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JP6741769B2 - Lithium-ion battery formation process - Google Patents
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Description

開示の分野
本開示は充電式セルに関し、特にリチウムイオン電池又はセルに関し、より詳細には、そのような電池を初期充電する(形成プロセス)ための改善された方法に関する。
FIELD OF THE DISCLOSURE The present disclosure relates to rechargeable cells, and more particularly to lithium ion batteries or cells, and more particularly to improved methods for initial charging (forming process) of such batteries.

開示の背景
リチウムイオン電池は、放電中にはリチウムイオンが負極から正極へ移動し充電時には正極から負極へ移動する、充電式電池タイプのファミリーの一部である。
BACKGROUND OF THE DISCLOSURE Lithium-ion batteries are part of a family of rechargeable battery types in which lithium ions move from the negative electrode to the positive electrode during discharge and from the positive electrode to the negative electrode during charge.

様々なタイプのリチウムイオン電池が存在する。アノードは一般に炭素を含み、カソードはリチウム化合物を含む。アノード及びカソードは、マイクロ穿孔プラスチックシートなどの多孔性ポリマーで作られるセパレーターによって隔てられており、これによりイオンが通過することが可能となる。アノード、カソード、及びセパレーターは電解質中に浸されている。 There are various types of lithium-ion batteries. The anode generally comprises carbon and the cathode comprises a lithium compound. The anode and cathode are separated by a separator made of a porous polymer such as a micro-perforated plastic sheet, which allows ions to pass through. The anode, cathode, and separator are immersed in the electrolyte.

リチウムイオン電池はカソード材料に従って分類される。
リチウムイオン電池が組み立てられたら、電池が使用に適したものとなる前に、機能物質を活性化させるためにリチウムイオン電池に少なくとも1回の正確に制御された充電/放電サイクルを施してもよい。この工程は形成プロセスと呼ばれる。この形成プロセスは電池の初期満充電を実現する。
Lithium-ion batteries are classified according to cathode material.
Once the lithium-ion battery is assembled, the lithium-ion battery may be subjected to at least one precisely controlled charge/discharge cycle to activate the functional material before the battery is suitable for use. .. This step is called the forming process. This formation process provides the initial full charge of the battery.

形成プロセスの間、固体電解質界面(SEI)がアノード上に形成される。SEI形成は、リチウムイオン電池又はセルの寿命において重要である。 During the formation process, a solid electrolyte interface (SEI) is formed on the anode. SEI formation is important in the life of lithium ion batteries or cells.

リチウムイオン電池の初期充電、すなわち、形成プロセスの方法が提案されてきた。
典型的には、電池は一定の充電速度で充電される。充電速度C−速度とも表され、1時間の電池の容量に相当する充電又は放電速度を表す。SEIは小さいC−速度で最も良好に形成されることが分かっており、このことは初期充電が長時間にわたって行われることを意味する。実際に、C/5に相当するC−速度で電池を満充電するとおよそ5時間かかることになる。電池は、1回目の充電中にSEIが炭素アノード上に形成されるように、小さいC−速度で電池の満充電電圧まで充電され、次いで電流が閾値未満に低下するまで電池は満充電電圧で一定に保たれる。次いで電池を2時間放置し、小さいC−速度で設定電圧まで、すなわち放電カットオフ電圧まで放電させる。この形成プロセスは少なくとも1回、サイクルを行ってもよい。
A method of initial charging of the lithium-ion battery, that is, a forming process has been proposed.
Typically, batteries are charged at a constant charging rate. Charging rate C-is also referred to as rate and represents the charging or discharging rate corresponding to the capacity of the battery for one hour. It has been found that SEI is best formed at low C-rates, which means that the initial charge takes place over a long period of time. In fact, it would take approximately 5 hours to fully charge the battery at a C-rate equivalent to C/5. The battery is charged at a low C-rate to the full charge voltage of the battery so that SEI is formed on the carbon anode during the first charge, and then at full charge voltage until the current drops below the threshold. Is kept constant. The battery is then left for 2 hours and discharged at a low C-rate to the set voltage, ie the discharge cut-off voltage. This forming process may be cycled at least once.

SEIの形成を改善しひいては容量安定性(すなわち容量維持率)を高めるために、添加剤も電解質へ加えられている。 Additives have also been added to the electrolyte to improve the formation of SEI and thus enhance capacity stability (ie capacity retention).

