JP7714864B2 - Nonaqueous electrolyte storage element and method for manufacturing same - Google Patents
Nonaqueous electrolyte storage element and method for manufacturing sameInfo
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Description
本発明は、非水電解質蓄電素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte storage element and a method for manufacturing the same.
リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、エネルギー密度の高さから、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等に多用されている。上記非水電解質二次電池は、一般的には、セパレータで電気的に隔離された一対の電極と、この電極間に介在する非水電解質とを有し、両電極間でイオンの受け渡しを行うことで充放電するよう構成される。また、非水電解質二次電池以外の非水電解質蓄電素子として、リチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタ等のキャパシタも広く普及している。 Due to their high energy density, non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as lithium-ion secondary batteries, are widely used in electronic devices such as personal computers and communication terminals, as well as in automobiles. Non-aqueous electrolyte secondary batteries generally have a pair of electrodes electrically isolated by a separator and a non-aqueous electrolyte sandwiched between the electrodes, and are configured to charge and discharge by transferring ions between the electrodes. In addition to non-aqueous electrolyte secondary batteries, capacitors such as lithium-ion capacitors and electric double-layer capacitors are also widely used as non-aqueous electrolyte energy storage elements.
非水電解質蓄電素子の性能を向上させるために、従来から、非水電解質に種々の添加剤を添加することが検討されている。特許文献1には、環状硫酸エステルを含む非水電解液が用いられた非水電解液二次電池が記載されている。 In order to improve the performance of non-aqueous electrolyte storage elements, the addition of various additives to non-aqueous electrolytes has been studied. Patent Document 1 describes a non-aqueous electrolyte secondary battery that uses a non-aqueous electrolyte containing a cyclic sulfate ester.
非水電解質蓄電素子においては、充放電のサイクルを繰り返しても初期の性能が長く維持されることが望ましい。特に充放電サイクルにおける、容量維持率が高いこと及び抵抗上昇が抑制されていることなどが求められるが、従来の非水電解質蓄電素子においては、これらを両立させることは困難である。 It is desirable for non-aqueous electrolyte energy storage elements to maintain their initial performance for a long period of time, even after repeated charge-discharge cycles. In particular, a high capacity retention rate and suppressed resistance increase during charge-discharge cycles are required, but it is difficult to achieve both of these goals with conventional non-aqueous electrolyte energy storage elements.
本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、充放電サイクルにおける容量維持率が高く且つ抵抗上昇が抑制されている非水電解質蓄電素子、及びこのような非水電解質蓄電素子の製造方法を提供することである。 The present invention was made based on the above circumstances, and its purpose is to provide a nonaqueous electrolyte storage element that has a high capacity retention rate during charge/discharge cycles and suppresses resistance increase, as well as a method for manufacturing such a nonaqueous electrolyte storage element.
本発明の一態様は、負極活物質を含有する負極、及び添加剤を含有する非水電解質を備え、上記負極の表面に硫黄元素を含む被膜が形成されており、上記添加剤が硫黄元素を含む化合物であり、上記非水電解質における上記添加剤の濃度が0.2質量%以下である非水電解質蓄電素子である。 One aspect of the present invention is a nonaqueous electrolyte storage element comprising a negative electrode containing a negative electrode active material and a nonaqueous electrolyte containing an additive, wherein a coating containing elemental sulfur is formed on the surface of the negative electrode, the additive is a compound containing elemental sulfur, and the concentration of the additive in the nonaqueous electrolyte is 0.2 mass% or less.
本発明の他の一態様は、負極活物質を含有する負極と、添加剤を含有する非水電解質とを用いて未充放電蓄電素子を組み立てること、及び上記未充放電蓄電素子を初期充放電することを備え、上記添加剤が硫黄元素を含む化合物であり、下記式1を満たす非水電解質蓄電素子の製造方法である。
0.004≦mS/mN≦0.016 ・・・1
式1中、mSは、上記非水電解質に含有される上記添加剤の質量(g)である。mNは、上記負極に含有される上記負極活物質の質量(g)である。
Another aspect of the present invention is a method for producing a nonaqueous electrolyte storage element, comprising assembling an uncharged/discharged storage element using a negative electrode containing a negative electrode active material and a nonaqueous electrolyte containing an additive, and initially charging/discharging the uncharged/discharged storage element, wherein the additive is a compound containing elemental sulfur and satisfies the following formula 1:
0.004≦ mS / mN ≦0.016...1
In formula 1, m 1 S is the mass (g) of the additive contained in the non-aqueous electrolyte, and m 1 N is the mass (g) of the negative electrode active material contained in the negative electrode.
本発明の他の一態様は、負極活物質を含有する負極と、添加剤を含有する非水電解質とを用いて未充放電蓄電素子を組み立てること、及び上記未充放電蓄電素子を初期充放電することを備え、上記添加剤が硫黄元素を含む化合物であり、下記式2を満たす非水電解質蓄電素子の製造方法である。
0.010≦mS/cN≦0.048 ・・・2
式2中、mSは、上記非水電解質に含有される上記添加剤の質量(g)である。cNは、上記負極の放電容量(Ah)である。
Another aspect of the present invention is a method for producing a nonaqueous electrolyte storage element, comprising assembling an uncharged/discharged storage element using a negative electrode containing a negative electrode active material and a nonaqueous electrolyte containing an additive, and initially charging/discharging the uncharged/discharged storage element, wherein the additive is a compound containing elemental sulfur and satisfies the following formula 2:
0.010≦m S /c N ≦0.048 ...2
In Equation 2, m S is the mass (g) of the additive contained in the non-aqueous electrolyte, and c N is the discharge capacity (Ah) of the negative electrode.
本発明の一態様によれば、充放電サイクルにおける容量維持率が高く且つ抵抗上昇が抑制されている非水電解質蓄電素子、及びこのような非水電解質蓄電素子の製造方法を提供することができる。 One aspect of the present invention provides a nonaqueous electrolyte storage element that has a high capacity retention rate during charge/discharge cycles and suppresses resistance increases, as well as a method for manufacturing such a nonaqueous electrolyte storage element.
初めに、本明細書によって開示される非水電解質蓄電素子及び非水電解質蓄電素子の製造方法の概要について説明する。 First, we will provide an overview of the nonaqueous electrolyte storage element and the method for manufacturing the nonaqueous electrolyte storage element disclosed in this specification.
本発明の一態様に係る非水電解質蓄電素子は、負極活物質を含有する負極、及び添加剤を含有する非水電解質を備え、上記負極の表面に硫黄元素を含む被膜が形成されており、上記添加剤が硫黄元素を含む化合物であり、上記非水電解質における上記添加剤の濃度が0.2質量%以下である非水電解質蓄電素子である。 A nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention is a nonaqueous electrolyte storage element comprising a negative electrode containing a negative electrode active material and a nonaqueous electrolyte containing an additive, a coating containing elemental sulfur formed on the surface of the negative electrode, the additive being a compound containing elemental sulfur, and the concentration of the additive in the nonaqueous electrolyte being 0.2 mass% or less.
本発明の一態様に係る非水電解質蓄電素子は、充放電サイクルにおける容量維持率が高く且つ抵抗上昇が抑制されている。この理由は定かではないが、以下の理由が推測される。当該非水電解質蓄電素子においては、非水電解質に添加剤が含有されており、上記添加剤が硫黄元素を含む化合物であり、負極の表面に硫黄元素を含む被膜が形成されていることにより、充放電サイクルにおける容量維持率が高い。なお、上記添加剤を含有する非水電解質を用いて非水電解質蓄電素子を製造する場合、上記添加剤の一部は、初期充放電の際に分解し、負極表面に被膜を形成する。しかし、発明者らは、初期充放電後に非水電解質中に残存する上記添加剤の濃度が0.2質量%を超える場合、この残存する上記添加剤が主に正極に対して悪影響を与えることなどによって、充放電サイクルにおける抵抗上昇が生じることを知見した。そこで、当該非水電解質蓄電素子においては、非水電解質における上記添加剤の濃度を0.2質量%以下としていることで、主に正極に与える好ましくない影響が抑えられ、充放電サイクルにおける抵抗上昇が抑制されていると推測される。 A nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention exhibits a high capacity retention rate and suppressed resistance increase during charge-discharge cycles. While the reasons for this are unclear, the following is presumed. In this nonaqueous electrolyte storage element, an additive is contained in the nonaqueous electrolyte. The additive is a compound containing elemental sulfur, and a coating containing elemental sulfur is formed on the surface of the negative electrode, resulting in a high capacity retention rate during charge-discharge cycles. When a nonaqueous electrolyte storage element is manufactured using a nonaqueous electrolyte containing the additive, a portion of the additive decomposes during initial charge-discharge cycles and forms a coating on the surface of the negative electrode. However, the inventors have discovered that if the concentration of the additive remaining in the nonaqueous electrolyte after initial charge-discharge cycles exceeds 0.2% by mass, the remaining additive adversely affects the positive electrode, resulting in an increase in resistance during charge-discharge cycles. Therefore, in this nonaqueous electrolyte storage element, the concentration of the additive in the nonaqueous electrolyte is set to 0.2% by mass or less, which is presumed to suppress undesirable effects, primarily on the positive electrode, and thereby suppress the increase in resistance during charge-discharge cycles.
なお、本発明の一態様に係る非水電解質蓄電素子に備わる非水電解質における上記添加剤の濃度は、製造の際に用いた非水電解質における添加剤の濃度では無く、完成した非水電解質蓄電素子に備わる非水電解質における添加剤の濃度である。通常、上述のように非水電解質蓄電素子は、組み立てた後に、初期充放電することにより完成され、初期充放電の際に、添加剤の一部が被膜の形成に消費される。このため、完成した非水電解質蓄電素子に備わる非水電解質における添加剤の濃度は、製造の際に用いた非水電解質の濃度から低下している。上記初期充放電は、未充放電蓄電素子を組み立て後、例えば容量確認のために行われるものや、特定の正極活物質を活性化させるために行われるものなどであってよく、完成した製品としての非水電解質蓄電素子が出荷あるいは使用されるまでに行われる充放電をいう。 Note that the concentration of the additive in the nonaqueous electrolyte provided in a nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention is not the concentration of the additive in the nonaqueous electrolyte used during production, but the concentration of the additive in the nonaqueous electrolyte provided in the completed nonaqueous electrolyte storage element. As described above, a nonaqueous electrolyte storage element is typically completed by initial charging and discharging after assembly, during which some of the additive is consumed in forming a coating. Therefore, the concentration of the additive in the nonaqueous electrolyte provided in the completed nonaqueous electrolyte storage element is lower than the concentration in the nonaqueous electrolyte used during production. The initial charging and discharging may be performed after assembly of an uncharged and discharged storage element, for example, to check the capacity or to activate a specific positive electrode active material. This refers to the charging and discharging performed before the nonaqueous electrolyte storage element is shipped or used as a completed product.
上記非水電解質における上記添加剤の濃度が0.01質量%以上であることが好ましい。製造に用いた初期充放電前の非水電解質における上記添加剤の濃度と、完成した非水電解質蓄電素子の非水電解質に残存する上記添加剤の濃度とは、ある程度の相関性がある。このため、完成した非水電解質蓄電素子の非水電解質に残存する上記添加剤の濃度が0.01質量%以上であれば、製造に用いた初期充放電前の非水電解質には、負極の表面に十分な量の硫黄元素を含む被膜を形成するために十分な濃度の添加剤が含有されていたといえ、この場合、当該非水電解質蓄電素子の充放電サイクルにおける容量維持率がより高まる。 The concentration of the additive in the nonaqueous electrolyte is preferably 0.01% by mass or more. There is a certain degree of correlation between the concentration of the additive in the nonaqueous electrolyte used in production before the initial charge/discharge and the concentration of the additive remaining in the nonaqueous electrolyte of the completed nonaqueous electrolyte storage element. Therefore, if the concentration of the additive remaining in the nonaqueous electrolyte of the completed nonaqueous electrolyte storage element is 0.01% by mass or more, it can be said that the nonaqueous electrolyte used in production before the initial charge/discharge contained a sufficient concentration of additive to form a coating containing a sufficient amount of elemental sulfur on the surface of the negative electrode. In this case, the capacity retention rate of the nonaqueous electrolyte storage element during charge/discharge cycles is further improved.
上記添加剤がスルホニル基構造を含む化合物であることが好ましい。このような添加剤を用いた場合、負極の表面に良好な被膜が形成されること、正極等に与える好ましくない影響が小さいことなどにより、当該非水電解質蓄電素子の充放電サイクルにおける容量維持率がより高まり、抵抗上昇がより抑制される。 The additive is preferably a compound containing a sulfonyl group structure. When such an additive is used, a good coating is formed on the surface of the negative electrode, and undesirable effects on the positive electrode, etc., are minimized, resulting in a higher capacity retention rate during charge-discharge cycles of the nonaqueous electrolyte storage element and more suppression of resistance increases.
