JP5383530B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery such as a lithium ion battery.
リチウムイオン電池を代表とする非水電解質二次電池は高いエネルギー密度を有するため、電気自動車用の電池として注目されている。対象となる電気自動車には、エンジンを搭載しないゼロエミッション電気自動車、エンジンと二次電池の両方を搭載したハイブリッド電気自動車、さらには系統電源から直接充電させるプラグインハイブリッド電気自動車がある。また、非水電解質二次電池は、電力を貯蔵し、電力系統が遮断された非常時に電力を供給する定置式電力貯蔵装置としての用途も期待されている。 A non-aqueous electrolyte secondary battery represented by a lithium ion battery has a high energy density, and thus has attracted attention as a battery for electric vehicles. The target electric vehicles include zero-emission electric vehicles that are not equipped with an engine, hybrid electric vehicles that are equipped with both an engine and a secondary battery, and plug-in hybrid electric vehicles that are directly charged from a system power source. The nonaqueous electrolyte secondary battery is also expected to be used as a stationary power storage device that stores power and supplies power in an emergency when the power system is cut off.
このような多様な用途に対して、リチウムイオン電池には優れた耐久性が要求されている。すなわち、環境温度が高くなっても、充電可能な容量の低下率が低く、かつ、長期にわたって電池の容量維持率が高いことである。特に、電気自動車用リチウムイオン電池は、路面からの輻射熱あるいは車内からの熱伝達により、40〜70℃の高温環境における保存特性とサイクル寿命が、重要な要求性能となっている。 Lithium ion batteries are required to have excellent durability for such various uses. That is, even when the environmental temperature is high, the rate of decrease in chargeable capacity is low and the capacity maintenance rate of the battery is high over a long period of time. In particular, a lithium ion battery for an electric vehicle has important characteristics required for storage characteristics and cycle life in a high temperature environment of 40 to 70 ° C. due to radiant heat from the road surface or heat transfer from the inside of the vehicle.
高温保存時の容量低下あるいはサイクル劣化を抑制するための従来技術として、高耐久な電極材料あるいは電解液などの種々の技術が研究されている。高温環境下では、負極表面上の被膜の成長によるリチウム吸蔵・放出性能の阻害、負極活物質の粒子間の接触不良などの不具合が発生しやすい。特に、高温になると、表面被膜を透過する電解液の拡散速度が速くなり、負極活物質の表面に到達した溶媒が還元反応を受けやすくなる。その結果、表面被膜の成長速度が高温になるほど加速され、電池の容量低下の主要因となると考えられている。 Various techniques, such as a highly durable electrode material or electrolyte solution, are studied as a prior art for suppressing the capacity | capacitance fall or cycle deterioration at the time of high temperature storage. Under a high temperature environment, defects such as inhibition of lithium occlusion / release performance due to the growth of the coating on the negative electrode surface and poor contact between particles of the negative electrode active material are likely to occur. In particular, when the temperature is high, the diffusion rate of the electrolyte that permeates the surface coating increases, and the solvent that reaches the surface of the negative electrode active material is likely to undergo a reduction reaction. As a result, it is considered that the growth rate of the surface film is accelerated as the temperature becomes higher, which is a main factor for the decrease in battery capacity.
そのようなことから、負極表面に高温耐久性に優れた安定した被膜を形成させ、それを保護膜として利用する方法が考えられ、その方法に関し、特許文献1など、多くの提案がなされている。また、負極活物質表面に金属を析出させて負極の充放電特性や寿命を向上させる技術も知られており、特許文献2〜4などに記載されている。 For this reason, a method of forming a stable film excellent in high-temperature durability on the negative electrode surface and using it as a protective film is conceivable, and many proposals such as Patent Document 1 have been made regarding this method. . Moreover, the technique which deposits a metal on the negative electrode active material surface and improves the charging / discharging characteristic and lifetime of a negative electrode is also known, and is described in patent documents 2-4.
例えば、特許文献1は、環状炭酸エステルに低沸点溶媒を添加した混合溶媒に電解質を溶解させた非水系電解液を用いることによって、長期保存後の高効率放電特性を向上させる発明を開示している。特許文献2は、黒鉛を主体とする負極に金、銀、銅等の金属を含有させて、負極の低温環境下での分極を小さくし、低温充電時に負極表面に金属リチウムが析出することを防止する発明を開示している。特許文献3は、炭素表面に銅等の金属粒子を担持させ、充電末期にデンドライトの形成を抑制し、リチウムイオン電池の安全性を高めた発明を開示している。特許文献4は、炭素表面にアルカリ金属またはアルカリ土類金属を含む粒子で被覆し、リチウムイオン電池の入出力特性とサイクル特性を向上させる発明を開示している。 For example, Patent Document 1 discloses an invention that improves high-efficiency discharge characteristics after long-term storage by using a non-aqueous electrolyte obtained by dissolving an electrolyte in a mixed solvent obtained by adding a low-boiling solvent to a cyclic carbonate. Yes. Patent Document 2 discloses that a negative electrode mainly composed of graphite contains a metal such as gold, silver, or copper to reduce the polarization of the negative electrode in a low-temperature environment, and that lithium metal is deposited on the negative electrode surface during low-temperature charging. An invention to prevent is disclosed. Patent Document 3 discloses an invention in which metal particles such as copper are supported on a carbon surface, dendrite formation is suppressed at the end of charging, and the safety of the lithium ion battery is improved. Patent Document 4 discloses an invention in which a carbon surface is coated with particles containing an alkali metal or an alkaline earth metal to improve input / output characteristics and cycle characteristics of a lithium ion battery.
本発明者らは、リチウムイオン電池を含む非水電解質二次電池について、多くの実験と研究を行ってきているが、その過程で、これまで提案されている技術は、負極表面に高温耐久性に優れた安定した被膜を形成させることで電解液の分解反応を停止させ、それにより電池の容量低下を抑制するという観点からは、なお改善すべき余地があることを経験した。 The present inventors have conducted many experiments and researches on non-aqueous electrolyte secondary batteries including lithium ion batteries. From the viewpoint of stopping the decomposition reaction of the electrolytic solution by forming a stable film excellent in the thickness and thereby suppressing the decrease in the capacity of the battery, it has been experienced that there is still room for improvement.
本発明は、上記の経験を通してなされたものであり、負極表面に形成される被膜を安定化させることで、これまでよりも高温耐久性に優れた非水電解質二次電池を開示することを課題とする。 The present invention has been made through the above experience, and it is an object to disclose a non-aqueous electrolyte secondary battery having superior high-temperature durability than before by stabilizing the coating film formed on the negative electrode surface. to.
上記の課題を解決すべく、本発明者らはさらに実験と研究を行うことにより、例えばリチウムイオン電池の場合、充放電に寄与するリチウムイオン以外の金属イオンを電解液に微量に添加し、負極を構成する黒鉛に、該金属イオン、より好ましくはリチウムに対し不活性な金属をドープすることによって、負極表面に形成される被膜が安定化すること、被膜の安定化によって高温耐久性に優れたリチウムイオン電池が得られることを知見した。本発明は、上記の知見に基づいてなされたものである。 In order to solve the above problems, the present inventors further conducted experiments and research. For example, in the case of a lithium ion battery, a metal ion other than lithium ions contributing to charge / discharge is added to the electrolyte in a small amount, and the negative electrode By doping the graphite constituting the metal ion, more preferably a metal inert to lithium, the film formed on the negative electrode surface is stabilized, and the high-temperature durability is excellent due to the stabilization of the film. It has been found that a lithium ion battery can be obtained. The present invention has been made based on the above findings.