特開第2013098099(A)号は、リチウムジフルオロホスフェート(LiPF)を添加剤として電解質へ加える、リチウムイオン二次電池を製造する方法を記載している。この方法は、電解質中のLiPFの量を測定することに基づいて制御される。しかし、この方法は電池の得られる容量安定性を限られた方法においてのみ制御できる。 Japanese Patent Laid-Open No. 2013098099(A) describes a method for producing a lithium ion secondary battery in which lithium difluorophosphate (LiPF 2 O 2 ) is added as an additive to an electrolyte. The method is controlled based on measuring the amount of LiPF 2 O 2 in the electrolyte. However, this method can control the obtained capacity stability of the battery only in a limited way.

開示の概要
現在、容量安定性の向上を確実に実現できる方法で、添加剤の量を制御することが依然として望ましい。
SUMMARY OF THE DISCLOSURE Currently, it is still desirable to control the amount of additives in such a way that improved capacity stability can be reliably achieved.

したがって、本開示の実施形態によれば、充電式セル、特にアノード、カソード、電解質、及びセパレーターを有するリチウムイオンセルの、形成プロセスを行う方法が提供される。この方法は、
− アノード上の固体電解質界面の構築を改善するために、リチウムジフルオロホスフェート(LiPF)を添加剤として電解質へ加えるステップと、
− 固体電解質界面におけるリチウムジフルオロホスフェート濃度が所定の最小濃度レベルに到達するように、セルを所定の充電速度で所定のセル電圧まで充電するステップと
を含む。
Thus, according to embodiments of the present disclosure, there is provided a method of performing a process of forming a rechargeable cell, particularly a lithium ion cell having an anode, a cathode, an electrolyte, and a separator. This method
Adding lithium difluorophosphate (LiPF 2 O 2 ) as an additive to the electrolyte to improve the construction of the solid electrolyte interface on the anode;
Charging the cell to a predetermined cell voltage at a predetermined charging rate so that the lithium difluorophosphate concentration at the solid electrolyte interface reaches a predetermined minimum concentration level.

そのような方法を提供することにより、アノード表面上のLiPFの量(すなわちat%でのその濃度)を決定できる。したがって、表面組成の直接的測定を行ってもよい。アノード表面(すなわちSEI)上のLiPFの量を制御することにより、電解質中のLiPFの量を制御することによるよりも、容量安定性をより確実に高めることができることが分かった。さらに、SEIにおける添加剤濃度を正確な方法により測定してもよい。 By providing such a method, the amount of LiPF 2 O 2 on the anode surface (ie its concentration in at %) can be determined. Therefore, a direct measurement of surface composition may be made. It has been found that controlling the amount of LiPF 2 O 2 on the anode surface (ie, SEI) can increase the capacity stability more reliably than by controlling the amount of LiPF 2 O 2 in the electrolyte. It was Further, the additive concentration in SEI may be measured by an accurate method.

所定のセル電圧及び/又は所定の充電速度の決定は、特定のセルタイプのセルに形成プロセスを施す前に行ってもよい。例えば、同じセルタイプの試験セルを様々な充電速度を施すことによって、それぞれ充電してもよい。SEIのLiPFの得られる濃度及び容量安定性(すなわち維持率)を、その後測定してもよい。SEIにおけるLiPFの濃度は充電速度の減少と共に増加する。容量安定性はSEIのLiPFの濃度の増加と共に増加するので、SEIのLiPFが所定の最小濃度レベルに到達するように制御することにより、所望の最低の容量安定性を得ることができる。 The determination of a given cell voltage and/or a given charging rate may be performed prior to subjecting a cell of a particular cell type to a forming process. For example, test cells of the same cell type may each be charged by applying different charging rates. The resulting concentration and capacity stability (ie retention) of SEI LiPF 2 O 2 may then be measured. The concentration of LiPF 2 O 2 in SEI increases with decreasing charge rate. Since the capacitive stability increases with increasing concentration of LiPF 2 O 2 of SEI, by LiPF 2 O 2 in the SEI is controlled so as to reach the predetermined minimum concentration level of the desired minimum volume stability be able to.