上記添加剤がサルフェート類であることが好ましい。このような添加剤を用いた場合、負極の表面により良好な被膜が形成されること、正極等に与える好ましくない影響がより小さいことなどにより、当該非水電解質蓄電素子の充放電サイクルにおける容量維持率がより高まり、抵抗上昇がより抑制される。 The additive is preferably a sulfate. When such an additive is used, a better coating is formed on the surface of the negative electrode and undesirable effects on the positive electrode, etc., are minimized, resulting in a higher capacity retention rate during charge-discharge cycles of the nonaqueous electrolyte storage element and more suppression of resistance increases.
本発明の一態様に係る非水電解質蓄電素子は、ポリアニオン化合物を含有する正極をさらに備えることが好ましい。ポリアニオン化合物は容量維持率の高い正極活物質として使用できるものの、添加剤が硫黄元素を含む化合物である場合、非水電解質に残存する添加剤やその分解物が、ポリアニオン化合物中の遷移金属を溶出させ、抵抗上昇を生じさせる要因となりやすい。従って、当該非水電解質蓄電素子がポリアニオン化合物を含有する正極を備える場合、充放電サイクルにおける抵抗上昇を抑制するという効果を特に十分に享受できる。 A nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention preferably further comprises a positive electrode containing a polyanionic compound. Although polyanionic compounds can be used as positive electrode active materials with high capacity retention, when the additive is a compound containing elemental sulfur, the additive or its decomposition products remaining in the nonaqueous electrolyte tend to leach transition metals from the polyanionic compound, resulting in an increase in resistance. Therefore, when the nonaqueous electrolyte storage element comprises a positive electrode containing a polyanionic compound, the effect of suppressing the increase in resistance during charge-discharge cycles can be particularly fully achieved.
本発明の一態様に係る非水電解質蓄電素子の製造方法は、負極活物質を含有する負極と、添加剤を含有する非水電解質とを用いて未充放電蓄電素子を組み立てること、及び上記未充放電蓄電素子を初期充放電することを備え、上記添加剤が硫黄元素を含む化合物であり、下記式1を満たす非水電解質蓄電素子の製造方法(α)である。
0.004≦mS/mN≦0.016 ・・・1
式1中、mSは、上記非水電解質に含有される上記添加剤の質量(g)である。mNは、上記負極に含有される上記負極活物質の質量(g)である。
A method for manufacturing a nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention includes assembling an uncharged/discharged storage element using a negative electrode containing a negative electrode active material and a nonaqueous electrolyte containing an additive, and initially charging/discharging the uncharged/discharged storage element, wherein the additive is a compound containing elemental sulfur, and the method (α) for manufacturing a nonaqueous electrolyte storage element satisfies the following formula 1:
0.004≦ mS / mN ≦0.016...1
In formula 1, m 1 S is the mass (g) of the additive contained in the non-aqueous electrolyte, and m 1 N is the mass (g) of the negative electrode active material contained in the negative electrode.
当該製造方法(α)によれば、充放電サイクルにおける容量維持率が高く且つ抵抗上昇が抑制されている非水電解質蓄電素子を製造することができる。この理由は定かではないが、以下の理由が推測される。初期充放電において消費される添加剤の量は、負極活物質の質量との相関性が高い。当該製造方法(α)においては、上記式1を満たすことにより、負極の表面に硫黄元素を含む被膜が十分に形成され、且つ非水電解質中の添加剤の残存量が少ない非水電解質蓄電素子が得られることにより、上記効果が奏されるものと推測される。 Manufacturing method (α) makes it possible to produce a nonaqueous electrolyte storage element that has a high capacity retention rate during charge/discharge cycles and suppresses resistance increase. While the reason for this is unclear, the following reason is presumed: the amount of additive consumed during initial charge/discharge is highly correlated with the mass of the negative electrode active material. By satisfying formula 1 above, manufacturing method (α) produces a nonaqueous electrolyte storage element in which a coating containing elemental sulfur is sufficiently formed on the surface of the negative electrode and a small amount of additive remains in the nonaqueous electrolyte, thereby presumably achieving the above-mentioned effects.
本発明の他の一態様に係る非水電解質蓄電素子の製造方法は、負極活物質を含有する負極と、添加剤を含有する非水電解質とを用いて未充放電蓄電素子を組み立てること、及び上記未充放電蓄電素子を初期充放電することを備え、上記添加剤が硫黄元素を含む化合物であり、下記式2を満たす非水電解質蓄電素子の製造方法である。
0.010≦mS/cN≦0.048 ・・・2
式2中、mSは、上記非水電解質に含有される上記添加剤の質量(g)である。cNは、上記負極の放電容量(Ah)である。
A method for manufacturing a nonaqueous electrolyte storage element according to another embodiment of the present invention includes assembling an uncharged/discharged storage element using a negative electrode containing a negative electrode active material and a nonaqueous electrolyte containing an additive, and initially charging/discharging the uncharged/discharged storage element, wherein the additive is a compound containing elemental sulfur and satisfies the following formula 2:
0.010≦m S /c N ≦0.048 ...2
In Equation 2, m S is the mass (g) of the additive contained in the non-aqueous electrolyte, and c N is the discharge capacity (Ah) of the negative electrode.
当該製造方法(β)によれば、充放電サイクルにおける容量維持率が高く且つ抵抗上昇が抑制されている非水電解質蓄電素子を製造することができる。この理由は定かではないが、以下の理由が推測される。初期充放電において消費される添加剤の量は、上述の負極活物質の質量の他、負極の放電容量とも相関性が高い。従って、当該製造方法(β)においては、上記式2を満たすことにより、負極の表面に硫黄元素を含む被膜が十分に形成され、且つ非水電解質中の添加剤の残存量が少ない非水電解質蓄電素子が得られることにより、上記効果が奏されるものと推測される。 Manufacturing method (β) makes it possible to produce a nonaqueous electrolyte storage element that has a high capacity retention rate during charge/discharge cycles and suppresses resistance increase. While the reason for this is unclear, the following reason is presumed: The amount of additive consumed during initial charge/discharge is highly correlated with the mass of the negative electrode active material described above, as well as the discharge capacity of the negative electrode. Therefore, by satisfying formula 2 above, manufacturing method (β) is presumed to achieve the above-mentioned effects by producing a nonaqueous electrolyte storage element in which a coating containing elemental sulfur is sufficiently formed on the surface of the negative electrode and a small amount of additive remains in the nonaqueous electrolyte.
当該製造方法(α)及び製造方法(β)においては、上記初期充放電における正極到達電位が2.0V(vs.Li/Li+)以上4.2V(vs.Li/Li+)以下であることが好ましい。このような範囲の正極到達電位で初期充放電を行うことで、負極表面に硫黄元素を含む被膜を十分に形成でき、且つ完成した非水電解質蓄電素子の非水電解質中の添加剤の残存量をより適度な範囲とすることなどができる。 In the production methods (α) and (β), the positive electrode potential achieved during the initial charge/discharge is preferably 2.0 V (vs. Li/Li + ) to 4.2 V (vs. Li/ Li + ). By performing the initial charge/discharge at a positive electrode potential within this range, a coating containing elemental sulfur can be sufficiently formed on the negative electrode surface, and the amount of additive remaining in the nonaqueous electrolyte of the completed nonaqueous electrolyte storage element can be kept within a more appropriate range.
以下、本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子及び非水電解質蓄電素子の製造方法等について、順に説明する。 The following describes a nonaqueous electrolyte storage element and a method for manufacturing a nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention.
<非水電解質蓄電素子>
本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子は、正極、負極及び非水電解質を有する。以下、非水電解質蓄電素子の一例として、非水電解質二次電池(以下、単に「二次電池」ともいう。)について説明する。上記正極及び負極は、通常、セパレータを介して積層又は巻回により交互に重畳された電極体を形成する。この電極体は容器に収納され、この容器内に非水電解質が充填される。上記非水電解質は、正極と負極との間に介在する。また、上記容器としては、二次電池の容器として通常用いられる公知の金属容器、樹脂容器等を用いることができる。
<Non-aqueous electrolyte energy storage element>
A nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention has a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. Hereinafter, a nonaqueous electrolyte secondary battery (hereinafter simply referred to as a "secondary battery") will be described as an example of a nonaqueous electrolyte storage element. The positive electrode and negative electrode are usually stacked or wound alternately with a separator interposed therebetween to form an electrode assembly. This electrode assembly is housed in a container, and the container is filled with a nonaqueous electrolyte. The nonaqueous electrolyte is interposed between the positive electrode and the negative electrode. The container may be a known metal container, a resin container, or the like, that is typically used as a container for secondary batteries.
(正極)
正極は、正極基材、及びこの正極基材に直接又は中間層を介して配される正極活物質層を有する。
(positive electrode)
The positive electrode has a positive electrode substrate and a positive electrode active material layer disposed on the positive electrode substrate directly or via an intermediate layer.
正極基材は、導電性を有する。「導電性」を有するとは、JIS-H-0505(1975年)に準拠して測定される体積抵抗率が107Ω・cm以下であることを意味し、「非導電性」とは、上記体積抵抗率が107Ω・cm超であることを意味する。正極基材の材質としては、アルミニウム、チタン、タンタル、ステンレス鋼等の金属又はそれらの合金が用いられる。これらの中でも、耐電位性、導電性の高さ及びコストのバランスからアルミニウム及びアルミニウム合金が好ましい。また、正極基材の形成形態としては、箔、蒸着膜等が挙げられ、コストの面から箔が好ましい。つまり、正極基材としてはアルミニウム箔が好ましい。なお、アルミニウム又はアルミニウム合金としては、JIS-H-4000(2014年)に規定されるA1085、A3003等が例示できる。 The positive electrode substrate is conductive. "Conductive" means that the volume resistivity measured in accordance with JIS-H-0505 (1975) is 10 7 Ω·cm or less, and "non-conductive" means that the volume resistivity exceeds 10 7 Ω·cm. Metals such as aluminum, titanium, tantalum, and stainless steel, or alloys thereof, are used as the material for the positive electrode substrate. Among these, aluminum and aluminum alloys are preferred in terms of the balance between potential resistance, high conductivity, and cost. The positive electrode substrate may be formed in the form of foil, vapor-deposited film, or the like, with foil being preferred in terms of cost. In other words, aluminum foil is preferred as the positive electrode substrate. Examples of aluminum or aluminum alloys include A1085 and A3003 as specified in JIS-H-4000 (2014).
正極基材の平均厚さは、3μm以上50μm以下が好ましく、5μm以上40μm以下がより好ましく、8μm以上30μm以下がさらに好ましく、10μm以上25μm以下が特に好ましい。正極基材の平均厚さを上記の範囲とすることで、正極基材の強度を高めつつ、二次電池の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。正極基材及び後述する負極基材の「平均厚さ」とは、所定の面積の基材を打ち抜いた際の打ち抜き質量を、基材の真密度及び打ち抜き面積で除した値をいう。 The average thickness of the positive electrode substrate is preferably 3 μm or more and 50 μm or less, more preferably 5 μm or more and 40 μm or less, even more preferably 8 μm or more and 30 μm or less, and particularly preferably 10 μm or more and 25 μm or less. By setting the average thickness of the positive electrode substrate within the above range, the strength of the positive electrode substrate can be increased while also increasing the energy density per volume of the secondary battery. The "average thickness" of the positive electrode substrate and the negative electrode substrate described below refers to the value obtained by dividing the punched mass when a substrate of a given area is punched out by the true density and punched area of the substrate.
中間層は、正極基材の表面の被覆層であり、炭素粒子等の導電性粒子を含むことで正極基材と正極活物質層との接触抵抗を低減する。中間層の構成は特に限定されず、例えば樹脂バインダー及び導電性粒子を含有する組成物により形成できる。 The intermediate layer is a coating layer on the surface of the positive electrode substrate, and by containing conductive particles such as carbon particles, it reduces the contact resistance between the positive electrode substrate and the positive electrode active material layer. There are no particular restrictions on the composition of the intermediate layer, and it can be formed, for example, from a composition containing a resin binder and conductive particles.
正極活物質層は、正極活物質を含むいわゆる正極合剤から形成される。また、正極活物質層を形成する正極合剤は、必要に応じて導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。 The positive electrode active material layer is formed from a so-called positive electrode mixture containing a positive electrode active material. Furthermore, the positive electrode mixture that forms the positive electrode active material layer may contain optional components such as a conductive agent, binder, thickener, and filler as needed.
