JP5433484B2 - 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に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery.
リチウムイオン二次電池は、高エネルギー密度であるメリットを活かして、民生用途として、例えば、VTRカメラ、ノートパソコン、携帯電話等のポータブル機器の電源に使用されている。そして、民生用のリチウムイオン二次電池には、一般に捲回式の内部構造が採用される。 Lithium ion secondary batteries are used as power sources for portable devices such as VTR cameras, notebook computers, mobile phones, and the like for consumer use, taking advantage of the high energy density. In general, a wound-type internal structure is employed in a consumer lithium-ion secondary battery.
捲回式のリチウムイオン二次電池は、正極活物質、負極活物質がそれぞれ金属箔に塗着された帯状の正負電極を、セパレータを挟んで渦巻状に捲回して、捲回電極群を構成する。
捲回電極群は円筒状の電池缶に収納され、電解液を注液後、封口される。
A wound lithium ion secondary battery consists of a strip of positive and negative electrodes, each of which has a positive electrode active material and a negative electrode active material applied to a metal foil, wound in a spiral shape with a separator interposed therebetween, thereby forming a wound electrode group To do.
The wound electrode group is housed in a cylindrical battery can and sealed after injecting an electrolytic solution.
民生用リチウムイオン二次電池では、直径が18mm、高さ65mmの18650型電池が広く普及している。18650型電池では、高容量化、長寿命化が求められ、正極活物質に主にコバルト酸リチウム、負極活物質に主にグラファイト黒鉛が用いられており、その電池容量は約1.6Ah〜2.4Ah、電池出力は約30Wである。 As a consumer lithium ion secondary battery, an 18650 type battery having a diameter of 18 mm and a height of 65 mm is widely used. The 18650 type battery is required to have a high capacity and a long life, and lithium cobaltate is mainly used for the positive electrode active material, and graphite graphite is mainly used for the negative electrode active material. The battery capacity is about 1.6 Ah to 2 Ah. .4Ah, battery output is about 30W.
一方、自動車産業界においては環境問題に対応するため、電池のみを動力源とする電気自動車(EV)や、内燃機関エンジンと電池との両方を動力源とするハイブリッド電気自動車(HEV)の開発が進められている。電気自動車等に搭載される移動体用電池は、高出力化や高容量化の特性が求められているため、リチウムイオン電池が注目されている。 On the other hand, in the automobile industry, in order to cope with environmental problems, development of an electric vehicle (EV) using only a battery as a power source and a hybrid electric vehicle (HEV) using both an internal combustion engine and a battery as a power source are being developed. It is being advanced. Lithium ion batteries are attracting attention because batteries for mobile bodies mounted on electric vehicles and the like are required to have high output and high capacity characteristics.
移動体用リチウムイオン二次電池には、電気自動車の普及のため、例えば、正極活物質に資源的に豊富で低コストのリチウムマンガン複合酸化物が用いられ、低価格化と高性能化の両立が図られている。 For lithium-ion secondary batteries for mobile objects, for example, lithium-manganese composite oxides that are resource-rich and low-cost are used for the positive electrode active material for the popularization of electric vehicles. Is planned.
移動体用リチウムイオン二次電池では、出力や容量の性能が低下し、動力源として必要能力が得られなくなった場合、電池を新しいものに交換するなどの対応が必要となる。しかしながら、頻繁に電池交換をすることは手間やコストがかかり、現実的ではなく、交換の頻度を減らすか、もしくは交換なしで使用できるように、電池の長寿命化も求められている。 In the case of a lithium ion secondary battery for a mobile body, when the output and capacity performance deteriorates and the necessary capacity as a power source cannot be obtained, it is necessary to take measures such as replacing the battery with a new one. However, frequent battery replacement is time consuming and costly and is not practical, and there is a demand for longer battery life so that the frequency of replacement can be reduced or the battery can be used without replacement.
また、移動用リチウムイオン二次電池では、加速性能を向上させるため、高負荷での充放電が休みなく繰り返されるため、電池内部で、電子やイオンなど充放電に必要な要素物質が急速かつ多量に移動し、正極活物質および負極活物質への負荷が増大し、活物質の結晶性低下や副反応による正負極の容量バランスが不均衡となる。このため、電池の出力低下や容量低下が発生する可能性がある。 In addition, in order to improve acceleration performance in mobile lithium-ion secondary batteries, charging and discharging at high loads are repeated without interruption, so there is a rapid and large amount of elemental materials required for charging and discharging such as electrons and ions inside the battery. The load on the positive electrode active material and the negative electrode active material increases, and the capacity balance between the positive and negative electrodes due to a decrease in crystallinity of the active material and side reactions becomes unbalanced. For this reason, there is a possibility that the output and the capacity of the battery are reduced.
これに対応するため、電極反応面積の増大、活物質の比表面積の増大による負荷分散、活物質構造の強化等の改良により、性能の低下を抑制することによって、長寿命化が図られている。 In order to cope with this, the life is extended by suppressing the deterioration of the performance by improving the electrode reaction area, the load distribution due to the increase in the specific surface area of the active material, the strengthening of the active material structure, etc. .