本発明による非水電解質二次電池は、正極と、黒鉛を含む負極と、非水電解質を含有する非水電解液からなる非水電解質二次電池において、前記黒鉛の表面近傍に充放電に寄与するイオン以外の金属イオンがドープされていることを特徴とする。 The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode containing graphite, and a nonaqueous electrolyte solution containing a nonaqueous electrolyte, and contributes to charge and discharge in the vicinity of the surface of the graphite. Metal ions other than the ions to be doped are doped.
好ましい形態において、前記非水電解質二次電池がリチウムイオン電池であり、前記金属イオンが、銅イオン、鉄イオン、ニッケルイオン、亜鉛イオンのいずれかを含むことを特徴とする。さらに好ましくは、前記金属イオンがヨウ化物塩として非水電解液に添加されていることを特徴とする。また、前記金属イオンの添加量が黒鉛の単位重量当たり0.05〜1mmol/gであることを特徴とする。 In a preferred embodiment, the non-aqueous electrolyte secondary battery is a lithium ion battery, and the metal ions include any one of copper ions, iron ions, nickel ions, and zinc ions. More preferably, the metal ion is added to the non-aqueous electrolyte as an iodide salt. The amount of the metal ion added is 0.05 to 1 mmol / g per unit weight of graphite.
また、本発明による上記非水電解質二次電池の製造方法は、前記金属イオンを黒鉛にドープする際に、充電器を用いて負極電位を還元電位になるようにして、金属イオンを黒鉛にドープすることを特徴とする。また、他の製造方法は、前記金属イオンを黒鉛にドープする際に、充電器を用いて電池容器と負極に電圧を印加し、負極の電位を還元電位になるようにして金属イオンを黒鉛にドープすることを特徴とする。 The non-aqueous electrolyte secondary battery manufacturing method according to the present invention is also characterized in that when the metal ions are doped into the graphite, the negative electrode potential is reduced to the reduction potential using a charger, and the metal ions are doped into the graphite. It is characterized by doing. In another manufacturing method, when doping the metal ions into the graphite, a voltage is applied to the battery container and the negative electrode using a charger so that the potential of the negative electrode becomes a reduction potential. It is characterized by doping.
本発明によれば、非水電解質二次電池の容量維持率を高くすることができる。特に、本発明は、リチウムイオン電池に対して適用するのに好適である。 According to the present invention, the capacity retention rate of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be increased. In particular, the present invention is suitable for application to a lithium ion battery.
以下、図面を参照しながら、本発明の内容を詳細に説明する。 Hereinafter, the contents of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、非水電解質二次電池の一例であるリチウムイオン電池の内部構造を模式的に示している。非水電解質二次電池とは、非水電解質中における電極へのイオンの吸蔵・放出により、電気エネルギーを貯蔵・利用可能とする電気化学デバイスの総称であり、以下では、リチウムイオン電池を代表例として説明する。 FIG. 1 schematically shows the internal structure of a lithium ion battery which is an example of a nonaqueous electrolyte secondary battery. Non-aqueous electrolyte secondary battery is a general term for electrochemical devices that can store and use electrical energy by occluding and releasing ions to and from the electrode in the non-aqueous electrolyte. Will be described.
図1のリチウムイオン電池101において、正極107、負極108、および両電極の間に挿入されたセパレータ109からなる電極群が、電池容器102に密閉状態にて収納されている。電池容器102の上部には蓋103があり、その蓋103には、正極外部端子104、負極外部端子105、注液口106が取り付けられている。正極107は正極リード線110を介して正極外部端子104に接続され、負極108は負極リード線111を介して負極外部端子105に接続されている。なお、リード線110、111は、ワイヤ状、板状などの任意の形状を採ることができる。電流を流したときにオーム損失を小さくすることのできる構造であり、かつ電解液と反応しない材質であれば、リード線110、111の形状、材質は任意である。代表例として、アルミニウムを正極リード線110に用いることができ、銅またはニッケルを負極リード線111に使用することができる。
In the
電池容器102に電極群を収納した後に、蓋103を電池容器102に被せ、蓋103の外周を溶接して電池容器102と一体化する。電池容器102への蓋103の取り付けには、溶接のほかに、かしめ、接着などの他の方法を採ることができる。
After the electrode group is stored in the
正極107は、正極活物質、導電剤、バインダ、集電体から構成される。その正極活物質を例示すると、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4が代表例である。他に、LiMnO3、LiMn2O3、LiMnO2、Li4Mn5O12、LiMn2-xMxO2(ただし、M=Co、Ni、Fe、Cr、Zn、Ta、x=0.01〜0.2)、Li2Mn3MO8(ただし、M=Fe、Co、Ni、Cu、Zn)、Li1-xAxMn2O4(ただし、A=Mg、B、Al、Fe、Co、Ni、Cr、Zn、Ca、x=0.01〜0.1)、LiNi1-xMxO2(ただし、M=Co、Fe、Ga、x=0.01〜0.2)、LiFeO2、Fe2(SO4)3、LiCo1-xMxO2(ただし、M=Ni、Fe、Mn、x=0.01〜0.2)、LiNi1-xMxO2(ただし、M=Mn、Fe、Co、Al、Ga、Ca、Mg、x=0.01〜0.2)、Fe(MoO4)3、FeF3、LiFePO4、LiMnPO4などを列挙することができる。なお、以下に示す本実施例では、正極活物質にはLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2を用いた。ただし、本発明は正極材料に何ら制約を受けないので、これらの材料に限定されない。
The
正極活物質の粒径は、合剤層の厚さ以下になるように規定される。正極活物質粉末中に合剤層厚さ以上のサイズを有する粗粒がある場合、予めふるい分級、風流分級などにより粗粒を除去し、合剤層厚さ以下の粒子を作製する。 The particle size of the positive electrode active material is defined to be equal to or less than the thickness of the mixture layer. When there are coarse particles having a size larger than the thickness of the mixture layer in the positive electrode active material powder, the coarse particles are removed in advance by sieving classification, wind classification or the like to produce particles having a thickness of the mixture layer or less.
また、正極活物質は酸化物系であり電気抵抗が高いので、それらの電気伝導性を補うための炭素粉末からなる導電剤を利用するのが好ましい。正極活物質と導電剤はともに粉末であるため、粉末にバインダを混合して、粉末同士を結合させると同時に集電体へ接着させている。 Further, since the positive electrode active material is an oxide type and has high electric resistance, it is preferable to use a conductive agent made of carbon powder for supplementing their electric conductivity. Since both the positive electrode active material and the conductive agent are powders, a binder is mixed with the powders so that the powders are bonded together and simultaneously bonded to the current collector.
集電体には、厚さが10〜100μmのアルミニウム箔、厚さが10〜100μm、孔径0.1〜10mmのアルミニウム製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板などが用いられ、材質もアルミニウムの他に、ステンレス、チタンなども適用可能である。本発明では、材質、形状、製造方法などに制限されることなく、任意の集電体を使用することができる。 For the current collector, an aluminum foil having a thickness of 10 to 100 μm, an aluminum perforated foil having a thickness of 10 to 100 μm and a hole diameter of 0.1 to 10 mm, an expanded metal, a metal foam plate, and the like are used. In addition, stainless steel, titanium, etc. are also applicable. In the present invention, any current collector can be used without being limited by the material, shape, manufacturing method and the like.
