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JP5708610B2 - Lithium ion battery - Google Patents
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Description

本発明は、リチウムイオン電池およびこれを搭載する車両に関する。特に本発明によれば、リチウムイオン電池の電気容量およびエネルギー密度のより一層の改善が図られる。   The present invention relates to a lithium ion battery and a vehicle equipped with the lithium ion battery. In particular, according to the present invention, the electric capacity and energy density of the lithium ion battery can be further improved.

環境・エネルギー問題の解決へ向けて、種々の電気自動車の普及が期待されている。これら電気自動車の普及の鍵を握るモータ駆動用電池の開発が盛んに行われている。モータ駆動用電池としては、全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。   The spread of various electric vehicles is expected to solve environmental and energy problems. Development of motor drive batteries, which hold the key to the spread of these electric vehicles, has been actively conducted. As a battery for driving a motor, a lithium ion battery having the highest theoretical energy among all the batteries is attracting attention, and is currently being developed rapidly.

リチウムイオン電池は、一般にバインダを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが電解液を含浸したセパレータ層を介して接続され、電池ケースに収納された構成を有している。   In general, a lithium ion battery has an electrolyte solution in which a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to both surfaces of a positive electrode current collector using a binder and a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to both surfaces of a negative electrode current collector using a binder. It is connected through a separator layer impregnated with and is housed in a battery case.

しかしながら、こうした電気自動車が広く普及するためには、リチウムイオン電池を高性能にして、より安くする必要がある。また、電気自動車については、一充電走行距離をガソリンエンジン車に近づける必要があり、より高エネルギーの電池が望まれている。電池を高エネルギー密度にするためには、正極と負極の単位質量当たりの蓄えられる電気量を大きくする必要がある。   However, in order for such electric vehicles to become widespread, it is necessary to make lithium ion batteries high performance and cheaper. In addition, for electric vehicles, it is necessary to bring the distance for one charge closer to a gasoline engine vehicle, and a battery with higher energy is desired. In order to make the battery have a high energy density, it is necessary to increase the amount of electricity stored per unit mass of the positive electrode and the negative electrode.

この要請に応えられる可能性のある正極材料として、いわゆる固溶体系正極が検討されている。なかでも、電気化学的に不活性の層状のLiMnOと、電気化学的に活性な層状のLiMO(ここでMは、Co、Niなどの遷移金属)の固溶体は、200mAh/gを超える大きな電気容量を示しうる高容量正極候補材料として期待されている(特許文献1参照)。 A so-called solid solution positive electrode has been studied as a positive electrode material that may meet this demand. Among them, the solid solution of the electrochemically inactive layered Li 2 MnO 3 and the electrochemically active layered LiMO 2 (where M is a transition metal such as Co or Ni) is 200 mAh / g. It is expected as a high-capacity positive electrode candidate material capable of exhibiting a large electric capacity exceeding (see Patent Document 1).

特開平9−55211号公報JP-A-9-55211

しかしながら、特許文献1に記載の固溶体系正極材料は、初期充放電効率が非常に悪いという問題があった。そのため、この種の固溶体系正極材料を用いてリチウムイオン電池を構成すると、電池の充放電容量に寄与できない大量の負極材料が必要となる上、電池の電気容量及びエネルギー密度を大きくできないという問題があった。   However, the solid solution positive electrode material described in Patent Document 1 has a problem that the initial charge / discharge efficiency is very poor. Therefore, when a lithium ion battery is configured using this type of solid solution positive electrode material, a large amount of negative electrode material that cannot contribute to the charge / discharge capacity of the battery is required, and the electric capacity and energy density of the battery cannot be increased. there were.

そこで本発明は、高容量正極材料の初期充放電効率を改善し、電気容量及びエネルギー密度を向上してなるリチウムイオン電池を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a lithium ion battery that improves the initial charge / discharge efficiency of a high-capacity positive electrode material and improves the electric capacity and energy density.

本発明者らは、上記の問題を解決すべく、鋭意研究を行った。その結果、リチウムイオン電池の正極材料として、電池を構成する段階で充電状態にある正極活物質を第二の正極活物質として合わせて用いる電池構成とすることにより上記の問題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。   The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, as a positive electrode material of a lithium ion battery, the above problem can be solved by adopting a battery configuration in which a positive electrode active material that is in a charged state at the stage of configuring the battery is used as the second positive electrode active material. The headline and the present invention have been completed.

すなわち、本発明は、電池を構成する段階で放電状態である第一の正極活物質と、電池を構成する段階で充電状態である第二の正極活物質の2種類からなる正極活物質を用い、第一の正極活物質が、一般式:xLiMO・(1−x)Li で表されるリチウムイオン電池である。上記式中、xは0<x<1であり、Mは平均酸化状態が3の1つ以上の遷移金属で、 は平均酸化状態が4である1つ以上の遷移金属である。 That is, the present invention uses a positive electrode active material comprising two types of a first positive electrode active material that is in a discharged state at the stage of constituting a battery and a second positive electrode active material that is in a charged state at the stage of constituting a battery. The first positive electrode active material is a lithium ion battery represented by a general formula: xLiMO 2 · (1-x) Li 2 M 1 O 3 . In the above formula, x is 0 <x <1, M is one or more transition metals having an average oxidation state of 3 + , and M 1 is one or more transition metals having an average oxidation state of 4 + .

本発明によれば、第一の正極活物質の初期の充放電効率が低くても、電池容量に寄与する負極活物質量を増加させることができる為、電池の電気容量とエネルギー密度の向上を図れる。   According to the present invention, even if the initial charge / discharge efficiency of the first positive electrode active material is low, the amount of the negative electrode active material contributing to the battery capacity can be increased, so that the electric capacity and energy density of the battery can be improved. I can plan.

本発明のリチウムイオン電池の代表的な一実施形態である積層型の扁平な非双極型リチウムイオン二次電池の概要を模式的に表した断面概略図である。1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an outline of a laminated flat non-bipolar lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of a lithium ion battery of the present invention. 正極活物質として電池構成段階で放電状態にある固溶体系正極を高容量正極材料として使用した場合の既存のリチウムイオン二次電池における充放電メカニズムを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the charging / discharging mechanism in the existing lithium ion secondary battery at the time of using the solid solution type | system | group positive electrode in a discharge state as a positive electrode active material as a high capacity | capacitance positive electrode material. 正極活物質として、電池構成段階で放電状態にある固溶体系の第1の正極活物質と、電池構成段階で放電状態にある第2の正極活物質の2種類を使用した本発明のリチウムイオン電池における充放電メカニズムを説明するための模式図である。As the positive electrode active material, the lithium ion battery of the present invention using two kinds of a first positive electrode active material in a solid solution system that is in a discharge state at the battery construction stage and a second positive electrode active material in a discharge state at the battery construction stage. It is a schematic diagram for demonstrating the charging / discharging mechanism. 本発明に係るリチウムイオン電池の代表的な実施形態である積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を模式的に表した斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view schematically showing an appearance of a stacked flat lithium ion secondary battery that is a typical embodiment of a lithium ion battery according to the present invention. 本発明に係る組電池の代表的な実施形態を模式的に表した外観図であって、図4Aは組電池の平面図であり、図4Bは組電池の正面図であり、図4Cは組電池の側面図である。4A and 4B are external views schematically showing typical embodiments of the assembled battery according to the present invention, in which FIG. 4A is a plan view of the assembled battery, FIG. 4B is a front view of the assembled battery, and FIG. It is a side view of a battery. 本発明の組電池を搭載した車両の概念図である。It is a conceptual diagram of the vehicle carrying the assembled battery of this invention. 実施例1、実施例5及び比較例1の電池の第2回目の放電曲線を表すグラフである。6 is a graph showing a second discharge curve of the batteries of Example 1, Example 5, and Comparative Example 1. FIG.

本発明のリチウムイオン電池は、主要正極活物質が2種類からなり、第一の主要正極活物質が電池を構成する段階(以下、電池構成段階ともいう)で放電状態であり、第二の主要正極活物質が電池を構成する段階で充電状態であることを特徴とするものである。   The lithium ion battery of the present invention has two main positive electrode active materials, and the first main positive electrode active material is in a discharged state at the stage of constituting the battery (hereinafter also referred to as the battery constituent stage). The positive electrode active material is in a charged state at the stage of constituting the battery.

以下、図面を参照しながら、本発明のリチウムイオン電池の代表的な実施形態につき説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。   Hereinafter, typical embodiments of the lithium ion battery of the present invention will be described with reference to the drawings, but the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the claims, and the following embodiments It is not limited to only. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.

まず、本発明に係るリチウムイオン電池は、高容量で高エネルギー密度にできることから、車両の駆動電源用等として好適に利用できる。このほか、携帯電話などの携帯機器向けのリチウムイオン電池にも十分に適用可能である。特に本発明の電池を車両の搭載用電源として用いれば、電池のエネルギー密度が高いので、電気自動車の航続距離を拡張でき、プラグインハイブリッド電気自動車の積載電池量を削減でき、ハイブリッド電気自動車の更なる高性能化が可能となる点で優れている。   First, since the lithium ion battery according to the present invention can have a high capacity and a high energy density, it can be suitably used as a drive power source for vehicles. In addition, it can be sufficiently applied to lithium ion batteries for portable devices such as mobile phones. In particular, when the battery of the present invention is used as a power source for mounting on a vehicle, the battery energy density is high, so the cruising range of the electric vehicle can be extended, the amount of battery load of the plug-in hybrid electric vehicle can be reduced, and the hybrid electric vehicle can be further updated. It is excellent in that high performance can be achieved.

すなわち、本発明の対象となるリチウムイオン電池は、上記した電池構成段階で放電状態と充電状態の2種類の主要正極活物質を用いてなるものであればよく、他の構成要件に関しては、特に制限されるべきものではない。   That is, the lithium ion battery that is the subject of the present invention only needs to use two kinds of main positive electrode active materials, that is, a discharged state and a charged state in the above-described battery configuration stage. It should not be restricted.

例えば、上記リチウムイオン電池を形態・構造で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など、従来公知のいずれの形態・構造にも適用し得るものである。積層型(扁平型)電池構造を採用することで簡単な熱圧着などのシール技術により長期信頼性を確保でき、コスト面や作業性の点で有利である。   For example, when the lithium ion battery is distinguished by its form / structure, it can be applied to any conventionally known form / structure, such as a stacked (flat) battery or a wound (cylindrical) battery. is there. By adopting a laminated (flat) battery structure, long-term reliability can be secured by a sealing technique such as simple thermocompression bonding, which is advantageous in terms of cost and workability.

また、リチウムイオン電池内の電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)のリチウムイオン電池および双極型(内部直列接続タイプ)のリチウムイオン電池のいずれにも適用し得るものである。本発明では、非双極型(内部直列接続タイプ)のリチウムイオン電池が望ましい。上述したように充放電電位を高くして高容量正極としての使用に適した電池構成((内部並列接続タイプ)となっているためである。   In terms of electrical connection (electrode structure) in lithium-ion batteries, both non-bipolar (internal parallel connection type) lithium-ion batteries and bipolar (internal series connection type) lithium-ion batteries Is also applicable. In the present invention, a non-bipolar (internal series connection type) lithium ion battery is desirable. This is because the battery configuration (internal parallel connection type) suitable for use as a high-capacity positive electrode by increasing the charge / discharge potential as described above.

リチウムイオン電池内の電解質層の種類で区別した場合には、電解質層に非水系の電解液等の溶液電解質を用いた溶液電解質型電池、電解質層に高分子電解質を用いたポリマー電池など従来公知のいずれの電解質層のタイプにも適用し得るものである。該ポリマー電池は、更に高分子ゲル電解質(単にゲル電解質ともいう)を用いたゲル電解質型電池、高分子固体電解質(単にポリマー電解質ともいう)を用いた固体高分子(全固体)型電池に分けられる。   Conventionally known, such as a solution electrolyte type battery using a solution electrolyte such as a non-aqueous electrolyte for the electrolyte layer, a polymer battery using a polymer electrolyte for the electrolyte layer when distinguished by the type of electrolyte layer in the lithium ion battery It can be applied to any electrolyte layer type. The polymer battery is further divided into a gel electrolyte type battery using a polymer gel electrolyte (also simply referred to as a gel electrolyte) and a solid polymer (all solid) type battery using a polymer solid electrolyte (also simply referred to as a polymer electrolyte). It is done.

したがって、以下の説明では、本発明の2種類の主要正極活物質を用いてなる非双極型(内部並列接続タイプ)のリチウムイオン二次電池につき図面を用いて簡単に説明するが、決してこれらに制限されるべきものではない。   Therefore, in the following description, a non-bipolar type (internal parallel connection type) lithium ion secondary battery using the two main cathode active materials of the present invention will be briefly described with reference to the drawings. It should not be restricted.

図1は、本発明のリチウムイオン電池の代表的な一実施形態である、扁平型(積層型)の非双極型リチウムイオン二次電池(以下、単にリチウムイオン電池ともいう)の全体構造を模式的に表した断面概略図である。   FIG. 1 schematically shows the overall structure of a flat (stacked) non-bipolar lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as a lithium ion battery), which is a typical embodiment of the lithium ion battery of the present invention. FIG.