正極活物質としては、公知の正極活物質の中から適宜選択できる。リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。正極活物質としては、例えば、α-NaFeO2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、ポリアニオン化合物、カルコゲン化合物、硫黄等が挙げられる。α-NaFeO2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、例えば、Li[LixNi1-x]O2(0≦x<0.5)、Li[LixNiγCo1-x-γ]O2(0≦x<0.5、0<γ<1)、Li[LixCo1-x]O2(0≦x<0.5)、Li[LixNiγMn1-x-γ]O2(0≦x<0.5、0<γ<1)、Li[LixNiγMnβCo1-x-γ-β]O2(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1)、Li[LixNiγCoβAl1-x-γ-β]O2(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1)等が挙げられる。スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、LixMn2O4、LixNiγMn2-γO4等が挙げられる。ポリアニオン化合物として、LiFePO4、LiMnPO4、LiNiPO4、LiCoPO4、Li3V2(PO4)3、Li2MnSiO4、Li2CoPO4F等が挙げられる。カルコゲン化合物として、二硫化チタン、二硫化モリブデン、二酸化モリブデン等が挙げられる。これらの材料中の原子又はポリアニオンは、他の元素からなる原子又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。これらの材料は表面が他の材料で被覆されていてもよい。正極活物質層においては、これら材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 The positive electrode active material can be appropriately selected from known positive electrode active materials. A material capable of absorbing and releasing lithium ions is typically used as the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries. Examples of the positive electrode active material include lithium transition metal composite oxides having an α-NaFeO 2- type crystal structure, lithium transition metal composite oxides having a spinel-type crystal structure, polyanion compounds, chalcogen compounds, and sulfur. Examples of lithium transition metal composite oxides having α-NaFeO 2 type crystal structure include Li[Li x Ni 1-x ]O 2 (0≦x<0.5), Li[Li x Ni γ Co 1-x-γ ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ<1), Li[Li x Co 1-x ]O 2 (0≦x<0.5), Li[Li x Ni γ Mn 1-x-γ ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ<1), Li[Li x Ni γ Mn β Co 1-x-γ-β ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ, 0<β, 0.5<γ+β<1), Li[Li x Ni γ Co β Al 1-x-γ-β ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ, 0<β, 0.5<γ+β<1). Examples of lithium transition metal composite oxides having a spinel crystal structure include Li x Mn 2 O 4 and Li x Ni γ Mn 2-γ O 4. Examples of polyanion compounds include LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , LiCoPO 4 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , Li 2 MnSiO 4 , and Li 2 CoPO 4 F. Examples of chalcogen compounds include titanium disulfide, molybdenum disulfide, and molybdenum dioxide. Atoms or polyanions in these materials may be partially substituted with atoms or anion species of other elements. The surface of these materials may be coated with another material. In the positive electrode active material layer, these materials may be used alone or in combination of two or more.
正極活物質としては、上述のように充放電サイクルにおける抵抗上昇を抑制するという利点を効果的に享受できることなどから、ポリアニオン化合物が好ましい。ポリアニオン化合物の中でも、リン酸イオン(PO4 3-)を含む化合物(リン酸化合物)が好ましく、リン酸鉄リチウムがより好ましい。リン酸鉄リチウムは、LiFePO4の他、LiFePO4の原子又はポリアニオンの一部が他の原子又は他のアニオン種で置換されたものであってもよい。 As the positive electrode active material, a polyanion compound is preferred because it can effectively suppress the increase in resistance during charge-discharge cycles as described above. Among polyanion compounds, compounds containing phosphate ions (PO 4 3− ) (phosphate compounds) are preferred, and lithium iron phosphate is more preferred. Lithium iron phosphate may be LiFePO 4 or a compound in which a portion of the atoms or polyanions of LiFePO 4 are substituted with other atoms or other anion species.
正極活物質は、通常、粒子(粉体)である。正極活物質の平均粒子径は、例えば、0.1μm以上20μm以下とすることが好ましい。正極活物質の平均粒子径を上記下限以上とすることで、正極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。正極活物質の平均粒子径を上記上限以下とすることで、正極活物質層の電子伝導性が向上する。なお、正極活物質と他の材料との複合体を用いる場合、該複合体の平均粒径を正極活物質の平均粒径とする。 The positive electrode active material is usually in the form of particles (powder). The average particle diameter of the positive electrode active material is preferably, for example, 0.1 μm or more and 20 μm or less. Setting the average particle diameter of the positive electrode active material to be equal to or greater than the above-mentioned lower limit makes the positive electrode active material easier to manufacture and handle. Setting the average particle diameter of the positive electrode active material to be equal to or less than the above-mentioned upper limit improves the electronic conductivity of the positive electrode active material layer. When a composite of the positive electrode active material and another material is used, the average particle diameter of the composite is taken as the average particle diameter of the positive electrode active material.
粉体を所定の粒径で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。粉砕方法として、例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェットミル、旋回気流型ジェットミル又は篩等を用いる方法が挙げられる。粉砕時には水、あるいはヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いることもできる。分級方法としては、篩や風力分級機等が、乾式、湿式ともに必要に応じて用いられる。 To obtain powders of a specified particle size, mills and classifiers are used. Examples of milling methods include those using a mortar, ball mill, sand mill, vibrating ball mill, planetary ball mill, jet mill, counter jet mill, swirling air jet mill, or sieves. Wet milling, in which water or an organic solvent such as hexane is present, can also be used. Sieves and air classifiers are used as classification methods, both dry and wet, as needed.
正極活物質層における正極活物質の含有量は、50質量%以上99質量%以下が好ましく、70質量%以上98質量%以下がより好ましく、80質量%以上95質量%以下がさらに好ましい。正極活物質の含有量を上記の範囲とすることで、正極活物質層の高エネルギー密度化と製造性を両立できる。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably 50% by mass or more and 99% by mass or less, more preferably 70% by mass or more and 98% by mass or less, and even more preferably 80% by mass or more and 95% by mass or less. By keeping the content of the positive electrode active material within this range, both high energy density and manufacturability of the positive electrode active material layer can be achieved.
導電剤としては、導電性を有する材料であれば特に限定されない。このような導電剤としては、例えば、炭素質材料;金属;導電性セラミックス等が挙げられる。炭素質材料としては、黒鉛やカーボンブラックが挙げられる。カーボンブラックの種類としては、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等が挙げられる。これらの中でも、導電性及び塗工性の観点より、炭素質材料が好ましい。なかでも、アセチレンブラックやケッチェンブラックが好ましい。導電剤の形状としては、粉状、シート状、繊維状等が挙げられる。 The conductive agent is not particularly limited as long as it is a material that is conductive. Examples of such conductive agents include carbonaceous materials, metals, and conductive ceramics. Examples of carbonaceous materials include graphite and carbon black. Examples of carbon black include furnace black, acetylene black, and ketjen black. Of these, carbonaceous materials are preferred from the standpoint of conductivity and coatability. Acetylene black and ketjen black are particularly preferred. The conductive agent may be in the form of powder, sheet, fiber, or the like.
正極活物質層における導電剤の含有量は、1質量%以上40質量%以下が好ましく、2質量%以上30質量%以下がより好ましく、4質量%以上20質量%以下がさらに好ましく、10質量%以下がよりさらに好ましい場合もある。導電剤の含有量を上記の範囲とすることで、二次電池のエネルギー密度を高めることができる。 The content of the conductive agent in the positive electrode active material layer is preferably 1% by mass or more and 40% by mass or less, more preferably 2% by mass or more and 30% by mass or less, even more preferably 4% by mass or more and 20% by mass or less, and in some cases even more preferably 10% by mass or less. By keeping the content of the conductive agent within the above range, the energy density of the secondary battery can be increased.
バインダーとしては、フッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド等の熱可塑性樹脂;エチレン-プロピレン-ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のエラストマー;多糖類高分子などが挙げられる。 Examples of binders include thermoplastic resins such as fluororesins (polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc.), polyethylene, polypropylene, and polyimide; elastomers such as ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butadiene rubber (SBR), and fluororubber; and polysaccharide polymers.
正極活物質層におけるバインダーの含有量は、1質量%以上10質量%以下が好ましく、3質量%以上9質量%以下がより好ましい。バインダーの含有量を上記の範囲とすることで、活物質を安定して保持することができる。 The binder content in the positive electrode active material layer is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 3% by mass or more and 9% by mass or less. By keeping the binder content within this range, the active material can be stably maintained.
増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース等の多糖類高分子が挙げられる。また、増粘剤がリチウムと反応する官能基を有する場合、予めメチル化等によりこの官能基を失活させておくことが好ましい。正極活物質層における増粘剤の含有量としては、0.5質量%以上10質量%以下が好ましく、2質量%以上5質量%以下がより好ましい。 Examples of thickeners include polysaccharide polymers such as carboxymethyl cellulose (CMC) and methyl cellulose. Furthermore, if the thickener has a functional group that reacts with lithium, it is preferable to deactivate this functional group in advance by methylation or the like. The content of the thickener in the positive electrode active material layer is preferably 0.5% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 2% by mass or more and 5% by mass or less.
フィラーは、特に限定されない。フィラーとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、二酸化チタン、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、アルミノケイ酸塩等の無機酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム等の水酸化物、炭酸カルシウム等の炭酸塩、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、硫酸バリウム等の難溶性のイオン結晶、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物、タルク、モンモリロナイト、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、セリサイト、ベントナイト、マイカ等の鉱物資源由来物質又はこれらの人造物等が挙げられる。 The filler is not particularly limited. Examples of fillers include polyolefins such as polypropylene and polyethylene; inorganic oxides such as silicon dioxide, aluminum oxide, titanium dioxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, magnesium oxide, and aluminosilicates; hydroxides such as magnesium hydroxide, calcium hydroxide, and aluminum hydroxide; carbonates such as calcium carbonate; sparingly soluble ionic crystals such as calcium fluoride, barium fluoride, and barium sulfate; nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride; mineral-derived substances such as talc, montmorillonite, boehmite, zeolite, apatite, kaolin, mullite, spinel, olivine, sericite, bentonite, and mica; and synthetic versions of these.
正極活物質層は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Zn、Ga、Ge、Sn、Sr、Ba等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Nb、W等の遷移金属元素を正極活物質、導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー以外の成分として含有してもよい。 The positive electrode active material layer may contain typical non-metallic elements such as B, N, P, F, Cl, Br, and I; typical metallic elements such as Li, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Zn, Ga, Ge, Sn, Sr, and Ba; and transition metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Nb, and W as components other than the positive electrode active material, conductive agent, binder, thickener, and filler.
(負極)
上記負極は、負極基材、及びこの負極基材に直接又は中間層を介して配される負極活物質層を有する。上記中間層は正極の中間層と同様の構成とすることができる。負極の表面、具体的には負極活物質層の表面には、硫黄元素を含む被膜が形成されている。この被膜は、通常、初期充放電の際に、非水電解質中の硫黄元素を含む化合物である添加剤等が分解することにより形成されるものである。すなわち、上記被膜は、非水電解質中の添加剤に由来する成分を含む。上記被膜には、硫黄以外の元素が含まれていてよく、非水電解質中の添加剤以外に由来する成分が含まれていてもよい。
(Negative electrode)
The negative electrode has a negative electrode substrate and a negative electrode active material layer disposed on the negative electrode substrate directly or via an intermediate layer. The intermediate layer can have the same configuration as the intermediate layer of the positive electrode. A coating containing elemental sulfur is formed on the surface of the negative electrode, specifically on the surface of the negative electrode active material layer. This coating is usually formed by decomposition of an additive, such as a compound containing elemental sulfur, in the non-aqueous electrolyte during initial charge/discharge. That is, the coating contains a component derived from the additive in the non-aqueous electrolyte. The coating may contain elements other than sulfur and may contain a component derived from a component other than the additive in the non-aqueous electrolyte.
負極基材は、正極基材と同様の構成とすることができるが、材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属又はそれらの合金が用いられ、銅又は銅合金が好ましい。つまり、負極基材としては銅箔が好ましい。銅箔としては、圧延銅箔、電解銅箔等が例示される。 The negative electrode substrate can have the same structure as the positive electrode substrate, but is made of a metal such as copper, nickel, stainless steel, or nickel-plated steel, or an alloy thereof, with copper or a copper alloy being preferred. In other words, copper foil is preferred as the negative electrode substrate. Examples of copper foil include rolled copper foil and electrolytic copper foil.
負極基材の平均厚さは、2μm以上35μm以下が好ましく、3μm以上30μm以下がより好ましく、4μm以上25μm以下がさらに好ましく、5μm以上20μm以下が特に好ましい。負極基材の平均厚さを上記の範囲とすることで、負極基材の強度を高めつつ、二次電池の体積当たり及び質量当たりのエネルギー密度を高めることができる。 The average thickness of the negative electrode substrate is preferably 2 μm or more and 35 μm or less, more preferably 3 μm or more and 30 μm or less, even more preferably 4 μm or more and 25 μm or less, and particularly preferably 5 μm or more and 20 μm or less. By keeping the average thickness of the negative electrode substrate within the above range, the strength of the negative electrode substrate can be increased while also increasing the energy density per volume and per mass of the secondary battery.
負極活物質層は、一般的に負極活物質を含むいわゆる負極合剤から形成される。また、負極活物質層を形成する負極合剤は、必要に応じて導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー等の任意成分は、正極活物質層と同様のものを用いることができる。負極活物質層は、実質的に金属Li等の負極活物質のみからなる層であってもよい。 The negative electrode active material layer is generally formed from a so-called negative electrode mixture containing a negative electrode active material. The negative electrode mixture that forms the negative electrode active material layer also contains optional components such as a conductive agent, binder, thickener, and filler as needed. The optional components, such as a conductive agent, binder, thickener, and filler, can be the same as those used in the positive electrode active material layer. The negative electrode active material layer may be a layer consisting essentially of a negative electrode active material, such as metallic Li.