正極活物質、導電剤、バインダ、および有機溶媒を混合した正極スラリーを、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などによって集電体へ付着させた後、有機溶媒を乾燥し、ロールプレスによって正極を加圧成形することにより、正極を作製することができる。また、塗布から乾燥までを複数回行うことにより、複数の合剤層を集電体に積層化させることも可能である。 A positive electrode slurry in which a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, and an organic solvent are mixed is attached to a current collector by a doctor blade method, a dipping method, a spray method, etc., and then the organic solvent is dried, and the positive electrode is removed by a roll press. A positive electrode can be produced by pressure molding. In addition, a plurality of mixture layers can be laminated on the current collector by performing a plurality of times from application to drying.
負極108は、負極活物質、バインダ、集電体からなる。負極活物質は、好ましくはグラフェン構造を有する炭素材料である。すなわち、リチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能な天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェ−ズ炭素、膨張黒鉛、炭素繊維、気相成長法炭素繊維、ピッチ系炭素質材料、ニードルコークス、石油コークス、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、カーボンブラックのなどの炭素質材料、あるいは5員環または6員環の環式炭化水素または環式含酸素有機化合物を熱分解によって合成した非晶質炭素材料、などが利用可能である。
The
少なくとも表面にグラフェン構造を有する天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズ炭素、炭素繊維、ピッチ系炭素などは、さらに適しており、X線構造解析における(002)面間隔が、0.33〜0.39nmの範囲にある炭素を含んでいることが望ましい。特に、結晶性の高い炭素、すなわち(002)面間隔が0.335〜0.345nmの黒鉛、またはそれに近い材料について、本発明は有効に作用する。 Natural graphite, artificial graphite, mesophase carbon, carbon fiber, pitch-based carbon and the like having a graphene structure at least on the surface are more suitable, and the (002) plane spacing in the X-ray structural analysis is 0.33 to 0.39 nm. It is desirable to include carbon in the range. In particular, the present invention works effectively for highly crystalline carbon, that is, graphite having a (002) spacing of 0.335 to 0.345 nm, or a material close thereto.
これは、負極に対する本発明の金属イオンドープの効果が、グラフェン構造の表面近傍の層間に入り込み、その金属イオンが層間隔の変化幅を低減することにあるためである。初めから層間隔が広くなると、充電に伴う層間の拡張が少なくなり、金属イオンのドープがなくても、層間隔の変化幅が小さくなる傾向がある。 This is because the metal ion doping effect of the present invention on the negative electrode penetrates into the interlayer near the surface of the graphene structure, and the metal ions reduce the change width of the layer spacing. When the layer interval is widened from the beginning, the expansion between the layers accompanying charging is reduced, and the change width of the layer interval tends to be small even without doping with metal ions.
また、本発明において、少なくとも負極活物質の表面近傍に金属イオンがドープされていればよく、負極活物質の内部までドープされている必要はない。なぜならば、負極活物質を覆う被膜が充放電の際に応力を受ける場所は、リチウムイオンの吸蔵・放出に伴うグラフェン層の間隔(すなわち(002)面間隔)が変化する活物質表面との界面であるからである。 In the present invention, metal ions need only be doped in the vicinity of the surface of the negative electrode active material, and do not need to be doped to the inside of the negative electrode active material. This is because the place where the coating covering the negative electrode active material is subjected to stress during charging / discharging is the interface with the active material surface where the spacing (ie, (002) plane spacing) of the graphene layers accompanying the insertion and extraction of lithium ions changes. Because.
黒鉛、易黒鉛化炭素、難黒鉛化炭素等の材料の混合負極、または前記炭素材料にリチウムと合金を形成する金属等を添加しても良い。少なくとも黒鉛を主成分に含まれていれば、本発明を実施する上での障害はない。少なくともグラフェン構造を一部でも有している炭素材料であればよい。なお、本発明では負極活物質に特に制限がなく、上述の材料以外でも利用可能である。前記のように、表面にグラフェン構造を有する炭素質材料を主成分とする負極を用いた場合に、本発明は特に有効である。 A mixed negative electrode of a material such as graphite, graphitizable carbon, and non-graphitizable carbon, or a metal that forms an alloy with lithium on the carbon material may be added. If at least graphite is contained in the main component, there is no obstacle to carrying out the present invention. Any carbon material having at least a part of the graphene structure may be used. In the present invention, the negative electrode active material is not particularly limited, and materials other than those described above can be used. As described above, the present invention is particularly effective when a negative electrode mainly composed of a carbonaceous material having a graphene structure on the surface is used.
なお、リチウムと合金を形成する金属等とは、アルミニウム、スズ、シリコンなどの金属およびこれらの元素を含む合金であり、充電によりリチウムを取り込むことのできる材料である。 Note that the metal or the like that forms an alloy with lithium is a metal such as aluminum, tin, or silicon and an alloy containing these elements, and is a material that can take in lithium by charging.
また、負極内部の電気抵抗を低減するために、カーボンブラックやリチウムと合金を形成しない金属粉体などを添加しても、本発明を実施する上での障害は生じない。 Further, in order to reduce the electric resistance inside the negative electrode, addition of carbon black, metal powder that does not form an alloy with lithium, or the like does not cause any obstacle to the implementation of the present invention.
高レート充放電が必要な場合に、導電剤を負極に添加してもよい。導電剤はリチウムイオンの吸蔵・放出に関与せず、電子の媒体として働くので、本発明の負極活物質におけるリチウムイオンの吸蔵・放出反応に影響を与えない。 A conductive agent may be added to the negative electrode when high rate charge / discharge is required. Since the conductive agent does not participate in occlusion / release of lithium ions and acts as an electron medium, it does not affect the occlusion / release reaction of lithium ions in the negative electrode active material of the present invention.
さらに、ポリアセン、ポリパラフェニレン、ポリアニリン、ポリアセチレンからなる導電性高分子材料も、負極に用いることができる。これらの材料と黒鉛、易黒鉛化炭素、難黒鉛化炭素等のグラフェン構造を有する炭素材料と組み合わせて、本発明を実施することができる。 Furthermore, a conductive polymer material made of polyacene, polyparaphenylene, polyaniline, or polyacetylene can also be used for the negative electrode. The present invention can be implemented by combining these materials with a carbon material having a graphene structure such as graphite, graphitizable carbon, and non-graphitizable carbon.
負極が少なくとも表面にグラフェン構造を有する炭素材料を含んでいれば、他の材料が同時に使用されていても、本発明を適用可能である。特に、前記炭素材料が黒鉛であるときに、本発明は有効である。 As long as the negative electrode includes a carbon material having a graphene structure on at least the surface, the present invention can be applied even if other materials are used at the same time. In particular, the present invention is effective when the carbon material is graphite.