図1に示すように、本実施形態のリチウムイオン電池10では、電池外装材22に高分子−金属を複合したラミネートフィルムを用いて、その周辺部の全部を熱融着にて接合することにより、発電要素(電池要素)17を収納し密封した構成を有している。発電要素17は、正極集電体11の両面に正極(正極活物質層)12が形成された正極板、電解質層(あるいはセパレータ層)13、および負極集電体14の両面(発電要素の最下層及び最上層用は片面)に負極(負極活物質層)15が形成された負極板を積層した構成を有している。この際、一の正極板片面の正極(正極活物質層)12と前記一の正極板に隣接する一の負極板片面の負極(負極活物質層)15とが電解質層13を介して向き合うようにして、正極板、電解質層13、負極板の順に複数積層されている。以下、正極板、電解質層13、負極板の順に積層された一組(電池の最小ユニット)を単電池層(単セル)16とも称する。   As shown in FIG. 1, in the lithium ion battery 10 of the present embodiment, by using a laminate film that is a composite of polymer and metal for the battery exterior material 22, the entire periphery thereof is joined by thermal fusion. The power generation element (battery element) 17 is housed and sealed. The power generation element 17 includes a positive electrode plate having a positive electrode (positive electrode active material layer) 12 formed on both surfaces of the positive electrode current collector 11, an electrolyte layer (or separator layer) 13, and both surfaces of the negative electrode current collector 14 (most of the power generation element). It has a configuration in which a negative electrode plate on which a negative electrode (negative electrode active material layer) 15 is formed is laminated on one side for the lower layer and the uppermost layer. At this time, the positive electrode (positive electrode active material layer) 12 on one surface of one positive electrode plate and the negative electrode (negative electrode active material layer) 15 on one surface of one negative electrode plate adjacent to the one positive electrode plate face each other through the electrolyte layer 13. Thus, a plurality of layers of the positive electrode plate, the electrolyte layer 13, and the negative electrode plate are laminated in this order. Hereinafter, a set (battery minimum unit) in which the positive electrode plate, the electrolyte layer 13 and the negative electrode plate are stacked in this order is also referred to as a single battery layer (single cell) 16.

これにより、隣接する正極(正極活物質層)12、電解質層13、および負極(負極活物質層)15は、一つの単電池層16を構成する。従って、本実施形態のリチウムイオン電池10は、単電池層16が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素(電池要素;積層体)17の両最外層に位置する最外層負極集電体14aには、いずれも片面のみに負極(負極活物質層)15が形成されている。なお、図1と正極板と負極板の配置を変えることで、発電要素(電池要素)17の両最外層に最外層正極集電体(図示せず)が位置するようにし、該最外層正極集電体の場合にも片面のみに正極(正極活物質層)12が形成されているようにしてもよい。   As a result, the adjacent positive electrode (positive electrode active material layer) 12, electrolyte layer 13, and negative electrode (negative electrode active material layer) 15 constitute one unit cell layer 16. Therefore, it can be said that the lithium ion battery 10 of the present embodiment has a configuration in which a plurality of single battery layers 16 are stacked and electrically connected in parallel. Note that the negative electrode (negative electrode active material layer) 15 is formed on only one side of the outermost layer negative electrode current collector 14 a located in both outermost layers of the power generation element (battery element; laminate) 17. In addition, by changing the arrangement of the positive electrode plate and the negative electrode plate in FIG. 1, the outermost positive electrode current collector (not shown) is positioned in both outermost layers of the power generation element (battery element) 17, and the outermost positive electrode Also in the case of the current collector, the positive electrode (positive electrode active material layer) 12 may be formed only on one side.

また、上記の各電極板(正極板及び負極板)と導通される正極タブ18および負極タブ19が、正極端子リード20および負極端子リード21を介して各電極板の正極集電体11及び負極集電体14に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられている。これにより正極タブ18および負極タブ19は、上記熱融着部に挟まれて上記の電池外装材22の外部に露出される構造を有している(図4も参照のこと)。   Further, the positive electrode tab 18 and the negative electrode tab 19 that are electrically connected to the respective electrode plates (positive electrode plate and negative electrode plate) are connected to the positive electrode current collector 11 and the negative electrode of each electrode plate via the positive electrode terminal lead 20 and the negative electrode terminal lead 21. It is attached to the current collector 14 by ultrasonic welding or resistance welding. Thus, the positive electrode tab 18 and the negative electrode tab 19 have a structure that is sandwiched between the heat-sealed portions and exposed to the outside of the battery outer packaging material 22 (see also FIG. 4).

上記したリチウムイオン電池の各構成要件を中心に、以下説明する。   The following description will be focused on the above-described constituent elements of the lithium ion battery.

まず、本発明では、その特徴的な構成として、前記正極(正極活物質層)12の主要正極活物質に、電池構成段階で放電状態の第一の正極活物質と、電池構成段階で充電状態の第二の正極活物質の2種類を用いた点にある。   First, in the present invention, as a characteristic configuration, the main positive electrode active material of the positive electrode (positive electrode active material layer) 12 includes a first positive electrode active material in a discharged state at the battery configuration stage, and a charged state at the battery configuration stage. The second positive electrode active material is used.

かかる特徴的構成は、以下の知見を見出しなされたものである。即ち、上記したように大きな電気容量が期待されるLiMnOとLiMOの固溶体は、充放電電位を高くして高容量正極材料として使用すると、電池構成後初期の充放電時に何らかの原因により使用できなくなる容量がある(これを初期ロス容量という)。そのため初期の充電に必要な電気量に比べて放電できる電気容量がかなり小さい。この原因はまだよくわかっていない。しかし発表された論文等をみると、リチウム金属基準で4.5Vを超える高電位で充電する場合には、充電の進行と共に、LiOが結果として材料中から放出されると考えられ、少なくとも酸素の一部は酸素ガスとして検出されている。この種の正極材料を用いてリチウムイオン電池を構成すると、相対する負極は、この初期の充電電気量に相当する電気量以上の容量を持つ必要がある。なお、正極の充電容量よりも多目の負極容量を用いる理由は、充電の際、負極上にリチウム金属が析出しないようにするためである。とにかく、このような事情のため、実際に電池が何回も充放電して使用される段階では、電池容量に寄与できない負極活物質が大量に必要になってしまう。この事情は、模式的に図2に示してある。本発明では、この問題を解決するために、正極に充電状態の第二の活物質をあわせて使用することにより、初期の充電のみで使用される負極の容量を活用できるようにしたものである。この事情は、模式的に図3に示してある。 This characteristic configuration is based on the following findings. That is, the Li 2 MnO 3 and LiMO 2 solid solution, which is expected to have a large electric capacity as described above, has a high charge / discharge potential and is used as a high capacity positive electrode material. There is a capacity that cannot be used (this is called initial loss capacity). Therefore, the electric capacity that can be discharged is considerably smaller than the amount of electricity required for the initial charging. The cause of this is not well understood. However, according to the published papers, it is considered that when charging at a high potential exceeding 4.5 V on the lithium metal basis, Li 2 O is released from the material as a result of the progress of charging, and at least A part of oxygen is detected as oxygen gas. When a lithium ion battery is configured using this type of positive electrode material, the opposing negative electrode needs to have a capacity equal to or greater than the amount of electricity corresponding to this initial charge amount. The reason for using a larger negative electrode capacity than the positive electrode charge capacity is to prevent lithium metal from being deposited on the negative electrode during charging. Anyway, due to such circumstances, a large amount of negative electrode active material that cannot contribute to the battery capacity is required at the stage where the battery is actually charged and discharged many times. This situation is schematically shown in FIG. In the present invention, in order to solve this problem, the capacity of the negative electrode used only in the initial charge can be utilized by using the second active material in a charged state together with the positive electrode. . This situation is schematically shown in FIG.

即ち、図2は、正極活物質として電池構成段階で放電状態にある固溶体系正極(例えば、LiMnOとLiMOの固溶体)を高容量正極材料として使用した場合の既存のリチウムイオン二次電池における充放電メカニズムを説明するための模式図である。図3は、本発明のリチウムイオン電池における充放電メカニズムを説明するための模式図である。詳しくは、主要正極活物質が2種類からなり、そのうちの一方の第一の正極活物質として、電池構成段階で放電状態である図2と同様の固溶体系正極を用い、もう一方の第二の正極活物質が電池構成段階で充電状態である場合を例にとり説明した模式図である。 That is, FIG. 2 shows an existing lithium ion secondary in the case of using a solid solution system positive electrode (for example, a solid solution of Li 2 MnO 3 and LiMO 2 ) as a positive electrode active material in a discharge state at the battery construction stage as a high capacity positive electrode material. It is a schematic diagram for demonstrating the charging / discharging mechanism in a battery. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the charge / discharge mechanism in the lithium ion battery of the present invention. Specifically, the main positive electrode active material is composed of two types, and as one of the first positive electrode active materials, a solid solution type positive electrode similar to that shown in FIG. It is the schematic diagram demonstrated taking the case where the positive electrode active material is a charge condition in a battery structure stage.

なお、図2、3のいずれも、負極活物質は、特に制限されるものではなく、リチウムイオン電池の負極活物質として、通常一般的に用いられるものでよい。図2、3の各図は、リチウムイオン電池の、充放電の各時点における状態を示す図である。また、縦軸は各活物質の容量密度(dQ/dE)を示し、横軸は電位(V)を示す。さらに、直線Pは正極の電位を示し、直線Nは負極の電位を示す。よって、直線Pと直線Nとの距離は電池電圧を示す。また、斜線部は放電可能な充電容量(可逆容量)を示し、網掛け部は放電不可能な充電容量(不可逆容量)を示す。   2 and 3, the negative electrode active material is not particularly limited, and may be generally used as a negative electrode active material for a lithium ion battery. 2 and 3 are diagrams showing states of the lithium ion battery at each time point of charging and discharging. The vertical axis indicates the capacity density (dQ / dE) of each active material, and the horizontal axis indicates the potential (V). Further, the straight line P indicates the potential of the positive electrode, and the straight line N indicates the potential of the negative electrode. Therefore, the distance between the straight line P and the straight line N indicates the battery voltage. The shaded portion indicates the chargeable capacity (reversible capacity), and the shaded area indicates the non-dischargeable charge capacity (irreversible capacity).

図2(a)は、既存のリチウムイオン二次電池での電池作製直後(即ち、電池構成段階)の状態を示す図である。電池作製直後、初期充電前においては、電池電圧は約1V程度である。電池作製直後の充電前において電極に電位が生じ、一定の電池電圧が発生する理由は完全に明らかとはなっていないが、極微量の不純物などが関与しているものと考えられる。図中の符号31のブロックは、正極活物質材料である固溶体系正極材料の理論容量の大きさを示す。符号33のブロックは、負極活物質材料の理論容量の大きさを示す。   FIG. 2A is a diagram showing a state immediately after battery production (that is, a battery configuration stage) in an existing lithium ion secondary battery. Immediately after manufacturing the battery and before initial charging, the battery voltage is about 1V. The reason why a potential is generated in the electrode immediately before charging immediately after the battery is produced and a constant battery voltage is generated is not completely clear, but it is considered that a very small amount of impurities are involved. The block of the code | symbol 31 in a figure shows the magnitude | size of the theoretical capacity | capacitance of the solid solution system positive electrode material which is a positive electrode active material material. The block of the code | symbol 33 shows the magnitude | size of the theoretical capacity | capacitance of a negative electrode active material material.

図2(b)は、既存のリチウムイオン二次電池での初期充電の中間充電状態を示す図である。初期充電を開始すると、正極及び負極活物質の充電が進行する。   FIG.2 (b) is a figure which shows the intermediate charge state of the initial stage charge in the existing lithium ion secondary battery. When initial charging is started, charging of the positive electrode and the negative electrode active material proceeds.

図2(c)は、既存のリチウムイオン二次電池での初期充電が完了した状態(満充電状態)を示す図である。図2(b)の状態からさらに初期充電を続けると、高い充放電電位を有する既存の正極活物質材料の充電が更に進行する。一方、負極においても同様に充電が進行する。実際には負極の可逆容量を少し多めにするが、わかりやすくするために模式的に可逆容量が釣り合うようにして示している。他の場合(図3(c))でも同様にして説明する。正負極双方の活物質が完全に充電されると、初期充電は完了する。上記したようにリチウム金属基準で4.5Vを超える高電位で充電する場合には、充電の進行と共に、LiOが結果として正極活物質材料中から放出され、不可逆容量(=初期ロス容量31a)部分が形成される。因みに、後述する実施例1で用いた固溶体の初期充電電気量(1回目充電量)は340mAh/g以上と高容量である反面、初期放電電気量は256mAh/g程度であり、初期充電時にLiOとして放出され不可逆容量(=初期ロス容量)部分は図示する程度の相当大きいものといえる。 FIG.2 (c) is a figure which shows the state (full charge state) in which the initial charge in the existing lithium ion secondary battery was completed. When the initial charging is further continued from the state of FIG. 2B, charging of the existing positive electrode active material having a high charge / discharge potential further proceeds. On the other hand, charging proceeds similarly in the negative electrode. In practice, the reversible capacity of the negative electrode is slightly increased, but for the sake of clarity, the reversible capacity is schematically shown as balanced. The same applies to other cases (FIG. 3C). When both the positive and negative active materials are fully charged, the initial charging is completed. As described above, when charging at a high potential exceeding 4.5 V on the basis of lithium metal, Li 2 O is released from the positive electrode active material as a result of the progress of charging, and the irreversible capacity (= initial loss capacity 31a ) Part is formed. Incidentally, while the initial charge electricity amount (first charge amount) of the solid solution used in Example 1 described later is as high as 340 mAh / g, the initial discharge electricity amount is about 256 mAh / g. It can be said that the irreversible capacity (= initial loss capacity) portion released as 2 O is considerably large as shown.

図2(d)は、既存のリチウムイオン二次電池での初期放電が完了した状態を示す図である。次に初期充電が完了した電池の初期放電を開始すると、正極においては、理論容量31のうち、可逆容量に対応する分31bのみの放電が進行し、正極活物質の初期ロス容量31aに対応する負極側の初期ロス容量対応容量分33aの放電は行われない。   FIG. 2D is a diagram illustrating a state where the initial discharge in the existing lithium ion secondary battery is completed. Next, when the initial discharge of the battery that has been initially charged is started, in the positive electrode, only the portion 31b corresponding to the reversible capacity of the theoretical capacity 31 proceeds, and corresponds to the initial loss capacity 31a of the positive electrode active material. The discharge of the capacity 33a corresponding to the initial loss capacity on the negative electrode side is not performed.