したがって、そのような所定の最小濃度レベルが決定されたら、対応する最大の充電速度も決定できる。その後、試験セルと同じセルタイプの通常のセルの形成プロセスを行う場合、SEIにおけるLiPFの濃度を測定する代わりに、充電速度(及び最終的にはセル電圧も)を制御することにより、充電を制御してもよい。 Thus, once such a predetermined minimum concentration level is determined, the corresponding maximum charge rate can also be determined. Then, when performing a normal cell formation process of the same cell type as the test cell, instead of measuring the concentration of LiPF 2 O 2 in SEI, by controlling the charge rate (and finally the cell voltage) , Charging may be controlled.

しかし、通常のセルの形成プロセスも、それらのSEIのLiPFの濃度レベルを制御することにより制御されることも可能である。 However, normal cell formation processes can also be controlled by controlling their SEI LiPF 2 O 2 concentration levels.

所定の充電速度は、SEIにおけるリチウムジフルオロホスフェートの濃度の関数として選択することができる。 A given charge rate can be selected as a function of the concentration of lithium difluorophosphate in SEI.

SEIのリチウムジフルオロホスフェートの濃度はXPSにより測定してもよい。
X線光電子分光法(XPS)は、試料の表面上の元素組成の測定を可能にする、定性的及び定量的な分析技術である。XPSは、リチウムなどの軽元素を検出でき、千分率の範囲で元素組成を測定できる。XPSは、表面調製のさらなる処理を必要とせずに試料の界面化学を分析できるという利点もある。
The concentration of lithium difluorophosphate in SEI may be measured by XPS.
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is a qualitative and quantitative analytical technique that allows the measurement of elemental composition on the surface of a sample. XPS can detect light elements such as lithium and can measure the elemental composition in the range of thousandths. XPS also has the advantage that the surface chemistry of the sample can be analyzed without the need for further processing of surface preparation.

充電速度は、最大で2C、望ましくは1C、より望ましくは0.5C以下であってもよい。 The charging rate may be up to 2C, preferably 1C, more preferably 0.5C or less.

SEIにおけるリチウムジフルオロホスフェートの所定の最小濃度レベルは少なくとも2at%(原子%)であってもよい。前記濃度は望ましくは、XPSスペクトログラムの130〜142eVの間の2番目に低いピークのピーク面積に基づいて測定される。前記2番目に低いピークは、望ましくは1at%を超えるリチウムジフルオロホスフェートの濃度レベルを示し、その結果ごく小さいピークは2番目に低いピークの選択から除外される。 The predetermined minimum concentration level of lithium difluorophosphate in SEI may be at least 2 at% (atomic %). The concentration is desirably measured based on the peak area of the second lowest peak between 130 and 142 eV on the XPS spectrogram. The second lowest peak preferably indicates a concentration level of lithium difluorophosphate above 1 at %, so that the smallest peak is excluded from the selection of the second lowest peak.

濃度が所望の濃度である2at%に到達しない場合、この方法において数回の充電サイクルをセルに施してもよい。 If the concentration does not reach the desired concentration of 2 at %, the cell may be subjected to several charge cycles in this way.

所定のセル電圧は3V以上であってもよい。しかし、炭酸塩タイプの化学物質は3V超で優位に反応できる。正確に言えば、3V未満の所定のセル電圧が望ましい。 The predetermined cell voltage may be 3V or higher. However, carbonate type chemicals can react predominantly above 3V. To be precise, a predetermined cell voltage of less than 3V is desirable.

開示は、さらに充電式セルに関し、特に、
SEIを有するアノードと、
カソードと、
電解質と、
セパレーターと
を含み、SEIがリチウムジフルオロホスフェート(LiPF)を少なくとも2at%の濃度で含む、リチウムイオンセルに関する。
The disclosure further relates to rechargeable cells, in particular
An anode having SEI,
The cathode,
An electrolyte,
A separator and the SEI comprises lithium difluorophosphate (LiPF 2 O 2 ) at a concentration of at least 2 at %.

LiPFのこの濃度範囲で、セルは許容可能な容量安定性を有することが可能である。 In this concentration range of LiPF 2 O 2 , the cell can have an acceptable capacity stability.

セルは、上記のような形成プロセスによって形成されてもよい。
アノードは、グラファイトを含んでいてもよい。
The cells may be formed by the forming process as described above.
The anode may include graphite.

カソードは、LiNo1/3Co1/3Mn1/3を含んでいてもよい。
セパレーターは、ポリエチレンを含むフィルムでできていてもよい。
The cathode may include LiNo 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 .
The separator may be made of a film containing polyethylene.