一般に使用される負極活物質は粉末であるため、それにバインダを混合して、粉末同士を結合させると同時に集電体へ接着させている。本発明の負極では、負極活物質の粒径を合剤層の厚さ以下にすることが望ましい。負極活物質粉末中に合剤層厚さ以上のサイズを有する粗粒がある場合、予めふるい分級、風流分級などにより粗粒を除去し、合剤層厚さ以下の粒子を使用する。 Since the negative electrode active material generally used is a powder, a binder is mixed with the negative electrode active material so that the powders are bonded together and simultaneously bonded to the current collector. In the negative electrode of the present invention, it is desirable that the particle size of the negative electrode active material is not more than the thickness of the mixture layer. When there are coarse particles having a size larger than the thickness of the mixture layer in the negative electrode active material powder, the coarse particles are previously removed by sieving classification, wind classification or the like, and particles having a thickness of the mixture layer thickness or less are used.
集電体には、厚さが10〜100μmの銅箔、厚さが10〜100μm、孔径0.1〜10mmの銅製穿孔箔、エキスパンドメタル、発泡金属板などが用いられ、材質も銅の他に、ステンレス、チタン、ニッケルなども適用可能である。本発明では、材質、形状、製造方法などに制限されることなく、任意の集電体を使用することができる。 For the current collector, a copper foil having a thickness of 10 to 100 μm, a copper perforated foil having a thickness of 10 to 100 μm and a hole diameter of 0.1 to 10 mm, an expanded metal, a metal foam plate, etc. are used. In addition, stainless steel, titanium, nickel, and the like are also applicable. In the present invention, any current collector can be used without being limited by the material, shape, manufacturing method and the like.
負極活物質、バインダ、および有機溶媒を混合した負極スラリーを、ドクターブレード法、ディッピング法、スプレー法などによって集電体へ付着させた後、有機溶媒を乾燥し、ロールプレスによって負極を加圧成形することにより、負極を作製することもできる。また、塗布から乾燥までを複数回おこなうことにより、多層合剤層を集電体に形成させることも可能である。 A negative electrode slurry in which a negative electrode active material, a binder, and an organic solvent are mixed is attached to a current collector by a doctor blade method, a dipping method, a spray method, etc., then the organic solvent is dried, and the negative electrode is pressure-formed by a roll press. By doing so, a negative electrode can also be produced. Moreover, it is also possible to form a multilayer mixture layer on the current collector by carrying out a plurality of times from application to drying.
上記のようにして作製した正極107と負極108の間にセパレータ109を挿入し、正極107と負極108の短絡を防止する。ポリエチレン、ポリプロピレンなどからなるポリオレフィン系高分子シート、あるいはポリオレフィン系高分子と4フッ化ポリエチレンを代表とするフッ素系高分子シートを溶着させた多層構造のセパレータ109などを使用することが可能である。電池温度が高くなったときにセパレータ109が収縮しないように、セパレータ109の表面にセラミックスとバインダの混合物を薄層状に形成してもよい。これらのセパレータ109は、電池の充放電時にリチウムイオンを透過させる必要がある。一般に、細孔径が0.01〜10μm、気孔率が20〜90%であれば、リチウムイオン電池101に使用可能である。
A
セパレータ109は、電極群の末端に配置されている電極と電池容器102の間にも挿入し、正極107と負極108が電池容器102を通じて短絡しないようにしている。セパレータ109と各電極106、107の表面および細孔内部に、電解質と非水溶媒からなる電解液が保持されている。
The
上記のリチウムイオン電池101において、正極外部端子104または負極外部端子105と、電池容器102の間には絶縁性シール材料112を挿入し、両端子が短絡しないようにしている。絶縁性シール材料112にはフッ素樹脂、熱硬化性樹脂、ガラスハーメチックシールなどから選択することができ、電解液と反応せず、かつ気密性に優れた任意の材質を使用することができる。
In the
また、正極リード線110または負極リード線111の途中、あるいは正極リード線110と正極外部端子104の接続部、または負極リード線111と負極外部端子105の接続部に、正温度係数(PTC; Positive temperature coefficient)抵抗素子を利用した電流遮断機構を設けるようにしてもよい。その場合には、電池内部の温度が高くなったときに、リチウムイオン電池101の充放電を停止させて、電池を保護することが可能となる。なお、リード線110、111は箔状、板状など、任意の形状にすることができる。
Further, a positive temperature coefficient (PTC; Positive) is provided in the middle of the positive
電極群の構造は、図1に示した短冊状電極の積層したもののほかに、円筒状、扁平状などの任意の形状に捲回したものなど、種々の形状にすることができる。電池容器102の形状は、電極群の形状に合わせ、円筒型、偏平長円形状、角型などの形状を選択してもよい。
The structure of the electrode group can be various shapes such as those obtained by laminating the strip-shaped electrodes shown in FIG. 1 and wound in an arbitrary shape such as a cylindrical shape or a flat shape. The shape of the
電池容器102の材質は、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼製など、非水電解質に対し耐食性のある材料から選択される。また、電池容器102を正極リード線110または負極リード線111に電気的に接続する場合は、非水電解質と接触している部分において、電池容器の腐食やリチウムイオンとの合金化による材料の変質が起こらないように、リード線の材料を選定する。
The material of the
本発明で使用可能な電解液の代表例として、エチレンカーボネートにジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどを混合した溶媒に、電解質として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、あるいはホウフッ化リチウム(LiBF4)を溶解させた溶液がある。本発明は、溶媒や電解質の種類、溶媒の混合比に制限されることなく、他の電解液も利用可能である。 As a representative example of an electrolytic solution that can be used in the present invention, a solvent obtained by mixing dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and the like with ethylene carbonate, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), or lithium borofluoride ( There is a solution in which LiBF 4 ) is dissolved. The present invention is not limited to the type of solvent and electrolyte, and the mixing ratio of solvents, and other electrolytes can be used.
電解質は、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンオキサイドなどのイオン伝導性高分子に含有させた状態で使用することも可能である。いわゆるゲル電解質がこれに該当する。このような場合には、前記セパレータ109が不要となる。
The electrolyte can also be used in a state of being contained in an ion conductive polymer such as polyvinylidene fluoride and polyethylene oxide. This is the case with so-called gel electrolytes. In such a case, the
なお、電解液に使用可能な溶媒は、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、1、2-ジメトキシエタン、2-メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルフォキシド、1、3-ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、3-メチル-2-オキサゾリジノン、テトラヒドロフラン、1、 2-ジエトキシエタン、クロルエチレンカーボネート、クロルプロピレンカーボネートなどの非水溶媒がある。本発明の電池に内蔵される正極あるいは負極上で分解しなければ、これ以外の溶媒を用いてもよい。 Solvents that can be used for the electrolyte are propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, γ-butyrolactone, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl Sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, methyl propionate, ethyl propionate, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane, diethyl ether, sulfolane, 3-methyl-2-oxazolidinone, tetrahydrofuran, 1 There are non-aqueous solvents such as 2-diethoxyethane, chloroethylene carbonate, and chloropropylene carbonate. Other solvents may be used as long as they do not decompose on the positive electrode or the negative electrode incorporated in the battery of the present invention.