例えば、特許文献1においては、正極集電基材の片面単位面積に対する正極活物質の表面積S(正極活物質の比表面積×正極活物質の重量)の比を40以上とすることで、電極反応面積を確保して電極反応を充放電に追従させている。
For example, in
また、特許文献2では負極活物質の平均粒径を5〜25μm、窒素ガス吸着のBET法による比表面積を1.0〜12m2/gとした炭素材料を使用している。
しかしながら、特許文献1のように電極反応面積を確保することや特許文献2のように活物質の比表面積を大きくすることで、充放電の際のリチウムイオンの受け入れ部位(面積)は大きくなり、充放電に対して容量低下や出力低下が抑制されるなど一応の効果は認められるものの、高負荷で充放電を繰り返すと、急激な容量低下や出力低下が発生する。
However, by securing the electrode reaction area as in
その原因は、充放電時に正負極から電解液中へ放出されるリチウムイオンの速度が速いにもかからわず、電解液中を移動するリチウムイオンの速度が遅いため、正負極の電極近傍でリチウムイオンの濃度が高くなる不均一化が生じ、このため、電極近傍で電解液粘度の増加やリチウム塩の析出などにより、リチウムイオンの移動が著しく阻害されることによる。 The reason for this is that although the speed of lithium ions released from the positive and negative electrodes into the electrolyte during charging and discharging is high, the speed of the lithium ions that move through the electrolyte is low. This results in non-uniformity in which the concentration of lithium ions increases, and this is because the movement of lithium ions is remarkably hindered by an increase in electrolyte viscosity or precipitation of lithium salts in the vicinity of the electrodes.
本発明は、マンガン酸リチウムを正極活物質に用いた正極と、充放電によりリチウムイオンを挿脱可能な炭素材を負極活物質に用いた負極とをセパレータを介して配置した電極群を、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、およびジエチルカーボネートを含む混合溶液に6フッ化リン酸リチウムを溶解したものより成る非水電解液に浸潤させて電池容器内に収容したリチウムイオン二次電池に適用され、以下の条件1,2を満足するものである。
条件1:前記リチウムイオン二次電池の容量C(Ah)と電池体積V(cm3)の関係がC/V=0.08以下
条件2:前記正極の活物質量M(g)と前記非水電解液量E(cm3)の関係がE/M=0.6以上1.0以下
The present invention includes a positive electrode using the lithium manganate as a positive electrode active material, an electrode group disposed through a separator and a negative electrode using lithium ions removably carbon material in the negative electrode active material by charging and discharging, Ethylene The present invention is applied to a lithium ion secondary battery infiltrated with a nonaqueous electrolytic solution made by dissolving lithium hexafluorophosphate in a mixed solution containing carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate and accommodated in a battery container.
Condition 1: The relationship between the capacity C (Ah) of the lithium ion secondary battery and the battery volume V (cm3) is C / V = 0.08 or less. Condition 2: The amount of active material M (g) of the positive electrode and the non-aqueous The relationship of the electrolyte amount E (cm3) is E / M = 0.6 or more and 1.0 or less
本発明によれば、高エネルギー密度を維持しつつ高い容量維持率を得ることができる。 According to the present invention, a high capacity retention rate can be obtained while maintaining a high energy density.
以下、本発明に係るリチウムイオン二次電池を円筒型リチウムイオン二次電池に適用した実施形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment in which a lithium ion secondary battery according to the present invention is applied to a cylindrical lithium ion secondary battery will be described with reference to the drawings.
図1および図2に示すように、円筒型リチウムイオン二次電池20は、一端に開口部が設けられた有底円筒形容器1の内部に捲回電極群8を収納し、容器内部に電解液を注入した後、開口部を電池蓋4によって塞いで構成される。捲回電極群8は、軸芯7の周りに、正極電極16と負極電極17とをセパレータ18で絶縁しつつ捲回して構成される。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, a cylindrical lithium ion
[正極電極]
正極電極16は、アルミニウム箔により形成され長尺な形状を有する正極シート14の両面に、正極活物質16aと正極導電材16bとを有する正極合剤が塗布されて構成されている。正極シート14の長手方向に沿った上方側の側縁には、正極合剤が塗布されずアルミニウム箔が露出した領域が形成され、この領域にには、軸芯7と平行に上方に突き出す多数の正極タブ12が等間隔に一体的に形成されている。
[Positive electrode]
The
正極合剤は、正極活物質16aと、正極導電材16bと、正極バインダとからなる。正極活物質16aはリチウム酸化物が好ましい。例として、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、ニッケル酸リチウム、リチウム複合酸化物(コバルト、ニッケル、マンガンから選ばれる2種類以上を含むリチウム酸化物)等が挙げられる。この実施形態ではマンガン酸リチウムを使用する。
The positive electrode mixture includes a positive electrode
正極導電材16bは、正極合剤中におけるリチウムの吸蔵放出反応で生じた電子の正極電極への伝達を補助するものである。正極導電材16bの例として、黒鉛(カーボンブラック)やアセチレンブラックなどが挙げられる。この実施形態ではカーボンブラックを使用する。
The positive electrode