負極活物質層は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge、Sn、Sr、Ba等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Ta、Hf、Nb、W等の遷移金属元素を負極活物質、導電剤、バインダー、増粘剤、フィラー以外の成分として含有してもよい。 The negative electrode active material layer may contain typical non-metallic elements such as B, N, P, F, Cl, Br, and I; typical metallic elements such as Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga, Ge, Sn, Sr, and Ba; and transition metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Ta, Hf, Nb, and W as components other than the negative electrode active material, conductive agent, binder, thickener, and filler.
負極活物質としては、公知の負極活物質の中から適宜選択できる。例えばリチウムイオン二次電池用の負極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。負極活物質としては、例えば、リチウム、ナトリウム等のアルカリ金属;リチウム合金、ナトリウム合金、リチウム複合酸化物等のアルカリ金属を含む化合物;Si、Ge、Sn等のアルカリ金属以外の金属又は半金属;Si酸化物、Ti酸化物、Sn酸化物等のアルカリ金属以外の金属の酸化物又は半金属酸化物;Li4Ti5O12、LiTiO2、TiNb2O7等のチタン含有酸化物;ポリリン酸化合物;炭化ケイ素;黒鉛(グラファイト)、非黒鉛質炭素(易黒鉛化性炭素又は難黒鉛化性炭素)等の炭素材料等が挙げられる。負極活物質としては、炭素材料が好ましく、黒鉛がより好ましい。負極活物質層においては、これら材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 The negative electrode active material can be appropriately selected from known negative electrode active materials. For example, as a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery, a material capable of absorbing and releasing lithium ions is usually used. Examples of negative electrode active materials include alkali metals such as lithium and sodium; compounds containing alkali metals such as lithium alloys, sodium alloys, and lithium composite oxides; metals or semimetals other than alkali metals such as Si, Ge, and Sn; oxides or semimetals of metals other than alkali metals such as Si oxide, Ti oxide, and Sn oxide; titanium-containing oxides such as Li 4 Ti 5 O 12 , LiTiO 2 , and TiNb 2 O 7 ; polyphosphate compounds; silicon carbide; carbon materials such as graphite and non-graphitic carbon (easily graphitizable carbon or non-graphitizable carbon). Carbon materials are preferred as negative electrode active materials, and graphite is more preferred. In the negative electrode active material layer, one of these materials may be used alone, or two or more may be mixed and used.
「黒鉛」とは、充放電前又は放電状態において、エックス線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.33nm以上0.34nm未満の炭素材料をいう。黒鉛としては、天然黒鉛、人造黒鉛が挙げられる。安定した物性の材料を入手できるという観点で、人造黒鉛が好ましい。 "Graphite" refers to a carbon material in which the average lattice spacing (d 002 ) of the (002) plane, as determined by X-ray diffraction before charge/discharge or in a discharged state, is 0.33 nm or more and less than 0.34 nm. Examples of graphite include natural graphite and artificial graphite. Artificial graphite is preferred from the viewpoint of being able to obtain a material with stable physical properties.
「非黒鉛質炭素」とは、充放電前又は放電状態においてエックス線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.34nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。非黒鉛質炭素としては、難黒鉛化性炭素や、易黒鉛化性炭素が挙げられる。非黒鉛質炭素としては、例えば、樹脂由来の材料、石油ピッチまたは石油ピッチ由来の材料、石油コークスまたは石油コークス由来の材料、植物由来の材料、アルコール由来の材料等が挙げられる。 "Non-graphitic carbon" refers to a carbon material in which the average lattice spacing (d 002 ) of the (002) plane, as determined by X-ray diffraction before charge/discharge or in a discharged state, is 0.34 nm or more and 0.42 nm or less. Examples of non-graphitic carbon include non-graphitizable carbon and graphitizable carbon. Examples of non-graphitic carbon include resin-derived materials, petroleum pitch or petroleum pitch-derived materials, petroleum coke or petroleum coke-derived materials, plant-derived materials, and alcohol-derived materials.
ここで、炭素材料の「放電状態」とは、負極活物質として炭素材料を含む負極を作用極として、金属Liを対極として用いた単極電池において、開回路電圧が0.7V以上である状態をいう。開回路状態での金属Li対極の電位は、Liの酸化還元電位とほぼ等しいため、上記単極電池における開回路電圧は、Liの酸化還元電位に対する炭素材料を含む負極の電位とほぼ同等である。つまり、上記単極電池における開回路電圧が0.7V以上であることは、負極活物質である炭素材料から、充放電に伴い吸蔵放出可能なリチウムイオンが十分に放出されていることを意味する。 Here, the "discharged state" of a carbon material refers to a state in which the open circuit voltage is 0.7 V or higher in a single-electrode battery using a negative electrode containing a carbon material as the negative electrode active material as the working electrode and metallic Li as the counter electrode. Because the potential of the metallic Li counter electrode in the open circuit state is approximately equal to the redox potential of Li, the open circuit voltage in the single-electrode battery is approximately equal to the potential of the negative electrode containing the carbon material relative to the redox potential of Li. In other words, an open circuit voltage of 0.7 V or higher in the single-electrode battery means that the carbon material, which is the negative electrode active material, has sufficiently released lithium ions that can be absorbed and released during charging and discharging.
「難黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.36nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。 The term "non-graphitizable carbon" refers to a carbon material having the above d 002 of 0.36 nm or more and 0.42 nm or less.
「易黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.34nm以上0.36nm未満の炭素材料をいう。 The term "easily graphitizable carbon" refers to a carbon material having the above d 002 of 0.34 nm or more and less than 0.36 nm.
負極活物質の形態が粒子(粉体)の場合、負極活物質の平均粒径は、例えば、1nm以上100μm以下とすることができる。負極活物質が例えば炭素材料である場合、その平均粒径は1μm以上100μm以下が好ましい場合がある。負極活物質が、金属、半金属、金属酸化物、半金属酸化物、チタン含有酸化物、ポリリン酸化合物等である場合、その平均粒径は、1nm以上1μm以下が好ましい場合がある。負極活物質の平均粒径を上記下限以上とすることで、負極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。負極活物質の平均粒径を上記上限以下とすることで、活物質層の電子伝導性が向上する。粉体を所定の粒径で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。 When the negative electrode active material is in the form of particles (powder), the average particle size of the negative electrode active material can be, for example, 1 nm or more and 100 μm or less. When the negative electrode active material is, for example, a carbon material, its average particle size may preferably be 1 μm or more and 100 μm or less. When the negative electrode active material is a metal, semi-metal, metal oxide, semi-metal oxide, titanium-containing oxide, polyphosphate compound, etc., its average particle size may preferably be 1 nm or more and 1 μm or less. Setting the average particle size of the negative electrode active material to be above the above lower limit makes it easier to manufacture and handle the negative electrode active material. Setting the average particle size of the negative electrode active material to be below the above upper limit improves the electronic conductivity of the active material layer. A pulverizer, classifier, etc. is used to obtain powder with the specified particle size.
負極活物質層における負極活物質の含有量は、例えば負極活物質層が負極合剤から形成されている場合、60質量%以上99質量%以下が好ましく、90質量%以上98質量%以下がより好ましい。負極活物質の含有量を上記の範囲とすることで、負極活物質層の高エネルギー密度化と製造性を両立できる。負極活物質がアルカリ金属又はアルカリ金属を含む化合物である場合、負極活物質層における負極活物質の含有量は99質量%以上であってもよく、100質量%であってもよい。 When the negative electrode active material layer is formed from a negative electrode mixture, the content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is preferably 60% by mass or more and 99% by mass or less, and more preferably 90% by mass or more and 98% by mass or less. By setting the content of the negative electrode active material within this range, both high energy density and manufacturability of the negative electrode active material layer can be achieved. When the negative electrode active material is an alkali metal or a compound containing an alkali metal, the content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer may be 99% by mass or more, or may even be 100% by mass.
負極活物質層における負極活物質の質量としては、例えば1g以上5g以下が好ましく、1.5g以上3g以下がより好ましい。負極活物質の質量が上記範囲内である場合、負極の表面に形成される硫黄元素を含む被膜の厚さなどが好適化されることなどにより、充放電サイクルにおける容量維持率がより高まり、かつ抵抗上昇もより抑制される。 The mass of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is preferably, for example, 1 g or more and 5 g or less, and more preferably 1.5 g or more and 3 g or less. When the mass of the negative electrode active material is within this range, the thickness of the sulfur-containing coating formed on the surface of the negative electrode is optimized, thereby further increasing the capacity retention rate during charge/discharge cycles and further suppressing resistance increases.
負極活物質層中の負極活物質の質量は、以下の手順により求めることができる。露点-40℃以下のドライルーム中で非水電解質蓄電素子を解体し、所定面積の負極を取り出す。取り出した上記負極をジメチルカーボネート(DMC)で洗浄し、非水電解質を洗い流した後、100℃で5時間の真空乾燥を行う。真空乾燥後、上記負極から負極活物質層を分離し、負極活物質層の単位面積あたりの質量(A)を測定する。分離した上記負極活物質層の熱重量測定(TG)を測定し、負極活物質層中の負極活物質の含有割合(B)を求める。また、非水電解質蓄電素子における正極と負極との対向面積(C)を測定する。上記負極活物質層の単位面積あたりの質量(A)、上記負極活物質層中の負極活物質の含有割合(B)、及び上記対向面積(C)の積により、負極に含有される負極活物質の質量が算出される。 The mass of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer can be determined by the following procedure. The nonaqueous electrolyte storage element is disassembled in a dry room with a dew point of -40°C or lower, and a negative electrode of a predetermined area is removed. The removed negative electrode is washed with dimethyl carbonate (DMC) to rinse away the nonaqueous electrolyte, and then vacuum dried at 100°C for 5 hours. After vacuum drying, the negative electrode active material layer is separated from the negative electrode, and the mass per unit area (A) of the negative electrode active material layer is measured. The separated negative electrode active material layer is subjected to thermogravimetry (TG) to determine the content ratio (B) of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer. The opposing area (C) of the positive electrode and negative electrode in the nonaqueous electrolyte storage element is also measured. The mass of the negative electrode active material contained in the negative electrode is calculated by the product of the mass per unit area (A) of the negative electrode active material layer, the content ratio (B) of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer, and the opposing area (C).
負極の放電容量としては、例えば0.3Ah以上2.0Ah以下が好ましく、0.5Ah以上1.0Ah以下がより好ましい。負極の放電容量が上記範囲内である場合、負極の表面に形成される硫黄元素を含む被膜の厚さなどが好適化されることなどにより、充放電サイクルにおける容量維持率がより高まり、かつ抵抗上昇もより抑制される。 The discharge capacity of the negative electrode is preferably 0.3 Ah or more and 2.0 Ah or less, and more preferably 0.5 Ah or more and 1.0 Ah or less. When the discharge capacity of the negative electrode is within the above range, the thickness of the sulfur-containing coating formed on the surface of the negative electrode is optimized, thereby further improving the capacity retention rate during charge/discharge cycles and further suppressing increases in resistance.
負極の放電容量は、以下の手順により求めることができる。露点-40℃以下のドライルーム中で非水電解質蓄電素子を解体し、所定面積の負極を取り出し、この負極の負極活物質層の面積を測定する。取り出した上記負極を用い、金属リチウム電極を対極とした試験電池を組み立て、試験温度は25±2℃とし、以下の条件で充放電を行う。
・放電(1回目):放電電流0.12mA/cm2、放電終止電圧2.0Vとした定電流放電の後、10分間の休止期間を設ける。
・充電:充電電流0.12mA/cm2、充電終止電圧0.02V、充電終止条件を充電電流が0.012mA/cm2を下回るまでとした定電流定電圧充電の後、10分間の休止期間を設ける。
・放電(2回目):放電電流0.12mA/cm2、放電終止電圧2.0Vとした定電流放電を行い2回目の放電における放電電気量を測定する。得られた2回目の放電における放電電気量を試験電池に用いた負極の負極活物質層の面積で割り、負極の単位面積あたりの放電電気量(a)を求める。また、非水電解質蓄電素子における正極と負極との対向面積(b)を測定する。上記負極の単位面積あたりの放電電気量(a)と上記対向面積(b)との積により負極の放電容量が算出される。
The discharge capacity of the negative electrode can be determined by the following procedure. A nonaqueous electrolyte storage element is disassembled in a dry room with a dew point of −40° C. or less, a negative electrode of a predetermined area is removed, and the area of the negative electrode active material layer of this negative electrode is measured. A test battery is assembled using the removed negative electrode and a metallic lithium electrode as the counter electrode, and charging and discharging are performed at a test temperature of 25±2° C. under the following conditions:
Discharge (first time): After constant current discharge with a discharge current of 0.12 mA/cm 2 and a discharge cut-off voltage of 2.0 V, a rest period of 10 minutes was provided.