このように、固溶体系の高容量正極材料を使用すると、電池の充放電容量に寄与できない大量の負極材料が必要となる上、初期の充電に必要な電気量に比べて放電できる電気容量がかなり小さくなってしまい初期の充放電効率が低くなる。また、上記正極活物質の初期ロス容量31a及び対応する負極側の初期ロス容量対応容量分33aは、2サイクル目以降の充放電にも寄与し得ないため、電池の電気容量及びエネルギー密度を大きくできない問題があった。   As described above, when a high capacity positive electrode material of a solid solution system is used, a large amount of negative electrode material that cannot contribute to the charge / discharge capacity of the battery is required, and the electric capacity that can be discharged is considerably larger than the amount of electricity required for the initial charge. It becomes small and initial charge / discharge efficiency becomes low. In addition, since the initial loss capacity 31a of the positive electrode active material and the corresponding capacity portion 33a corresponding to the initial loss capacity on the negative electrode side cannot contribute to charge and discharge after the second cycle, the electric capacity and energy density of the battery are increased. There was a problem that could not be done.

一方、図3(a)は、本発明のリチウムイオン二次電池での電池作製直後(即ち、電池構成段階)の状態を示す図である。本発明では、図2に示す問題を解決するために、正極に充電状態の第二の活物質をあわせて使用することにより、初期の充電のみで使用される負極の容量を活用できるようにしたものである。なお、図2で説明したと同様に、当該電池電圧には極微量の不純物なども関与しているものと考えられる。即ち、図中の符号41のブロックは、図2の正極活物質と同じ固溶体系正極活物質材料を用いてなる第1の正極活物質の理論容量の大きさを示す。符号42のブロックは、第二の正極活物質の理論容量の大きさを示す。また、符号43のブロックは、図2と同様の負極活物質の理論容量の大きさを示す。   On the other hand, Fig.3 (a) is a figure which shows the state immediately after battery production (namely, battery structure stage) in the lithium ion secondary battery of this invention. In the present invention, in order to solve the problem shown in FIG. 2, the capacity of the negative electrode used only in the initial charge can be utilized by using the second active material in the charged state together with the positive electrode. Is. As described with reference to FIG. 2, it is considered that a very small amount of impurities are involved in the battery voltage. That is, the block denoted by reference numeral 41 in the drawing indicates the theoretical capacity of the first positive electrode active material using the same solid solution positive electrode active material as the positive electrode active material of FIG. A block denoted by reference numeral 42 represents the theoretical capacity of the second positive electrode active material. A block denoted by reference numeral 43 indicates the theoretical capacity of the negative electrode active material similar to that shown in FIG.

図3(b)は、本発明のリチウムイオン二次電池での初期充電の中間充電状態を示す図である。初期充電を開始すると、正極及び負極活物質の充電が進行する。特に正極では、第2の正極活物質は既に充電が完了した状態(満充電状態)となっているので、第1の正極活物質材料の充電が進行する。   FIG.3 (b) is a figure which shows the intermediate charge state of the initial stage charge in the lithium ion secondary battery of this invention. When initial charging is started, charging of the positive electrode and the negative electrode active material proceeds. In particular, in the positive electrode, since the second positive electrode active material has already been fully charged (full charge state), charging of the first positive electrode active material proceeds.

図3(c)は、本発明のリチウムイオン二次電池での初期充電が完了した状態(満充電状態)を示す図である。図3(b)の状態からさらに初期充電を続けると、高い充放電電位を有する第1の正極活物質材料の充電が更に進行する。一方、負極においても同様に充電が進行する。正負極双方の活物質が完全に充電されると、初期充電は完了する。上記したようにリチウム金属基準で4.5Vを超える高電位で充電する場合には、充電の進行と共に、LiOが結果として正極活物質材料中から放出され、不可逆容量(=初期ロス容量41a)部分が形成される。 FIG.3 (c) is a figure which shows the state (full charge state) in which the initial charge in the lithium ion secondary battery of this invention was completed. When the initial charging is further continued from the state of FIG. 3B, charging of the first positive electrode active material having a high charge / discharge potential further proceeds. On the other hand, charging proceeds similarly in the negative electrode. When both the positive and negative active materials are fully charged, the initial charging is completed. As described above, when charging is performed at a high potential exceeding 4.5 V on the basis of lithium metal, Li 2 O is released from the positive electrode active material as a result of the progress of charging, and the irreversible capacity (= initial loss capacity 41a ) Part is formed.

図3(d)は、本発明のリチウムイオン二次電池での初期放電の中間放電状態を示す図である。次に初期充電が完了した電池の初期放電を開始すると、正極においては、第1の正極活物質の理論容量41のうち、可逆容量に対応する分41bの放電が進行し、第1の正極活物質の初期ロス容量41aに対応する負極側の初期ロス容量対応容量分43aが残る。本発明では、第1の正極活物質の可逆容量分の他に、更に第2の正極活物質の容量分42が充電状態(可逆容量)で存在する。そのため、第1の正極活物質の初期ロス容量41aに対応する負極側の初期ロス容量対応容量43aを、電池構成段階で充電状態で加えられていた第2の正極活物質が引き受けて放電を継続することができる。   FIG.3 (d) is a figure which shows the intermediate discharge state of the initial stage discharge in the lithium ion secondary battery of this invention. Next, when the initial discharge of the battery that has been initially charged is started, in the positive electrode, the discharge of the portion 41b corresponding to the reversible capacity out of the theoretical capacity 41 of the first positive electrode active material proceeds, and the first positive electrode active A negative-side initial loss capacity corresponding capacity 43a corresponding to the initial loss capacity 41a of the substance remains. In the present invention, in addition to the reversible capacity of the first positive electrode active material, the capacity 42 of the second positive electrode active material is present in a charged state (reversible capacity). Therefore, the negative electrode side initial loss capacity correspondence capacity 43a corresponding to the initial loss capacity 41a of the first positive electrode active material is accepted by the second positive electrode active material added in the charged state at the battery configuration stage and continues to discharge. can do.

図3(e)は、本発明のリチウムイオン二次電池での初期放電が完了した状態を示す図である。図3(d)の状態からさらに初期充電を続けると、正極においては、第2の正極活物質の容量分42の放電が進行し、負極においては、正極活物質の初期ロス容量41aに対応する負極側の初期ロス容量対応容量分43aの放電が進行する。正負極双方の活物質の可逆容量分が完全に放電されると、初期放電は完了する。このように、本発明では、初期充放電効率の低い固溶体系の高容量正極材料を用いても、電池の充放電容量に寄与できない大量の負極材料が生じることなく活用でき、初期の充放電効率を高めることができる。また、第2回目以降の充放電時には、初期ロス容量分41aに変えて、第2の正極活物質の容量分42が有効活用できる。また第2回目以降の充放電では、初期ロス容量41aのような大きな不可逆容量分の形成が認められないことも判明した(図7の実施例1、5及び比較例1における第2回目の放電曲線を対比参照のこと。)。そのため、第2回目以降も高充放電効率を保持することができ、長期間にわたって電池の電気容量及びエネルギー密度向上を達成することができる。   FIG. 3 (e) is a diagram showing a state in which initial discharge in the lithium ion secondary battery of the present invention has been completed. When the initial charge is further continued from the state of FIG. 3D, the discharge of the second positive electrode active material capacity 42 proceeds in the positive electrode, and the negative electrode corresponds to the initial loss capacity 41a of the positive electrode active material. Discharge of the capacity 43a corresponding to the initial loss capacity on the negative electrode side proceeds. When the reversible capacity of both the positive and negative active materials is completely discharged, the initial discharge is completed. As described above, in the present invention, even when a high capacity positive electrode material of a solid solution system having a low initial charge / discharge efficiency is used, it can be utilized without generating a large amount of negative electrode material that cannot contribute to the charge / discharge capacity of the battery. Can be increased. In addition, during the second charge and discharge, the capacity 42 of the second positive electrode active material can be effectively utilized instead of the initial loss capacity 41a. It was also found that the second and subsequent charging / discharging did not form a large irreversible capacity such as the initial loss capacity 41a (the second discharging in Examples 1 and 5 and Comparative Example 1 in FIG. 7). (See contrast curve.) Therefore, high charge / discharge efficiency can be maintained even after the second time, and an improvement in the electric capacity and energy density of the battery can be achieved over a long period of time.

また、図3では、正極においては、便宜的に第1の正極活物質と第2の正極活物質が順に充放電されていくように表しているが、実際の充放電では、第1の正極活物質と第2の正極活物質が平行して充放電されうるものであってもよい。   In FIG. 3, for the sake of convenience, the first positive electrode active material and the second positive electrode active material are sequentially charged and discharged in the positive electrode, but in the actual charge and discharge, the first positive electrode active material is shown. The active material and the second positive electrode active material may be charged and discharged in parallel.

また、図3では、第1の正極活物質及び第2の正極活物質、更には負極活物質の初期放電が完全に行われるように表しているが、本発明の技術的範囲がこれらに限定されるわけではない。意図的に負極(活物質層)の容量(理論容量)と正極(活物質層)の容量(理論容量)が異なるように設計することもあり、そうした場合には、より大きな容量とされた電極側では一部未充電状態とされる場合もある。   FIG. 3 shows that the first positive electrode active material, the second positive electrode active material, and further the initial discharge of the negative electrode active material are completely performed. However, the technical scope of the present invention is limited to these. It is not done. In some cases, the capacity (theoretical capacity) of the negative electrode (active material layer) and the capacity (theoretical capacity) of the positive electrode (active material layer) are intentionally different. On the side, it may be partially uncharged.

尚、本発明では、従来のリチウムイオン電池に係る発明と同様に、電池を構成する段階=製品段階での状態を発明品として規定しており、わざわざ電池を構成する段階なる要件を加える必要性はないといえる。しかしながら、例えば、上記図2、3で説明したような初期の充放電を行った電池を製品(=発明品)とした場合、即ち、初期の充放電を行うことを発明の構成要件(製品製造段階)としている場合にも、本発明の技術範囲(権利範囲)に含まれるものであることを明確にするために、電池を構成する段階との要件を規定したものである。よって、上記したように本発明の同様の主要正極活物質の構成を具備する電池製造段階、あるいは電極製造段階において、初期の充放電を行うことを要件とするものについても、本発明の技術範囲(権利範囲)に含まれるものであることはいうまでもない。電極製造段階を含めたのは、図3で示す電池構成に変えて、例えば、負極側を適当な対象電極として、正極のみ本発明の構成電極として、初期の充放電を行うことによっても、図3で説明したと同様のメカニズムが正極側でなされるためである。従って、こうした正極を用いて電池を構成したものも本発明に含まれるものとする。この際の「電池を構成する段階」とは、初期の充放電を行う前の正極製造段階を指すことはいうまでもない。即ち、初期の充放電を行う前の正極製造段階において、第一の正極活物質が放電状態であり、第二の正極活物質が充電状態であればよい。よって、初期の充放電を行った後の正極を用いて組み立てられた電池(第2回目の充電前の状態)では、第一正極活物質及び第二の正極活物質のいずれも放電状態となっているものといえる。こうした電池も本発明の技術範囲に含まれるものである。   In the present invention, as in the case of the conventional lithium ion battery, the stage of configuring the battery = the state at the product stage is defined as the product of the invention, and it is necessary to bother the requirement to construct the battery. It can be said that there is no. However, for example, when a battery that has been initially charged and discharged as described with reference to FIGS. 2 and 3 is a product (= invention product), that is, the initial charge / discharge is performed as a constituent requirement of the invention (product manufacturing). In order to clarify that it is included in the technical scope (right range) of the present invention, the requirements for the stage of configuring the battery are defined. Therefore, as described above, the technical scope of the present invention also applies to the requirement of performing initial charge / discharge in the battery manufacturing stage or the electrode manufacturing stage having the same main positive electrode active material configuration of the present invention. Needless to say, it is included in the scope of rights. The electrode manufacturing stage is included in the battery configuration shown in FIG. 3, for example, by performing initial charge and discharge by using the negative electrode side as an appropriate target electrode and only the positive electrode as the constituent electrode of the present invention. This is because the same mechanism as described in 3 is performed on the positive electrode side. Therefore, what constituted the battery using such a positive electrode shall also be included in this invention. Needless to say, the “stage of constituting the battery” in this case refers to the positive electrode manufacturing stage before the initial charge / discharge. That is, in the positive electrode manufacturing stage before initial charge / discharge, the first positive electrode active material may be in a discharged state and the second positive electrode active material may be in a charged state. Therefore, in the battery assembled using the positive electrode after the initial charge / discharge (the state before the second charge), both the first positive electrode active material and the second positive electrode active material are in a discharged state. It can be said that. Such a battery is also included in the technical scope of the present invention.

本発明では、主要正極活物質が2種類からなり、第1の正極活物質が、電池構成段階で放電状態であり、第2の正極活物質が電池構成段階で充電状態であればよい。好ましくは、第1の正極活物質としては、電池の電気容量及びエネルギー密度を高めることができるように、200mAh/gを超える大きな電気容量を持つ高容量材料として期待されている固溶体系正極材料を用いるのが望ましい。一方、第2の正極活物質としては、第1の正極活物質と異なる種類ものであって、電池構成段階で充電状態であるものならば特に制限されるものではなく、従来公知の各種正極活物質を幅広く利用することができる。好ましくは、第1の正極活物質、特に高容量の固溶体系正極材料のように初期充放電効率が低い材料でないものが望ましい。以下、本発明の特徴的な構成要件である主要正極活物質を中心に詳しく説明する。   In the present invention, the main positive electrode active material is composed of two types, the first positive electrode active material may be in a discharged state at the battery configuration stage, and the second positive electrode active material may be in a charged state at the battery configuration stage. Preferably, the first positive electrode active material is a solid solution positive electrode material that is expected as a high-capacity material having a large electric capacity exceeding 200 mAh / g so that the electric capacity and energy density of the battery can be increased. It is desirable to use it. On the other hand, the second positive electrode active material is not particularly limited as long as it is of a different type from the first positive electrode active material and is in a charged state at the battery construction stage. A wide range of substances can be used. Preferably, the first positive electrode active material, particularly a material having a low initial charge / discharge efficiency, such as a high capacity solid solution positive electrode material, is desirable. Hereinafter, the main positive electrode active material which is a characteristic constituent feature of the present invention will be described in detail.

