbon material in the positive electrode.
炭素材料と正極活物質と導電材を有する正極と、負極と、電解液を有するリチウムイオン二次電池が特許文献1に開示されている。リチウムイオン二次電池の出力を増大するためには、電気二重層容量を大きくするのが有利であることが知られている。電気二重層容量を大きくするためには、正極に用いる炭素材料の比表面積を大きくするのが有利であることも知られている。したがって、リチウムイオン二次電池では、出力を増大するために比表面積が大きい炭素材料を使用するのが有利であるというのが技術常識となっている。特許文献1では、比表面積が500m2/g以上(好ましくは1500m2/g以上と記載されている)の炭素材料を使用することによって、大きな電気二重層容量を獲得し、出力の増大を図っている。 Patent Document 1 discloses a lithium ion secondary battery having a positive electrode including a carbon material, a positive electrode active material, and a conductive material, a negative electrode, and an electrolytic solution. In order to increase the output of the lithium ion secondary battery, it is known that it is advantageous to increase the electric double layer capacity. In order to increase the electric double layer capacity, it is also known that it is advantageous to increase the specific surface area of the carbon material used for the positive electrode. Therefore, it is common technical knowledge that in a lithium ion secondary battery, it is advantageous to use a carbon material having a large specific surface area in order to increase the output. In Patent Document 1, by using a carbon material having a specific surface area of 500 m 2 / g or more (preferably described as 1500 m 2 / g or more), a large electric double layer capacity is obtained to increase output. ing.
しかしながら、本発明者らの研究によって、比表面積が大きい炭素材料を使用すると、別の悪影響が生じることがわかってきた。
リチウムイオン二次電池の電解液中に水が混入すると、電解液と水が反応し、電池容量が低下してしまう。比表面積の大きい炭素材料は、細孔を多く有している。細孔は、水を吸着し易い。すなわち、比表面積の大きい炭素材料を使用すると、リチウムイオン二次電池内に水が混入し、リチウムイオン二次電池の電池容量を低下させてしまう。また、細孔に電解液が侵入すると、その細孔の内部で電解液が分解してしまうことがある。
比表面積の大きい炭素材料をリチウムイオン二次電池の正極材料として使用すると、良好な出力特性が得られるが、長期間に亘って観測すると、電池容量が大きく低下してしまう。
本発明では、良好な出力特性を有することと、長期間に亘って電池容量を維持することの両者を同時に満足するリチウムイオン二次電池の製造方法を提供することを目的とする。
However, studies by the present inventors have revealed that the use of a carbon material having a large specific surface area has another adverse effect.
If water is mixed in the electrolyte solution of the lithium ion secondary battery, the electrolyte solution and water react to reduce the battery capacity. A carbon material having a large specific surface area has many pores. The pores are easy to adsorb water. That is, when a carbon material having a large specific surface area is used, water is mixed in the lithium ion secondary battery, and the battery capacity of the lithium ion secondary battery is reduced. Further, when the electrolyte enters the pores, the electrolyte may be decomposed inside the pores.
When a carbon material having a large specific surface area is used as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery, good output characteristics can be obtained. However, when observed over a long period of time, the battery capacity is greatly reduced.
In the present invention aims to provide that the method of manufacturing a lithium ion secondary batteries simultaneously satisfy both of maintaining the battery capacity for a long time with good output characteristics.
本明細書に開示するリチウムイオン二次電池は、比表面積が30〜500m2/gであって002面の層間距離が0.35〜0.38nmである炭素材料を有する正極と、負極と、少なくともリチウム化合物を含む電解液を備えており、リチウム化合物が電離して生じたアニオンを、炭素材料の層間に捕捉している。ここでいう「002面の層間距離」とは、X線回折によって測定される002面の面間隔のことをいう。 A lithium ion secondary battery disclosed in this specification includes a positive electrode having a carbon material having a specific surface area of 30 to 500 m 2 / g and an interlayer distance of 002 plane of 0.35 to 0.38 nm, a negative electrode, An electrolyte containing at least a lithium compound is provided, and anions generated by ionization of the lithium compound are trapped between the layers of the carbon material. As used herein, “interlayer distance between 002 planes” refers to the surface spacing of the 002 planes measured by X-ray diffraction.