電解質は、特に等しい体積比で存在する、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルの混合物を含んでいてもよい。 The electrolyte may comprise a mixture of ethylene carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, which is present in a particularly equal volume ratio.

電解質は、LiPFを、特に1mol/Lで含んでいてもよい。
矛盾がない限り、上記の要素及び明細書の範囲内のものを組み合わせてもよいことを意図している。
The electrolyte may contain LiPF 6 , especially at 1 mol/L.
It is contemplated that the above elements and combinations within the specification may be combined, as long as there is no contradiction.

前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は共に、単に例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載される、開示を制限するものではないことを理解するべきである。 It should be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are merely exemplary and explanatory and are not intended to limit the disclosure as set forth in the claims.

添付の図面は、この明細書に組み込まれこの明細書の一部を構成し、説明と共に、開示の実施形態を例証し、その原理を説明するのに役立つ。 The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, serve together with the description to illustrate the disclosed embodiments and to explain the principles thereof.

リチウムイオンセルを示す図である。It is a figure which shows a lithium ion cell. 本開示の実施形態による例示的な方法を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating an exemplary method according to an embodiment of the present disclosure. SEIのLiPF濃度を示す、XPSスペクトルの図である。Shows the LiPF 2 O 2 concentration of SEI, which is a diagram of the XPS spectra.

実施形態の説明
ここで開示の例示的な実施形態に詳細に言及することとし、その実施例は添付の図面に示される。可能な限り、同じ参照番号は、図面の全体を通して同じ又は同様の部材を指すのに使用されることになる。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the disclosed exemplary embodiments, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. Wherever possible, the same reference numbers will be used throughout the drawings to refer to the same or like parts.

図1は、例示的なリチウムイオンセル10の略図を示す。リチウムイオンセル10は、アノード集電体14に固定されたアノード12、及びカソード集電体18に固定されたカソード16を含む。アノード12及びカソード16はセパレーター20によって隔てられ、アノード12、カソード16、及びセパレーター20は電解質22の中に浸されている。 FIG. 1 shows a schematic diagram of an exemplary lithium-ion cell 10. The lithium-ion cell 10 includes an anode 12 fixed to an anode current collector 14 and a cathode 16 fixed to a cathode current collector 18. The anode 12 and the cathode 16 are separated by a separator 20, and the anode 12, the cathode 16 and the separator 20 are immersed in an electrolyte 22.

典型的には、アノード12は炭素質材料及び/又はグラファイトでできている。アノード集電体14は銅でできていてもよい。カソード16は、層間リチウム化合物、例えばLiNi1/3Co1/3Mn1/3でできていてもよい。カソード集電体18はアルミニウムでできていてもよい。セパレーター20は、ポリエチレンを含むフィルムでできていてもよい。 Anode 12 is typically made of carbonaceous material and/or graphite. The anode current collector 14 may be made of copper. The cathode 16 may be made of an intercalated lithium compound, such as LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 . The cathode current collector 18 may be made of aluminum. The separator 20 may be made of a film containing polyethylene.

電解質22は、等しい体積比で存在する、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、及び炭酸エチルメチルの混合物であってもよい。電解質はまたLiPFも1mol/L(モル/リットル)で含んでいてもよい。 The electrolyte 22 may be a mixture of ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate, which are present in equal volume ratios. The electrolyte may also include LiPF 6 at 1 mol/L (mol/liter).

アノード12において、固体電解質界面(SEI)24が形成される。SEI 24は、セルの形成プロセスの間、すなわちセルの初期充電の間に形成される。 At the anode 12, a solid electrolyte interface (SEI) 24 is formed. The SEI 24 is formed during the cell formation process, ie, during the initial charge of the cell.

SEIの形成を改善するために、添加剤は電解質22へ加えられてもよい。
いくつかの実施形態によれば、電解質中に供給される添加剤は、シュウ酸塩から選択されてもよい。
Additives may be added to the electrolyte 22 to improve SEI formation.
According to some embodiments, the additive provided in the electrolyte may be selected from oxalates.