正極バインダは、正極活物質16aと正極導電材16bを結着させ、また正極合剤と正極集電体を結着させるものである。正極バインダの例としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)やフッ素ゴムなどが挙げられる。この実施形態ではポリフッ化ビニリデン(PVDF)を使用する。
The positive electrode binder binds the positive electrode
正極合剤を正極シート14に塗布する方法の例として、ロール塗工法、スリットダイ塗工法等が挙げられる。正極合剤は、リチウム遷移金属複合酸化物としてマンガン酸リチウムを用い、マンガン酸リチウム100重量部に対して、導電材として、10重量部のカーボンブラック(DBP吸油量100cc/100g)と、結着剤として、10重量部のポリフッ化ビニリデン(PVDF)を添加し、これに分散溶媒として、N−メチルピロリドン(NMP)を添加、混練した正極合材(スラリ)を作製した。作製したスラリを厚さ20μmのアルミニウム箔14の両面に塗布、乾燥し、その後プレス、裁断して、正極電極16が形成される。正極シートを含まない正極合剤の両面の合計塗布厚さは、例えば75μmであり、塗布部の幅は、例えば82mmである。正極シート14を裁断する際、正極タブ12を一体的に形成する。
Examples of the method for applying the positive electrode mixture to the
[負極電極]
負極電極17は、銅箔により形成され長尺な形状を有する負極シート15の両面に、負極活物質17aを有する負極合剤が塗布されて構成されている。負極シート15の長手方向に沿った下方側の側縁には、負極合剤が塗布されず銅箔が露出した領域が形成され、この領域には、正極タブ12とは反対方向に延出された、多数の負極タブ13が等間隔に一体的に形成されている。
[Negative electrode]
The
負極合剤は、負極活物質17aと、負極バインダと、増粘剤とからなる。負極合剤は、アセチレンブラックなどの負極導電材を有しても良い。負極活物質17aとしては、非晶質炭素、たとえば、黒鉛炭素を用いることが好ましい。非晶質炭素を用いることにより、大容量が要求されるプラグインハイブリッド自動車や電気自動車向けのリチウムイオン二次電池が作製できる。この実施形態では、負極バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を使用する。
The negative electrode mixture includes a negative electrode
負極合剤を負極シート15に塗布する方法の例として、負極合剤の構成物質の分散溶液を負極シート15上に塗布する方法が挙げられる。塗布方法の例として、ロール塗工法、スリットダイ塗工法等が挙げられる。
As an example of a method of applying the negative electrode mixture to the
この実施形態では、非晶質炭素粉末100重量部に対して、結着剤として、10重量部のポリフッ化ビニリデン(PVDF)を添加し、分散溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を添加し、混練したスラリを作製し、厚さ10μmの圧延銅箔の両面に均一に塗布し、乾燥させた後、プレス、裁断して負極電極17が作成される。負極シートを含まない負極合剤の両面の合計塗布厚さは、例えば78μmであり、塗布部の幅は、例えば86mmである。
In this embodiment, 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride (PVDF) is added as a binder to 100 parts by weight of amorphous carbon powder, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is added as a dispersion solvent. An added and kneaded slurry is prepared, uniformly applied to both surfaces of a rolled copper foil having a thickness of 10 μm, dried, and then pressed and cut to form the
捲回電極群8は、作製した正極電極16と負極電極17とを、これら両極板が直接接触しないように、例えば、幅90mm、厚さ30μm、気孔率47%のポリエチレン製のセパレータ18で絶縁しつつ捲回することによって構成する。
The
正極電極16の正極タブ12は変形されつつ、その全てが、捲回電極群8の軸芯7のほぼ延長線上にある正極集電リング5に接続される。正極集電リング5の周囲には一体的に鍔部が張り出されており、正極タブ12は鍔部周面付近に集合され、超音波溶接によって鍔部周面に接合される。負極タブ13は、電池容器1の底部に配置される負極集電リング6の鍔部周面付近に集合され、超音波溶接によって鍔部周面に接合される。
While the
その後、正極集電リング5の鍔部周面全周に絶縁被覆を施す。この絶縁被覆には、基材がポリイミドで、その片面にヘキサメタアクリレートからなる粘着剤を塗布した粘着テープを使用し、粘着テープを鍔部周面から捲回電極群8外周面に亘って一重以上巻くことによって絶縁被覆を形成した。
Thereafter, an insulation coating is applied to the entire circumference of the collar peripheral surface of the positive electrode
捲回電極群8は、正極電極16、負極電極17、セパレータ18の長さを調整し、その直径を、例えば、38±0.1mmとする。一方、捲回電極群8を収納する電池容器1は、ニッケルメッキが施されたスチール缶であり、その外径、内径は、例えば、それぞれ40mm、39mmである。
The
負極集電リング6には、予め、電気的導通のための負極リード板(図示省略)が溶接されており、電池容器1内に捲回電極群8を挿入後、電池容器1の底部と負極リード板とを溶接する。
A negative electrode lead plate (not shown) for electrical conduction is welded to the negative electrode
正極集電リング5には、予め複数枚のアルミニウム製のリボンを重ね合わせて構成した正極リード9の一端を溶接しておき、正極リード9の他端を、電池容器1を封口するための電池蓋4の下面に溶接した。電池蓋4には、円筒形リチウムイオン二次電池20の内圧上昇に応じて開裂する内圧開放機構の開裂弁3が設けられている。開裂弁3の開裂圧は、例えば、約9×105Paに設定する。
A battery for sealing one end of a
非水電解液を所定量、電池容器1内に注入し、その後、正極リード9を折りたたむようにして電池蓋4で電池容器1を封口し、EPDM樹脂製ガスケット2を介して電池蓋4をカシメて密封することにより、高さ108mm、設計容量5.0Ahの円筒形リチウムイオン二次電池20を完成される。
A predetermined amount of non-aqueous electrolyte is injected into the
非水電解液には、例えば、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネートの体積比1:1:1の混合溶液中へ6フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットル溶解したものを用いる。 As the non-aqueous electrolyte, for example, a solution obtained by dissolving 1 mol / liter of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in a mixed solution of ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate in a volume ratio of 1: 1: 1 is used. .