(第1の正極活物質)
本発明に用いることのできる第1の正極活物質は、主要正極活物質の1種であって電池構成段階で放電状態である。好ましくは、上記したように電池の電気容量及びエネルギー密度を高めることができるように、200mAh/gを超える大きな電気容量を持つ高容量材料として期待されている固溶体系正極材料を用いるのが望ましい。具体的には、下記一般式
(First positive electrode active material)
The first positive electrode active material that can be used in the present invention is one of the main positive electrode active materials, and is in a discharged state at the battery construction stage. Preferably, it is desirable to use a solid solution positive electrode material that is expected as a high-capacity material having a large electric capacity exceeding 200 mAh / g so that the electric capacity and energy density of the battery can be increased as described above. Specifically, the following general formula

(ここで、xは0<x<1であり、Mは平均酸化状態が3の1つ以上の遷移金属で、 は平均酸化状態が4である1つ以上の遷移金属である。)で表される、いわいる固溶体系の高容量正極材料が望ましい。一般式:xLiMO・(1−x)Li で表されるいわいる固溶体系の正極材料を用いるリチウムイオン電池において電池構成段階(電池作製時)にすでに充電状態にある第二の正極材料を合わせて正極活物質として用いることにより、負極の容量を有効活用でき、電池で容量が大きく、エネルギー密度に優れるリチウムイオン電池を構成できるためである。 (Where x is 0 <x <1, M is one or more transition metals with an average oxidation state of 3 + , and M 1 is one or more transition metals with an average oxidation state of 4 + The so-called solid-solution high-capacity positive electrode material represented by. In a lithium ion battery using a positive electrode material of the so-called solid solution system represented by the general formula: xLiMO 2 · (1-x) Li 2 M 1 O 3 , the battery is already charged at the battery construction stage (at the time of battery preparation). This is because the negative electrode capacity can be effectively utilized by using the positive electrode materials together as a positive electrode active material, and a lithium ion battery having a large capacity and excellent energy density can be configured.

ここで、上記式中のxは、0<x<1を満たす数であればよい。   Here, x in the above formula may be a number satisfying 0 <x <1.

また、上記一般式:xLiMO・(1−x)Li で表される固溶体のうちの電気化学的に活性な、LiMOのMとしては、平均酸化状態が3である1つ以上の遷移金属であればよく、特に制限されるものではない。前記式中のMとしては、Mn、Ni、Co、Fe、V、Crから選ばれてなる1種類以上の元素であればよいが、好ましくは、Mn、Ni、CoおよびFeから選ばれてなる1種類以上の元素が望ましい。これらの遷移金属を用いる場合には、より高容量で、高エネルギー密度のリチウムイオン電池を製造できるからである。 In addition, as the M of LiMO 2 which is electrochemically active in the solid solution represented by the above general formula: xLiMO 2 · (1-x) Li 2 M 1 O 3 , the average oxidation state is 3 + There is no particular limitation as long as it is one or more transition metals. M in the above formula may be one or more elements selected from Mn, Ni, Co, Fe, V, and Cr, but preferably selected from Mn, Ni, Co, and Fe. One or more elements are desirable. This is because when these transition metals are used, a lithium ion battery having a higher capacity and a higher energy density can be produced.

上記一般式:xLiMO・(1−x)Li で表される固溶体のうちの電気化学的に不活性な、Li としては、平均酸化状態が4である1つ以上の遷移金属であればよく、特に制限されるものではない。前記式中の としては、Mn、Zr、Tiから選ばれてなる1種類以上の元素であればよい。これらの遷移金属を用いる場合には、より高容量で、高エネルギー密度のリチウムイオン電池を製造できるからである。 The general formula: xLiMO 2 · (1-x ) Li 2 M 1 O 3 in an electrochemically inert of solid solution represented as the M 1 of Li 2 M 1 O 3, average oxidation state It may be one or more transition metals that are 4 + and is not particularly limited. M 1 in the above formula may be one or more elements selected from Mn, Zr, and Ti. This is because when these transition metals are used, a lithium ion battery having a higher capacity and a higher energy density can be produced.

また、上記一般式:xLiMO・(1−x)Li で表される固溶体の作製方法としては、特に制限されるものではなく、従来公知の作製方法を適宜利用して行うことができる。例えば、実施例に示すように、複合炭酸塩法を用い以下のように行うことができる。即ち、上記式中のM及び に相当する金属元素の各硫酸金属塩、硝酸金属塩など、例えば、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンを所定量秤量し、これらの混合溶液を調製して、これにアンモニア水をpH7になるまで滴下して、さらにNaCO溶液を滴下して、Ni−Co−Mnの複合炭酸塩(ただし、上記式中のM及び の組み合わせにより当該M− の金属複合炭酸塩の種類は異なる)を沈殿させ、吸引ろ過後、水洗して、所定の温度、時間で(例えば、120℃にて5時間)乾燥する。これを所定の温度、時間で(例えば、500℃にて5時間)仮焼成する。これに小過剰のLiOH・HOを加えて、自動乳鉢で所定時間(例えば、30分間)混合した。このあと、所定の温度、時間で(例えば、900℃にて12時間)本焼成してから、液体窒素を用い急速冷却することで、上記一般式:xLiMO・(1−x)Li で表される固溶体を作製することができる。なお、最後の液体窒素を用いた急速冷却は、特に必要ないが、かかる処理を行うことで、固溶体状態が非常に綺麗なものを作製することができる点で有用な処理操作と言えるものである。 Further, the method for producing the solid solution represented by the general formula: xLiMO 2 · (1-x) Li 2 M 1 O 3 is not particularly limited, and a conventionally known production method is appropriately used. be able to. For example, as shown in the Examples, the composite carbonate method can be used as follows. That is, a predetermined amount of, for example, nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate, each of which is a metal element corresponding to M and M 1 in the above formula, such as nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate, is prepared to prepare a mixed solution thereof. Then, ammonia water was added dropwise to this until pH 7 was reached, and then a Na 2 CO 3 solution was further added dropwise to form a complex carbonate of Ni—Co—Mn (however, the M and M 1 in the above formulas indicate the M - type of the metal complex carbonate of M 1 is precipitated different), after suction filtration, washed with water, a predetermined temperature, a time (e.g., 5 hours at 120 ° C.) and dried. This is calcined at a predetermined temperature and time (for example, at 500 ° C. for 5 hours). A small excess of LiOH.H 2 O was added thereto and mixed for a predetermined time (for example, 30 minutes) in an automatic mortar. Thereafter, the main calcination is performed at a predetermined temperature and time (for example, at 900 ° C. for 12 hours) and then rapidly cooled using liquid nitrogen, whereby the above general formula: xLiMO 2 · (1-x) Li 2 M A solid solution represented by 1 O 3 can be produced. The last rapid cooling using liquid nitrogen is not particularly necessary, but can be said to be a useful processing operation in that a solid solution can be produced with a very beautiful state by performing such processing. .

なお、上記一般式:xLiMO・(1−x)Li で表される固溶体の同定は、後述する実施例で行ったような、X線回折(XRD)、誘導結合プラズマ(ICP)元素分析を用いて分析することができる。 The solid solution represented by the above general formula: xLiMO 2 · (1-x) Li 2 M 1 O 3 is identified by X-ray diffraction (XRD), inductively coupled plasma (as in the examples described later). ICP) can be analyzed using elemental analysis.

(第2の正極活物質)
本発明に用いることのできる第2の正極活物質は、主要正極活物質の1種であって第1の正極活物質と異なる種類ものであって、電池構成段階で(電池製造時に)充電状態にあればよい。よって、従来公知の各種正極活物質を幅広く利用することができるものであり、特に制限されるものではないが、第1の正極活物質、特に高容量の固溶体系正極材料のように初期充放電効率が低い材料でないものが望ましい。
(Second positive electrode active material)
The second positive electrode active material that can be used in the present invention is one of the main positive electrode active materials and is different from the first positive electrode active material, and is charged at the battery configuration stage (at the time of battery manufacture). If it is in. Accordingly, various types of conventionally known positive electrode active materials can be widely used, and although there is no particular limitation, initial charge and discharge like the first positive electrode active material, particularly a high capacity solid solution system positive electrode material. Materials that are not less efficient are desirable.

具体的には、第二の正極活物質は、電池を構成する段階での充電状態が、リチウム金属に対して5Vから2Vの電位範囲の放電により活物質内に吸蔵可能なリチウム全量に対して、リチウムを70%以上取り込める充電状態にあるものが望ましい。これは、正極活物質は、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸蔵して正極活物質内部に取り込む。そのため満充電状態では正極活物質内のリチウムが実質的に100%放出され、リチウム吸蔵部位は空の状態(=リチウムを100%取り込める充電状態)になっている。逆に所定電位(2V)までほぼ完全に放電した状態では、正極活物質内のリチウム吸蔵部位にリチウムを吸蔵して(取り込んで)、ほぼ満充填状態(=それ以上、リチウムを取り込む余地がない放電状態)になっている。よって、上記に規定する要件を言い換えれば、第二の正極活物質は、電池構成段階での充電状態がリチウム金属に対して2Vから5Vの電位範囲の放電容量に対して70%以上の充電状態が好ましいといえる。電池構成段階(電池製造時)の充電状態が低すぎると本発明の効果が小さいためである。   Specifically, the second positive electrode active material is charged with respect to the total amount of lithium that can be occluded in the active material by discharging in a potential range of 5 V to 2 V with respect to lithium metal. It is desirable that the battery is in a charged state capable of taking in 70% or more of lithium. This is because the positive electrode active material releases lithium ions during charging, occludes lithium ions during discharge, and takes them into the positive electrode active material. Therefore, substantially 100% of the lithium in the positive electrode active material is released in the fully charged state, and the lithium occlusion site is in an empty state (= a charged state in which 100% of lithium can be taken up). On the other hand, in a state where the battery is almost completely discharged to a predetermined potential (2 V), lithium is occluded (taken in) in the lithium occlusion site in the positive electrode active material, and there is no room for lithium to be taken up (= more than that) (Discharged state). Therefore, in other words, the second positive electrode active material has a charge state of 70% or more with respect to a discharge capacity in a potential range of 2 V to 5 V with respect to lithium metal in the second positive electrode active material. Is preferable. This is because the effect of the present invention is small if the state of charge at the battery construction stage (battery manufacturing) is too low.

従って、より好ましくはリチウムを85%以上、特に好ましくはリチウムを実質的に100%取り込める充電状態のもの、即ち、後述するように実質的にリチウムを含まないものが更に好ましい。換言すれば、リチウム金属に対して2Vから5Vの電位範囲の放電容量に対して、より好ましくは85%以上、特に好ましくは実質的に100%充電状態のものが更に好ましいともいえる。   Accordingly, it is more preferable to use a charged state in which lithium is taken in by 85% or more, and particularly preferably substantially 100% lithium, that is, a material that does not substantially contain lithium as described later. In other words, it can be said that it is more preferably 85% or more, particularly preferably substantially 100% charged state with respect to the discharge capacity in the potential range of 2V to 5V with respect to lithium metal.

また、第2の正極活物質として、充放電容量が大きいものは、作製するリチウムイオン電池のエネルギー密度を大きくできることから、実質的にリチウムを含まず、充放電容量が大きいものが特に望ましいものである。こうした充放電容量が大きく高い充電状態の第二の正極活物質を併用することで、より高容量で、高エネルギー密度のリチウムイオン電池を製造できる点で優れている。   In addition, as the second positive electrode active material, a material having a large charge / discharge capacity can increase the energy density of a lithium ion battery to be produced, and therefore, a material that does not substantially contain lithium and has a large charge / discharge capacity is particularly desirable. is there. The combined use of the second positive electrode active material in a charged state with a large charge / discharge capacity is superior in that a lithium ion battery having a higher capacity and a higher energy density can be produced.

こうした観点から、上記電池構成段階で充電状態である第2の正極活物質は、実質的にリチウムを含まないことが望ましい。ここでいう、「実質的に」とは、第2の正極活物質全量に対して5質量%以下のリチウムの混入が許容されるものとする。但し、本発明の作用効果を損なうことのないものであれば、上記に規定する範囲を超えて実質的にリチウムを含む活物質材料を第2の正極活物質として用いてもよいことはいうまでもない。   From such a viewpoint, it is desirable that the second positive electrode active material that is in a charged state in the battery configuration stage substantially does not contain lithium. Here, “substantially” means that 5% by mass or less of lithium is allowed to be mixed with respect to the total amount of the second positive electrode active material. However, it goes without saying that an active material material substantially containing lithium may be used as the second positive electrode active material beyond the range specified above as long as the effects of the present invention are not impaired. Nor.

こうした実質的にリチウムを含まない第二の正極活物質としては、特に制限されるものではないが、好ましくは、遷移金属の酸化物、リン酸化合物、硫酸化合物、タングステン酸化合物、モリブデン酸化合物およびバナジン酸化合物から選ばれる1種類以上のものからなるものが望ましい。リチウムを実質的に含まない効果的な第二の正極活物質となりうるためである。かかる第二の正極活物質を併せて使用することにより、高容量で、高エネルギー密度のリチウムイオン電池を製造できる。   The second positive electrode active material which does not substantially contain lithium is not particularly limited, but is preferably an oxide of a transition metal, a phosphoric acid compound, a sulfuric acid compound, a tungstic acid compound, a molybdic acid compound and What consists of one or more types chosen from a vanadic acid compound is desirable. This is because it can be an effective second positive electrode active material substantially free of lithium. By using this second positive electrode active material together, a lithium ion battery having a high capacity and a high energy density can be produced.

上記遷移金属の酸化物としては、特に制限されるものではなく、例えば、二酸化マンガン、五酸化バナジウムなどのバナジウム酸化物などを用いることができる。なかでも充放電容量も大きく、酸化還元電位も適切である二酸化マンガンは、好ましい第二正極活物質として用いることができる。二酸化マンガンを第二の正極活物質として使用することにより、より一層高容量で、高エネルギー密度のリチウムイオン電池を製造できる点で優れている。   The transition metal oxide is not particularly limited, and for example, vanadium oxides such as manganese dioxide and vanadium pentoxide can be used. Among these, manganese dioxide having a large charge / discharge capacity and appropriate oxidation-reduction potential can be used as a preferred second positive electrode active material. The use of manganese dioxide as the second positive electrode active material is excellent in that a lithium ion battery having a higher capacity and a higher energy density can be produced.