シュウ酸塩の例としては、リチウムビス(オキサラト)ボレート: Examples of oxalates include lithium bis(oxalato)borate:

を挙げることができる。
特に、添加剤はリチウムジフルオロホスフェート(LiPF)であってもよく、より特定すると5wt%(重量パーセント)で電解質22へ加えられてもよい。
Can be mentioned.
In particular, the additive may be lithium difluorophosphate (LiPF 2 O 2 ), more specifically 5 wt% (weight percent) added to the electrolyte 22.

電解質22に存在するリチウムイオンは、セル10の放電中にはアノード12からカソード16へ移動しセル10の充電時にはカソード16からアノード12へ移動する。 The lithium ions present in the electrolyte 22 move from the anode 12 to the cathode 16 during the discharge of the cell 10 and move from the cathode 16 to the anode 12 during the charging of the cell 10.

図2は、本開示の実施形態による例示的な方法を示すフローチャートを示す。このセルタイプについて、開示による形成プロセスにおける適切なセル電圧及び充電速度を評価するために、この方法は望ましくは同じセルタイプの試験セルで行う。この評価は、測定されるジフルオロホスフェート(LiPF)濃度に基づく。適切なセル電圧及び充電速度のこれらのパラメーターが試験セルについて分かったら、同じセルタイプの通常のセルの、その後の形成プロセスを、これらのパラメーターに基づいて制御できる。 FIG. 2 shows a flow chart illustrating an exemplary method according to embodiments of the present disclosure. For this cell type, the method is preferably performed on test cells of the same cell type in order to evaluate the appropriate cell voltage and charge rate in the disclosed formation process. This evaluation is based on the measured difluorophosphate (LiPF 2 O 2 ) concentration. Once these parameters of proper cell voltage and charge rate are known for the test cell, the subsequent formation process of normal cells of the same cell type can be controlled based on these parameters.

工程S1において、リチウムジフルオロホスフェート(LiPF)を添加剤として電解質22へ加える。この添加剤は、1回目の充電中のアノード上の固体電解質界面24の構築を改善するために役立つ。 In step S1, lithium difluorophosphate (LiPF 2 O 2 ) is added to the electrolyte 22 as an additive. This additive serves to improve the construction of the solid electrolyte interface 24 on the anode during the first charge.

工程S2において、セルの1回目の充電を開始する。これはSEIも構築され始めることを意味する。これはさらに、SEIにおけるLiPFの濃度が充電中に増加することを暗に意味する。 In step S2, the first charging of the cell is started. This means that SEI will also begin to be built. This further implies that the concentration of LiPF 2 O 2 in SEI increases during charging.

電池を所定のセル電圧、例えば3V以上まで充電する。さらに、所定の充電速度Cで、例えば最大で1C、望ましくは0.5C以下の充電速度Cで、充電を行う。 The battery is charged to a predetermined cell voltage, for example 3V or higher. Further, the charging is performed at a predetermined charging speed C, for example, a maximum charging speed C of 1 C, preferably 0.5 C or less.

工程S3において、LiPFの濃度が測定される。これはXPS測定によって行ってもよい。この目的のために、セル10は望ましくは分解される。 In step S3, the concentration of LiPF 2 O 2 is measured. This may be done by XPS measurements. For this purpose, the cell 10 is preferably disassembled.

測定されたLiPF濃度が所定の濃度(所定の最小濃度レベル)、特に2at%(原子%)以上であるかどうかを、工程S3においてさらに決定する。これに当てはまらない場合、工程S2へ戻ることにより、充電を続ける。 It is further determined in step S3 whether the measured LiPF 2 O 2 concentration is above a predetermined concentration (predetermined minimum concentration level), in particular 2 at% (atomic %). If this is not the case, charging is continued by returning to step S2.

しかし、測定されたLiPF濃度が所定の最小濃度レベル以上である場合、充電を停止してもよい。いずれにせよ、例えば電池がまだその満充電状態に到達していない場合、充電を停止せずに充電を続けることも可能である。そのような場合、充電を続けてもよいが、最終的に様々な充電速度で、特により大きい充電速度、例えば3Cで続けてもよい。 However, charging may be stopped if the measured LiPF 2 O 2 concentration is above a predetermined minimum concentration level. In any case, for example, if the battery has not yet reached its fully charged state, it is possible to continue charging without stopping charging. In such a case, the charging may be continued, but finally at various charging rates, especially at higher charging rates, eg 3C.