図3は、上述した捲回電極群8の拡大断面図である。図3に示すように、捲回電極群8においては、正極電極16にはアルミニウム箔14の両面に正極合剤が塗布され、負極電極17には圧延銅箔15の両面に負極合剤が塗布されている。そして、正極電極16と負極電極17とは、セパレータ18を介して、交互に配置された構造となっている。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the
正極電極16の正極合剤および負極電極17の負極合剤内には、活物質や導電材の占める部分の他に空隙30が存在する。一方、セパレータ18は高分子微多孔膜のため、セパレータ18の内部にも空隙30が存在する。これら空隙30には、注入した電解液が浸透する。一般に、全体の体積に対する空隙の容積の比率を以下「気孔率」という。
In the positive electrode mixture of the
また、図2に示すように、捲回電極群8の外周面と電池容器1の内周面との隙間、正極集電リング5の周辺、負極集電リング6の周辺、軸芯7の内部等にも空隙30が存在し、これらの空隙にも電解液が浸透している。
Further, as shown in FIG. 2, the gap between the outer peripheral surface of the
高負荷の充放電(サイクル)が可能なリチウムイオン二次電池として、容量をC(Ah)、電池体積をV(cm3)としたとき、C/V=0.08以下のものが知られている。容量Cは、25°Cの雰囲気における1CA定電流放電(電圧4.1V〜2.7V)の容量、電池体積Vは、電池容器1の外側の体積である。ここで、電池容器1の外側の体積とは、電流取り出し端子などは含まずに、電池容器1の外形を定める外周面で規定される殻内の体積である。
As lithium ion secondary batteries capable of high-load charge / discharge (cycle), those having C / V = 0.08 or less are known, where the capacity is C (Ah) and the battery volume is V (cm 3 ). ing. The capacity C is a capacity of 1 CA constant current discharge (voltage 4.1 V to 2.7 V) in an atmosphere of 25 ° C., and the battery volume V is a volume outside the
−実施例−
次に、本実施形態に従って作製した円筒形リチウムイオン二次電池20の実施例1〜8について説明する。なお、本実施形態の効果を説明するために作製した比較例のリチウムイオン二次電池についても併記する。
-Example-
Next, Examples 1 to 8 of the cylindrical lithium ion
(実施例1)
図4の表1に示すように、実施例1では、正極活物質量M=47.9g、電解液量E=28.7cm3となるよう調整し、E/M(電解液量/正極活物質比)を0.60とした。
Example 1
As shown in Table 1 of FIG. 4, in Example 1, the positive electrode active material amount M = 47.9 g and the electrolyte solution amount E = 28.7 cm 3 were adjusted to be E / M (electrolyte solution amount / positive electrode active material). The substance ratio was 0.60.
(実施例2〜実施例4)
図4の表1に示すように、実施例2〜4では、正極導電材16bおよびセパレータ18の気孔率を実施例1と同様とした。ただし、正極活物質量Mに対して、電解液量Eを順次増加し、E/M(電解液量/正極活物質量比)を0.65、0.81、0.97と変化させた。
(Example 2 to Example 4)
As shown in Table 1 of FIG. 4, in Examples 2 to 4, the porosity of the positive electrode
(実施例5、実施例6)
図4の表1に示すように、実施例5、実施例6では、E/Mおよびセパレータ18を実施例4と同様とした。ただし、実施例5では正極導電材16bにDBP吸油量100cc/100gのカーボンブラック、実施例6ではDBP吸油量80cc/100gのカーボンブラックを使用した。
(Example 5, Example 6)
As shown in Table 1 of FIG. 4, in Example 5 and Example 6, the E / M and the
(実施例7、実施例8)
図4の表1に示すように、実施例7、実施例8では、E/M、正極導電材16b、セパレータ18の材質を実施例4と同様とした。ただし、実施例7では、セパレータ18の気孔率を40%、実施例8では、セパレータ18の気孔率を35%とした。
(Example 7, Example 8)
As shown in Table 1 of FIG. 4, in Example 7 and Example 8, the materials of E / M, the positive electrode
(比較例)
図4の表1に示すように、比較例では、正極導電材16b、セパレータ18の材質、セパレータ18の気孔率、正極活物質量Mを実施例1と同様とした。ただし、電解液量を25.9cm3に調整して、E/M(電解液量/正極活物質量比)を0.54とした。
(Comparative example)
As shown in Table 1 of FIG. 4, in the comparative example, the positive electrode
―評価試験―
以上のような実施例1〜8、比較例の円筒形リチウムイオン二次電池を複数個作製し、以下で説明するような充放電試験を実施し、高負荷サイクル試験前後の放電容量を測定した。
-Evaluation test-
A plurality of cylindrical lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 8 and Comparative Examples as described above were produced, and a charge / discharge test as described below was performed, and the discharge capacities before and after the high duty cycle test were measured. .
充放電試験では、まず「初期放電容量」を測定し、「高負荷サイクル試験」を実施した後、「高負荷サイル試験後の放電容量」を測定した。 In the charge / discharge test, first, the “initial discharge capacity” was measured, the “high load cycle test” was performed, and then the “discharge capacity after the high load sile test” was measured.
[初期放電容量の測定]
初期放電容量の測定においては、充電条件を、雰囲気25±2°C、印加電圧4.1V定電圧、制限電流5A、充電時間2.5時間とし、放電条件を、5A(1CA)定電流、終止電圧2.7Vとし、初期の放電容量(Ah)を測定した。
[Measurement of initial discharge capacity]
In the measurement of the initial discharge capacity, the charging condition is an
[高負荷サイクル試験]
高負荷サイクル試験においては、50±3°Cの雰囲気において、各電池に対して50A(10CA)の定電流による充電および放電を行った。高負荷サイクル試験の終止電圧は上限4.0V、下限3.0Vとし、電池の充電状態(SOC)が80%〜20%で動作するようにした。また、高負荷サイクル試験における充電と放電、および、放電と充電の間の休止は無しとした。この高負荷サイクル試験を連続して2000回繰り返した。
[High duty cycle test]
In the high duty cycle test, each battery was charged and discharged with a constant current of 50 A (10 CA) in an atmosphere of 50 ± 3 ° C. The end voltage of the high duty cycle test was set to an upper limit of 4.0 V and a lower limit of 3.0 V, and the battery was operated with a state of charge (SOC) of 80% to 20%. Further, charging and discharging in a high duty cycle test, and no pause between discharging and charging were assumed. This high duty cycle test was repeated 2000 times in succession.