上記のリチウムイオン二次電池によると、良好な出力特性を得ることと、長期間に亘って電池容量を維持することの両者を同時に達成することができる。すなわち、比表面積が30〜500m2/gの炭素材料を正極に使用しているため、リチウムイオン二次電池内に水が混入することを抑制できる。また、リチウム化合物は電解液中で電離する。炭素材料の002面の層間距離が0.35〜0.38nmの範囲内にあると、アニオンは、炭素材料の層間を広げる格好で層間に捕捉される。すなわち、アニオンを炭素材料の層間に捕捉することによって、炭素材料の比表面積を大きくすることができる。リチウムイオン二次電池の電池容量を大きくすることができる。なお、炭素材料の比表面積が30m2/gよりも小さいと、アニオンを良好に捕捉することができない。炭素材料の比表面積が500m2/gよりも大きいと、リチウムイオン二次電池内に水が混入しやすい。 According to the above lithium ion secondary battery, it is possible to simultaneously achieve both good output characteristics and maintaining battery capacity over a long period of time. That is, since a carbon material having a specific surface area of 30 to 500 m 2 / g is used for the positive electrode, it is possible to prevent water from being mixed into the lithium ion secondary battery. Further, the lithium compound is ionized in the electrolytic solution. When the interlayer distance of the 002 plane of the carbon material is within the range of 0.35 to 0.38 nm, the anion is trapped between the layers in such a manner as to expand the interlayer of the carbon material. That is, the specific surface area of the carbon material can be increased by trapping the anion between the layers of the carbon material. The battery capacity of the lithium ion secondary battery can be increased. In addition, when the specific surface area of a carbon material is smaller than 30 m < 2 > / g, an anion cannot be capture | acquired favorably. If the specific surface area of the carbon material is larger than 500 m 2 / g, water is likely to be mixed into the lithium ion secondary battery.
本明細書に開示するリチウムイオン二次電池では、リチウム化合物がLiPF6であることが好ましい。
上記のリチウムイオン二次電池によると、LiPF6は、電解液内でLi+(カチオン)とPF6 −(アニオン)に電離する。電離することで発生するアニオン(PF6 −)は、面間隔距離が0.35〜0.38nmの炭素材料の層間を広げる格好で層間に捕捉されやすい。
In the lithium ion secondary battery disclosed in this specification , the lithium compound is preferably LiPF 6 .
According to the above lithium ion secondary battery, LiPF 6 is ionized into Li + (cation) and PF 6 − (anion) in the electrolytic solution. The anion (PF 6 − ) generated by ionization tends to be trapped between the layers in such a manner as to expand the layers of the carbon material having an interplanar distance of 0.35 to 0.38 nm.
本明細書に開示するリチウムイオン二次電池は、良好な出力特性を有し、長期間に亘って電池容量を維持することができるため、様々な用途に利用することができる。例えば、電気自動車、ハイブリッドカー等の自動車に利用することができる。 The lithium ion secondary battery disclosed in this specification has favorable output characteristics and can maintain the battery capacity over a long period of time, and thus can be used for various applications. For example, it can be used for automobiles such as electric cars and hybrid cars.
本発明は、リチウムイオン二次電池の製造方法を提供する。その製造方法は、比表面積が30〜500m2/gであって002面の層間距離が0.35〜0.38nmである炭素材料を有する正極と、負極と、少なくともリチウム化合物を含む電解液を容器に収容して電池構造体を形成する工程と、リチウム化合物が電離して発生したアニオンを正極を形成している炭素材料の層間に捕捉する工程を有する。 The present invention is, that Kyosu Hisage a method for producing a lithium ion secondary battery. The manufacturing method includes a positive electrode having a carbon material having a specific surface area of 30 to 500 m 2 / g and an interlayer distance of 002 plane of 0.35 to 0.38 nm, a negative electrode, and an electrolytic solution containing at least a lithium compound. It has the process of accommodating in a container and forming a battery structure, and the process of capture | acquiring between the layers of the carbon material which forms the positive electrode the anion which the lithium compound ionized and ionized.
上記の製造方法によると、電池容量が大きく、しかも電池容量を長期間に亘って維持できるリチウムイオン二次電池を製造することができる。比表面積の小さい(30〜500m2/g)炭素材料を使用しているため、電池構造体を形成する工程で、電池構造体内に水が混入しにくくなる。すなわち、リチウムイオン二次電池を長期間に亘って使用しても電解液が分解される現象を抑制できる。また、電池構造体が形成されている状態で、アニオンを炭素材料の層間に捕捉するため、リチウムイオン二次電池内に混入する水を顕著に抑制しつつ、正極を形成する炭素材料の比表面積を大きくすることができる。 According to the above manufacturing method, a lithium ion secondary battery having a large battery capacity and capable of maintaining the battery capacity over a long period of time can be manufactured. Since a carbon material having a small specific surface area (30 to 500 m 2 / g) is used, it is difficult for water to be mixed into the battery structure in the step of forming the battery structure. That is, even when a lithium ion secondary battery is used for a long period of time, the phenomenon that the electrolytic solution is decomposed can be suppressed. In addition, the specific surface area of the carbon material forming the positive electrode while remarkably suppressing water mixed in the lithium ion secondary battery in order to capture the anion between the carbon material layers while the battery structure is formed. Can be increased.