SEIにおけるLiPF濃度は、充電を続けることにより増加させることができる。セルの容量安定性(すなわち容量維持率)はSEIにおけるLiPF濃度の関数である。したがってLiPF濃度は、セルが十分な容量安定性に到達したかどうかを決定するための閾値として使用できる。したがって、特定のセルタイプの試験セルは、LiPFの目標濃度を決定するのに使用してもよい。 The LiPF 2 O 2 concentration in SEI can be increased by continuing charging. The cell capacity stability (ie capacity retention) is a function of LiPF 2 O 2 concentration in SEI. Therefore, the LiPF 2 O 2 concentration can be used as a threshold to determine if the cell has reached sufficient capacity stability. Therefore, a particular cell type of test cell may be used to determine a target concentration of LiPF 2 O 2 .

LiPF濃度が少なくとも2at%である場合に、容量安定性が望ましい範囲内であることが分かった。下記で概略的に説明されるように、これは試験で決定された。 It has been found that the capacity stability is within the desired range when the LiPF 2 O 2 concentration is at least 2 at %. This was determined in trials, as outlined below.

同じコンポーネントを有する同じタイプの、所与の数の試験セル10(すなわち試料)はそれぞれ、同じセル電圧、例えば3Vまで、しかし異なる充電速度、例えば0.01C〜5Cで充電した。すべての試験セルは、充電前に同じ添加剤LiPFが電解質へ同じ濃度で供給されている。 A given number of test cells 10 (ie, samples) of the same type having the same components were each charged to the same cell voltage, eg 3V, but at different charging rates, eg 0.01C-5C. All test cells were supplied with the same additive LiPF 2 O 2 to the electrolyte at the same concentration before charging.

表1は、形成プロセス後のセルの得られる特性をまとめている。 Table 1 summarizes the resulting properties of the cell after the formation process.

この試験で分かるように、試料1〜3は、許容可能な範囲内、すなわち少なくとも97.5%の容量維持率を有する(試料3を参照)。これらの試料は最大で1Cの充電速度で充電されている(試料3を参照)。それらの最小のLiPF濃度は3.08at%である(試料3を参照)。したがって、特にさらなる対応する試験によって、形成プロセスの終了時の適切なLiPF濃度は少なくとも2at%であることが分かった。 As can be seen in this test, Samples 1-3 have a capacity retention within the acceptable range, i.e. at least 97.5% (see Sample 3). These samples are charged at a maximum charging rate of 1C (see sample 3). Their minimum LiPF 2 O 2 concentration is 3.08 at% (see sample 3). Therefore, particularly further corresponding tests have shown that a suitable LiPF 2 O 2 concentration at the end of the formation process is at least 2 at %.

LiPF濃度はXPS測定によって測定された。試料のアノードを、炭酸エチルメチルの溶液中に10分間浸し、乾燥させた。それらをグローブボックス内にセットし、密閉されたチャンバー内での測定に供した。こうしてアノードはXPS解析の準備ができた。 LiPF 2 O 2 concentration was measured by XPS measurement. The sample anode was immersed in a solution of ethyl methyl carbonate for 10 minutes and dried. They were set in a glove box and subjected to measurement in a closed chamber. The anode was then ready for XPS analysis.

XPS分析の間に使用されるX線強度は1500eV(エレクトロンボルト)であり、X線の直径は200μm(マイクロメートル)であった。光電子の検出される角度は45°であった。 The X-ray intensity used during XPS analysis was 1500 eV (electron volt) and the X-ray diameter was 200 μm (micrometer). The detected angle of photoelectrons was 45°.

図3は、SEIのLiPF濃度を示すXPSスペクトルを示す。
本開示に関連するLiPF濃度は、図3のXPSスペクトルにおいて、130eV〜124eVの間の最も低いピークによって測定できる。これは図3において「ピークA」として示される。原子%は、ピーク面積を測定することにより計算できる。したがって、このピークはLiPF濃度を表し、したがってセルの容量維持率(すなわち容量安定性)を制御するのに使用してもよい。
FIG. 3 shows an XPS spectrum showing the LiPF 2 O 2 concentration of SEI.
The LiPF 2 O 2 concentration relevant to the present disclosure can be measured by the lowest peak between 130 eV and 124 eV in the XPS spectrum of FIG. This is shown as "Peak A" in FIG. Atomic% can be calculated by measuring the peak area. Therefore, this peak represents the LiPF 2 O 2 concentration and may therefore be used to control the capacity retention rate (ie capacity stability) of the cell.