[高負荷サイクル試験後の放電容量の測定]
高負荷サイクル試験後、初期放電容量の測定と同様に試験後放電容量を測定し、式1に示すように高負荷サイクル試験後の放電容量を初期放電容量で除した容量維持率(%)を計算し、電池性能を評価した。
容量維持率(%)=高負荷サイクル試験後の放電容量/初期放電容量 …(1)
[Measurement of discharge capacity after high duty cycle test]
After the high duty cycle test, the discharge capacity after the test is measured in the same manner as the initial discharge capacity, and the capacity retention rate (%) obtained by dividing the discharge capacity after the high duty cycle test by the initial discharge capacity as shown in
Capacity retention rate (%) = discharge capacity after high duty cycle test / initial discharge capacity (1)
[実施例1〜実施例4の評価]
図5の表2に示すように、E/M(電解液量/正極活物質量)を0.60〜0.97とした実施例1〜実施例4の電池では、高負荷サイクル試験後の容量維持率が90%以上であり、長寿命の優れた電池であることが分かる。
[Evaluation of Examples 1 to 4]
As shown in Table 2 of FIG. 5, in the batteries of Examples 1 to 4 in which E / M (amount of electrolytic solution / amount of positive electrode active material) was 0.60 to 0.97, It can be seen that the battery has a capacity retention rate of 90% or more and has an excellent long life.
これに対して、電解液量/正極活物質量比E/Mを0.54とした比較例の電池では、高負荷サイクル試験後の容量維持率が80%となり、十分な性能を確保することができなかった。 On the other hand, in the battery of the comparative example in which the electrolyte solution amount / positive electrode active material amount ratio E / M is 0.54, the capacity retention rate after the high duty cycle test is 80%, and sufficient performance is ensured. I could not.
図6は、横軸をE/M(電解液量/正極活物質量)、縦軸をサイクル試験後の容量維持率とし、実施例1〜4の結果をE1〜E4のプロット、比較例の結果をCのプロットで示す。図6から明らかなように、E/M(電解液量/正極活物質量比)を0.6以上とすると、高負荷サイクル試験後容量維持率が90%以上の長寿命となり、E/Mの変化に対する容量維持率の変化量も小さく、優れた電池となった。一方、EM(電解液量/正極活物質量比)が0.6より小さい場合は、高負荷サイクル試験後の容量維持率が急激に低下する。 In FIG. 6, the horizontal axis is E / M (electrolyte amount / positive electrode active material amount), the vertical axis is the capacity retention rate after the cycle test, and the results of Examples 1 to 4 are plotted as E1 to E4, and Comparative Example. The results are shown as a C plot. As is apparent from FIG. 6, when E / M (ratio of electrolyte amount / positive electrode active material ratio) is 0.6 or more, the capacity retention rate after a high duty cycle test becomes a long life of 90% or more, and E / M The amount of change in the capacity retention rate with respect to the change in the battery was small, and an excellent battery was obtained. On the other hand, when EM (electrolyte solution amount / positive electrode active material amount ratio) is smaller than 0.6, the capacity retention rate after the high duty cycle test is rapidly reduced.
従って、E/M(電解液量/正極活物質量)を0.6以上とすれば、高負荷サイクルに対して容量の低下が抑制され、さらには液量変化に伴うサイクル試験後の容量維持率の変化の少ない、優れた電池ができる。
図6では、E/M=0.6を縦破線で示し、E/M>0.6の領域を白抜矢印で示している。
Therefore, if E / M (amount of electrolytic solution / amount of positive electrode active material) is 0.6 or more, a decrease in capacity is suppressed with respect to a high duty cycle, and further, capacity maintenance after a cycle test associated with a change in liquid volume is maintained. Excellent battery with little change in rate.
In FIG. 6, E / M = 0.6 is indicated by a vertical broken line, and an area where E / M> 0.6 is indicated by a white arrow.
[実施例5および実施例6の評価]
正極導電材16bにDBP吸油量100cc/100gのカーボンブラックを用いた実施例5の電池では、図5の表2に示すように、高負荷サイクル後の容量維持率が90%である。DBP吸油量80cc/100gのカーボンブラックを用いた実施例6の電池では、高負荷サイクル後の容量維持率が88%である。これらの容量維持率はともに優れていると評価できるが、一般にDBP吸油量が小さい正極導電材16bを用いると容量維持率が下がることが知られているから、90%程度の容量維持率を実現するためには、DBP吸油量を100cc/100g以上とすることが望ましい。
[Evaluation of Example 5 and Example 6]
In the battery of Example 5 using carbon black having a DBP oil absorption of 100 cc / 100 g as the positive electrode
[実施例7および実施例8の評価]
実施例7では、セパレータ18の気孔率を40%、実施例8では、セパレータ18の気孔率を35%とした。実施例7では、高負荷サイクル試験後の容量維持率が90%、実施例8では、高負荷サイクル試験後の容量維持率が88%である。これらの容量維持率はともに優れていると評価できるが、一般に気孔率が小さいと容量維持率が下がることが知られているから、セパレータの気孔率を40%以上とすることが望ましい。
[Evaluation of Example 7 and Example 8]
In Example 7, the porosity of the
ここで、リチウムイオン二次電池におけるリチウムイオン不均一化のメカニズムを説明する。
図7(a)は、高負荷サイクル前の正負極間におけるリチウムイオン濃度が均一であることを示している。充放電を繰り返すときは、電解液中を泳動するリチウムイオンの速度よりも高速度で正負極からリチウムイオンが放出される。これによって、図7(b)に示すように、正負極周辺のリチウムイオン濃度は徐々に高くなり、その濃度ポテンシャルによりリチウムイオンの移動が著しく阻害される。
Here, the mechanism of non-uniform lithium ion in the lithium ion secondary battery will be described.