Charging: constant current/constant voltage charging was performed with a charging current of 0.12 mA/cm 2 and a charge cut-off voltage of 0.02 V, with the charge cut-off condition being that the charging current fell below 0.012 mA/cm 2 , followed by a rest period of 10 minutes.
Discharge (second time): A constant current discharge was performed with a discharge current of 0.12 mA/cm 2 and a discharge cut-off voltage of 2.0 V, and the quantity of electricity discharged in the second discharge was measured. The quantity of electricity discharged in the second discharge obtained was divided by the area of the negative electrode active material layer of the negative electrode used in the test battery to determine the quantity of electricity discharged (a) per unit area of the negative electrode. In addition, the opposing area (b) of the positive electrode and negative electrode in the nonaqueous electrolyte storage element was measured. The discharge capacity of the negative electrode was calculated by multiplying the quantity of electricity discharged (a) per unit area of the negative electrode by the opposing area (b).
(セパレータ)
セパレータは、公知のセパレータの中から適宜選択できる。セパレータとして、例えば、基材層のみからなるセパレータ、基材層の一方の面又は双方の面に耐熱粒子とバインダーとを含む耐熱層が形成されたセパレータ等を使用することができる。セパレータの基材層の形態としては、例えば、織布、不織布、多孔質樹脂フィルム等が挙げられる。これらの材質の中でも、強度の観点から多孔質樹脂フィルムが好ましく、非水電解質の保液性の観点から不織布が好ましい。セパレータの基材層の材料としては、シャットダウン機能の観点から例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好ましく、耐酸化分解性の観点から例えばポリイミドやアラミド等が好ましい。セパレータの基材層として、これらの樹脂を複合した材料を用いてもよい。
(separator)
The separator can be appropriately selected from known separators. Examples of separators that can be used include separators consisting of only a substrate layer and separators in which a heat-resistant layer containing heat-resistant particles and a binder is formed on one or both surfaces of the substrate layer. Examples of the form of the substrate layer of the separator include woven fabric, nonwoven fabric, and porous resin film. Among these materials, porous resin film is preferred from the viewpoint of strength, and nonwoven fabric is preferred from the viewpoint of non-aqueous electrolyte retention. As the material for the substrate layer of the separator, polyolefins such as polyethylene and polypropylene are preferred from the viewpoint of shutdown function, and polyimide and aramid are preferred from the viewpoint of oxidative decomposition resistance. A composite material of these resins may also be used as the substrate layer of the separator.
耐熱層に含まれる耐熱粒子は、大気下で室温から500℃に加熱したときの質量減少が5%以下であるものが好ましく、大気下で室温から800℃に加熱したときの質量減少が5%以下であるものがさらに好ましい。加熱したときの質量減少が所定以下である材料として無機化合物が挙げられる。無機化合物として、例えば、酸化鉄、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、チタン酸バリウム、酸化ジルコニウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、アルミノケイ酸塩等の酸化物;窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物;炭酸カルシウム等の炭酸塩;硫酸バリウム等の硫酸塩;フッ化カルシウム、フッ化バリウム等の難溶性のイオン結晶;シリコン、ダイヤモンド等の共有結合性結晶;タルク、モンモリロナイト、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、セリサイト、ベントナイト、マイカ等の鉱物資源由来物質又はこれらの人造物等が挙げられる。無機化合物として、これらの物質の単体又は複合体を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。これらの無機化合物の中でも、二次電池の安全性の観点から、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、又はアルミノケイ酸塩が好ましい。 The heat-resistant particles contained in the heat-resistant layer preferably exhibit a mass loss of 5% or less when heated from room temperature to 500°C in air, and more preferably exhibit a mass loss of 5% or less when heated from room temperature to 800°C in air. Examples of materials exhibiting a mass loss of a predetermined amount or less when heated include inorganic compounds. Examples of inorganic compounds include oxides such as iron oxide, silicon oxide, aluminum oxide, titanium oxide, barium titanate, zirconium oxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, magnesium oxide, and aluminosilicates; nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride; carbonates such as calcium carbonate; sulfates such as barium sulfate; sparingly soluble ionic crystals such as calcium fluoride and barium fluoride; covalently bonded crystals such as silicon and diamond; mineral-derived substances such as talc, montmorillonite, boehmite, zeolite, apatite, kaolin, mullite, spinel, olivine, sericite, bentonite, and mica, as well as artificial products thereof. As the inorganic compound, these substances may be used alone or in the form of a composite, or two or more may be mixed and used. Of these inorganic compounds, silicon oxide, aluminum oxide, or aluminosilicate are preferred from the perspective of secondary battery safety.
セパレータの空孔率は、強度の観点から80体積%以下が好ましく、放電性能の観点から20体積%以上が好ましい。ここで、「空孔率」とは、体積基準の値であり、水銀ポロシメータでの測定値を意味する。 The porosity of the separator is preferably 80% by volume or less from the perspective of strength, and 20% by volume or more from the perspective of discharge performance. Here, "porosity" refers to a volume-based value measured using a mercury porosimeter.
セパレータとして、ポリマーと非水電解質とで構成されるポリマーゲルを用いてもよい。ポリマーとして、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリメチルメタアクリレート、ポリビニルアセテート、ポリビニルピロリドン、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。ポリマーゲルを用いると、漏液を抑制する効果がある。セパレータとして、上述したような多孔質樹脂フィルム又は不織布等とポリマーゲルを併用してもよい。 A polymer gel composed of a polymer and a non-aqueous electrolyte may be used as the separator. Examples of polymers include polyacrylonitrile, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polymethyl methacrylate, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, and polyvinylidene fluoride. Using a polymer gel has the effect of suppressing leakage. The separator may also be a combination of a porous resin film or nonwoven fabric, such as those described above, and a polymer gel.
(非水電解質)
非水電解質は、添加剤を含有する。非水電解質は、通常、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解されている電解質塩及び上記添加剤とを含む非水電解液である。
(Non-aqueous electrolyte)
The non-aqueous electrolyte contains an additive. The non-aqueous electrolyte is usually a non-aqueous electrolytic solution containing a non-aqueous solvent, an electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent, and the additive.
添加剤は、硫黄元素を含む化合物である。添加剤は、通常、硫黄元素を含む有機化合物である。添加剤としては、サルフェート類、スルホン酸エステル類、スルホン類、サルファイト類、スルホキシド類、スルフィド類、ジスルフィド類等を挙げることができる。 Additives are compounds containing elemental sulfur. Additives are typically organic compounds containing elemental sulfur. Examples of additives include sulfates, sulfonic acid esters, sulfones, sulfites, sulfoxides, sulfides, and disulfides.
サルフェート類とは、2つの炭素原子がそれぞれオキシスルホニルオキシ基(-O-S(=O)2-O-)に結合している構造を含む化合物をいう。サルフェート類としては、環状サルフェート及び鎖状サルフェートが挙げられる。環状サルフェートの具体例としては、エチレンサルフェート、1,3-プロピレンサルフェート、2,3-プロピレンサルフェート、4,5-ペンテンサルフェート、4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)、4-メチルスルホニルオキシメチル-2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン等が挙げられる。鎖状サルフェートの具体例としては、ジメチルサルフェート、ジエチルサルフェート等が挙げられる。 Sulfates refer to compounds containing a structure in which two carbon atoms are each bonded to an oxysulfonyloxy group (—O—S(═O) 2 —O—). Examples of sulfates include cyclic sulfates and linear sulfates. Specific examples of cyclic sulfates include ethylene sulfate, 1,3-propylene sulfate, 2,3-propylene sulfate, 4,5-pentene sulfate, 4,4′-bis(2,2-dioxo-1,3,2-dioxathiolane), and 4-methylsulfonyloxymethyl-2,2-dioxo-1,3,2-dioxathiolane. Specific examples of linear sulfates include dimethyl sulfate and diethyl sulfate.
スルホン酸エステル類とは、2つの炭素原子がそれぞれスルホニルオキシ基(-S(=O)2O-)に結合している構造を含む化合物をいう。スルホン酸エステル類としては、環状スルホン酸エステル及び鎖状スルホン酸エステルが挙げられる。環状スルホン酸エステルの具体例としては、1,3-プロパンスルトン、1,4-ブタンスルトン、1,3-プロペンスルトン、1-メチル-1,3-プロペンスルトン、2-メチル-1,3-プロペンスルトン、3-メチル-1,3-プロペンスルトン等が挙げられる。鎖状スルホン酸エステルの具体例としては、メタンスルホン酸メチル、メタンスルホン酸エチル等が挙げられる。 Sulfonate esters refer to compounds containing a structure in which two carbon atoms are each bonded to a sulfonyloxy group (-S(=O) 2 O-). Examples of sulfonate esters include cyclic sulfonate esters and chain sulfonate esters. Specific examples of cyclic sulfonate esters include 1,3-propane sultone, 1,4-butane sultone, 1,3-propene sultone, 1-methyl-1,3-propene sultone, 2-methyl-1,3-propene sultone, and 3-methyl-1,3-propene sultone. Specific examples of chain sulfonate esters include methyl methanesulfonate and ethyl methanesulfonate.
スルホン類とは、2つの炭素原子がそれぞれスルホニル基(-S(=O)2-)に結合している構造を含む化合物をいう。スルホン類としては、環状スルホン及び鎖状スルホンが挙げられる。環状スルホンの具体例としては、スルホラン、3-メチルスルホラン、3-スルホレン、1,1-ジオキソチオフェン、3-メチル-2,5-ジヒドロチオフェン-1,1-ジオキシド、3-スルホレン-3-カルボン酸メチル等が挙げられる。鎖状スルホンの具体例としては、ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、エチルメチルスルホン、ジビニルスルホン等が挙げられる。 Sulfones refer to compounds containing a structure in which two carbon atoms are each bonded to a sulfonyl group (-S(=O) 2 -). Examples of sulfones include cyclic sulfones and chain sulfones. Specific examples of cyclic sulfones include sulfolane, 3-methylsulfolane, 3-sulfolene, 1,1-dioxothiophene, 3-methyl-2,5-dihydrothiophene-1,1-dioxide, and methyl 3-sulfolene-3-carboxylate. Specific examples of chain sulfones include dimethyl sulfone, diethyl sulfone, ethyl methyl sulfone, and divinyl sulfone.
サルファイト類とは、2つの炭素原子がそれぞれオキシスルフィニルオキシ基(-O-S(=O)-O-)に結合している構造を含む化合物をいう。サルファイト類としては、環状サルファイト及び鎖状サルファイトが挙げられる。環状サルファイトの具体例としては、エチレンサルファイト、1,2-プロピレングリコールサルファイト、トリメチレンサルファイト、1,3-ブチレングリコールサルファイト等が挙げられる。鎖状サルファイトの具体例としては、ジメチルサルファイト等が挙げられる。 Sulfites are compounds containing a structure in which two carbon atoms are each bonded to an oxysulfinyloxy group (-O-S(=O)-O-). Examples of sulfites include cyclic sulfites and linear sulfites. Specific examples of cyclic sulfites include ethylene sulfite, 1,2-propylene glycol sulfite, trimethylene sulfite, and 1,3-butylene glycol sulfite. Specific examples of linear sulfites include dimethyl sulfite.
スルホキシド類とは、2つの炭素原子がそれぞれスルフィニル基(-S(=O)-)に結合している構造を含む化合物をいう。スルホキシド類としては、環状スルホキシド及び鎖状スルホキシドが挙げられる。環状スルホキシドの具体例としては、テトラメチレンスルホキシド等が挙げられる。鎖状スルホキシドの具体例としては、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド等が挙げられる。 Sulfoxides are compounds containing a structure in which two carbon atoms are each bonded to a sulfinyl group (-S(=O)-). Sulfoxides include cyclic sulfoxides and chain sulfoxides. Specific examples of cyclic sulfoxides include tetramethylene sulfoxide. Specific examples of chain sulfoxides include dimethyl sulfoxide and diethyl sulfoxide.
スルフィド類とは、2つの炭素原子がそれぞれ2価の硫黄(-S-)に結合している構造を含む化合物をいう。スルフィド類としては、環状スルフィド及び鎖状スルフィドが挙げられる。環状スルフィドの具体例としては、テトラヒドロチオフェン、チオフェン、チアン、1,3-ジチアン、5,6-ジヒドロ-1,4-ジチイン-2,3-ジカルボン酸無水物、3,4-チオフェンジカルボン酸無水物等が挙げられる。鎖状スルフィドの具体例としては、ジアリルスルフィド、ジフェニルスルフィド、チオアニソール等が挙げられる。 Sulfides are compounds containing a structure in which two carbon atoms are each bonded to divalent sulfur (-S-). Examples of sulfides include cyclic sulfides and linear sulfides. Specific examples of cyclic sulfides include tetrahydrothiophene, thiophene, thiane, 1,3-dithiane, 5,6-dihydro-1,4-dithiin-2,3-dicarboxylic anhydride, and 3,4-thiophenedicarboxylic anhydride. Specific examples of linear sulfides include diallyl sulfide, diphenyl sulfide, and thioanisole.