上記リン酸化合物としては、特に制限されるものではなく、例えば、FePOなどを用いることができる。酸化還元電位が適切であるFe(SOは、好ましい第二正極活物質として用いることができる。 The phosphoric acid compound is not particularly limited, and for example, FePO 4 can be used. Fe 2 (SO 4 ) 3 having an appropriate redox potential can be used as a preferred second positive electrode active material.

第2の正極活物質の含有量は、正極活物質全量に対して5〜50質量%、好ましくは10〜40質量%である。第2の正極活物質の含有量が5質量%以上の場合には、第1の正極活物質との配合バランスに優れ、第1の正極活物質の初期ロス容量に見合う充電状態の第二の正極活物質による充電容量を確保することができる。その結果、電池容量に寄与しない負極活物質量をより一層低減でき、リチウムイオン電池の電気容量及びエネルギー密度を増加できる。また、第2正極活物質の含有量が50質量%以下の場合には、正極活物質の質量が大幅に増えないほか、高容量の第1の正極活物質を所定量確保することができ、第1の正極活物質との配合バランスに優れ、第一の正極活物質の初期の充放電効率が低くても、正極の単位質量当たりの蓄えられる電気量を大きくでき、高エネルギーの電池を提供できる点で優れている。   Content of a 2nd positive electrode active material is 5-50 mass% with respect to positive electrode active material whole quantity, Preferably it is 10-40 mass%. When the content of the second positive electrode active material is 5% by mass or more, the blending balance with the first positive electrode active material is excellent, and the second charged state corresponding to the initial loss capacity of the first positive electrode active material is obtained. The charge capacity by the positive electrode active material can be ensured. As a result, the amount of the negative electrode active material that does not contribute to the battery capacity can be further reduced, and the electric capacity and energy density of the lithium ion battery can be increased. In addition, when the content of the second positive electrode active material is 50% by mass or less, the mass of the positive electrode active material is not significantly increased, and a predetermined amount of the high-capacity first positive electrode active material can be secured, Provides a high-energy battery that has an excellent blending balance with the first positive electrode active material and can increase the amount of electricity stored per unit mass of the positive electrode even if the initial charge / discharge efficiency of the first positive electrode active material is low. It is excellent in that it can be done.

本発明では、正極活物質として、上記した充電状態と放電状態の2種類の主要正極活物質のいずれかに区分(分類)される。但し、必要に応じて他の正極活物質を含んでいてもよい。   In the present invention, the positive electrode active material is classified (classified) into one of the two main positive electrode active materials, that is, the above-described charged state and discharged state. However, other positive electrode active materials may be included as necessary.

以上が、本発明のリチウムイオン電池の特徴的な構成要件に関する説明であり、他の構成要件に関しては特に制限されるものではない。よって、以下では、本発明のリチウムイオン電池の特徴的な構成要件以外の他の構成要件に関し、図1を用いて説明した代表的なリチウムイオン電池の構成要件を中心に説明する。ただし、本発明は、がこれらに制限されるものではない。   The above is the description regarding the characteristic structural requirements of the lithium ion battery of the present invention, and the other structural requirements are not particularly limited. Therefore, in the following, the configuration requirements other than the characteristic configuration requirements of the lithium ion battery of the present invention will be described focusing on the configuration requirements of the typical lithium ion battery described with reference to FIG. However, the present invention is not limited to these.

[集電体(正極集電体及び負極集電体)]
正極集電体11及び負極集電体14としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを適宜利用することができる。具体的には、鉄、クロム、ニッケル、マンガン、チタン、モリブデン、バナジウム、ニオブ、アルミニウム、銅、銀、金、白金およびカーボンよりなる群から選ばれてなる少なくとも1種類の集電体材料で構成された集電体を用いることができる。
[Current collector (positive electrode current collector and negative electrode current collector)]
The positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 14 are not particularly limited, and conventionally known ones can be appropriately used. Specifically, it is composed of at least one current collector material selected from the group consisting of iron, chromium, nickel, manganese, titanium, molybdenum, vanadium, niobium, aluminum, copper, silver, gold, platinum, and carbon. Current collectors can be used.

正極集電体11及び負極集電体14の厚さは、特に限定されないが、いずれの集電体も通常は1〜100μm、好ましくは5〜20μm程度である。但し、上記範囲を外れる場合であっても、本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、本発明の技術範囲に含まれるものである。   The thicknesses of the positive electrode current collector 11 and the negative electrode current collector 14 are not particularly limited, but each current collector is usually about 1 to 100 μm, preferably about 5 to 20 μm. However, even if it is outside the above range, it is included in the technical scope of the present invention as long as it does not impair the effects of the present invention.

[電極(正極及び負極)]
正極(正極活物質層)12および負極(負極活物質層)15の構成は、上記した本発明の特徴的構成である主要正極活物質を用いているものであればよく、そのほかの構成に関しては、特に限定されず、公知の負極が適用可能である。
[Electrodes (positive electrode and negative electrode)]
The configuration of the positive electrode (positive electrode active material layer) 12 and the negative electrode (negative electrode active material layer) 15 may be any as long as it uses the main positive electrode active material which is the characteristic configuration of the present invention described above. There is no particular limitation, and a known negative electrode can be applied.

正極活物質は、本発明の特徴的構成である主要正極活物質を用いていればよく、該主要正極活物質に関しては既に説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。   As the positive electrode active material, it is only necessary to use the main positive electrode active material which is a characteristic configuration of the present invention. Since the main positive electrode active material has already been described, the description thereof is omitted here.

負極活物質としては、特に制限されるものではなく、電池の種類や使用用途に応じて適宜選択すればよい。通常リチウムイオン二次電池に用いられている負極活物質なら何でもよい。具体的には、カーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物を好適に用いることができる。上記負極活物質材料であるカーボンもしくはリチウム−遷移金属複合酸化物としては、特に制限されるものではなく、天然黒鉛、人造黒鉛、ソフトカーボンやハードカーボン(難黒鉛化炭素材料)等の結晶性炭素材や非結晶性炭素材等のカーボン;リチウム−スズ合金、リチウム−シリコン合金、さらにこれらに他の元素を添加したリチウム合金;リチウム−チタン複合酸化物(チタン酸リチウム:LiTi12)などのリチウム−移金属複合酸化物などが挙げられるが、これらに何ら制限されるものではない。これらは1種単独で使用しても良いし、2種以上を併用しても良い。 The negative electrode active material is not particularly limited, and may be appropriately selected according to the type of battery and usage. Any negative electrode active material usually used in lithium ion secondary batteries may be used. Specifically, carbon or lithium-transition metal composite oxide can be preferably used. Carbon or lithium-transition metal composite oxide as the negative electrode active material is not particularly limited, and is a crystalline carbon such as natural graphite, artificial graphite, soft carbon or hard carbon (non-graphitizable carbon material). Carbon such as raw material and amorphous carbon material; lithium-tin alloy, lithium-silicon alloy, and lithium alloy obtained by adding other elements to these; lithium-titanium composite oxide (lithium titanate: Li 4 Ti 5 O 12 ), And the like. However, the present invention is not limited to these. These may be used alone or in combination of two or more.

物質それぞれの固有の効果を発現する上で最適な粒径が異なる場合には、それぞれの固有の効果を発現する上で最適な粒径同士をブレンドして用いればよく、全ての活物質の粒径を必ずしも均一化させる必要はない。   When the optimum particle size is different for expressing the unique effect of each substance, the optimum particle size for expressing each unique effect may be blended and used. It is not always necessary to make the diameter uniform.

正極(正極活物質層:片面)12の厚さは、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮して適宜決定すればよく、通常1〜500μm、好ましくは20〜300μm程度である。   The thickness of the positive electrode (positive electrode active material layer: one side) 12 may be appropriately determined in consideration of the intended use of the battery (evaluation of output, importance of energy, etc.) and ion conductivity, and is usually 1 to 500 μm, preferably 20 to It is about 300 μm.

負極(負極活物質層:片面)15の厚さは、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮して適宜決定すればよく、通常1〜500μm、好ましくは30〜200μm程度である。   The thickness of the negative electrode (negative electrode active material layer: one side) 15 may be appropriately determined in consideration of the intended use of the battery (output-oriented, energy-oriented, etc.) and ion conductivity, and is usually 1 to 500 μm, preferably 30 to 30 μm. It is about 200 μm.

正極(正極活物質層:片面)12及び負極(負極活物質層)15は、いずれも通常のスラリーを塗布(コーティング)する方法のほか、スパッタ、蒸着、CVD、PVD、イオンプレーティングおよび溶射のいずれかの方法によっても形成することができる。   The positive electrode (positive electrode active material layer: one side) 12 and the negative electrode (negative electrode active material layer) 15 are all made by sputtering, vapor deposition, CVD, PVD, ion plating, and thermal spraying, in addition to the usual method of applying (coating) slurry. It can be formed by any method.

電極(正極12および負極15)は、電子伝導性を高めるための導電助材、バインダ、リチウム塩を含む電解質(全固体ポリマー、ゲル、電解液など)が含まれ得る。   The electrodes (the positive electrode 12 and the negative electrode 15) may include an electrolyte (all solid polymer, gel, electrolyte solution, etc.) containing a conductive additive for enhancing electronic conductivity, a binder, and a lithium salt.

上記導電助材としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などが挙げられる。導電助剤を含ませることによって、電極で発生した電子の伝導性を高めて、電池性能を向上させることができる。   Examples of the conductive aid include acetylene black, carbon black, graphite, and carbon fiber. By including a conductive additive, the conductivity of electrons generated at the electrode can be increased, and the battery performance can be improved.

上記バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、スチレンブタジエンゴム、ポリイミドなどが挙げられる。ただし、これらに限られるわけではない。   Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVdF), styrene butadiene rubber, and polyimide. However, it is not necessarily limited to these.

全固体ポリマー電解質としては、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、それらの共重合体などのリチウム塩を含むイオン伝導性高分子(固体高分子電解質)などが挙げられる。   Examples of the all solid polymer electrolyte include ion conductive polymers (solid polymer electrolytes) including lithium salts such as polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof.

電解液の溶媒としては、プロピレンカーボネート、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、エチルメチルカーボネートなどから選ばれる非水溶媒が用いられるが、これらに限られるわけではない。また、種々の添加剤が用いられてもよい。   As the solvent for the electrolytic solution, a nonaqueous solvent selected from propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and the like is used, but is not limited thereto. Various additives may be used.

ゲル電解質は、PEOやPVdFなどのマトリックスポリマーに前述の電解液を含ませたものなどが利用できるがこれらに限られるわけではない。   As the gel electrolyte, a matrix polymer such as PEO or PVdF containing the above-described electrolyte solution can be used, but is not limited thereto.

使用されるリチウム塩は、電池の種類に応じて選択すればよい。電解質支持塩(リチウム塩)としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。 What is necessary is just to select the lithium salt used according to the kind of battery. The electrolyte supporting salt (lithium salt), LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, Li 2 B 10 Cl 10 inorganic acid anion salts such as, LiCF 3 SO 3, Li ( CF Organic acid anion salts such as 3 SO 2 ) 2 N and Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, or a mixture thereof can be used. However, it is not necessarily limited to these.

活物質、導電助材、バインダ、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性高分子、電解液など)、電解質支持塩(リチウム塩)などの電極の構成材料の配合量は、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮して決定することが好ましい。   The amount of electrode components such as active materials, conductive additives, binders, electrolytes (polymer matrix, ion conductive polymers, electrolytes, etc.), electrolyte support salts (lithium salts), etc. It is preferable to determine in consideration of ionic conductivity.

[電解質層]
電解質層としては、具体的には、従来公知の材料として、(a)高分子ゲル電解質(ゲルポリマー電解質)、(b)全固体高分子電解質(高分子固体電解質、無機固体型電解質)、(c)液体電解質(電解液)または(d)これら電解質を含浸させたセパレータ(不織布セパレータや、ポリエチレンやポリプロピレンの微多孔膜セパレータを含む)を用いることができる。
[Electrolyte layer]
Specifically, as the electrolyte layer, conventionally known materials include (a) polymer gel electrolyte (gel polymer electrolyte), (b) all solid polymer electrolyte (polymer solid electrolyte, inorganic solid electrolyte), ( c) Liquid electrolytes (electrolytic solutions) or (d) Separators impregnated with these electrolytes (including nonwoven fabric separators and polyethylene or polypropylene microporous membrane separators) can be used.

(a)ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)
ゲルポリマー電解質(高分子ゲル電解質)とは、ポリマーマトリックス中に電解液を保持させたものをいう。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、導電性高分子膜などの集電体層への電解質の流出をおさえ、各層間のイオン伝導性を遮断することが容易になる点で優れている。
(A) Gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte)
The gel polymer electrolyte (polymer gel electrolyte) refers to an electrolyte solution held in a polymer matrix. By using a gel polymer electrolyte as the electrolyte, the fluidity of the electrolyte is lost, and it is easy to cut off the ionic conductivity between each layer by suppressing the outflow of the electrolyte to the current collector layer such as a conductive polymer film. Is excellent.