本発明の製造方法では、初回の充電時に、リチウムイオン二次電池の使用電圧以上の電圧で電池構造体を充電することによって、リチウム化合物が電離して発生したアニオンを炭素材料の層間に捕捉する。 In the production method of the present invention, during the first charge, the battery structure is charged with a voltage equal to or higher than the operating voltage of the lithium ion secondary battery, and the anion generated by the ionization of the lithium compound is trapped between the carbon material layers. The
上記の製造方法によると、リチウム化合物が電離して発生したアニオンを炭素材料の層間に確実に捕捉することができる。アニオンが炭素材料の層間に捕捉されているか否かを判定することは困難である。しかしながら、電圧を印加したときに電池構造体に流れる電流を測定することによって、アニオンが炭素材料の層間の捕捉されたことを電気化学的に確認することができる。 According to the above production method, the anion generated by the ionization of the lithium compound can be reliably captured between the layers of the carbon material. It is difficult to determine whether anions are trapped between carbon material layers. However, by measuring the current flowing through the battery structure when a voltage is applied, it can be confirmed electrochemically that anions have been trapped between the carbon material layers.
本発明の製造方法では、初回の充電時の電位をリチウム金属に対して4.2〜4.4Vとする。ここで、「リチウム金属に対する電位」とは、正極とリチウム金属の間の電位差のことをいう。本明細書では、正極とリチウム金属の間の電位差を「リチウム金属に対する電位」と称し、正極と負極の間の電位差を、単に「電圧」と称する。正極を構成する材料及び/又は負極を構成する材料が変化すると、正極と負極の間の電位差が変化する。すなわち、同じ正極を使用しても、負極を構成する材料が変化すると、正極と負極の間の電圧が変化する。正極に特徴を有するリチウムイオン二次電池の特性を、電圧の関係で表現することができない。そこで、本明細書では、リチウムイオン二次電池の特性を正確に表現するために、「リチウム金属に対する電位」と、「電圧」を分けて表現する。 In the production method of the present invention shall be the 4.2~4.4V the potential at the time of the initial charge of the lithium metal. Here, “potential with respect to lithium metal” means a potential difference between the positive electrode and the lithium metal. In this specification, the potential difference between the positive electrode and the lithium metal is referred to as “potential with respect to the lithium metal”, and the potential difference between the positive electrode and the negative electrode is simply referred to as “voltage”. When the material constituting the positive electrode and / or the material constituting the negative electrode changes, the potential difference between the positive electrode and the negative electrode changes. That is, even if the same positive electrode is used, when the material constituting the negative electrode changes, the voltage between the positive electrode and the negative electrode changes. The characteristics of the lithium ion secondary battery characterized by the positive electrode cannot be expressed in terms of voltage. Therefore, in this specification, in order to accurately express the characteristics of the lithium ion secondary battery, “potential with respect to lithium metal” and “voltage” are expressed separately.
電池構造体にあまりに高い電圧を印加すると、リチウム化合物が電離して生じたアニオンが炭素材料の層間に捕捉されるだけでなく、炭素材料を分解してしまうことがある。また、高い電圧によって電解液が分解してしまうこともある。初回の充電時の電圧を上記範囲にすることによって、炭素材料の分解や電解液の分解を抑制するとともに、リチウムイオン二次電池の電池容量を大きくすることができる。 When an excessively high voltage is applied to the battery structure, anions generated by ionization of the lithium compound are not only trapped between the layers of the carbon material, but the carbon material may be decomposed. In addition, the electrolytic solution may be decomposed by a high voltage. By setting the voltage at the time of the first charge to the above range, it is possible to suppress the decomposition of the carbon material and the decomposition of the electrolytic solution and increase the battery capacity of the lithium ion secondary battery.
本発明によると、リチウムイオン二次電池の電池容量を大きくすることができる。また長期間に亘って電池容量を維持することができる。 According to the present invention, the battery capacity of a lithium ion secondary battery can be increased. In addition, the battery capacity can be maintained over a long period of time.
実施例の主要な特長を列記する。
(第1特長)
易黒鉛化炭素(コークス、メソカーボン小球体、メソフェーズピッチ系炭素繊維、熱分解気相成長炭素繊維等)を600〜1400℃で焼成し、水酸化カリウムで賦活処理を実施することによって、正極に使用する炭素材料を製造する。
(第2特長)
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)の比が3:7の溶媒と、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)の溶質(支持塩ともいう)を混合して電解液を製造する。
The main features of the examples are listed.