LiPF濃度の決定のために、元素の全比率(濃度)を全エネルギーにより計算する。この計算から、リンの比率(濃度)を得ることができる。しかしリンは2つのピークから成る。したがって、ガウス分布フィッティングによる分離が必要とされる。こうして、2つのピークの比率を得ることができる(ピークA及び他方のピーク)。以下の式をピークAの濃度の決定に使用できる。
(リン濃度)*(ピークAの比率)/100=ピークAの濃度
XPSピークは正規分布(ガウス分布)に従うので、図3のフィッティング曲線を使用できる。複数のピークが重なっている場合、面積を別々に計算するためにガウス分布フィッティングが必要である。例えば、ピークAはLiPFに由来するが他方のピークは別のリン成分に由来する。
For the determination of the LiPF 2 O 2 concentration, the total proportion (concentration) of the elements is calculated by the total energy. From this calculation, the phosphorus ratio (concentration) can be obtained. However, phosphorus consists of two peaks. Therefore, separation by Gaussian fitting is required. Thus, the ratio of the two peaks can be obtained (peak A and the other peak). The following equation can be used to determine the concentration of peak A.
(Phosphorus concentration)*(Ratio of peak A)/100=concentration of peak A Since the XPS peak follows a normal distribution (Gaussian distribution), the fitting curve of FIG. 3 can be used. When multiple peaks overlap, Gaussian fitting is needed to calculate the areas separately. For example, peak A is derived from LiPF 2 O 2 while the other peak is derived from another phosphorus component.

充放電サイクル試験を試験セルに対して行うことにより、容量維持率を測定した。前記試験は2Cの充電速度における3V〜4Vの間の充電及び放電を含み、望ましくは500サイクルを室温で行った。容量維持率は、(容量維持率)=((サイクル試験後の放電容量)/(形成後の放電容量))*100(%)の式によって計算できる。 The capacity retention was measured by performing a charge/discharge cycle test on the test cell. The test involved charging and discharging between 3V and 4V at a charging rate of 2C, preferably 500 cycles at room temperature. The capacity retention rate can be calculated by the formula of (capacity retention rate)=((discharge capacity after cycle test)/(discharge capacity after formation))*100(%).

特許請求の範囲を含めた、説明の全体を通して、「含む」という用語は、別段の記載がない限り「少なくとも1つを含む」と同義であると理解されるべきである。さらに、特許請求の範囲を含めた、説明に示される任意の範囲は、別段の記載がない限り、その端値(複数可)を含むものとして理解されるべきである。記載される要素に関する特定の値は、当業者に既知の許容される製造公差内又は業界公差内であると理解されるべきであり、「実質的に」及び/又は「およそ」及び/又は「一般に」という用語のいずれの使用も、そのような許容される公差内に含まれることを意味すると理解されるべきである。 Throughout the description, including the claims, the term "comprising" is to be understood as being synonymous with "including at least one" unless stated otherwise. Moreover, any range indicated in the description, including the claims, should be understood to include its extreme value(s), unless stated otherwise. It should be understood that the particular values for the listed elements are within the permissible manufacturing or industry tolerances known to those of ordinary skill in the art, "substantially" and/or "approximately" and/or " Any use of the term "generally" should be understood to mean included within such acceptable tolerances.

本明細書における本開示は特定の実施形態を参照して記載されているが、これらの実施形態は単に本開示の原理及び応用の例示的なものであることを理解するべきである。 Although the disclosure herein is described with reference to particular embodiments, it is to be understood that these embodiments are merely illustrative of the principles and applications of the disclosure.

明細書及び実施例は単に例示的なものと考えられ、開示の真の範囲は以下の特許請求の範囲によって示されることを意図している。 The specification and examples are considered exemplary only and the true scope of the disclosure is intended to be indicated by the following claims.

方法は1つのセルに関して説明されている。しかし、これは複数のセルを有する電池に対して容易に適用できる。さらに、リチウムイオンセル以外のセルタイプにも当てはまり得る。 The method is described with respect to one cell. However, this is easily applicable to batteries with multiple cells. Furthermore, it can be applied to cell types other than lithium ion cells.