高分子ゲル電解質として用いるポリマーマトリックス(高分子)ないしゲル電解質のホストポリマーとしては、たとえば、ポリエチレンオキシドを主鎖または側鎖に持つポリマー(PEO)、ポリプロピレンオキシドを主鎖または側鎖に持つポリマー(PPO)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメタクリル酸エステル、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体(PVdF−HFP)、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)およびそれらの共重合体が望ましく、中でもPEO、PPOおよびそれらの共重合体、あるいは、PVdF−HFPを用いることが望ましい。また、可塑剤としては通常リチウムイオン電池に用いられる電解液を用いることが可能である。かかる電解液とは、電解質塩を溶媒に溶かしたものであり、電解質としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種が、溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(GBL)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)およびそれらの混合物が望ましい。 Examples of the polymer matrix (polymer) used as the polymer gel electrolyte or the host polymer of the gel electrolyte include polymers having polyethylene oxide in the main chain or side chain (PEO), polymers having polypropylene oxide in the main chain or side chain ( PPO), polyethylene glycol (PEG), polyacrylonitrile (PAN), polymethacrylic acid ester, polyvinylidene fluoride (PVdF), a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVdF-HFP), poly (methyl methacrylate) ( PMMA) and copolymers thereof are desirable, and among them, PEO, PPO and copolymers thereof, or PVdF-HFP is desirably used. Moreover, as a plasticizer, it is possible to use the electrolyte solution normally used for a lithium ion battery. And such electrolyte, which electrolyte salt dissolved in a solvent, as the electrolyte, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, Li 2 B 10 Cl 10 inorganic acid anions such as As a solvent, at least one selected from organic acid anion salts such as ionic salt, LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, etc. Ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (GBL), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) and mixtures thereof are preferred.

本発明におけるゲル電解質中の電解液の割合としては、特に制限されるべきものではないが、イオン伝導度などの観点から、数質量%〜98質量%程度とするのが望ましい。本発明では、電解液の割合が70質量%以上の、電解液が多いゲル電解質について、特に効果がある。   The ratio of the electrolytic solution in the gel electrolyte in the present invention is not particularly limited, but is preferably about several mass% to 98 mass% from the viewpoint of ionic conductivity. The present invention is particularly effective for a gel electrolyte having a large amount of electrolytic solution in which the proportion of the electrolytic solution is 70% by mass or more.

(b)全固体型電解質(全固体高分子電解質、高分子固体電解質、無機固体型電解質)
電解質として全固体型電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、集電体層への電解質の流出がなくなり各層間のイオン伝導性を遮断することが可能になる点で優れている。
(B) All solid electrolyte (all solid polymer electrolyte, polymer solid electrolyte, inorganic solid electrolyte)
The use of an all solid electrolyte as the electrolyte is superior in that the fluidity of the electrolyte is lost, the electrolyte does not flow out to the current collector layer, and the ion conductivity between the layers can be blocked.

全固体高分子電解質としては、例えば、PEO、PPO、これらの共重合体などの公知の固体高分子電解質、セラミックなどのイオン伝導性を持つ無機固体型電解質が挙げられる。固体高分子電解質中には、イオン伝導性を確保するためにリチウム塩が含まれる。リチウム塩としては、LiBF、LiPF、LiN(SOCF、LiN(SO、またはこれらの混合物などが使用できる。 Examples of the all solid polymer electrolyte include known solid polymer electrolytes such as PEO, PPO, and copolymers thereof, and inorganic solid electrolytes having ion conductivity such as ceramics. The solid polymer electrolyte contains a lithium salt in order to ensure ionic conductivity. As the lithium salt, LiBF 4 , LiPF 6 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , or a mixture thereof can be used.

(c)液体電解質(電解液)
電解液とは、電解質塩を溶媒に溶かしたものが挙げられる。ここで、電解質としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種が、溶媒としては、EC、PC、GBL、DMC、DECおよびそれらの混合物が望ましい。
(C) Liquid electrolyte (electrolyte)
Examples of the electrolytic solution include those obtained by dissolving an electrolyte salt in a solvent. Here, as the electrolyte, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, Li 2 B 10 Cl 10 inorganic acid anion salts such as, LiCF 3 SO 3, Li ( CF 3 SO 2 ) At least one selected from organic acid anion salts such as 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, and the solvent is EC, PC, GBL, DMC, DEC and mixtures thereof Is desirable.

(d)上記電解質を含浸させたセパレータ(不織布セパレータ、ポリエチレンやポリプロピレンの微多孔膜セパレータを含む)
セパレータに含浸させることのできる電解質としては、既に説明した(a)〜(c)と同様のものを用いることができる。
(D) Separator impregnated with the above electrolyte (including non-woven separator, polyethylene or polypropylene microporous membrane separator)
As the electrolyte that can be impregnated in the separator, the same electrolytes as those already described (a) to (c) can be used.

上記セパレータとしては、例えば、上記電解質を吸収保持するポリマーからなる多孔性シートおよび不織布を挙げることができる。   Examples of the separator include a porous sheet and a nonwoven fabric made of a polymer that absorbs and holds the electrolyte.

多孔性シートとしては、例えば、微多孔質セパレータを用いることができる。該ポリマーとしては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン;PP/PE/PPの3層構造をした積層体、ポリイミド、アラミドが挙げられる。上記セパレータの厚みとして、使用用途により異なることから一義的に規定することはできないが、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)、燃料電池自動車(FCV)などのモータ駆動用二次電池などの用途においては、単層あるいは多層で4〜60μmであることが望ましい。上記セパレータの微細孔径は、最大で1μm以下(通常、数十nm程度の孔径である)、その空孔率は20〜80%であることが望ましい。   As the porous sheet, for example, a microporous separator can be used. Examples of the polymer include polyolefins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); laminates having a three-layer structure of PP / PE / PP, polyimide, and aramid. The thickness of the separator cannot be unambiguously defined because it varies depending on the intended use, but a secondary battery for driving a motor such as an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a fuel cell vehicle (FCV), etc. In other applications, it is desirable that the thickness is 4 to 60 μm in a single layer or multiple layers. The separator preferably has a fine pore size of 1 μm or less (usually a pore size of about several tens of nm) and a porosity of 20 to 80%.

不織布としては、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル;PP、PEなどのポリオレフィン;ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを、単独または混合して用いる。また、不織布のかさ密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性が得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。不織布セパレータの空孔率は50〜90%であることが好ましい。さらに、不織布セパレータの厚さは、電解質層と同じであればよく、好ましくは5〜200μmであり、特に好ましくは10〜100μmである。厚さが5μm未満では電解質の保持性が悪化し、200μmを超える場合には抵抗が増大することになる。   As the nonwoven fabric, cotton, rayon, acetate, nylon, polyester; polyolefins such as PP and PE; conventionally known materials such as polyimide and aramid are used alone or in combination. The bulk density of the nonwoven fabric is not particularly limited as long as sufficient battery characteristics can be obtained by the impregnated polymer gel electrolyte. The porosity of the nonwoven fabric separator is preferably 50 to 90%. Furthermore, the thickness of the nonwoven fabric separator may be the same as that of the electrolyte layer, preferably 5 to 200 μm, particularly preferably 10 to 100 μm. When the thickness is less than 5 μm, the electrolyte retention deteriorates, and when it exceeds 200 μm, the resistance increases.

[シール部]
シール部(周辺絶縁層とも称されている)は、電池内で隣り合う集電体同士が接触したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こったりするのを防止するために単電池層の周辺部に配置されている(図1では、図示せず)。シール部としては、例えば、PE、PPなどのポリオレフィン樹脂、エポキシ樹脂、ゴム、ポリイミドなどが使用でき、耐蝕性、耐薬品性、製膜性、経済性などの観点からは、ポリオレフィン樹脂が好ましい。ただし、これらに何ら制限されるものではない。
[Seal part]
The seal (also referred to as the peripheral insulating layer) is used to prevent the adjacent current collectors in the battery from contacting each other and short-circuiting due to slight unevenness at the end of the laminated electrode. It arrange | positions in the peripheral part of the cell layer (it is not shown in FIG. 1). As the seal portion, for example, polyolefin resin such as PE and PP, epoxy resin, rubber, polyimide and the like can be used, and polyolefin resin is preferable from the viewpoint of corrosion resistance, chemical resistance, film forming property, economy and the like. However, it is not limited to these.

[タブ(正極タブおよび負極タブ)]
電池外部に電流を取り出す目的で、各集電体に電気的に接続されたタブ(正極タブ18および負極タブ19)が電池外装材の外部に取り出されている。具体的には、図1に示すように各正極集電体11に電気的に接続された正極タブ18と各負極集電体14に電気的に接続された負極タブ19とが、電池外装材22であるラミネートシートの外部に取り出される。
[Tab (positive tab and negative tab)]
Tabs (positive electrode tab 18 and negative electrode tab 19) that are electrically connected to each current collector are taken out of the battery exterior material for the purpose of taking out the current outside the battery. Specifically, as shown in FIG. 1, a positive electrode tab 18 electrically connected to each positive electrode current collector 11 and a negative electrode tab 19 electrically connected to each negative electrode current collector 14 are battery exterior materials. 22 is taken out of the laminate sheet.

タブ(正極タブ18および負極タブ19)を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン電池用のタブとして従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。タブの構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましく、より好ましくは軽量、耐食性、高導電性の観点からアルミニウム、ニッケルなどが好ましい。   The material which comprises a tab (the positive electrode tab 18 and the negative electrode tab 19) is not restrict | limited in particular, The well-known highly electroconductive material conventionally used as a tab for lithium ion batteries can be used. As a constituent material of the tab, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable, and aluminum, nickel, and the like are more preferable from the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity. Is preferred.

[正極および負極端子リード]
正極端子リード20および負極端子リード21に関しても、必要に応じて使用する。例えば、各集電体11、14から出力電極端子となる正極タブ18及び負極タブ19を直接取り出す場合には、正極端子リード20および負極端子リード21は用いなくてもよい。
[Positive electrode and negative electrode lead]
The positive terminal lead 20 and the negative terminal lead 21 are also used as necessary. For example, when the positive electrode tab 18 and the negative electrode tab 19 serving as output electrode terminals are directly taken out from the current collectors 11 and 14, the positive electrode terminal lead 20 and the negative electrode terminal lead 21 may not be used.

正極端子リード20および負極端子リード21の材料は、公知のリチウムイオン電池で用いられる端子リードを用いることができる。なお、電池外装材22から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。   As the material of the positive terminal lead 20 and the negative terminal lead 21, a terminal lead used in a known lithium ion battery can be used. In addition, the part taken out from the battery outer packaging material 22 has a heat insulating property so as not to affect a product (for example, an automobile part, particularly an electronic device, etc.) by touching a peripheral device or wiring and causing a leakage. It is preferable to coat with a heat shrinkable tube or the like.

[電池外装材]
電池外装材22としては、従来公知の金属缶ケースを用いることができほか、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた発電要素(電池要素)を覆うことができる袋状のケースを用いることができる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。
[Battery exterior materials]
As the battery exterior member 22, a conventionally known metal can case can be used, and a bag-like case that can cover a power generation element (battery element) using a laminate film containing aluminum can be used. For example, a laminate film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order can be used as the laminate film, but the laminate film is not limited thereto.

[リチウムイオン電池の外観構成]
図4は、本発明に係るリチウムイオン電池の代表的な実施形態である積層型の扁平な(非双極型の)リチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
[External structure of lithium-ion battery]
FIG. 4 is a perspective view showing the appearance of a laminated flat (non-bipolar) lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of the lithium ion battery according to the present invention.

図4に示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極タブ58、負極タブ59が引き出されている。発電要素(電池要素)57は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素(電池要素)57は、正極タブ58及び負極タブ59を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素(電池要素)57は、先に説明した図1に示す非双極型のリチウムイオン二次電池10の発電要素(電池要素)17に相当するものであり、正極(正極活物質層)12、電解質層13および負極(負極活物質層)15で構成される単電池層(単セル)16が複数積層されたものである。   As shown in FIG. 4, the stacked flat lithium ion secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59 for taking out electric power from both sides thereof. Has been pulled out. The power generation element (battery element) 57 is wrapped by the battery outer packaging material 52 of the lithium ion secondary battery 50, and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element (battery element) 57 includes a positive electrode tab 58 and a negative electrode tab 59. It is sealed in a state where it is pulled out to the outside. Here, the power generation element (battery element) 57 corresponds to the power generation element (battery element) 17 of the non-bipolar lithium ion secondary battery 10 shown in FIG. Layer) 12, electrolyte layer 13, and negative electrode (negative electrode active material layer) 15, a plurality of single battery layers (single cells) 16 are laminated.

なお、本発明のリチウムイオン電池は、図1に示すような積層型の扁平な形状のものに制限されるものではなく、巻回型のリチウムイオン電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよいなど、特に制限されるものではない。   The lithium ion battery of the present invention is not limited to the stacked flat shape as shown in FIG. 1, and the wound lithium ion battery may be of a cylindrical shape. The cylindrical shape may be deformed into a rectangular flat shape, and is not particularly limited.

また、図4に示すタブ58、59の取り出しに関しても、特に制限されるものではなく、正極タブ58と負極タブ59とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極タブ58と負極タブ59をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出しようにしてもよいなど、図4に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、タブに変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。   The tabs 58 and 59 shown in FIG. 4 are not particularly limited, and the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be pulled out from the same side, or the positive electrode tab 58 and the negative electrode tab 59 may be pulled out. However, the present invention is not limited to the one shown in FIG. 4, for example. Further, in a wound type lithium ion battery, instead of a tab, for example, a terminal may be formed using a cylindrical can (metal can).

本発明のリチウムイオン電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車などの大容量電源として、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。   The lithium ion battery of the present invention is suitably used as a power source for driving a vehicle or an auxiliary power source that requires a high volume energy density and a high volume output density as a large capacity power source for an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a fuel cell vehicle, etc. Can do.

[組電池]
本発明の組電池は、本発明のリチウムイオン電池を複数個接続して構成したものである。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。なお、本発明の組電池では、本発明の非双極型リチウムイオン電池と双極型リチウムイオン電池を用いて、これらを直列に、並列に、または直列と並列とに、複数個組み合わせて、組電池を構成することもできる。
[Battery]
The assembled battery of the present invention is constituted by connecting a plurality of lithium ion batteries of the present invention. Specifically, at least two or more are used, and are configured by serialization, parallelization, or both. Capacitance and voltage can be freely adjusted by paralleling in series. In the assembled battery of the present invention, the non-bipolar lithium ion battery and the bipolar lithium ion battery of the present invention are used, and a plurality of these are combined in series, in parallel, or in series and in parallel. Can also be configured.