(First feature)
Easily graphitized carbon (coke, mesocarbon spherules, mesophase pitch-based carbon fiber, pyrolytic vapor-grown carbon fiber, etc.) is fired at 600-1400 ° C. and activated with potassium hydroxide. Produce carbon materials to be used.
(Second feature)
A solvent having a ratio of ethylene carbonate (EC) to ethyl methyl carbonate (EMC) of 3: 7 and a solute of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) (also referred to as a supporting salt) is mixed to produce an electrolytic solution.
(炭素材料の評価)
比表面積400m2/gであって002面の層間距離が0.36nmである炭素材料の層間に、リチウム化合物が電離して生じるアニオンを捕捉させる条件について実験を行った。
ECとEMCが3:7の溶媒とLiPF6の支持塩を混合した電解液に、上記炭素材料からなる正極とリチウム金属からなる負極を浸漬した。正極と負極の間に電圧を印加し、両電極間に流れる電流の大きさを測定した。印加した電圧と測定した電流の関係を図1に示している。図1の縦軸は、炭素材料1gあたりの両電極間に流れる電流値(単位:μA/g)を示しており、横軸は、両電極間に印加した電圧(単位:V)を示している。ここでは、負極にリチウム金属を使用しているため、「リチウム金属に対する電位」と「電圧」が同一である。なお、図1の縦軸は、上記炭素材料を使用して製造したリチウムイオン二次電池を通常使用するときに流れる電流の大きさを引いた値を示している。すなわち、通常使用するときに流れる電流を超えて流れる電流(以後、賦活電流と称す)の大きさを示している。
(Evaluation of carbon materials)
Experiments were conducted on conditions for capturing anions generated by ionization of lithium compounds between carbon material layers having a specific surface area of 400 m 2 / g and a 002 plane interlayer distance of 0.36 nm.
A positive electrode made of the carbon material and a negative electrode made of lithium metal were immersed in an electrolytic solution in which a solvent having EC and EMC of 3: 7 and a support salt of LiPF 6 were mixed. A voltage was applied between the positive electrode and the negative electrode, and the magnitude of the current flowing between the two electrodes was measured. The relationship between the applied voltage and the measured current is shown in FIG. The vertical axis in FIG. 1 indicates the value of current flowing between both electrodes per 1 g of carbon material (unit: μA / g), and the horizontal axis indicates the voltage applied between both electrodes (unit: V). Yes. Here, since lithium metal is used for the negative electrode, “potential with respect to lithium metal” and “voltage” are the same. In addition, the vertical axis | shaft of FIG. 1 has shown the value which pulled the magnitude | size of the electric current which flows when the lithium ion secondary battery manufactured using the said carbon material is normally used. That is, it shows the magnitude of the current that flows in excess of the current that flows during normal use (hereinafter referred to as the activation current).
図1から明らかなように、両電極間の電圧が4.1Vを超えると、賦活電流が流れ始めることが確認できる。賦活電流が流れていることより、両電極間に4.1Vを超える電圧を印加する前と比較して、正極の炭素材料の構造が変化していると推測できる。賦活電流の大きさは、電圧が4.4V付近で1度目のピークが見られる。電圧が4.4〜4.5Vの間、ほぼ一定の電流値を維持している。電圧が4.5Vを超えると、再び電流値が増加し始めて、4.6V付近で2度目のピークが見られる。
電圧が4.5V付近までは、LiPF6が電離して生じたアニオン(PF6 −)が炭素材料の層間に捕捉されることによって賦活電流が流れていると考えられる。電圧が4.5Vを超えると、炭素材料の層間にアニオンが捕捉されるだけでなく、炭素材料の構造が崩壊することによって電流が流れていると考えられる。すなわち、両電極間に、リチウム金属に対して4.1〜4.5Vの電圧を印加することによって、アニオンを炭素材料の層間に捕捉させることができると推測される。
As is clear from FIG. 1, it can be confirmed that the activation current starts to flow when the voltage between both electrodes exceeds 4.1V. From the fact that the activation current flows, it can be inferred that the structure of the carbon material of the positive electrode has changed compared to before applying a voltage exceeding 4.1 V between both electrodes. The magnitude of the activation current has a first peak when the voltage is around 4.4V. A substantially constant current value is maintained when the voltage is between 4.4 and 4.5V. When the voltage exceeds 4.5V, the current value begins to increase again, and a second peak is observed around 4.6V.