FIG. 7A shows that the lithium ion concentration between the positive and negative electrodes before the high duty cycle is uniform. When charging and discharging are repeated, lithium ions are released from the positive and negative electrodes at a higher rate than the rate of lithium ions migrating in the electrolytic solution. As a result, as shown in FIG. 7B, the lithium ion concentration around the positive and negative electrodes gradually increases, and the migration of lithium ions is significantly hindered by the concentration potential.
(高負荷サイクル後の容量維持率)
過剰に電解液量を入れることにより、すなわち、非水電解液量Eと正極活物質量Mとの比E/Mを大きくすることにより、サイクル特性を改善することが可能となる。しかし、電解液量の増大の分だけ電池重量が大となり、単位重量当たりのエネルギ(エネルギ密度)が低下するので、「高負荷サイクル後の容量維持率」を評価する際、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を評価することが必要となる。
(Capacity maintenance rate after high duty cycle)
Cycle characteristics can be improved by adding an excessive amount of electrolyte, that is, by increasing the ratio E / M of the non-aqueous electrolyte amount E and the positive electrode active material amount M. However, the battery weight increases as the amount of electrolyte increases, and the energy per unit weight (energy density) decreases. Therefore, when evaluating the "capacity maintenance ratio after a high duty cycle", a lithium ion secondary battery It is necessary to evaluate the energy density.
(容量維持率・エネルギー密度指数)
そこで、発明者は、高負荷サイクル試験後の容量維持率×エネルギー密度〔%・Wh/kg〕の乗算によって得られる新たな指標(容量維持率・エネルギー密度指数)に基づいて電池を評価することとした。
(Capacity maintenance rate / energy density index)
Therefore, the inventor evaluates the battery based on a new index (capacity maintenance ratio / energy density index) obtained by multiplying capacity maintenance ratio after high duty cycle test × energy density [% · Wh / kg]. It was.
図8の横軸は、E/M(電解液量/正極活物質量)、縦軸は容量維持率・エネルギー密度指数である。図8のE1〜E4は実施例1〜4の結果を示し、Cは比較例の結果を示す。図8から明らかなように、E/Mが0.6より小さくなると容量維持率・エネルギー密度指数は低下するが、逆にE/M(電解液量/正極活物質量)が0.6より大きくなると、容量維持率・エネルギー密度指数は一旦上昇するが、再び低下する。 The horizontal axis in FIG. 8 is E / M (amount of electrolytic solution / amount of positive electrode active material), and the vertical axis is the capacity retention ratio / energy density index. E1 to E4 in FIG. 8 show the results of Examples 1 to 4, and C shows the results of the comparative example. As is apparent from FIG. 8, when E / M is smaller than 0.6, the capacity retention ratio / energy density index is lowered, but conversely, E / M (electrolyte amount / positive electrode active material amount) is from 0.6. As it increases, the capacity retention ratio / energy density index once rises, but then decreases again.
経験的に、高性能リチウムイオン二次電池としては、高負荷サイクル試験後の容量維持率が90%以上、エネルギー密度が60Wh/kg以上が望ましいとされており、高性能リチウムイオン二次電池として実用化するためには、容量維持率・エネルギー密度指数を5400%・Wh/kg以上とすべきである。この条件を満足する範囲は、図8を参照すると、
0.6≦E/M≦1.0 …(2)
であることが分かる。
Empirically, as a high performance lithium ion secondary battery, it is desirable that the capacity maintenance rate after a high duty cycle test is 90% or more and the energy density is 60 Wh / kg or more. In order to put it to practical use, the capacity retention ratio / energy density index should be 5400% · Wh / kg or more. For a range satisfying this condition, refer to FIG.
0.6 ≦ E / M ≦ 1.0 (2)
It turns out that it is.
以上説明したとおり、実施形態のリチウムイオン二次電池は、リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質に用いた正極電極16と、充放電によりリチウムイオンを挿脱可能な炭素材を負極活物質に用いた負極電極17とをセパレータ18を介して配置した電極群8を非水電解液に浸潤させて電池容器1内に収容し、リチウムイオン二次電池の容量C(Ah)と電池体積V(cm3)の関係がC/V=0.08以下、正極の活物質量M(g)と非水電解液量E(cm3)の関係がE/M=0.6以上1.0となるようにした。その結果、高エネルギ密度で容量維持率が良好なリチウムイオン二次電池を提供することができる。
As described above, in the lithium ion secondary battery of the embodiment, the
[変形例]
本発明は、以上説明した実施形態を以下のように変形して実施することもできる。
(1)本実施形態では、円筒形電池について例示したが、本発明は電池の形状については限定されず、角形、その他の多角形の電池にも適用可能である。
たとえば、金属箔の両面に活物質合剤を形成した正極電極および負極電極と、正極電極および負極電極を絶縁するセパレータとを重ねて扁平形状に捲回した扁平形捲回電極群であってもよい。
[Modification]
The present invention can be carried out by modifying the above-described embodiment as follows.