Claims (11)

アノード(12)、カソード(16)、電解質(22)、及びセパレーター(20)を含む充電式セル(10)の、形成プロセスを行う方法であって、前記形成プロセスが、
− 前記アノード(12)上の固体電解質界面(SEI)(24)の構築を改善するためにリチウムジフルオロホスフェート(LiPF)を添加剤として前記電解質(22)へ加えるステップと、
− 前記固体電解質界面(24)における前記リチウムジフルオロホスフェートの濃度が所定の最小濃度レベルに到達するように、前記セル(10)を所定の充電速度(C)で所定のセル電圧(Vc)まで充電するステップと
を含む、方法。
A method of performing a process for forming a rechargeable cell (10) comprising an anode (12), a cathode (16), an electrolyte (22) and a separator (20), said forming process comprising:
Adding lithium difluorophosphate (LiPF 2 O 2 ) as an additive to the electrolyte (22) to improve the construction of the solid electrolyte interface (SEI) (24) on the anode (12);
Charging the cell (10) to a predetermined cell voltage (Vc) at a predetermined charging rate (C) so that the concentration of the lithium difluorophosphate at the solid electrolyte interface (24) reaches a predetermined minimum concentration level. And a step of performing.
前記所定の充電速度(C)が、前記SEIにおける前記リチウムジフルオロホスフェートの前記濃度の関数として選択される、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the predetermined charge rate (C) is selected as a function of the concentration of the lithium difluorophosphate in the SEI. 前記SEI(24)の前記リチウムジフルオロホスフェートの前記濃度がXPSにより測定される、請求項1又は2に記載の方法。 The method of claim 1 or 2, wherein the concentration of the lithium difluorophosphate of the SEI (24) is measured by XPS. 前記充電速度(C)が、最大で2C、望ましくは1C、より望ましくは0.5C以下である、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the charging rate (C) is at most 2C, preferably 1C, more preferably 0.5C or less. 前記SEIにおける前記リチウムジフルオロホスフェートの前記所定の最小濃度レベルが少なくとも2at%であり、前記濃度が望ましくは、XPSスペクトログラムの130〜142eVの間の2番目に低いピークのピーク面積に基づいて測定される、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。 The predetermined minimum concentration level of the lithium difluorophosphate in the SEI is at least 2 at %, and the concentration is desirably measured based on the peak area of the second lowest peak between 130 and 142 eV on the XPS spectrogram. A method according to any one of claims 1 to 4. 前記所定のセル電圧(V)が最大で3Vである、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the predetermined cell voltage (V C ) is at most 3V. − 固体電解質界面(SEI)(24)を有するアノード(12)と、
− カソード(16)と、
− 電解質(22)と、
− セパレーター(20)と
を含み、前記SEIがリチウムジフルオロホスフェート(LiPF)を少なくとも2at%の濃度で含む、充電式セル(10)。
An anode (12) having a solid electrolyte interface (SEI) (24),
A cathode (16),
An electrolyte (22),
A separator (20), wherein the SEI comprises lithium difluorophosphate (LiPF 2 O 2 ) at a concentration of at least 2 at %.
前記アノード(12)がグラファイトを含み、及び/又は前記カソード(16)がLiNi 1/3Co1/3Mn1/3を含む、請求項に記載のセル(10)。 The cell (10) of claim 7 , wherein the anode (12) comprises graphite and/or the cathode (16) comprises Li Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 . 前記セパレーター(20)が、ポリエチレンを含むフィルムでできている、請求項7又は8に記載のセル(10)。 A cell (10) according to claim 7 or 8 , wherein the separator (20) is made of a film comprising polyethylene. 前記電解質(22)が、酸エチレン、炭酸ジメチル、及び炭酸エチルメチルの混合物を含み、記電解質(22)が、LiPF 含む、請求項7からのいずれか一項に記載のセル(10)。 Said electrolyte (22), ethylene carbonate acid includes dimethyl carbonate, and a mixture of ethyl methyl carbonate, prior Symbol electrolyte (22) comprises LiPF 6, cells according to any one of claims 7 9 (10). 前記電解質(22)が、等しい体積比で存在する、炭酸エチレン、炭酸ジメチル、及び炭酸エチルメチルの混合物を含み、前記電解質(22)が、LiPFThe electrolyte (22) comprises a mixture of ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate, present in equal volume ratios, wherein the electrolyte (22) is LiPF 6 を1mol/Lで含む、請求項10に記載のセル(10)。The cell (10) according to claim 10, which comprises 1 mol/L.
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