また、図5は、本発明に係る組電池の代表的な実施形態の外観図であって、図5Aは組電池の平面図であり、図5Bは組電池の正面図であり、図5Cは組電池の側面図である。   5 is an external view of a typical embodiment of the assembled battery according to the present invention, FIG. 5A is a plan view of the assembled battery, FIG. 5B is a front view of the assembled battery, and FIG. It is a side view of an assembled battery.

図5に示すように、本発明に係る組電池300は、本発明のリチウムイオン電池が複数、直列に又は並列に接続して装脱着可能な小型の組電池250を形成し、この装脱着可能な小型の組電池250をさらに複数、直列に又は並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池300を形成することもできる。図5Aは、組電池の平面図、図5Aは正面図、図5Cは側面図を示しているが、作成した装脱着可能な小型の組電池250は、バスバーのような電気的な接続手段を用いて相互に接続し、この組電池250は接続治具310を用いて複数段積層される。何個の非双極型ないし双極型のリチウムイオン電池を接続して組電池250を作成するか、また、何段の組電池250を積層して組電池300を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。   As shown in FIG. 5, an assembled battery 300 according to the present invention forms a small assembled battery 250 in which a plurality of lithium ion batteries of the present invention are connected in series or in parallel, and can be attached and detached. A plurality of small battery packs 250 connected in series or in parallel to provide a large capacity and large output suitable for vehicle drive power supplies and auxiliary power supplies that require high volume energy density and high volume output density 300 can also be formed. 5A is a plan view of the assembled battery, FIG. 5A is a front view, and FIG. 5C is a side view. The small assembled battery 250 that can be attached and detached is provided with an electrical connection means such as a bus bar. The assembled battery 250 is stacked in a plurality of stages using the connection jig 310. How many non-bipolar or bipolar lithium-ion batteries are connected to create the assembled battery 250, and how many assembled batteries 250 are stacked to produce the assembled battery 300 depends on the vehicle mounted. What is necessary is just to determine according to the battery capacity and output of (electric vehicle).

[車両]
本発明の車両は、本発明のリチウムイオン電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を搭載したことを特徴とするものである。本発明では、高容量で高エネルギー密度の電池を構成できることから、こうした電池を搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。言い換えれば、本発明のリチウムイオン電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池は、車両の駆動用電源として用いられうる。本発明のリチウムイオン電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両、例えば、自動車ならばハイブリット車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いることにより高寿命で信頼性の高い自動車となるからである。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。
[vehicle]
The vehicle of the present invention is characterized in that the lithium ion battery of the present invention or an assembled battery formed by combining a plurality of these is mounted. In the present invention, since a battery having a high capacity and a high energy density can be configured, a plug-in hybrid electric vehicle having a long EV travel distance or an electric vehicle having a long charge travel distance can be configured by mounting such a battery. In other words, the lithium ion battery of the present invention or an assembled battery formed by combining a plurality of these can be used as a power source for driving a vehicle. The lithium ion battery of the present invention or an assembled battery obtained by combining a plurality of these batteries is a vehicle, for example, a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, an electric vehicle (all automobiles such as automobiles, commercial vehicles such as passenger cars, trucks, and buses, This is because it can be used for motorcycles (including motorcycles) and tricycles (in addition to mini vehicles, etc.)) to provide a long-life and highly reliable vehicle. However, the application is not limited to automobiles, and it can be applied to various power sources for other vehicles, for example, moving bodies such as trains, and can be used as a power source for mounting such as an uninterruptible power supply. It is also possible to do.

図6は、本発明の組電池を搭載した車両の概念図である。   FIG. 6 is a conceptual diagram of a vehicle equipped with the assembled battery of the present invention.

図6に示したように、組電池300を電気自動車400のような車両に搭載するには、電気自動車400の車体中央部の座席下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、組電池300を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームでも良い。以上のような組電池300を用いた電気自動車400は高い耐久性を有し、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。さらに、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。本発明の組電池を搭載した車両としては、図4に示すような電気自動車のほか、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車などに幅広く適用できるものである。   As shown in FIG. 6, in order to mount the assembled battery 300 on a vehicle such as the electric vehicle 400, the battery pack 300 is mounted under the seat at the center of the vehicle body of the electric vehicle 400. This is because if it is installed under the seat, the interior space and the trunk room can be widened. The place where the assembled battery 300 is mounted is not limited to the position under the seat, but may be a lower part of the rear trunk room or an engine room in front of the vehicle. The electric vehicle 400 using the assembled battery 300 as described above has high durability and can provide sufficient output even when used for a long period of time. Furthermore, it is possible to provide electric vehicles and hybrid vehicles that are excellent in fuel efficiency and running performance. A vehicle equipped with the assembled battery of the present invention can be widely applied to a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle and the like in addition to an electric vehicle as shown in FIG.

[リチウムイオン電池の製造方法]
次に、本発明のリチウムイオン電池の製造方法としては、上記にて説明した第1の正極活物質として好適な固溶体系正極材料の製造方法以外は、特に制限されるものではなく、従来公知の方法を適用して作製することができる。
[Method of manufacturing lithium ion battery]
Next, the method for producing the lithium ion battery of the present invention is not particularly limited except for the method for producing a solid solution system positive electrode material suitable as the first positive electrode active material described above. The method can be applied.

よって、以下では、上記にて説明した固溶体系正極材料の製造方法以外の本発明のリチウムイオン電池の製造方法につき説明する。ただし、本発明の製造方法は、これらに何ら制限されるものでない。   Therefore, below, it demonstrates about the manufacturing method of the lithium ion battery of this invention other than the manufacturing method of the solid solution system positive electrode material demonstrated above. However, the production method of the present invention is not limited to these.

電解質が電解液の電池の作製は、活物質や導電助材などの電極材料を含む電極スラリーを集電体両面に塗布(コーティング)して作製した正極と負極から、少し負極を大きくして切り出し、それぞれを90℃の真空乾燥機にて1日乾燥して用いた。正極と負極の間に、適当な厚さ(例えば、25μm程度)のポリプロピレン等の多孔質膜を介して最外側が負極になるようにして正極と負極を交互に積層して、各正極と負極を束ねてリードを溶接して、この積層体を正負極のリードを取り出した構造にて、アルミニウムのラミネートフィルムバックに収めて、注液機により電解液を注液して、減圧下シールをして電池とする。   To make a battery with an electrolyte as an electrolyte, the negative electrode is slightly enlarged and cut out from the positive electrode and negative electrode prepared by applying (coating) an electrode slurry containing an electrode material such as an active material or a conductive additive to both sides of the current collector. Each was dried for one day in a vacuum dryer at 90 ° C. and used. Between the positive electrode and the negative electrode, the positive electrode and the negative electrode are alternately laminated so that the outermost electrode becomes a negative electrode through a porous film such as polypropylene having an appropriate thickness (for example, about 25 μm). Bundled and welded with lead, and this laminate was placed in an aluminum laminate film back with a structure in which the positive and negative lead were taken out, and the electrolyte was injected with a liquid injector, and sealed under reduced pressure. Battery.

電解質が電解液の電池の他、電解質がゲルの電池、全固体ポリマーの電池、及びここで挙げた電解質を用いた双極電池の作製は、公知になった我々の技術により実施できるのでここでは省略する。   In addition to electrolyte batteries, electrolyte batteries, gel batteries, all-solid polymer batteries, and bipolar batteries using the electrolytes listed here can be produced by our well-known technology, so they are omitted here. To do.

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。   The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.

1.電極材料
まず、電池構成段階で放電状態の第一正極活物質の固溶体正極材料の合成は、複合炭酸塩法を用い以下のように行った。硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンを所定量秤量し、これらの混合溶液を調製した。この混合溶液にアンモニア水をpH7になるまで滴下して、さらにNaCO溶液を滴下してNi−Co−Mnの複合炭酸塩を沈殿させ、吸引ろ過後、水洗して、120℃にて5時間乾燥した。これを500℃にて5時間仮焼成した。これに小過剰のLiOH・HOを加えて、自動乳鉢で30分間混合した。このあと900℃にて12時間本焼成してから、液体窒素を用い急速冷却した。これにより、下記表1に示す実施例1〜4及び比較例1で用いた固溶体正極材料と、実施例5及び比較例2で用いた固溶体正極材料とをそれぞれ合成した。
1. Electrode Material First, the solid solution positive electrode material of the first positive electrode active material in a discharged state at the battery construction stage was synthesized as follows using a composite carbonate method. A predetermined amount of nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate was weighed to prepare a mixed solution thereof. Aqueous ammonia was added dropwise to the mixed solution until pH 7, and a Na 2 CO 3 solution was further added dropwise to precipitate Ni—Co—Mn complex carbonate. After suction filtration, washed with water, and at 120 ° C. Dried for 5 hours. This was calcined at 500 ° C. for 5 hours. A small excess of LiOH.H 2 O was added thereto and mixed for 30 minutes in an automatic mortar. Thereafter, the main calcination was performed at 900 ° C. for 12 hours, followed by rapid cooling using liquid nitrogen. Thereby, the solid solution positive electrode materials used in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 shown in Table 1 below and the solid solution positive electrode materials used in Example 5 and Comparative Example 2 were respectively synthesized.

電池構成段階で充電状態の第二正極活物質のγ−二酸化マンガンは、電解二酸化マンガンを大気下、400℃にて6時間加熱乾燥したものを実施例1〜3及び5で用いた。また、電池構成段階で充電状態の別の第二正極活物質の無水硫酸第二鉄(Fe(SO)は、文献の方法に従って合成したものを実施例4で用いた(J.Power Soures, 26 (1987) 403.)。 As the γ-manganese dioxide as the second positive electrode active material in a charged state at the battery construction stage, electrolytic manganese dioxide obtained by heating and drying at 400 ° C. for 6 hours in the atmosphere was used in Examples 1 to 3 and 5. In addition, another ferric sulfate anhydrous (Fe 2 (SO 4 ) 3 ), which is another second positive electrode active material charged in the battery construction stage, was synthesized in accordance with literature methods and used in Example 4 (J. Power Sources, 26 (1987) 403.).

負極活物質には平均粒子径20μmの黒鉛を用いた。バインダには、PVdFを用い、導電助材としてアセチレンブラックを用いた。正極集電体には、厚さ20μmのアルミ箔を用い、負極集電体には厚さ15μmの銅箔を用いた。電解液としては、1M LiPF EC:DEC(3:7(体積比))(ここで、ECはエチレンカーボネー、DECはジエチルカーボネートである。)を用いた。 As the negative electrode active material, graphite having an average particle size of 20 μm was used. PVdF was used for the binder, and acetylene black was used as the conductive additive. An aluminum foil with a thickness of 20 μm was used for the positive electrode current collector, and a copper foil with a thickness of 15 μm was used for the negative electrode current collector. As the electrolytic solution, 1M LiPF 6 EC: DEC (3: 7 (volume ratio)) (where EC is ethylene carbonate and DEC is diethyl carbonate) was used.

2.電極の作製
正極の作製は、各実施例及び比較例ごとに、第一の正極活物質と第二の正極活物質を表1に示した組成比に従って混合して用いた。電極組成比が正極活物質(実施例は第一の正極活物質+第二の正極活物質の全量、比較例は第一の正極活物質のみ):アセチレンブラック:PVdF=86:7:7(質量比)になるようにして、これに適量のNMP(N−メチル−2−ピロリドン)を加えてホモジナイザーにてよく撹拌・混合した。その後、ダイコーターを用いてこのスラリーをアルミ箔に一定量塗布して乾燥した。このようにしてアルミ箔の両面に正極(正極活物質層)を形成して、ロールプレスにてプレスをかけて、正極活物質層部分が50mm×100mmになるように、しかも正極活物質層がないリード部分を残して切り出した。単位面積あたりの活物質量は、黒鉛負極の活物質密度に対して表1の比になるよう、塗工を繰り返して調節した。
2. Production of Electrode The production of the positive electrode was carried out by mixing the first positive electrode active material and the second positive electrode active material according to the composition ratio shown in Table 1 for each Example and Comparative Example. Electrode composition ratio is positive electrode active material (Example is first positive electrode active material + total amount of second positive electrode active material, comparative example is only first positive electrode active material): Acetylene black: PVdF = 86: 7: 7 ( (Mass ratio), an appropriate amount of NMP (N-methyl-2-pyrrolidone) was added thereto, and the mixture was well stirred and mixed with a homogenizer. Thereafter, a certain amount of this slurry was applied to an aluminum foil using a die coater and dried. In this way, the positive electrode (positive electrode active material layer) is formed on both surfaces of the aluminum foil, and is pressed by a roll press so that the positive electrode active material layer portion is 50 mm × 100 mm, and the positive electrode active material layer is Cut out leaving no lead part. The amount of the active material per unit area was adjusted by repeating the coating so that the ratio of the active material density of the graphite negative electrode was as shown in Table 1.

負極の作製では、黒鉛(負極活物質)とアセチレンブラックとPVdFの質量比を88:4:8とした。ホモジナイザイーの容器に、負極活物質とPVdFと適量のNMPを加えてよく撹拌・混合してスラリーを調製した。このスラリーをダイコーターを用いて、銅箔上に塗布して乾燥した。正極と同様に銅箔の両面に負極(負極活物質層)を形成して、プレスをかけて、負極活物質層部分が55mm×105mmになるように、しかも負極活物質層がないリード部分を残して切り出した。負極活物質層(銅箔集電体の片面の負極活物質層)の厚さは、出来上り時点で、80μmだった。   In the production of the negative electrode, the mass ratio of graphite (negative electrode active material), acetylene black, and PVdF was 88: 4: 8. A negative electrode active material, PVdF, and an appropriate amount of NMP were added to a homogenizer container and well stirred and mixed to prepare a slurry. This slurry was applied onto a copper foil using a die coater and dried. As with the positive electrode, a negative electrode (negative electrode active material layer) is formed on both sides of the copper foil, and pressed so that the negative electrode active material layer portion becomes 55 mm × 105 mm and the lead portion without the negative electrode active material layer is formed. Cut out. The thickness of the negative electrode active material layer (the negative electrode active material layer on one side of the copper foil current collector) was 80 μm at the time of completion.