また、電解質には、化学式でLiPF6、LiBF4、LiClO4、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、あるいはリチウムトリフルオロメタンスルホンイミドで代表されるリチウムのイミド塩などの多種類のリチウム塩がある。これらの塩を、上述の溶媒に溶解してできた非水電解液を電池用電解液として使用することができる。本発明の電池に内蔵される正極あるいは負極上で分解しなければ、これ以外の電解質を用いてもよい。 Further, the electrolyte, the chemical formula LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 , LiCF 3 SO 3, LiCF 3 CO 2, LiAsF 6, LiSbF 6, or multi such imide lithium salts represented by lithium trifluoromethane sulfonimide There are different types of lithium salts. A non-aqueous electrolytic solution obtained by dissolving these salts in the above-described solvent can be used as a battery electrolytic solution. An electrolyte other than this may be used as long as it does not decompose on the positive electrode or the negative electrode incorporated in the battery of the present invention.
固体高分子電解質(ポリマー電解質)を用いる場合には、エチレンオキシド、アクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、メタクリル酸メチル、ヘキサフルオロプロピレンのポリエチレンオキサイドなどのイオン導電性ポリマーを電解質に用いることができる。これらの固体高分子電解質を用いた場合、前記セパレータ109を省略することができる利点がある。
When a solid polymer electrolyte (polymer electrolyte) is used, an ion conductive polymer such as ethylene oxide, acrylonitrile, polyvinylidene fluoride, methyl methacrylate, and hexafluoropropylene polyethylene oxide can be used as the electrolyte. When these solid polymer electrolytes are used, there is an advantage that the
さらに、イオン性液体を用いることができる。例えば、1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (EMI-BF4)、リチウム塩LiN(SO2CF3)2(LiTFSI)とトリグライムとテトラグライム)の混合錯体、環状四級アンモニウム系陽イオン(N-methyl-N-propylpyrrolidiniumが例示される)とイミド系陰イオン(bis(fluorosulfonyl)imideが例示される)より正極と負極にて分解しない組み合わせを選択して、本発明の非水電解質二次電池に用いることができる。 Furthermore, an ionic liquid can be used. For example, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (EMI-BF 4 ), mixed complex of lithium salt LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI), triglyme and tetraglyme), cyclic quaternary ammonium cation (N- Select a combination that does not decompose at the positive electrode and the negative electrode from methyl-N-propylpyrrolidinium and imide anions (exemplified by bis (fluorosulfonyl) imide), and the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention Can be used.
電解液の注入方法は、蓋103を電池容器102から取り外して電極群に直接、添加する方法、あるいは蓋103に設置した注液口106から添加する方法がある。
As a method for injecting the electrolyte, there are a method in which the
図1に示したリチウムイオン電池の注液口106は、電池容器102の上面に設置している。電極群を電池容器102に収納し密閉した後に、電解質と非水溶媒からなる電解液を注液口106より滴下し、所定量の電解液を充填した後に、注液口106を密封する。
The
本発明のイオンドープ源は、銅イオン、ニッケルイオン、鉄イオンなどの金属イオンの塩である。これらの金属元素は、金属状態のときにリチウムと合金を形成しないか、あるいは実質的にリチウムと合金化しない元素である。本発明のイオンドープ源となりうる金属イオンを、以下では、不活性金属イオンと称する。 The ion doping source of the present invention is a salt of metal ions such as copper ions, nickel ions and iron ions. These metal elements are elements that do not form an alloy with lithium in the metal state or do not substantially alloy with lithium. The metal ions that can serve as the ion doping source of the present invention are hereinafter referred to as inert metal ions.
ここで、実質的にリチウムと合金化しないとは、少なくとも表面にグラフェン構造を有する炭素材料の充放電容量密度(mAh/gの単位で表記)に対して、1/10以下であるとする。例えば、黒鉛の理論充放電容量密度372mAh/gに対して37mAh/g以下の極めて低い充放電容量密度の金属または合金である。このような材料はリチウム組成が小さいため、仮に電解液との副反応によって負極に吸蔵されたリチウムが消費されても、負極の容量低下に顕著に影響を与えない。また、リチウム組成が低いため、リチウムを吸蔵した合金上における電解液分解反応速度が遅くなり、負極活物質へのリチウムイオンの拡散を妨げる被膜の成長を抑制する働きも有する。 Here, substantially not alloyed with lithium is at least 1/10 of the charge / discharge capacity density (expressed in units of mAh / g) of a carbon material having a graphene structure on the surface. For example, it is a metal or alloy having a very low charge / discharge capacity density of 37 mAh / g or less with respect to the theoretical charge / discharge capacity density of 372 mAh / g of graphite. Since such a material has a small lithium composition, even if lithium occluded in the negative electrode due to a side reaction with the electrolytic solution is consumed, the capacity reduction of the negative electrode is not significantly affected. In addition, since the lithium composition is low, the electrolyte decomposition reaction rate on the lithium occluded alloy is slowed, and it also has a function of suppressing the growth of the coating that hinders the diffusion of lithium ions into the negative electrode active material.
例えば、銅イオン、鉄イオン、ニッケルイオンなどのヨウ化物やヨウ素酸塩は、電解液に可溶なので、本発明に用いるのに特に好ましい。これらの塩の濃度は、負極に含まれる黒鉛の重量に対し、0.01〜1mmol/gとなるように電解液に添加する。濃度は0.1〜1mmol/gにすると、黒鉛の層間にドープする量が増加し、より望ましい。不活性金属イオンの対イオン(陰イオン)は、上述の陰イオン以外の任意の化学種を選択することができる。正極や負極の上にて分解しにくく電気化学的に安定であって、上述の濃度まで溶解させることができれば、対イオンは任意である。 For example, iodides and iodates such as copper ions, iron ions, and nickel ions are particularly preferable for use in the present invention because they are soluble in the electrolyte. The concentration of these salts is added to the electrolyte so as to be 0.01 to 1 mmol / g with respect to the weight of graphite contained in the negative electrode. When the concentration is 0.1 to 1 mmol / g, the amount of doping between graphite layers increases, which is more desirable. As the counter ion (anion) of the inert metal ion, any chemical species other than the above-mentioned anion can be selected. The counter ion is arbitrary as long as it is difficult to decompose on the positive electrode and the negative electrode, is electrochemically stable, and can be dissolved to the above concentration.
リチウムとの合金を形成しないことは、わずかでも合金を形成する元素を排除するような絶対的な意味ではない。すなわち、リチウムとの合金を形成する元素であっても、負極表面に析出する量を可能な限り抑制し、黒鉛の層間に元素をドープさせることができれば、このような元素も本発明では利用可能である。例えば、負極電位を金属イオンの酸化還元電位よりも高くすれば、負極への析出量を抑制し、金属イオンを黒鉛の層間にドープさせることができる。このように条件付きで利用可能なイオンドープ源は、準不活性金属イオンと記すことにし、これらのイオンも本発明の不活性金属イオンに含まれる。 Not forming an alloy with lithium is not an absolute meaning to exclude the elements forming the alloy even a little. That is, even an element that forms an alloy with lithium can be used in the present invention as long as the amount deposited on the negative electrode surface is suppressed as much as possible and the element can be doped between the graphite layers. It is. For example, if the negative electrode potential is made higher than the oxidation-reduction potential of metal ions, the amount deposited on the negative electrode can be suppressed, and metal ions can be doped between graphite layers. Such an ion doping source that can be used conditionally is referred to as a quasi-inert metal ion, and these ions are also included in the inert metal ion of the present invention.