ジスルフィド類とは、2つの炭素原子がそれぞれジスルフィド基(-S-S-)に結合している構造を含む化合物をいう。ジスルフィド類としては、環状ジスルフィド及び鎖状ジスルフィドが挙げられる。ジスルフィド類の具体例としては、ジフェニルジスルフィド、ジピリジニウムジスルフィド、ジアリルジスルフィド等が挙げられる。 Disulfides are compounds containing a structure in which two carbon atoms are each bonded to a disulfide group (-S-S-). Disulfides include cyclic disulfides and linear disulfides. Specific examples of disulfides include diphenyl disulfide, dipyridinium disulfide, and diallyl disulfide.
添加剤としては、スルホニル基(-S(=O)2-)構造を含む化合物が好ましい。このような化合物としては、上述したサルフェート類、スルホン酸エステル類、スルホン類等が挙げられ、サルフェート類が好ましい。 The additive is preferably a compound containing a sulfonyl group (—S(═O) 2 —) structure. Examples of such compounds include the above-mentioned sulfates, sulfonate esters, and sulfones, with sulfates being preferred.
サルフェート類の中でも、エチレンサルフェート、1,3-プロピレンサルフェート、2,3-プロピレンサルフェート、4,5-ペンテンサルフェート、4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)、及び4-メチルスルホニルオキシメチル-2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオランが好ましく、エチレンサルフェート、1,3-プロピレンサルフェート、2,3-プロピレンサルフェート、4,5-ペンテンサルフェート、及び4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)がより好ましい。これらの化合物は、分子量あたりの硫黄原子含有量、あるいは分子量あたりのスルホニル基構造含有量が同程度である。従って、特にこれらのいずれかの化合物を用いた場合においては、非水電解質中の濃度が同程度であれば、同様の効果が奏されることが期待できる。 Among sulfates, ethylene sulfate, 1,3-propylene sulfate, 2,3-propylene sulfate, 4,5-pentene sulfate, 4,4'-bis(2,2-dioxo-1,3,2-dioxathiolane), and 4-methylsulfonyloxymethyl-2,2-dioxo-1,3,2-dioxathiolane are preferred, with ethylene sulfate, 1,3-propylene sulfate, 2,3-propylene sulfate, 4,5-pentene sulfate, and 4,4'-bis(2,2-dioxo-1,3,2-dioxathiolane) being more preferred. These compounds have similar sulfur atom contents per molecular weight or sulfonyl group structure contents per molecular weight. Therefore, when using any of these compounds, similar effects can be expected as long as the concentrations in the nonaqueous electrolyte are similar.
添加剤としては、環状構造を有する化合物が好ましく、環状構造中に硫黄原子を含む化合物がより好ましく、環状構造中にスルホニル基構造を含む化合物がさらに好ましい。添加剤は、硫黄元素及び酸素元素を含むことが好ましく、硫黄、酸素、炭素及び水素の各元素から構成されていることがより好ましい。添加剤は、一分子中に2つのスルホニル基、又は2つのオキシスルホニルオキシ基を有するものが好ましい。また、添加剤は、イオン性化合物ではない分子性化合物であることが好ましい。このような化合物は、初期充放電の際に効率的に分解が生じること、非水電解質中に残存した場合も正極等に与える好ましくない影響が比較的小さいことなどにより、二次電池の充放電サイクルにおける容量維持率をより高め、抵抗上昇をより抑制することなどができる。 As the additive, a compound having a cyclic structure is preferred, a compound containing a sulfur atom in the cyclic structure is more preferred, and a compound containing a sulfonyl group structure in the cyclic structure is even more preferred. The additive preferably contains elemental sulfur and elemental oxygen, and more preferably is composed of the elements sulfur, oxygen, carbon, and hydrogen. The additive preferably has two sulfonyl groups or two oxysulfonyloxy groups in one molecule. Furthermore, the additive is preferably a molecular compound that is not an ionic compound. Such compounds decompose efficiently during initial charge and discharge, and even if they remain in the non-aqueous electrolyte, they have relatively little adverse effect on the positive electrode, etc., and therefore can further increase the capacity retention rate during the charge and discharge cycles of the secondary battery and further suppress resistance increases.
非水電解質における添加剤の濃度の上限は、0.2質量%であり、0.17質量%が好ましく、0.14質量%がより好ましく、0.12質量%がさらに好ましく、0.08質量%又は0.05質量%以下がよりさらに好ましい場合もある。上記添加剤の濃度を上記上限以下とすることで、二次電池の充放電サイクルにおける抵抗上昇が抑制される。一方、上記添加剤の濃度の下限は、例えば0.001質量%であってもよいが、0.01質量%が好ましく、0.05質量%がより好ましい場合もある。上記添加剤の濃度を上記下限以上とすることで、二次電池の充放電サイクルにおける容量維持率が高まる。上記添加剤の濃度は、上記したいずれかの下限以上及び上記したいずれかの上限以下の範囲内であってよい。 The upper limit of the additive concentration in the non-aqueous electrolyte is 0.2% by mass, preferably 0.17% by mass, more preferably 0.14% by mass, even more preferably 0.12% by mass, and even more preferably 0.08% by mass or 0.05% by mass or less. By setting the additive concentration at or below this upper limit, an increase in resistance during charge/discharge cycling of the secondary battery is suppressed. On the other hand, the lower limit of the additive concentration may be, for example, 0.001% by mass, but is preferably 0.01% by mass, and more preferably 0.05% by mass. By setting the additive concentration at or above this lower limit, the capacity retention rate during charge/discharge cycling of the secondary battery is increased. The additive concentration may be within a range between any of the above lower limits and any of the above upper limits.
非水溶媒としては、公知の非水溶媒の中から適宜選択できる。非水溶媒としては、環状カーボネート、鎖状カーボネート、カルボン酸エステル、リン酸エステル、エーテル、アミド、ニトリル等が挙げられる。非水溶媒として、水素原子の一部がハロゲンに置換されたものを用いてもよい。 The non-aqueous solvent can be appropriately selected from known non-aqueous solvents. Examples of non-aqueous solvents include cyclic carbonates, chain carbonates, carboxylic acid esters, phosphate esters, ethers, amides, and nitriles. Non-aqueous solvents in which some of the hydrogen atoms have been substituted with halogens may also be used.
環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、クロロエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、スチレンカーボネート、1-フェニルビニレンカーボネート、1,2-ジフェニルビニレンカーボネート等が挙げられる。これらの中でも、ECが好ましい。 Cyclic carbonates include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), vinylethylene carbonate (VEC), chloroethylene carbonate, fluoroethylene carbonate (FEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), styrene carbonate, 1-phenylvinylene carbonate, and 1,2-diphenylvinylene carbonate. Of these, EC is preferred.
鎖状カーボネートとしては、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジフェニルカーボネート、トリフルオロエチルメチルカーボネート(TFEMC)、ビス(トリフルオロエチル)カーボネート等が挙げられる。これらの中でも、DMC及びEMCが好ましい。 Examples of chain carbonates include diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diphenyl carbonate, trifluoroethyl methyl carbonate (TFEMC), bis(trifluoroethyl) carbonate, etc. Among these, DMC and EMC are preferred.
非水溶媒として、環状カーボネート又は鎖状カーボネートを用いることが好ましく、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを併用することがより好ましい。環状カーボネートを用いることで、電解質塩の解離を促進して非水電解質のイオン伝導度を向上させることができる。鎖状カーボネートを用いることで、非水電解質の粘度を低く抑えることができる。環状カーボネートと鎖状カーボネートとを併用する場合、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの体積比率(環状カーボネート:鎖状カーボネート)としては、例えば、5:95から50:50の範囲とすることが好ましく、10:90から30:70の範囲とすることがより好ましい。 It is preferable to use a cyclic carbonate or a chain carbonate as the non-aqueous solvent, and it is more preferable to use a combination of a cyclic carbonate and a chain carbonate. The use of a cyclic carbonate promotes dissociation of the electrolyte salt, improving the ionic conductivity of the non-aqueous electrolyte. The use of a chain carbonate reduces the viscosity of the non-aqueous electrolyte. When a cyclic carbonate and a chain carbonate are used in combination, the volume ratio of the cyclic carbonate to the chain carbonate (cyclic carbonate:chain carbonate) is preferably in the range of 5:95 to 50:50, and more preferably in the range of 10:90 to 30:70.
電解質塩としては、公知の電解質塩から適宜選択できる。電解質塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、オニウム塩等が挙げられる。これらの中でもリチウム塩が好ましい。 The electrolyte salt can be appropriately selected from known electrolyte salts. Examples of electrolyte salts include lithium salts, sodium salts, potassium salts, magnesium salts, and onium salts. Of these, lithium salts are preferred.
リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiPO2F2、LiN(SO2F)2等の無機リチウム塩、LiSO3CF3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)、LiC(SO2CF3)3、LiC(SO2C2F5)3等のハロゲン化炭化水素基を有するリチウム塩等が挙げられる。これらの中でも、無機リチウム塩が好ましく、LiPF6がより好ましい。 Examples of lithium salts include inorganic lithium salts such as LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , LiPO2F2 , and LiN( SO2F ) 2 , and lithium salts having a halogenated hydrocarbon group such as LiSO3CF3 , LiN( SO2CF3 ) 2 , LiN ( SO2C2F5 ) 2 , LiN( SO2CF3 ) (SO2C4F9 ) , LiC( SO2CF3 ) 3 , and LiC( SO2C2F5 ) 3 . Among these, inorganic lithium salts are preferred, and LiPF6 is more preferred.
非水電解質における電解質塩の含有量は、0.1mol/dm3以上2.5mol/dm3以下が好ましく、0.3mol/dm3以上2.0mol/dm3以下がより好ましく、0.5mol/dm3以上1.7mol/dm3以下がさらに好ましく、0.7mol/dm3以上1.5mol/dm3以下が特に好ましい。電解質塩の含有量を上記の範囲とすることで、非水電解質のイオン伝導度を高めることができる。 The content of the electrolyte salt in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.1 mol/dm3 or more and 2.5 mol/dm3 or less , more preferably 0.3 mol/dm3 or more and 2.0 mol/dm3 or less, even more preferably 0.5 mol/dm3 or more and 1.7 mol/dm3 or less , and particularly preferably 0.7 mol/ dm3 or more and 1.5 mol/dm3 or less . By setting the content of the electrolyte salt within the above range, the ionic conductivity of the non-aqueous electrolyte can be increased.
非水電解質は、上記硫黄元素を含む化合物である添加剤以外のその他の添加剤を含んでもよい。その他添加剤としては、例えばビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t-ブチルベンゼン、t-アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物;2-フルオロビフェニル、o-シクロヘキシルフルオロベンゼン、p-シクロヘキシルフルオロベンゼン等の上記芳香族化合物の部分ハロゲン化物;2,4-ジフルオロアニソール、2,5-ジフルオロアニソール、2,6-ジフルオロアニソール、3,5-ジフルオロアニソール等のハロゲン化アニソール化合物;無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物;パーフルオロオクタン、リン酸トリストリメチルシリル、チタン酸テトラキストリメチルシリル等が挙げられる。これら添加剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 The nonaqueous electrolyte may contain additives other than the sulfur-containing compounds described above. Examples of such additives include aromatic compounds such as biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, cyclohexylbenzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, diphenyl ether, and dibenzofuran; partial halides of the above aromatic compounds such as 2-fluorobiphenyl, o-cyclohexylfluorobenzene, and p-cyclohexylfluorobenzene; halogenated anisole compounds such as 2,4-difluoroanisole, 2,5-difluoroanisole, 2,6-difluoroanisole, and 3,5-difluoroanisole; succinic anhydride, glutaric anhydride, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, and cyclohexanedicarboxylic anhydride; perfluorooctane, tristrimethylsilyl phosphate, and tetrakistrimethylsilyl titanate. These additives may be used alone or in combination.
非水電解質に含まれる上記その他の添加剤の含有量は、非水電解質全体の質量に対して0.01質量%以上10質量%以下が好ましく、0.1質量%以上7質量%以下がより好ましく、0.2質量%以上5質量%以下がさらに好ましく、0.3質量%以上3質量%以下がよりさらに好ましく、2質量%以下又は1質量%以下であってもよい。上記その他の添加剤の含有量を上記の範囲とすることで、二次電池の高温保存後の容量維持性能又は充放電サイクル性能を向上させたり、安全性をより向上させたりすることができる。 The content of the other additives contained in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.01% by mass or more and 10% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or more and 7% by mass or less, even more preferably 0.2% by mass or more and 5% by mass or less, even more preferably 0.3% by mass or more and 3% by mass or less, and may be 2% by mass or less or 1% by mass or less, relative to the total mass of the non-aqueous electrolyte. Setting the content of the other additives within the above ranges can improve the capacity retention performance or charge/discharge cycle performance of the secondary battery after high-temperature storage, and can further improve safety.