Up to a voltage of about 4.5 V, it is considered that an activation current flows due to the anion (PF 6 − ) generated by ionization of LiPF 6 being trapped between the layers of the carbon material. When the voltage exceeds 4.5 V, it is considered that not only an anion is trapped between the layers of the carbon material, but also a current flows due to the collapse of the structure of the carbon material. That is, it is estimated that an anion can be trapped between the layers of the carbon material by applying a voltage of 4.1 to 4.5 V to the lithium metal between both electrodes.
以下に実施例について説明する。実施例では使用電圧がリチウム金属に対して4.2Vの電圧の電池構造体を作成し、その電池構造体に、リチウム金属に対して4.2〜4.5Vの電圧を印加してリチウムイオン二次電池を製造した。
(実施例1)
本実施例のリチウムイオン二次電池の製造方法について説明する。まず、正極の製造方法について説明する。
炭素材料18質量%と、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)80質量%と、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)1質量%と、カルボキシメチルセルロース(CMC)1質量%を秤量して混合し、その混合物に水を添加してペースト状にした。ここで、炭素材料は、比表面積400m2/gであって002面の層間距離が0.36nmである炭素材料を使用した。
次いでアルミニウムの集電体を用意し、その集電体の両面にペーストを塗布した後、ペーストを乾燥させて正極を完成した。
次に、負極の製造方法について説明する。
粉末のグラファイトと、結着剤を混合してペースト状にした。次いで銅の集電体を用意し、その集電体の両面にペーストを塗布した後、ペーストを乾燥させて負極を完成した。
多孔質樹脂フィルムを介して正極と負極を対向させ、電極体を完成させた。次いで電極体と電解液を容器に収容した後、容器を密閉して電池構造体を形成した。電解液の溶媒は、ECとEMCの体積比が3:7である溶媒を使用し、電解液の支持塩は、LiPF6を溶媒に対して1mol/L混合した。
Examples will be described below. In the embodiment, a battery structure having a working voltage of 4.2 V with respect to lithium metal was prepared, and a voltage of 4.2 to 4.5 V was applied to the battery structure with respect to lithium metal. A secondary battery was manufactured.
Example 1
The manufacturing method of the lithium ion secondary battery of a present Example is demonstrated. First, the manufacturing method of a positive electrode is demonstrated.
18% by mass of carbon material, 80% by mass of lithium nickelate (LiNiO 2 ), 1% by mass of polytetrafluoroethylene (PTFE), and 1% by mass of carboxymethylcellulose (CMC) are weighed and mixed, and water is added to the mixture. Was added to make a paste. Here, a carbon material having a specific surface area of 400 m 2 / g and an interlayer distance of 002 plane of 0.36 nm was used as the carbon material.
Next, an aluminum current collector was prepared, and a paste was applied to both sides of the current collector, and then the paste was dried to complete a positive electrode.
Next, the manufacturing method of a negative electrode is demonstrated.
Powdered graphite and a binder were mixed to form a paste. Next, a copper current collector was prepared, and a paste was applied to both sides of the current collector, and then the paste was dried to complete a negative electrode.
The positive electrode and the negative electrode were opposed to each other through the porous resin film to complete the electrode body. Next, after the electrode body and the electrolytic solution were accommodated in a container, the container was sealed to form a battery structure. As the solvent of the electrolytic solution, a solvent having a volume ratio of EC and EMC of 3: 7 was used, and as the supporting salt of the electrolytic solution, LiPF 6 was mixed at 1 mol / L with respect to the solvent.
電池構造体の電圧が4.1V(リチウム金属に対して4.2V)になるまで定電流で充電し、その後電圧4.1Vで2.5時間の間定電圧充電した。その後、電圧を4.3V(リチウム金属に対して4.4V)にし、電圧4.3Vで15分間定電圧充電してリチウムイオン二次電池を完成させた。 The battery was charged at a constant current until the voltage of the battery structure was 4.1 V (4.2 V with respect to lithium metal), and then charged at a constant voltage of 4.1 V for 2.5 hours. Thereafter, the voltage was set to 4.3 V (4.4 V with respect to lithium metal), and constant voltage charging was performed at a voltage of 4.3 V for 15 minutes to complete a lithium ion secondary battery.