準不活性金属として、亜鉛イオン、スズイオン、銀イオンなどのヨウ化物またはヨウ素酸塩が例示される。これらは、電解液に可溶なので、本発明に用いることができる。これらの塩の濃度は、負極に含まれる黒鉛の重量に対し、0.01〜1mmol/gとなるように電解液に添加する。濃度は前述の不活性金属イオンの濃度よりも低くすると、亜鉛等の金属析出を回避し、負極の容量低下を抑制することができる。その濃度を0.01〜0.1mmol/gにすると、金属の析出を回避することができる。 Examples of the quasi-inert metal include iodides such as zinc ions, tin ions, and silver ions, or iodates. Since these are soluble in the electrolytic solution, they can be used in the present invention. The concentration of these salts is added to the electrolyte so as to be 0.01 to 1 mmol / g with respect to the weight of graphite contained in the negative electrode. If the concentration is lower than the concentration of the inert metal ions described above, metal deposition such as zinc can be avoided, and the capacity reduction of the negative electrode can be suppressed. When the concentration is 0.01 to 0.1 mmol / g, metal deposition can be avoided.
不活性金属イオンは、そのイオン半径がリチウムイオンの半径と同等以下であることが望ましい。水溶液中でのイオン半径の文献値に基づくと、第3、4周期の遷移金属イオンの中から選択することができる。イオン半径がリチウムイオン半径と同等以下のサイズであれば、黒鉛の層間に挿入し、インタカレーション化合物を作ることができる。 The inert metal ion desirably has an ionic radius equal to or less than that of the lithium ion. Based on the literature value of the ionic radius in the aqueous solution, it can be selected from the transition metal ions in the third and fourth periods. If the ionic radius is equal to or smaller than the lithium ionic radius, it can be inserted between graphite layers to produce an intercalation compound.
不活性金属イオンのドープは、還元電位にすることによって、黒鉛層間に電気化学的に挿入される。アルゴンガス等の不活性ガス中で、黒鉛と上記のイオンドープ源と混合し、加熱等の公知の技術を利用してインタカレーション化合物を得ることができる。 The inert metal ion dope is electrochemically inserted between the graphite layers by setting the reduction potential. An intercalation compound can be obtained by mixing graphite and the above ion doping source in an inert gas such as argon gas and utilizing a known technique such as heating.
非水電解液の代わりに、固体高分子電解質(ポリマー電解質)あるいはゲル電解質を用いることもできる。固体高分子電解質は、ポリエチレンオキサイドなどの公知のポリマー電解質あるいはポリフッ化ビニリデンと非水電解液の混合物(ゲル電解質)を用いることも可能である。また、イオン液体を用いてもよい。 Instead of the non-aqueous electrolyte, a solid polymer electrolyte (polymer electrolyte) or a gel electrolyte can be used. As the solid polymer electrolyte, a known polymer electrolyte such as polyethylene oxide or a mixture (gel electrolyte) of polyvinylidene fluoride and a nonaqueous electrolytic solution can be used. Further, an ionic liquid may be used.
注入口106に安全機構を付与することも可能である。その安全機構として、電池容器内部の圧力を解放するための圧力弁を設けてもよい。
It is also possible to add a safety mechanism to the
図2は、2個のリチウムイオン電池201a、201bを直列に接続した本発明の電池システムを示す。各リチウムイオン電池201a、201bは、正極207、負極208、セパレータ209からなる同一仕様の電極群を有し、上部に正極外部端子204、負極外部端子205を設けている。各外部端子と電池容器の間には絶縁シール部材212を挿入し、外部端子同士が短絡しないようにしている。なお、図2では正極リード線110と負極リード線111が省略されているが、リチウムイオン電池201a、201bの内部の構造は、図1と同様であり、対応する部材には100番台に代えて、200番台の符号を付している。
FIG. 2 shows a battery system of the present invention in which two
リチウムイオン電池201aの負極外部端子205は、電力ケーブル213により充電制御器216の負極入力ターミナルに接続されている。リチウムイオン電池201aの正極外部端子204は、電力ケーブル214を介して、リチウムイオン電池201bの負極外部端子205に連結されている。リチウムイオン電池201bの正極外部端子204は、電力ケーブル215により充電制御器216の正極入力ターミナルに接続されている。このような配線構成によって、2個のリチウムイオン電池201a、201bを充電または放電させることができる。図2では、2個の電池からなる直列接続を示しているが、電池の直列数、並列数は任意である。
A negative
充放電制御器216は、電力ケーブル217、218を介して、外部に設置した機器(以下では外部機器と称する。)219との間で電力の授受を行う。外部機器219は、充放電制御器216に給電するための外部電源や回生モータ等の各種電気機器、ならびに本システムが電力を供給するインバータ、コンバータおよび負荷が含まれている。外部機器が対応する交流、直流の種類に応じて、インバータ等を設ければよい。これらの機器類は、公知のものを任意に適用することができる。
The charge /
前記した不活性金属イオンまたは準不活性金属イオンの塩を溶解させた電解液を準備し、リチウムイオン電池201a、201bのそれぞれの注液口206から電解液を添加する。その後、注液口206を密閉し、図2のシステムを組み立てた。次いで、負極に金属イオンをドープする処理を行う。負極に金属イオンをドープするには、負極の電位を金属イオンの酸化還元電位よりも低くすればよい。その電位は、水溶液中での酸化還元電位を参考にして、リチウムイオン電池ではリチウム金属の参照電極を基準(標準水素電極電位を基準に−3.05V)に制御する。上で列挙した金属イオンの酸化還元電位E0は、後記非特許文献に掲載されている数値より上述の参照極電位(−3.04V)を基準とした標準電位である。
An electrolyte solution in which a salt of the above-described inert metal ion or quasi-inert metal ion is dissolved is prepared, and the electrolyte solution is added from the
Cu+ + e- → Cu E0=3.56V (式1)
Fe2+ + 2e- → Fe E0=2.60V (式2)
Ni2+ + 2e- → Ni E0=3.28V (式3)
Zn2+ + 2e- → Zn E0=2.28V (式4)
(非特許文献) 電気化学協会編、第4版 電気化学便覧、71〜74ページ
Cu + + e − → Cu E 0 = 3.56 V (Formula 1)
Fe 2+ + 2e − → Fe E 0 = 2.60 V (Formula 2)
Ni 2+ + 2e − → Ni E 0 = 3.28 V (Formula 3)
Zn 2+ + 2e − → Zn E 0 = 2.28 V (Formula 4)
(Non-Patent Document) Electrochemical Society, 4th edition, Electrochemical manual, pages 71-74
本発明は上記の金属に限定されず、少なくとも上に列挙した電位範囲(リチウム金属参照極電位基準で2.2〜3.6V)の酸化還元電位を有する金属イオンであれば、本発明に適用可能である。その中でも、特に銅イオン、鉄イオン、ニッケルイオンが、負極の長寿命化に有効である。また、イオンの価数は3価(3+)より2価(2+)、2価よりも1価(+)の陽イオンが黒鉛層に安定してドープされる。 The present invention is not limited to the above metals, and can be applied to the present invention as long as it is a metal ion having an oxidation-reduction potential in at least the above-listed potential range (2.2 to 3.6 V on the basis of the lithium metal reference electrode potential). Is possible. Among these, copper ions, iron ions, and nickel ions are particularly effective for extending the life of the negative electrode. Also, the valence of ions is trivalent (3+) to bivalent (2+), and bivalent to monovalent (+) cations are stably doped into the graphite layer.