(1) In the present embodiment, the cylindrical battery is exemplified, but the present invention is not limited to the shape of the battery, and can be applied to a rectangular battery and other polygonal batteries.
For example, even in a flat wound electrode group in which a positive electrode and a negative electrode having active material mixture formed on both surfaces of a metal foil and a separator that insulates the positive electrode and the negative electrode are overlapped and wound into a flat shape Good.
(2)本発明が適用可能な構造としては、上述した電池容器に電池蓋がカシメによって封口されている構造の電池以外であってもよい。このような構造の一例として、正負外部端子が電池蓋を貫通し、電池容器内で軸芯を介して正負外部端子同士が押し合っている状態の電池を挙げることができる。 (2) The structure to which the present invention can be applied may be other than a battery having a structure in which a battery lid is sealed with a caulking to the battery container described above. As an example of such a structure, a battery in a state where positive and negative external terminals penetrate the battery lid and the positive and negative external terminals are pressed against each other via an axis in the battery container can be mentioned.
(3)本発明は、正極電極および負極電極を捲回式の構造とせず、積層式の構造としたリチウム二次電池にも適用可能である。積層式電極群は、それぞれがシート状に形成された正極電極と負極電極とをシート状のセパレータを介して絶縁して積層して構成されるものである。このような積層型電極群は、金属箔の両面に活物質合剤を形成した矩形シート状の正極電極および負極と、正極電極および負極を絶縁する矩形シート状のセパレータとを積層したものである。 (3) The present invention can also be applied to a lithium secondary battery in which the positive electrode and the negative electrode are not stacked but have a stacked structure. The stacked electrode group is formed by insulating and laminating a positive electrode and a negative electrode, each formed in a sheet shape, via a sheet-like separator. Such a laminated electrode group is obtained by stacking a rectangular sheet-like positive electrode and a negative electrode in which an active material mixture is formed on both surfaces of a metal foil, and a rectangular sheet-like separator that insulates the positive electrode and the negative electrode. .
(4)本実施形態ではリチウム遷移金属複合酸化物として、マンガン酸リチウムを用いたが、これに限定されるものではない。本実施形態以外で用いることのできるリチウムイオン二次電池用正極活物質としては、リチウムイオンを挿入・脱離可能な材料であり、予め十分な量のリチウムイオンを挿入したリチウム遷移金属複合酸化物であればよい。結晶中のリチウムやマンガンの一部をそれら以外の元素で置換あるいはドープした材料を使用するようにしてもよい。 (4) Although lithium manganate is used as the lithium transition metal composite oxide in this embodiment, the present invention is not limited to this. The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery that can be used in other embodiments is a material capable of inserting and removing lithium ions, and a lithium transition metal composite oxide in which a sufficient amount of lithium ions has been inserted in advance. If it is. A material in which a part of lithium or manganese in the crystal is substituted or doped with an element other than these may be used.
(5)本実施形態では、負極活物質に、晶質の炭素材料を用いた場合と比べて負極集電体への密着性に優れる非晶質炭素を用いた例を示した。しかしながら、天然黒鉛や、人造の各種黒鉛材、コークスなどの炭素材料等を使用してもよく、その粒子形状についても、鱗片状、球状、繊維状、塊状等、特に制限されるものではない。このような炭素材を負極活物質に用いると、断面渦巻状に捲回して電極群を形成するときの可撓性に優れ、負極からの負極活物質層の剥離離脱を防止することができる。 (5) In the present embodiment, an example in which amorphous carbon having excellent adhesion to the negative electrode current collector is used as the negative electrode active material as compared with the case where a crystalline carbon material is used. However, natural graphite, artificial graphite materials, carbon materials such as coke, and the like may be used, and the particle shape is not particularly limited, such as scaly, spherical, fibrous, or massive. When such a carbon material is used for the negative electrode active material, it is excellent in flexibility when it is wound in a cross-sectional spiral shape to form an electrode group, and separation and separation of the negative electrode active material layer from the negative electrode can be prevented.
(6)本発明は、本実施形態で例示した導電材、バインダ(結着剤)には限定されず、通常用いられているいずれのものも使用可能である。本実施形態以外で用いることのできるリチウム二次電池用極板活物質結着剤としては、テフロン(登録商標)、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリブタジエン、ブチルゴム、ニトリルゴム、スチレン/ブタジエンゴム、多硫化ゴム、ニトロセルロース、シアノエチルセルロース、各種ラテックス、アクリロニトリル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、フッ化プロピレン、フッ化クロロプレン等の重合体およびこれらの混合体などがある。 (6) The present invention is not limited to the conductive material and binder (binder) exemplified in the present embodiment, and any commonly used material can be used. Examples of the electrode plate active material binder for lithium secondary batteries that can be used in other embodiments include Teflon (registered trademark), polyethylene, polystyrene, polybutadiene, butyl rubber, nitrile rubber, styrene / butadiene rubber, polysulfide rubber, There are polymers such as nitrocellulose, cyanoethyl cellulose, various latexes, acrylonitrile, vinyl fluoride, vinylidene fluoride, propylene fluoride, chloroprene fluoride, and mixtures thereof.