(実施例2)
実施例1の電池構造体を形成し、その電池構造体に電圧を印加した。本実施例では、実施例1と比較して、電池構造体に対して電圧を印加する方法のみが異なる。本実施例では、電池構造体の電圧が4.1V(リチウム金属に対して4.2V)になるまで定電流で充電し、その後電圧4.1Vで2.5時間定電圧充電した。その後、電圧を4.2V(リチウム金属に対して4.3V)にし、電圧4.2Vで15分間定電圧充電してリチウムイオン二次電池を完成させた。
(Example 2)
The battery structure of Example 1 was formed, and a voltage was applied to the battery structure. The present embodiment is different from the first embodiment only in the method of applying a voltage to the battery structure. In this example, the battery structure was charged at a constant current until the voltage of the battery structure reached 4.1 V (4.2 V with respect to lithium metal), and then charged at a constant voltage of 4.1 V for 2.5 hours. Thereafter, the voltage was set to 4.2 V (4.3 V with respect to lithium metal), and constant voltage charging was performed at a voltage of 4.2 V for 15 minutes to complete a lithium ion secondary battery.
(実施例3)
実施例1の電池構造体を形成し、その電池構造体に電圧を印加した。本実施例では、実施例1と比較して、電池構造体に対して電圧を印加する方法のみが異なる。本実施例では、電池構造体の電圧が4.1V(リチウム金属に対して4.2V)になるまで定電流で充電し、その後電圧4.1Vで2.5時間定電圧充電してリチウムイオン二次電池を完成させた。
(Example 3)
The battery structure of Example 1 was formed, and a voltage was applied to the battery structure. The present embodiment is different from the first embodiment only in the method of applying a voltage to the battery structure. In this example, the battery structure was charged at a constant current until the voltage of the battery structure reached 4.1 V (4.2 V with respect to lithium metal), and then charged at a voltage of 4.1 V for 2.5 hours at a constant voltage. A secondary battery was completed.
(比較例1)
比表面積が400m2/gであって002面の層間距離が0.33nmであるアセチレンブラック18質量%と、LiNiO280質量%と、PTFE1質量%と、CMC1質量%を秤量して混合し、その混合物に水を添加してペースト状にした。次に、アルミニウムの集電体を用意し、その集電体の両面にペーストを塗布した後、ペーストを乾燥させて正極を完成した。その後の工程は実施例1と同様にして、本比較例の電池構造体を形成した。
電池構造体の電圧が4.1V(リチウム金属に対して4.2V)になるまで定電流で充電し、その後電圧4.1Vで2.5時間定電圧充電してリチウムイオン二次電池を完成させた。
(Comparative Example 1)
Weigh and mix 18% by mass of acetylene black having a specific surface area of 400 m 2 / g and an interlayer distance of 002 plane of 0.33 nm, 80% by mass of LiNiO 2 , 1% by mass of PTFE, and 1% by mass of CMC, Water was added to the mixture to make a paste. Next, an aluminum current collector was prepared, and a paste was applied to both sides of the current collector, and then the paste was dried to complete a positive electrode. Subsequent steps were performed in the same manner as in Example 1 to form a battery structure of this comparative example.
The battery is charged at a constant current until the voltage of the battery structure reaches 4.1V (4.2V with respect to lithium metal), and then charged at a constant voltage of 4.1V for 2.5 hours to complete a lithium ion secondary battery. I let you.
(比較例2)
実施例1の電池構造体を形成し、その電池構造体に電圧を印加した。本比較例では、実施例1と比較して、電池構造体に対して電圧を印加する方法のみが異なる。本比較例では、電池構造体の電圧が4.1V(リチウム金属に対して4.2V)になるまで定電流で充電し、その後電圧4.1Vで2.5時間定電圧充電した。その後、電圧を4.4V(リチウム金属に対して4.5V)にし、電圧4.4Vで15分間定電圧充電してリチウムイオン二次電池を完成させた。
(Comparative Example 2)
The battery structure of Example 1 was formed, and a voltage was applied to the battery structure. This comparative example differs from Example 1 only in the method of applying a voltage to the battery structure. In this comparative example, the battery structure was charged at a constant current until the voltage of the battery structure reached 4.1 V (4.2 V with respect to lithium metal), and then charged at a constant voltage of 4.1 V for 2.5 hours. Thereafter, the voltage was set to 4.4 V (4.5 V relative to lithium metal), and constant voltage charging was performed at a voltage of 4.4 V for 15 minutes to complete a lithium ion secondary battery.
(放電試験)
実施例1〜3、比較例1,2のリチウムイオン二次電池について、放電試験を実施した。放電試験は、各々のリチウムイオン二次電池を4.1Vになるまで定電流で充電し、その後電圧4.1Vで2.5時間定電圧充電した。次いで電圧が3.0Vとなるまで定電流で放電した。放電時の容量を測定して放電容量とした。結果を表1に示す。
(Discharge test)
About the lithium ion secondary battery of Examples 1-3 and Comparative Examples 1 and 2, the discharge test was implemented. In the discharge test, each lithium ion secondary battery was charged with a constant current until it reached 4.1 V, and then charged with a constant voltage at a voltage of 4.1 V for 2.5 hours. Next, the battery was discharged at a constant current until the voltage reached 3.0V. The capacity at the time of discharge was measured to obtain the discharge capacity. The results are shown in Table 1.