次に、負極へのイオンドープの方法について説明する。まず、図2のシステムを組み立てる。充放電制御器216を動作させ、上述の酸化還元電位(E0)よりも低い電圧になるように設定する。このとき、基準となる参照極が存在していないので、正極電位(Ec)を基準に負極電位(Ea)をE0以下になるようにする。
Next, an ion doping method for the negative electrode will be described. First, the system of FIG. 2 is assembled. The charge /
正極電位(Ec)は、本発明のリチウムイオン電池101、201a、201bを製作する前に正極単独の充放電試験を行う。その際、対極をリチウム金属、参照極をリチウム金属としたセルを組み立てて、正極の充電容量密度(Qc)と電位(Ec)を測定することができる。ここで、Qcは正極活物質重量当たりの電気量(mAh/g)とする。この試験データより、正極の充電容量密度(Qc)に対する正極電位(Ec)の関数式(式5)を求めることができる。
The positive electrode potential (Ec) is a charge / discharge test of the positive electrode alone before the
Ec = f(Qc) (式5)
ただし、fは( )内を変数とする関数を表す。
Ec = f (Qc) (Formula 5)
Here, f represents a function having a variable in ().
実際のリチウムイオン電池101、201a、201bにおける正極電位(Ec)は、その電池の充電電気量を正極活物質重量(Mc)で除した充電容量密度に基づいて、先の関係式(式5)より算出される。正極電位(Ec)が決まると、電池電圧(Eb)から正極電位(Ec)を差し引いて、負極電位(Ea)が求められる(式6)。
The positive electrode potential (Ec) in the actual
Ea = Eb − Ec (式6) Ea = Eb−Ec (Formula 6)
したがって、式6を用いれば、電池の充電容量より負極電位(Ea)を予測することが可能である。 Therefore, using Equation 6, it is possible to predict the negative electrode potential (Ea) from the charge capacity of the battery.
また、イオンドープ量(Qd)は、充電した負極電位(Ea)に至るまでの総電気量(Qt)から不可逆容量分(Qi)を引いて計算することができる(式7)。ここで、不可逆容量(Qi)とは、負極にリチウムイオンが取り込まれる過程において、負極上の電解液分解反応に起因する充電ロス容量を意味する。なお、これらの3つの値を黒鉛重量当たりに換算した値に基づいて、充放電制御器216にて制御プログラムを実行してもよい。
Further, the ion doping amount (Qd) can be calculated by subtracting the irreversible capacity (Qi) from the total amount of electricity (Qt) up to the charged negative electrode potential (Ea) (Formula 7). Here, the irreversible capacity (Qi) means a charge loss capacity resulting from an electrolyte decomposition reaction on the negative electrode in the process of taking lithium ions into the negative electrode. The charge /
Qd = Qt − Qi (式7) Qd = Qt−Qi (Formula 7)
通常、黒鉛上での不可逆容量のための反応は、リチウム金属の参照極基準にて1V以下で進行することが知られている。したがって、負極電位(Ea)が1Vよりも高い電位に保持されるときには、Qiをゼロとしてイオンドープ量(Qd)を計算することができる。なお、黒鉛にドープされた金属イオンのモル数は、イオンドープ量(Qd)を、式1〜式4に示した酸化還元反応式の移行電子数と、ファラデー定数(96500C)で割りつけることで求められる。 It is known that the reaction for irreversible capacity on graphite usually proceeds at 1 V or less on the basis of a lithium metal reference electrode. Therefore, when the negative electrode potential (Ea) is held at a potential higher than 1 V, the ion doping amount (Qd) can be calculated by setting Qi to zero. In addition, the number of moles of metal ions doped in graphite is determined by assigning the ion doping amount (Qd) by the number of transferred electrons in the oxidation-reduction reaction equation shown in Equations 1 to 4 and the Faraday constant (96500C). Desired.
以上で説明した考え方に基づいて、充放電制御器216を動作させ、負極208に不活性金属イオンまたは準不活性金属イオンを黒鉛層にドープする。充電時間は、式7において目標とするイオンドープ量に相当する電気量が流れるまでの時間である。より実用的には、充放電制御器216に一定の時間を充電するようにマイコンに記録しておくことが望ましい。
Based on the concept described above, the charge /
イオンドープの処理が終了した後には、リチウムイオン電池201a、201bを定格容量が得られる通常の充電を行う。例えば、1時間率の定電流にて充電した後、4.1Vあるいは4.2Vの定電圧充電を0.5〜1時間、実行することができる。充電条件は、リチウムイオン電池の材料の種類、使用量などの設計で決まるので、電池の仕様ごとに最適な条件とする。
After the ion doping process is completed, the
リチウムイオン電池201a、201bを充電した後には、充放電制御器216を放電モードに切り替えて、各電池を放電させる。通常は、一定の下限電圧に到達したときに放電を停止させる。
After charging the
以上で説明した充放電操作の間、外部機器219は、充電時に充放電制御器216を介して電池201a、201bに電力を供給し、放電時に201a、201bから供給される電力を消費している。
During the charging / discharging operation described above, the
以上で説明した内容を踏まえ、それぞれ具体的な実施例を以下に示し、本発明の効果を明らかにしていく。なお、本発明の要旨を変更しない範囲で、具体的な構成材料、部品などを変更してもよい。また、本発明の構成要素を含んでいれば、公知の技術を追加したり、あるいは公知の技術で置き換えることも可能である。さらに、図2では、2個のリチウムイオン電池201a、201bを直列に接続した本発明の電池システムを示したが、これは例示であって、非水電解質二次電池が1個のシステムであっても、また3個以上を直列に接続したシステムであっても、あるいは並列接続としても、本発明により負極への金属イオンドープ効果が達成される。
Based on the contents described above, specific examples will be shown below to clarify the effects of the present invention. In addition, you may change a concrete structural material, components, etc. in the range which does not change the summary of this invention. In addition, if the constituent elements of the present invention are included, a known technique can be added or replaced with a known technique. Further, FIG. 2 shows the battery system of the present invention in which two
(実施例1〜3)
図1に示しリチウムイオン電池において、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)を体積比1:1で混合した溶媒に、電解質LiPF6を1モル/リットルの濃度になるように調製した電解液を準備した。電池の容量は10Ahである。電解液には、負極活物質(黒鉛)の重量当たり、0.05、0.1、1 mmol/gになるようにヨウ化銅(CuI)を電解液に添加した。
(Examples 1-3)
In the lithium ion battery shown in FIG. 1, an electrolyte prepared by mixing an electrolyte LiPF 6 to a concentration of 1 mol / liter in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) are mixed at a volume ratio of 1: 1. Prepared. The capacity of the battery is 10 Ah. To the electrolyte, copper iodide (CuI) was added to the electrolyte so as to be 0.05, 0.1, 1 mmol / g per weight of the negative electrode active material (graphite).