3.電池の作製
上記で切り出した正極と負極それぞれを90℃の真空乾燥機にて1日乾燥して用いた。正極と負極の間に、厚さ25μmのポリプロピレンの多孔質膜を介して最外側が負極になるようにして5枚の正極と7枚の負極を交互に積層して、各正極と負極を束ねてリードを溶接して、この積層体を正負極のリードを取り出した構造にて、アルミニウムのラミネートフィルムバックに収めて、注液機により電解液を注液して、減圧下シールをして電池とした。なお、この時点でのシールは仮のシールであり、充放電後開封して再度シールできる構造となっている。
3. Production of Battery Each of the positive electrode and the negative electrode cut out above was dried for one day in a 90 ° C. vacuum dryer and used. Between the positive electrode and the negative electrode, five positive electrodes and seven negative electrodes are alternately laminated with a 25 μm thick polypropylene porous film interposed between the positive electrode and the negative electrode, and each positive electrode and negative electrode are bundled. The lead was welded, and the laminate was taken out of the positive and negative lead leads, placed in an aluminum laminate film back, injected with an electrolyte with a liquid injector, sealed under reduced pressure, and sealed. It was. In addition, the seal | sticker at this time is a temporary seal | sticker, and it has the structure which can be opened again after charge / discharge and can be sealed again.

このようにして、実施例1〜3の電池は、固溶体0.3LiMnO・0.7LiMn0.5Ni0.5を第一の正極活物質とし、二酸化マンガンを第二正極活物質として作製した。比較例1の電池は、第一正極活物質を実施例1〜3と同じにして、第二正極活物質を用いずに電池を作製した。実施例4の電池は、第一正極活物質を実施例1〜3と同じにして、第二正極活物質を無水硫酸第二鉄として電池を作製した。また、実施例5の電池は、第一正極活物質として、固溶体0.3LiMnO・0.7LiMn0.33Ni0.33Co0.33を用いて、第二正極活物質として二酸化マンガンを用いて電池を作製した。比較例2の電池は、第一正極活物質を実施例5と同じにして、第二正極活物質を用いずに電池を作製した。各実施例及び比較例の電池の電極構成の概要を表1に示す。 Thus, in the batteries of Examples 1 to 3, the solid solution 0.3Li 2 MnO 3 .0.7LiMn 0.5 Ni 0.5 O 2 was used as the first positive electrode active material, and manganese dioxide was used as the second positive electrode active material. Made as a material. The battery of Comparative Example 1 was fabricated using the same first positive electrode active material as in Examples 1 to 3 without using the second positive electrode active material. The battery of Example 4 was manufactured by using the same first positive electrode active material as in Examples 1 to 3 and using the second positive electrode active material as anhydrous ferric sulfate. Moreover, the battery of Example 5 uses the solid solution 0.3Li 2 MnO 3 .0.7LiMn 0.33 Ni 0.33 Co 0.33 O 2 as the first positive electrode active material, and the second positive electrode active material. A battery was prepared using manganese dioxide. In the battery of Comparative Example 2, the first positive electrode active material was the same as that of Example 5, and a battery was produced without using the second positive electrode active material. Table 1 shows an outline of the electrode configuration of the batteries of the examples and comparative examples.

4.電極の評価
電池の評価は、温度45℃の高温槽中で行った。0.125Aにて、電圧範囲を2V〜4.6Vとして定電流にて行った。本発明の効果を説明するため、第二回目の放電曲線を図7に示した。図7では、比較例1の電池と実施例1と実施例5の電池の放電曲線が比べられている。比較例1に比べて第二正極活物質として二酸化マンガンを用いた実施例1の電池の放電容量が増加しているのがわかる。また、第二正極活物質として無水硫酸第二鉄(Fe(SO)を用いた実施例5でも同様に放電容量が増加しているのがわかる。
4). Electrode evaluation The battery was evaluated in a high-temperature bath at a temperature of 45 ° C. At 0.125 A, the voltage range was 2 V to 4.6 V, and constant current was used. In order to explain the effect of the present invention, a second discharge curve is shown in FIG. In FIG. 7, the discharge curves of the battery of Comparative Example 1 and the batteries of Example 1 and Example 5 are compared. It can be seen that the discharge capacity of the battery of Example 1 using manganese dioxide as the second positive electrode active material is increased compared to Comparative Example 1. In addition, it can be seen that the discharge capacity is similarly increased in Example 5 using anhydrous ferric sulfate (Fe 2 (SO 4 ) 3 ) as the second positive electrode active material.

作製した電池の評価結果まとめて表1に示した。表1には、電池の放電容量のみでなく、放電曲線をもとに算出した電池のエネルギー密度の比を示している。表1の電池容量比は、比較例1の電池の第二回目の放電容量を1としたときの、実施例1〜4の各電池の第二回目の放電容量の比率をそれぞれ示している。同様に比較例2の電池の第二回目の放電容量を1としたときの、実施例5の電池の第二回目の放電容量の比率を示している。表1の電池のエネルギー密度比も、比較例1の電池の第二回目の放電曲線から算出した電池のエネルギー密度を1としたときの、実施例1〜4の各電池の第二回目の放電曲線から算出した電池のエネルギー密度の比率をそれぞれ示している。同様に比較例2の電池の第二回目の放電曲線から算出した電池のエネルギー密度を1としたときの、実施例5の電池の第二回目の放電曲線から算出した電池のエネルギー密度の比率を示している。   The evaluation results of the fabricated battery are summarized in Table 1. Table 1 shows not only the discharge capacity of the battery but also the ratio of the energy density of the battery calculated based on the discharge curve. The battery capacity ratio in Table 1 indicates the ratio of the second discharge capacity of each battery of Examples 1 to 4 when the second discharge capacity of the battery of Comparative Example 1 is 1. Similarly, the ratio of the second discharge capacity of the battery of Example 5 when the second discharge capacity of the battery of Comparative Example 2 is 1 is shown. As for the energy density ratio of the batteries in Table 1, the second discharge of each battery of Examples 1 to 4 when the energy density of the battery calculated from the second discharge curve of the battery of Comparative Example 1 is 1. The battery energy density ratio calculated from the curve is shown. Similarly, when the battery energy density calculated from the second discharge curve of the battery of Comparative Example 2 is 1, the ratio of the battery energy density calculated from the second discharge curve of the battery of Example 5 is Show.

表1中の固溶体1は、固溶体0.3LiMnO・0.7LiMn0.5Ni0.5を表すものである。 The solid solution 1 in Table 1 represents the solid solution 0.3Li 2 MnO 3 .0.7LiMn 0.5 Ni 0.5 O 2 .

表1中の固溶体2は、固溶体0.3LiMnO・0.7LiMn0.33Ni0.33Co0.33(=0.3LiMnO・0.7LiMn1/3Ni1/3Co
1/3)を表すものである。
The solid solution 2 in Table 1 is solid solution 0.3Li 2 MnO 3 .0.7LiMn 0.33 Ni 0.33 Co 0.33 O 2 (= 0.3Li 2 MnO 3 .0.7LiMn 1/3 Ni 1 / 3 Co
1/3 O 2 ).

上記表1から解るように電池作成段階で充電状態の第二正極活物質を用いることで、初期充放電効率がかなり悪い高容量の固溶体系正極活物質を用いても、負極(活物質容量)を無駄にすることなく電池電気量及びエネルギー密度に優れた電池を構成できることがわかる。   As can be seen from Table 1 above, by using the second positive electrode active material in the charged state at the battery preparation stage, even if a high capacity solid solution positive electrode active material having a considerably poor initial charge / discharge efficiency is used, the negative electrode (active material capacity) It can be seen that a battery excellent in the amount of electricity and energy density of the battery can be constructed without wasting.

更に、本発明のリチウムイオン電池を用いて、電動車両を構成すると、電池のエネルギー密度が高いので、電気自動車の航続距離を拡張でき、プラグインハイブリッド電気自動車の積載電池量を削減でき、ハイブリッド電気自動車の更なる高性能化が可能となる。その結果、電動車両の普及を促進できることが期待され、環境・エネルギー問題に寄与すること大である。   Furthermore, when an electric vehicle is configured using the lithium ion battery of the present invention, the battery energy density is high, so the cruising range of the electric vehicle can be extended, the amount of battery load of the plug-in hybrid electric vehicle can be reduced, and the hybrid electric vehicle can be reduced. It is possible to further improve the performance of automobiles. As a result, it is expected that the spread of electric vehicles can be promoted, which contributes greatly to environmental and energy problems.

10 リチウムイオン電池、
11 正極集電体、
12 正極(正極活物質層)、
13 電解質層、
14 負極集電体、
14a 最外層負極集電体、
15 負極(負極活物質層)、
16 単電池層(=電池単位ないし単セル)、
17、57 発電要素(電池要素;積層体)、
18、58 正極タブ、
19、59 負極タブ、
20 正極端子リード、
21 負極端子リード、
22、52 電池外装材(たとえばラミネートフィルム)、
31 固溶体系の正極活物質の理論容量の大きさを表すブロック、
31a 正極活物質の初期ロス容量、
31b 正極活物質の初期の可逆容量、
33、43 負極活物質材料の理論容量の大きさを表すブロック、
33a 正極活物質の初期ロス容量に対応する負極側の初期ロス容量対応容量分、
41 第1の正極活物質の理論容量の大きさを表すブロック、
41a 第1の正極活物質の初期ロス容量、
41b 第1の正極活物質の初期の可逆容量、
42 第二の正極活物質の理論容量の大きさを表すブロック、
43a 第1の正極活物質の初期ロス容量に対応する負極側の初期ロス容量対応容量、
50 リチウムイオン電池、
250 小型の組電池、
300 組電池、
310 接続治具、
400 電気自動車、
P 正極の電位を表す直線、
N 負極の電位を表す直線。
10 Lithium ion battery,
11 positive electrode current collector,
12 positive electrode (positive electrode active material layer),
13 electrolyte layer,
14 negative electrode current collector,
14a outermost layer negative electrode current collector,
15 negative electrode (negative electrode active material layer),
16 single cell layer (= battery unit or single cell),
17, 57 Power generation element (battery element; laminate),
18, 58 positive electrode tab,
19, 59 negative electrode tab,
20 positive terminal lead,
21 negative terminal lead,
22, 52 Battery exterior material (for example, laminate film),
31 A block representing the theoretical capacity of a solid solution positive electrode active material,
31a Initial loss capacity of positive electrode active material,
31b The initial reversible capacity of the positive electrode active material,
33, 43 Blocks representing the theoretical capacity of the negative electrode active material,
33a The amount corresponding to the initial loss capacity corresponding to the negative electrode side corresponding to the initial loss capacity of the positive electrode active material,
41 A block representing the size of the theoretical capacity of the first positive electrode active material,
41a Initial loss capacity of the first positive electrode active material,
41b the initial reversible capacity of the first positive electrode active material,
42 a block representing the theoretical capacity of the second positive electrode active material,
43a Initial loss capacity corresponding capacity on the negative electrode side corresponding to the initial loss capacity of the first positive electrode active material,
50 lithium ion battery,
250 small battery pack,
300 battery packs,
310 connection jig,
400 electric car,
P A straight line representing the potential of the positive electrode,
N A straight line representing the potential of the negative electrode.

Claims (5)

リチウムイオン電池において、主要正極活物質が2種類からなり、
前記主要正極活物質の1種である第一の正極活物質が、電池を構成する段階であって、初期の充放電を行う前の段階で放電状態であり、
前記主要正極活物質の1種である第二の正極活物質が、電池を構成する段階であって、初期の充放電を行う前の段階で充電状態であり、
前記第一の正極活物質が、下記一般式
(ここで、xは0<x<1であり、Mは平均酸化状態が3 であるMn、Ni、Co、Fe、V、Crから選ばれてなる1種類以上の遷移金属で、 は平均酸化状態が4であるMn、ZrおよびTiから選ばれる1種類以上の遷移金属である。)で表される固溶体であり、
前記第二の正極活物質が、リン酸化合物および硫酸化合物から選ばれる1種類以上のものからなることを特徴とするリチウムイオン電池。
In a lithium ion battery, there are two main cathode active materials,
The first positive electrode active material, which is one of the main positive electrode active materials, is a stage that constitutes a battery, and is in a discharged state before the initial charge and discharge .
The second positive electrode active material, which is one of the main positive electrode active materials, is in a stage of constituting a battery, and is in a charged state before performing initial charge / discharge ,
The first positive electrode active material has the following general formula
(Where, x is 0 <x <1, M is Mn average oxidation state is 3 +, Ni, Co, Fe , V, one or more transition metal composed is selected from Cr, M 1 a solid solution represented by a one or more transition metals selected from the average oxidation state is 4 + Mn, Zr and Ti.),
The lithium ion battery, wherein the second positive electrode active material is made of at least one selected from a phosphoric acid compound and a sulfuric acid compound .
第一の正極活物質の含有量は、正極活物質全量に対して50〜95質量%であり、第二の正極活物質の含有量は、正極活物質全量に対して5〜50質量%であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン電池。   The content of the first positive electrode active material is 50 to 95% by mass with respect to the total amount of the positive electrode active material, and the content of the second positive electrode active material is 5 to 50% by mass with respect to the total amount of the positive electrode active material. The lithium ion battery according to claim 1, wherein the battery is a lithium ion battery. 第一の正極活物質の含有量は、正極活物質全量に対して60〜90質量%であり、第二の正極活物質の含有量は、正極活物質全量に対して10〜40質量%であることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウムイオン電池。   The content of the first positive electrode active material is 60 to 90% by mass with respect to the total amount of the positive electrode active material, and the content of the second positive electrode active material is 10 to 40% by mass with respect to the total amount of the positive electrode active material. The lithium ion battery according to claim 1, wherein the lithium ion battery is provided. 前記Mは、Mn、Ni、CoおよびFeから選ばれる1種類以上の元素であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池。   4. The lithium ion battery according to claim 1, wherein M is one or more elements selected from Mn, Ni, Co, and Fe. 前記硫酸化合物が、Fe(SOであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池。 The sulfuric acid compound, a lithium ion battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the Fe 2 (SO 4) 3.
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