非水電解質としては、非水電解液と固体電解質とを併用してもよい。固体電解質としては、リチウムイオン伝導性を有し、60℃以下において固体である任意の材料から選択できる。固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、及び酸窒化物固体電解質、ポリマー固体電解質等が挙げられる。 The nonaqueous electrolyte may be a combination of a nonaqueous electrolytic solution and a solid electrolyte. The solid electrolyte may be selected from any material that has lithium ion conductivity and is solid at temperatures below 60°C. Examples of solid electrolytes include sulfide solid electrolytes, oxide solid electrolytes, oxynitride solid electrolytes, and polymer solid electrolytes.
本実施形態の非水電解質蓄電素子の形状については特に限定されるものではなく、例えば、円筒型電池、ラミネートフィルム型電池、角型電池、扁平型電池、コイン型電池、ボタン型電池等が挙げられる。 The shape of the nonaqueous electrolyte storage element of this embodiment is not particularly limited, and examples include cylindrical batteries, laminated film batteries, prismatic batteries, flat batteries, coin batteries, and button batteries.
図1に角型電池の一例としての非水電解質蓄電素子1を示す。なお、同図は、ケース内部を透視した図としている。セパレータを挟んで巻回された正極及び負極を有する電極体2が角型の容器3に収納される。正極は正極リード41を介して正極端子4と電気的に接続されている。負極は負極リード51を介して負極端子5と電気的に接続されている。 Figure 1 shows a nonaqueous electrolyte storage element 1 as an example of a prismatic battery. Note that this figure is a see-through view of the inside of the case. An electrode assembly 2 having a positive electrode and a negative electrode wound with a separator sandwiched between them is housed in a prismatic container 3. The positive electrode is electrically connected to a positive electrode terminal 4 via a positive electrode lead 41. The negative electrode is electrically connected to a negative electrode terminal 5 via a negative electrode lead 51.
<非水電解質蓄電装置の構成>
本実施形態の非水電解質蓄電素子は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の自動車用電源、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器用電源、又は電力貯蔵用電源等に、複数の非水電解質蓄電素子を集合して構成した蓄電ユニット(バッテリーモジュール)として搭載することができる。この場合、蓄電ユニットに含まれる少なくとも一つの非水電解質蓄電素子に対して、本発明の一実施形態に係る技術が適用されていればよい。
<Configuration of Nonaqueous Electrolyte Electricity Storage Device>
The nonaqueous electrolyte energy storage element of this embodiment can be mounted as an energy storage unit (battery module) comprising a plurality of nonaqueous electrolyte energy storage elements in automotive power sources such as electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), etc., power sources for electronic devices such as personal computers and communication terminals, or power storage power sources, etc. In this case, it is sufficient that the technology according to one embodiment of the present invention is applied to at least one nonaqueous electrolyte energy storage element included in the energy storage unit.
図2に、電気的に接続された二以上の非水電解質蓄電素子1が集合した蓄電ユニット20をさらに集合した蓄電装置30の一例を示す。蓄電装置30は、二以上の非水電解質蓄電素子1を電気的に接続するバスバー(図示せず)、二以上の蓄電ユニット20を電気的に接続するバスバー(図示せず)等を備えていてもよい。蓄電ユニット20又は蓄電装置30は、一以上の非水電解質蓄電素子の状態を監視する状態監視装置(図示せず)を備えていてもよい。 Figure 2 shows an example of an energy storage device 30 that further assembles energy storage units 20, each of which is an assembly of two or more electrically connected nonaqueous electrolyte energy storage elements 1. The energy storage device 30 may include a bus bar (not shown) that electrically connects two or more nonaqueous electrolyte energy storage elements 1, a bus bar (not shown) that electrically connects two or more energy storage units 20, and the like. The energy storage unit 20 or the energy storage device 30 may also include a status monitoring device (not shown) that monitors the status of one or more nonaqueous electrolyte energy storage elements.
<非水電解質蓄電素子の製造方法(α)>
本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子の製造方法は、負極活物質を含有する負極と、添加剤を含有する非水電解質とを用いて未充放電蓄電素子を組み立てること、及び上記未充放電蓄電素子を初期充放電することを備え、上記添加剤が硫黄元素を含む化合物であり、下記式1を満たす非水電解質蓄電素子の製造方法(α)である。
0.004≦mS/mN≦0.016 ・・・1
式1中、mSは、上記非水電解質に含有される上記添加剤の質量(g)である。mNは、上記負極に含有される上記負極活物質の質量(g)である。
<Method (α) for manufacturing non-aqueous electrolyte electricity storage element>
A method for producing a nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention includes assembling an uncharged/discharged storage element using a negative electrode containing a negative electrode active material and a nonaqueous electrolyte containing an additive, and initially charging/discharging the uncharged/discharged storage element, wherein the additive is a compound containing elemental sulfur and satisfies the following formula 1:
0.004≦ mS / mN ≦0.016...1
In formula 1, m 1 S is the mass (g) of the additive contained in the non-aqueous electrolyte, and m 1 N is the mass (g) of the negative electrode active material contained in the negative electrode.
未充放電蓄電素子を組み立てることは、具体的には、正極活物質を含有する正極を準備すること、負極活物質を含有する負極を準備すること、添加剤を含有する非水電解質を準備すること、正極及び負極をセパレータを介して積層又は巻回することにより交互に重畳された電極体を形成すること、正極及び負極(電極体)を容器に収容すること、並びに上記容器に上記非水電解質を注入することを備えていてよい。注入後、注入口を封止することにより未充放電蓄電素子を得ることができる。 Specifically, assembling an uncharged/discharged energy storage element may include preparing a positive electrode containing a positive electrode active material, preparing a negative electrode containing a negative electrode active material, preparing a non-aqueous electrolyte containing an additive, forming an alternately stacked electrode assembly by stacking or winding the positive electrode and negative electrode with a separator interposed therebetween, placing the positive electrode and negative electrode (electrode assembly) in a container, and injecting the non-aqueous electrolyte into the container. After injection, the injection port can be sealed to obtain an uncharged/discharged energy storage element.
上記未充放電蓄電素子を組み立てることに供せられる正極は、上述した本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子に備わる正極と同様であってよい。上記未充放電蓄電素子を組み立てることに供せられる負極は、通常、表面に硫黄元素を含む被膜が形成されていないこと以外は、上述した本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子に備わる負極と同様であってよい。 The positive electrode used to assemble the above-mentioned uncharged/discharged energy storage element may be the same as the positive electrode provided in the nonaqueous electrolyte energy storage element according to one embodiment of the present invention described above. The negative electrode used to assemble the above-mentioned uncharged/discharged energy storage element may be the same as the negative electrode provided in the nonaqueous electrolyte energy storage element according to one embodiment of the present invention described above, except that the negative electrode does not typically have a coating containing elemental sulfur formed on its surface.
上記未充放電蓄電素子を組み立てることに供せられる非水電解質は、添加剤の濃度が限定されていないこと以外は、上述した本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子に備わる非水電解質と同様であってよい。但し、当該製造方法(α)においては、用いられる非水電解質と負極との関係において上記式1を満たす。式1中のmS(非水電解質に含有される添加剤の質量)は、非水電解質の注入量(質量)と注入する非水電解質における添加剤の濃度との積である。この注入する非水電解質における添加剤の濃度としては、例えば0.1質量%以上2質量%以下であってよく、0.2質量%以上1質量%以下であってよい。 The nonaqueous electrolyte used to assemble the uncharged/discharged energy storage element may be the same as the nonaqueous electrolyte provided in the nonaqueous electrolyte energy storage element according to one embodiment of the present invention, except that the concentration of the additive is not limited. However, in the manufacturing method (α), the relationship between the nonaqueous electrolyte used and the negative electrode satisfies the above formula 1. m S (the mass of the additive contained in the nonaqueous electrolyte) in formula 1 is the product of the amount (mass) of the nonaqueous electrolyte injected and the concentration of the additive in the injected nonaqueous electrolyte. The concentration of the additive in the injected nonaqueous electrolyte may be, for example, 0.1% by mass or more and 2% by mass or less, or 0.2% by mass or more and 1% by mass or less.
mS/mNの下限は、0.006が好ましい場合がある。mS/mNの上限は、0.015又は0.010が好ましい場合がある。 The lower limit of m S /m N may preferably be 0.006, and the upper limit of m S /m N may preferably be 0.015 or 0.010.
得られた未充放電蓄電素子に対して、初期充放電として、1回又は複数回の充放電を行う。この際、上記非水電解質中の添加剤の一部等が分解して、負極表面に硫黄元素を含む被膜が形成される。上記初期充放電における正極到達電位としては、2.0V(vs.Li/Li+)以上4.2V(vs.Li/Li+)以下が好ましく、3.0V(vs.Li/Li+)以上3.7V(vs.Li/Li+)以下がより好ましい。 The resulting uncharged/discharged energy storage element is subjected to one or more charge/discharge cycles as an initial charge/discharge. During this cycle, a portion of the additive in the nonaqueous electrolyte decomposes, forming a coating containing elemental sulfur on the negative electrode surface. The positive electrode potential achieved during the initial charge/discharge cycle is preferably 2.0 V (vs. Li/Li + ) to 4.2 V (vs. Li/Li + ), and more preferably 3.0 V (vs. Li/Li + ) to 3.7 V (vs. Li/Li + ).
当該製造方法(α)においては、このような工程を経ることで、負極の表面に硫黄元素を含む被膜が形成され、且つ非水電解質中の添加剤の残存量が少ない非水電解質蓄電素子が得られる。このため、得られた非水電解質蓄電素子は、充放電サイクルにおける容量維持率が高く且つ抵抗上昇が抑制されたものとなる。当該製造方法(α)によって得られる非水電解質蓄電素子の具体例及び好適例は、上述した本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子の例を挙げることができる。 By undergoing these steps, manufacturing method (α) forms a coating containing elemental sulfur on the surface of the negative electrode and produces a nonaqueous electrolyte storage element with a small amount of residual additive in the nonaqueous electrolyte. Therefore, the resulting nonaqueous electrolyte storage element has a high capacity retention rate during charge-discharge cycles and suppressed resistance increase. Specific and preferred examples of nonaqueous electrolyte storage elements produced by manufacturing method (α) include the nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention described above.
<非水電解質蓄電素子の製造方法(β)>
本発明の他の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子の製造方法は、負極活物質を含有する負極と、添加剤を含有する非水電解質とを用いて未充放電蓄電素子を組み立てること、及び上記未充放電蓄電素子を初期充放電することを備え、上記添加剤が硫黄元素を含む化合物であり、下記式2を満たす非水電解質蓄電素子の製造方法(β)である。
0.010≦mS/cN≦0.048 ・・・2
式2中、mSは、上記非水電解質に含有される上記添加剤の質量(g)である。cNは、上記負極の放電容量(Ah)である。
<Method for manufacturing nonaqueous electrolyte electricity storage element (β)>
A method for manufacturing a nonaqueous electrolyte storage element according to another embodiment of the present invention is a method (β) for manufacturing a nonaqueous electrolyte storage element, comprising assembling an uncharged/discharged storage element using a negative electrode containing a negative electrode active material and a nonaqueous electrolyte containing an additive, and initially charging/discharging the uncharged/discharged storage element, wherein the additive is a compound containing elemental sulfur and satisfies the following formula 2:
0.010≦m S /c N ≦0.048 ...2
In Equation 2, m S is the mass (g) of the additive contained in the non-aqueous electrolyte, and c N is the discharge capacity (Ah) of the negative electrode.
当該製造方法(β)は、上記式1を満たすことを必須とせず、上記式2を満たすこと以外は上述した製造方法(α)と同様である。従って、当該製造方法(β)の具体例及び好適例は、上述した製造方法(α)の例を参照できる。式2中のcN(負極の放電容量)は、負極活物質の量、種類等によって調整される。 The production method (β) does not necessarily satisfy the above formula 1, and is similar to the above production method (α) except that it satisfies the above formula 2. Therefore, for specific and suitable examples of the production method (β), reference can be made to the above example of the production method (α). c N (discharge capacity of the negative electrode) in formula 2 is adjusted by the amount, type, etc. of the negative electrode active material.
mS/cNの下限は、0.020が好ましい場合がある。mS/cNの上限は、0.047が好ましく、0.045又は0.035がより好ましい場合がある。 The lower limit of m S /c N may preferably be 0.020. The upper limit of m S /c N may preferably be 0.047, and more preferably 0.045 or 0.035.