表1から明らかなように、実施例1,2,3のリチウムイオン二次電池は、比較例1のリチウムイオン二次電池よりも放電容量が大きくなっている(良好な出力特性が得られている)ことが分かる。すなわち、正極に比表面積400m2/gであってd002面の面間隔距離が0.35〜0.38nmである炭素材料を添加することによって、正極の炭素材料にアニオンが捕捉される。初回の充電時に負極の表面に形成される被膜(SEIとも呼ばれる)に電荷が消費されることを抑制し、電池の不可逆容量が小さくなることを示している。特に、初回の充電時にリチウムイオン二次電池が使用される電圧(4.2V)以上の電圧で充電することによって、リチウムイオン二次電池の電池容量(放電容量)が大きくなる。すなわち、リチウム化合物(LiPF6)が電離して生じたアニオン(PF6 −)を、炭素材料の層間に捕捉することによって、リチウムイオン二次電池の電池容量が大きくなっていることを示している。比較例2に示しているように、初回の充電時に電池構造体に、4.4Vの電圧(リチウム金属に対して4.5V)を印加すると、リチウムイオン二次電池の電池容量が小さくなってしまう。電池構造体に4.4Vの電圧を印加すると、炭素材料の層間に捕捉されるアニオンが多くなり、上述したように、炭素材料の構造が崩壊することを示している。 As is clear from Table 1, the lithium ion secondary batteries of Examples 1, 2, and 3 have a larger discharge capacity than the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 (good output characteristics are obtained). I understand). That is, by adding a carbon material having a specific surface area of 400 m 2 / g and a d002 plane spacing of 0.35 to 0.38 nm to the positive electrode, anions are trapped in the positive electrode carbon material. It is shown that the charge is suppressed from being consumed by a film (also referred to as SEI) formed on the surface of the negative electrode during the first charge, and the irreversible capacity of the battery is reduced. In particular, the battery capacity (discharge capacity) of the lithium ion secondary battery is increased by charging at a voltage equal to or higher than the voltage (4.2 V) at which the lithium ion secondary battery is used at the first charge. That is, the anion (PF 6 − ) generated by the ionization of the lithium compound (LiPF 6 ) is trapped between the layers of the carbon material, thereby increasing the battery capacity of the lithium ion secondary battery. . As shown in Comparative Example 2, when a voltage of 4.4 V (4.5 V with respect to lithium metal) is applied to the battery structure during the first charge, the battery capacity of the lithium ion secondary battery is reduced. End up. When a voltage of 4.4 V is applied to the battery structure, more anions are trapped between the layers of the carbon material, which indicates that the structure of the carbon material collapses as described above.
(出力試験)
実施例1,2,3、比較例1,2のリチウムイオン二次電池について、短時間の出力試験を行った。出力試験は、各々のリチウムイオン二次電池を常温(25℃)雰囲気で4.1Vになるまで定電流で充電し、その後電圧4.1Vで2.5時間定電圧充電した。次いで−30℃雰囲気で2秒間放電可能な最大の出力(W)を測定した。出力が大きいほど、低温環境でリチウムイオン二次電池の出力特性が良好であることを示している。換言すると、出力が大きいほど、低温環境でパワーのあるリチウムイオン二次電池である。
実施例1,2,3に示しているように、電池構造体にリチウム金属に対して電圧4.2〜4.4Vを印加することによって、比較例1よりも大きな出力値が得られている。すなわち、低温でのリチウムイオン二次電池の出力が大きくなっていることが分かる。比較例2に示しているように、初回の充電時に4.4Vの電圧(リチウム金属に対して4.5V)を印加すると、リチウムイオン二次電池の出力特性が小さくなってしまう。電池構造体に4.4Vの電圧を印加すると、炭素材料の層間に捕捉されるアニオンが多くなり、炭素材料の構造が崩壊することを示している。
(Output test)
For the lithium ion secondary batteries of Examples 1, 2, 3 and Comparative Examples 1, 2, a short output test was performed. In the output test, each lithium ion secondary battery was charged at a constant current in an ambient temperature (25 ° C.) atmosphere to 4.1 V, and then charged at a constant voltage of 4.1 V for 2.5 hours. Subsequently, the maximum output (W) capable of discharging for 2 seconds in an atmosphere of −30 ° C. was measured. The larger the output, the better the output characteristics of the lithium ion secondary battery in a low temperature environment. In other words, the higher the output, the more the lithium ion secondary battery has power in a low temperature environment.