(7)本実施形態では、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートを体積比1:1:1で混合した混合溶媒にLiPF6を溶解した非水電解液を例示した。しかしながら、一般的なリチウム塩を電解質とし、これを有機溶媒に溶解した非水電解液を用いてもよく、本発明は用いられるリチウム塩や有機溶媒には特に制限されない。例えば、電解質としては、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiB(C6H5)4、CH3SO3Li、CF3SO3Li等やこれらの混合物を用いることができる。また、有機溶媒としては、プロピレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル等、またはこれらの2種類以上を混合した混合溶媒を用いることができ、更に、混合配合比についても限定されるものではない。このような非水電解液を用いることにより電池容量の向上や寒冷地での使用にも適合させることが可能となる。 (7) In the present embodiment, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, the volume of diethyl carbonate ratio of 1: 1: illustrates a non-aqueous electrolyte prepared by dissolving LiPF 6 in a mixed solvent obtained by mixing 1. However, a non-aqueous electrolyte obtained by using a general lithium salt as an electrolyte and dissolving it in an organic solvent may be used, and the present invention is not particularly limited to the lithium salt or organic solvent used. For example, as the electrolyte, LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, or a mixture thereof can be used. Examples of the organic solvent include propylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, Sulfolane, methyl sulfolane, acetonitrile, propionitrile, etc., or a mixed solvent in which two or more of these are mixed can be used, and the blending ratio is not limited. By using such a non-aqueous electrolyte, it is possible to improve battery capacity and adapt to use in cold regions.
以上説明した実施形態、実施例、および変形例は一例であり、本発明はそれらに限定されない。 The embodiments, examples, and modifications described above are examples, and the present invention is not limited to them.
1:電池容器
2:ガスケット
3:開裂弁
4:電池蓋
5:正極集電リング
6:負極集電リング
7:軸芯
8:捲回電極群
9:正極リード
12:正極タブ
13:負極タブ
14:アルミニウム箔
15:圧延銅箔
16:正極電極
16a:正極活物質
16b:正極導電材
17:負極電極
17a:負極活物質
18:セパレータ
20:円筒形リチウムイオン二次電池
30:空隙
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Battery container 2: Gasket 3: Cleavage valve 4: Battery cover 5: Positive electrode current collection ring 6: Negative electrode current collection ring 7: Shaft core 8: Winding electrode group 9: Positive electrode lead 12: Positive electrode tab 13: Negative electrode tab 14 : Aluminum foil 15: Rolled copper foil 16:
Claims (7)
前記リチウムイオン二次電池の容量C(Ah)と電池体積V(cm3)の関係がC/V=0.08以下、
前記正極電極の活物質量M(g)と前記非水電解液量E(cm3)の関係がE/M=0.6以上1.0以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 An electrode group in which a positive electrode using lithium manganate as a positive electrode active material and a negative electrode using a carbon material capable of inserting and removing lithium ions by charge and discharge as a negative electrode active material are disposed via a separator , ethylene carbonate, dimethyl Infiltrating a non-aqueous electrolyte composed of a solution of lithium hexafluorophosphate in a mixed solution containing carbonate and diethyl carbonate, and storing the solution in a battery container;
The relationship between the capacity C (Ah) of the lithium ion secondary battery and the battery volume V (cm3) is C / V = 0.08 or less,
A lithium ion secondary battery, wherein the relationship between the amount of active material M (g) of the positive electrode and the amount of non-aqueous electrolyte E (cm3) is E / M = 0.6 or more and 1.0 or less.
前記正極電極の活物質量M(g)と前記非水電解液量E(cm3)の関係がE/M=0.81以上1.0以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。The lithium ion secondary battery, wherein the relationship between the amount of active material M (g) of the positive electrode and the amount of non-aqueous electrolyte E (cm3) is E / M = 0.81 or more and 1.0 or less.
前記正極電極中にシブチルフタレート(DBP)吸油量100cc/100g以上の導電材が含まれていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to claim 1 or 2 ,
A lithium ion secondary battery, wherein the positive electrode contains a conductive material having a butyl phthalate (DBP) oil absorption of 100 cc / 100 g or more.
前記セパレータの気孔率が40%以上であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3 ,
A lithium ion secondary battery, wherein the separator has a porosity of 40% or more.
前記電極群は、
金属箔の両面に活物質合剤を形成した正極電極および負極と、該正極電極および負極を絶縁するセパレータとを重ねて円形状に捲回した円筒形捲回電極群であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4 ,
The electrode group includes:
A cylindrical wound electrode group in which a positive electrode and a negative electrode in which an active material mixture is formed on both surfaces of a metal foil and a separator that insulates the positive electrode and the negative electrode are overlapped and wound into a circular shape. Lithium ion secondary battery.
前記電極群は、
金属箔の両面に活物質合剤を形成した正極電極および負極と、該正極電極および負極を絶縁するセパレータとを重ねて扁平形状に捲回した扁平形捲回電極群であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 The lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 4 ,
The electrode group includes:
A flat wound electrode group in which a positive electrode and a negative electrode in which an active material mixture is formed on both surfaces of a metal foil and a separator that insulates the positive electrode and the negative electrode are overlapped and wound into a flat shape. Lithium ion secondary battery.
前記電極群は、
金属箔の両面に活物質合剤を形成した矩形シート状の正極電極および負極と、該正極電極および負極を絶縁する矩形シート状のセパレータとを積層した積層型電極群であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
The lithium ion secondary battery according to claim 1,
The electrode group includes:
It is a laminated electrode group in which a rectangular sheet-like positive electrode and negative electrode in which an active material mixture is formed on both surfaces of a metal foil, and a rectangular sheet-like separator that insulates the positive electrode and the negative electrode are laminated. Lithium ion secondary battery.
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