図2のシステムを構成し、リチウムイオン電池201a、201bの電池電圧(Eb)が1.5〜2.0Vの範囲になるように、すなわち負極電位(Ea)として1.5〜1.0Vに制御されるように電流を制御しながら充電し、リチウムイオン電池201a、201bの負極に銅イオンをドープした。その後引き続いて、1時間率相当の電流(10A)にて、電池電圧が1.2Vに到達した後、その電圧にて定電圧充電を0.5時間行った。充電終了後に10分の休止時間を設けて、1時間率の放電を行い、リチウムイオン電池201a、201bの容量を測定した。
The system of FIG. 2 is configured so that the battery voltage (Eb) of the
さらに、充放電制御器216を用いて1時間率の充放電サイクルを2000サイクル行った。環境温度は室温とした。初期容量と2000サイクル後の容量維持率を、表1の実施例1〜3に示した。表1に示すように、ヨウ化銅の添加量が少ないほど、初期容量が高く、その濃度が高くなるほど、容量がやや低下した。これは、銅イオンが過剰になると、負極表面に析出し、リチウムイオンの吸蔵・脱離反応を阻害するためと考えられる。
Furthermore, the charge /
(参考例1〜4)
ヨウ化銅(CuI)に替え、ヨウ化鉄(FeI2)0.1mmol/g、ヨウ化ニッケル(NiI2)0.1mmol/g、ヨウ化亜鉛(ZnI2)0.1mmol/gおよび0.05mmol/g、を添加した4種類のリチウムイオン電池を製作し、図2のシステムに組み込んだ。そして、実施例1〜3の場合と同様にして、初期容量と容量維持率を測定した。その結果を、表1の参考例1〜4に示した。金属イオンの添加量を0.05〜1mmol/gとすれば、大きな容量を維持することができた。
( Reference Examples 1 to 4 )
Instead of copper iodide (CuI), iron iodide (FeI 2 ) 0.1 mmol / g, nickel iodide (NiI 2 ) 0.1 mmol / g, zinc iodide (ZnI 2 ) 0.1 mmol / g and 0. Four types of lithium ion batteries added with 05 mmol / g were fabricated and incorporated into the system of FIG. Then, the initial capacity and capacity retention rate were measured in the same manner as in Examples 1 to 3. The results are shown in Reference Examples 1 to 4 in Table 1. When the addition amount of metal ions was 0.05 to 1 mmol / g, a large capacity could be maintained.
ヨウ化銅、ヨウ化鉄、ヨウ化ニッケル、ヨウ化亜鉛の添加量が0.02〜0.04mmol/g以下になると、容量維持率が低下し始め、74〜77%になった。逆に添加量を2mmol/g以上にすると、初期容量が低下し始め、6〜7Ahまで減少した。 When the addition amount of copper iodide, iron iodide, nickel iodide, and zinc iodide became 0.02 to 0.04 mmol / g or less, the capacity retention ratio began to decrease and became 74 to 77%. Conversely, when the addition amount was 2 mmol / g or more, the initial capacity started to decrease and decreased to 6 to 7 Ah.
(比較例1)
比較例として、金属塩を添加していない電池についても、同様の試験を行った。その結果を表1の比較例1示した。
(Comparative Example 1)
As a comparative example, a similar test was performed on a battery to which no metal salt was added. The results are shown in Comparative Example 1 in Table 1.
(考察)
初期容量は、無添加(比較例1)の場合が最も高かった。この値は、実施例1における、非常に希釈のヨウ化銅を添加した場合(0.05mmol/g)と同じであった。しかし、2000サイクル後の容量維持率に、添加した金属塩の効果が発現された。すなわち、参考例1および参考例2のように、ヨウ化鉄またはヨウ化ニッケルを添加すると、2000サイクル後の容量維持率がいずれの場合も高くなった。
(Discussion)
The initial capacity was highest in the case of no addition (Comparative Example 1). This value was the same as in Example 1 when very diluted copper iodide was added (0.05 mmol / g). However, the effect of the added metal salt was manifested in the capacity retention rate after 2000 cycles. That is, as in Reference Example 1 and Reference Example 2 , when iron iodide or nickel iodide was added, the capacity retention rate after 2000 cycles increased in all cases.
ヨウ化亜鉛の場合は、0.1mmol/gの高濃度のときに(参考例3)容量維持率が低くなった。これは、亜鉛が析出してしまい、リチウムとの合金を形成し、電解液との反応生成物が負極上で増加したためである。しかし、参考例4に示すように、ヨウ化亜鉛の濃度を小さくすると、他のイオンドープ源と同等の容量維持率を得た。 In the case of zinc iodide, the capacity retention rate was low at a high concentration of 0.1 mmol / g ( Reference Example 3 ). This is because zinc was deposited, an alloy with lithium was formed, and reaction products with the electrolyte increased on the negative electrode. However, as shown in Reference Example 4, when the zinc iodide concentration was reduced, a capacity retention rate equivalent to that of other ion doping sources was obtained.
なお、本試験の後に、金属イオンをドープした電池を解体し、負極を取り出した後に、X線光電子分光測定を行った。その結果、黒鉛粒子の表層に銅イオン、鉄イオン、亜鉛イオン、ニッケルイオンが存在していることを確認した。 In addition, after this test, the battery doped with metal ions was disassembled and the negative electrode was taken out, and then X-ray photoelectron spectroscopy measurement was performed. As a result, it was confirmed that copper ions, iron ions, zinc ions, and nickel ions were present on the surface layer of the graphite particles.
上記のように、本発明の方法を適用すれば、リチウムイオン電池の容量維持率を高くすることができることがわかる。 As described above, it can be seen that the capacity retention rate of the lithium ion battery can be increased by applying the method of the present invention.
101 非水電解質二次電池(リチウムイオン電池)、102 電池容器、103 蓋、104 正極外部端子、105 負極外部端子、106 注液口、107 正極、108 負極、109 セパレータ、110 正極リード線、111 負極リード線、112 絶縁性シール材料、201a 非水電解質二次電池、201b 非水電解質二次電池、202 電池容器、204 正極外部端子、205 負極外部端子、206 注液口、207 正極、208 負極、209 セパレータ、212 絶縁性シール材料、213 電力ケーブル、214 電力ケーブル、215 電力ケーブル、216 充放電制御器、217 電力ケーブル、218 電力ケーブル、219 外部機器 101 non-aqueous electrolyte secondary battery (lithium ion battery), 102 battery container, 103 lid, 104 positive external terminal, 105 negative external terminal, 106 injection port, 107 positive electrode, 108 negative electrode, 109 separator, 110 positive electrode lead wire, 111 Negative electrode lead wire, 112 Insulating sealing material, 201a Nonaqueous electrolyte secondary battery, 201b Nonaqueous electrolyte secondary battery, 202 Battery container, 204 Positive electrode external terminal, 205 Negative electrode external terminal, 206 Injection port, 207 Positive electrode, 208 Negative electrode , 209 Separator, 212 Insulating seal material, 213 Power cable, 214 Power cable, 215 Power cable, 216 Charge / discharge controller, 217 Power cable, 218 Power cable, 219 External equipment
Claims (1)
前記非水電解質二次電池がリチウムイオン電池であり、前記非水電解液にヨウ化銅が黒鉛の単位重量当たり0.05〜1mmol/gの添加量で添加され、前記黒鉛の表面近傍に銅イオンがドープされていることを特徴とする非水電解質二次電池。 In a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode containing graphite, and a non-aqueous electrolyte containing a non-aqueous electrolyte,
Wherein a lithium ion battery nonaqueous electrolyte secondary battery, the nonaqueous copper iodide in the electrolytic liquid is added in amount per unit weight 0.05 to 1 mmol / g of graphite, copper near the surface of the graphite A non-aqueous electrolyte secondary battery characterized by being doped with ions .
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