As shown in Examples 1, 2, and 3, an output value larger than that of Comparative Example 1 is obtained by applying a voltage of 4.2 to 4.4 V to lithium metal in the battery structure. . That is, it can be seen that the output of the lithium ion secondary battery at a low temperature is increased. As shown in Comparative Example 2, when a voltage of 4.4 V (4.5 V with respect to lithium metal) is applied during the first charge, the output characteristics of the lithium ion secondary battery are reduced. This indicates that when a voltage of 4.4 V is applied to the battery structure, more anions are trapped between the layers of the carbon material, and the structure of the carbon material collapses.
放電容量試験、出力試験の結果より、リチウムイオン二次電池が使用される電圧がリチウム金属に対して4.2Vであり、初回の充電時の電圧がリチウム金属に対して4.2〜4.4Vであることによって、大きな電池容量を有することと、長期間に亘って電池容量を維持することの両者を同時に満足することができる。さらに、低温環境でパワーのあるリチウムイオン二次電池が得られる。
特に、初回の充電時の電圧がリチウム金属に対して4.3〜4.4Vであることが好ましい。実施例1(リチウム金属に対して4.4Vの電圧を印加)、実施例2(リチウム金属に対して4.3Vの電圧を印加)に示しているように、リチウムイオン二次電池の放電容量が大きく、出力特性が顕著に改善されたリチウムイオン二次電池を製造することができる。
From the results of the discharge capacity test and the output test, the voltage at which the lithium ion secondary battery is used is 4.2 V with respect to the lithium metal, and the voltage at the first charge is 4.2 to 4.4 with respect to the lithium metal. By being 4V, both having a large battery capacity and maintaining the battery capacity over a long period of time can be satisfied simultaneously. Furthermore, a lithium ion secondary battery having power in a low temperature environment can be obtained.
In particular, the voltage at the first charge is preferably 4.3 to 4.4 V with respect to lithium metal. As shown in Example 1 (application of a voltage of 4.4 V to lithium metal) and Example 2 (application of a voltage of 4.3 V to lithium metal), the discharge capacity of the lithium ion secondary battery And a lithium ion secondary battery with significantly improved output characteristics can be manufactured.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許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。
上記実施例では、電解液の支持塩がLiPF6の場合について示している。しかしながら、支持塩として、LiPF6以外にもLiClO4,LiBF4,LiAsF6,LiCF3SO3,LiN(CF3SO2)2等を使用することができる。すなわち、電解液がリチウム化合物を含むように支持塩を選択すればよい。
また、上記実施例では、電解液の溶媒がECとEMCの比が3:7の場合について示している。しかしながら、溶媒は上記実施例に限定されない。例えば、プロピレンカーボネート(PC),ジメチルカーボネート(DMC),ジエチルカーボネート(DEC)等を使用することができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, 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.
In the above embodiment, the supporting salt of an electrolyte solution is shown for the case of LiPF 6. However, LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2, etc. can be used as the supporting salt in addition to LiPF 6 . That is, the supporting salt may be selected so that the electrolytic solution contains a lithium compound.
Moreover, in the said Example, it has shown about the case where the ratio of EC and EMC is 3: 7 as the solvent of electrolyte solution. However, the solvent is not limited to the above examples. For example, propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), etc. can be used.
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
Claims (1)
比表面積が30〜500m2/gであって002面の層間距離が0.35〜0.38nmである炭素材料を有する正極と、負極と、少なくともリチウム化合物を含む電解液を容器に収容して電池構造体を形成する工程と、
リチウム化合物が電離して生じたアニオンを、正極を形成している炭素材料の層間に捕捉する工程と、を有しており、
初回の充電時に、リチウム金属に対して4.2〜4.4Vの電圧で電池構造体を充電することによって、前記アニオンを前記炭素材料の層間に捕捉することを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法。 A method for producing an ion secondary battery having a working voltage of 3.0 to 4.2 V with respect to lithium metal,
An electrolytic solution containing a carbon material having a specific surface area of 30 to 500 m 2 / g and a 002 plane interlayer distance of 0.35 to 0.38 nm, a negative electrode, and at least a lithium compound is contained in a container. Forming a battery structure;
Capturing the anion generated by ionization of the lithium compound between the layers of the carbon material forming the positive electrode ,
The first time charged by charging a battery structure at a voltage of 4.2~4.4V versus lithium metal, a lithium ion secondary you characterized by capturing the anion between layers of the carbon material Battery manufacturing method.
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