当該製造方法(β)においても、このような工程を経ることで、負極の表面に硫黄元素を含む被膜が形成され、且つ非水電解質中の添加剤の残存量が少ない非水電解質蓄電素子が得られる。このため、得られた非水電解質蓄電素子は、充放電サイクルにおける容量維持率が高く且つ抵抗上昇が抑制されたものとなる。当該製造方法(β)によって得られる非水電解質蓄電素子の具体例及び好適例は、上述した本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子の例を挙げることができる。 In manufacturing method (β), by going through these steps, a coating containing elemental sulfur is formed on the surface of the negative electrode, and a nonaqueous electrolyte storage element is obtained in which the amount of residual additive in the nonaqueous electrolyte is small. Therefore, the resulting nonaqueous electrolyte storage element has a high capacity retention rate during charge-discharge cycles and suppressed resistance increase. Specific and preferred examples of nonaqueous electrolyte storage elements obtained by manufacturing method (β) include the nonaqueous electrolyte storage element according to one embodiment of the present invention described above.
<その他の実施形態>
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成又は周知技術に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。また、ある実施形態の構成に対して周知技術を付加することができる。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the configuration of one embodiment can be added to the configuration of another embodiment, or part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment or well-known technology. Furthermore, part of the configuration of one embodiment can be deleted. Also, well-known technology can be added to the configuration of one embodiment.
上記実施形態では、非水電解質蓄電素子が充放電可能な非水電解質二次電池(例えばリチウムイオン二次電池)として用いられる場合について説明したが、非水電解質蓄電素子の種類、形状、寸法、容量等は任意である。本発明の非水電解質蓄電素子は、種々の非水電解質二次電池、電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタ等のキャパシタにも適用できる。 In the above embodiment, the nonaqueous electrolyte storage element is described as being used as a chargeable and dischargeable nonaqueous electrolyte secondary battery (e.g., a lithium-ion secondary battery), but the type, shape, dimensions, capacity, etc. of the nonaqueous electrolyte storage element are arbitrary. The nonaqueous electrolyte storage element of the present invention can also be used in various nonaqueous electrolyte secondary batteries, electric double layer capacitors, lithium-ion capacitors, and other capacitors.
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[実施例1]
(正極の作製)
正極活物質としてのリン酸鉄リチウムと、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)と、導電剤としてのアセチレンブラックとを含有し、N-メチルピロリドン(NMP)を分散媒とする正極合剤ペーストを調製した。正極活物質とバインダーと導電剤との比率は、質量比で、90:5:5とした。正極合剤ペーストを正極基材としてのアルミニウム箔の表面に塗工し、乾燥させた後、塗工層を所定の厚さに圧縮することにより正極活物質層を形成し、正極を得た。
[Example 1]
(Preparation of Positive Electrode)
A positive electrode mixture paste containing lithium iron phosphate as the positive electrode active material, polyvinylidene fluoride (PVDF) as the binder, and acetylene black as the conductive agent, and N-methylpyrrolidone (NMP) as the dispersion medium, was prepared. The ratio of the positive electrode active material to the binder and the conductive agent was 90:5:5 by mass. The positive electrode mixture paste was applied to the surface of aluminum foil as the positive electrode substrate, dried, and then compressed to a predetermined thickness to form a positive electrode active material layer, thereby obtaining a positive electrode.
(負極の作製)
負極活物質としての黒鉛と、バインダーとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを含有し、水を分散媒とする負極合剤ペーストを調製した。負極活物質とバインダーと増粘剤との比率は、質量比で、97:1:2とした。負極合剤ペーストを負極基材としての銅箔の表面に塗工し、乾燥させた後、塗工層を所定の厚さに圧縮することにより負極活物質層を形成し、負極を得た。
(Preparation of negative electrode)
A negative electrode mixture paste containing graphite as the negative electrode active material, styrene butadiene rubber (SBR) as the binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) as the thickener, with water as the dispersion medium, was prepared. The ratio of the negative electrode active material to the binder and the thickener was 97:1:2 by mass. The negative electrode mixture paste was applied to the surface of copper foil as the negative electrode substrate, dried, and then compressed to a predetermined thickness to form a negative electrode active material layer, thereby obtaining a negative electrode.
(非水電解質の調製)
エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートとを体積比20:35:45で混合してなる非水溶媒に、電解質塩としてヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を0.9mol/dm3の含有量となるように混合した。この混合溶液に、添加剤である4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)(添加剤A)を1.0質量%、ビニレンカーボネートを0.3質量%、及びジフルオロリン酸リチウムを1.0質量%の各濃度になるように添加し、非水電解質を調製した。
(Preparation of non-aqueous electrolyte)
Lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was mixed as an electrolyte salt into a non-aqueous solvent prepared by mixing ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate in a volume ratio of 20:35:45, so that the content was 0.9 mol/dm 3. To this mixed solution, 4,4′-bis(2,2-dioxo-1,3,2-dioxathiolane) (additive A) as an additive, 0.3% by mass of vinylene carbonate, and 1.0% by mass of lithium difluorophosphate were added to prepare a non-aqueous electrolyte.
(非水電解質蓄電素子の組み立て)
上記正極及び負極と、ポリエチレン製セパレータとを積層し、巻回することで、巻回型電極体を作製した。巻回型電極体を容器に収容した。次いで、上記非水電解質を容器に注入することにより、未充放電蓄電素子を得た。注入した非水電解質の質量(注入量)は3.34gとした。
(Assembly of non-aqueous electrolyte electricity storage element)
The positive electrode, negative electrode, and polyethylene separator were stacked and wound to prepare a wound electrode assembly. The wound electrode assembly was then placed in a container. The non-aqueous electrolyte was then poured into the container to obtain a non-charged/discharged energy storage element. The mass (amount) of the poured non-aqueous electrolyte was 3.34 g.
(初期充放電)
得られた未充放電蓄電素子に対して、25℃の恒温槽内において充電電流1C、充電終止電圧3.6Vの条件で、充電時間が合計3時間になるまで定電流定電圧(CCCV)充電を行った。次いで、放電電流1C、放電終止電圧2.0Vの条件で、定電流(CC)放電を行った。以上の初期充放電を経て、実施例1の完成した非水電解質蓄電素子を得た。この初期充放電における放電時の電気量を初期の放電容量とした。
(Initial charge/discharge)
The obtained uncharged and discharged energy storage element was subjected to constant current constant voltage (CCCV) charging in a thermostatic chamber at 25°C under conditions of a charging current of 1 C and a charge cut-off voltage of 3.6 V for a total charge time of 3 hours. Next, constant current (CC) discharging was performed under conditions of a discharge current of 1 C and a discharge cut-off voltage of 2.0 V. After the above initial charge and discharge, a completed nonaqueous electrolyte energy storage element of Example 1 was obtained. The amount of electricity during discharge in this initial charge and discharge was taken as the initial discharge capacity.
得られた実施例1の完成した非水電解質素子を解体し、非水電解質における添加剤A(4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン))の濃度を測定したところ、0.12質量%であった。また、実施例1の非水電解質蓄電素子における正極と負極との対向面積は436.1cm2、負極活物質の質量は2.242g、負極の放電容量は0.772Ahであった。 The completed nonaqueous electrolyte element of Example 1 was disassembled, and the concentration of Additive A (4,4'-bis(2,2-dioxo-1,3,2-dioxathiolane)) in the nonaqueous electrolyte was measured and found to be 0.12% by mass. In addition, the opposing area of the positive electrode and negative electrode in the nonaqueous electrolyte storage element of Example 1 was 436.1 cm 2 , the mass of the negative electrode active material was 2.242 g, and the discharge capacity of the negative electrode was 0.772 Ah.
[実施例2から4、比較例1から3]
製造に用いた非水電解質における添加剤A(4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン))の濃度及び容器に注入した非水電解質の質量(注入量)を表1に記載の通りとしたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2から4及び比較例1から3の各非水電解質蓄電素子を製造した。得られた実施例2から4及び比較例1から3の完成した各非水電解質蓄電素子を解体し、非水電解質における添加剤Aの濃度を測定した。測定結果を表1に示す。
[Examples 2 to 4, Comparative Examples 1 to 3]
Each of the nonaqueous electrolyte storage elements of Examples 2 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 was produced in the same manner as in Example 1, except that the concentration of Additive A (4,4'-bis(2,2-dioxo-1,3,2-dioxathiolane)) in the nonaqueous electrolyte used in the production and the mass (amount injected) of the nonaqueous electrolyte injected into the container were as shown in Table 1. Each of the completed nonaqueous electrolyte storage elements of Examples 2 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 obtained was disassembled, and the concentration of Additive A in the nonaqueous electrolyte was measured. The measurement results are shown in Table 1.
また、表1には、各実施例及び比較例において製造に用いた各非水電解質中の添加剤Aの質量(mS)、非水電解質中の添加剤Aの質量と負極に含有される負極活物質の質量との比(mS/mN)、及び非水電解質中の添加剤Aの質量と負極の放電容量との比(mS/cN)をあわせて示す。 Table 1 also shows the mass (mS) of additive A in each nonaqueous electrolyte used in the production of each example and comparative example, the ratio (mS /mN ) of the mass of additive A in the nonaqueous electrolyte to the mass of the negative electrode active material contained in the negative electrode, and the ratio ( mS / cN ) of the mass of additive A in the nonaqueous electrolyte to the discharge capacity of the negative electrode .
[評価]
(充放電サイクル試験)
得られた各非水電解質蓄電素子について、以下の要領で充放電サイクル試験を行った。60℃にて、充電電流1.0C、充電終止電圧3.6Vで定電流定電圧充電を行った。充電終止条件は、電流値が0.1Cに減衰した時点とした。その後、放電電流1.0C、放電終止電圧を2.0Vとした定電流放電を行った。充電後及び放電後にはそれぞれ10分間の休止期間を設けた。この充放電を100サイクル実施した。
[evaluation]
(Charge-discharge cycle test)
A charge-discharge cycle test was performed on each of the obtained nonaqueous electrolyte storage elements as follows. Constant-current, constant-voltage charging was performed at 60°C with a charging current of 1.0 C and a cut-off voltage of 3.6 V. The charge was terminated when the current value decayed to 0.1 C. Subsequently, constant-current discharging was performed with a discharging current of 1.0 C and a cut-off voltage of 2.0 V. A 10-minute rest period was provided after each charge and discharge. This charge-discharge cycle was repeated 100 times.
(DCR上昇率)
上記充放電サイクル試験の前後で、各非水電解質蓄電素子について、以下の要領で直流抵抗(DCR)を測定した。25℃にて、充電電流1Cの定電流充電を行い、SOC(State of Charge)を50%にした後、25℃にて放電電流0.2C、0.5C、又は1.0Cで、30秒間放電した。各放電電流における電流と放電開始後10秒目の電圧との関係をプロットし、3点のプロットから得られた直線の傾きからDCRを求めた。各非水電解質蓄電素子について、初期(上記充放電サイクル試験の前)のDCRに対する、上記充放電サイクル試験後のDCRの上昇率を求めた。測定結果を表1に示す。
(DCR increase rate)
The direct current resistance (DCR) of each nonaqueous electrolyte storage element was measured before and after the charge-discharge cycle test as follows. A constant current charge of 1 C was performed at 25°C to bring the SOC (State of Charge) to 50%, and then the element was discharged for 30 seconds at 25°C with a discharge current of 0.2 C, 0.5 C, or 1.0 C. The relationship between the current and the voltage 10 seconds after the start of discharge at each discharge current was plotted, and the DCR was calculated from the slope of the line obtained from the three plots. For each nonaqueous electrolyte storage element, the rate of increase in DCR after the charge-discharge cycle test relative to the initial DCR (before the charge-discharge cycle test) was calculated. The measurement results are shown in Table 1.
(容量維持率)
上記充放電サイクル試験後、各非水電解質蓄電素子について、上記初期充放電と同様の条件で充放電を行い、充放電サイクル試験後の放電容量を測定した。そして、初期の放電容量に対する充放電サイクル試験後の放電容量を容量維持率とした。各非水電解質蓄電素子の容量維持率について、比較例1の非水電解質蓄電素子の容量維持率を基準(100%)とした相対値として表1に示す。
(Capacity maintenance rate)
After the charge-discharge cycle test, each nonaqueous electrolyte storage element was charged and discharged under the same conditions as the initial charge-discharge cycle test, and the discharge capacity after the charge-discharge cycle test was measured. The discharge capacity after the charge-discharge cycle test relative to the initial discharge capacity was defined as the capacity retention rate. The capacity retention rates of each nonaqueous electrolyte storage element are shown in Table 1 as relative values, with the capacity retention rate of the nonaqueous electrolyte storage element of Comparative Example 1 set as the reference (100%).
表1に示されるように、完成した非水電解質蓄電素子中の非水電解質における添加剤Aの濃度が高い比較例1、2の各非水電解質蓄電素子においては、充放電サイクル試験後にDCRが大きく上昇している。一方、非水電解質に添加剤Aを添加していない比較例3の非水電解質蓄電素子においては、充放電サイクルにおける容量維持率が低い。これらに対し、完成した非水電解質蓄電素子中の非水電解質における添加剤Aの濃度が0.2質量%以下の範囲である実施例1から4の各非水電解質蓄電素子においては、充放電サイクルにおける容量維持率が高く、且つDCRの上昇が抑制されていることがわかる。 As shown in Table 1, the nonaqueous electrolyte storage elements of Comparative Examples 1 and 2, in which the concentration of Additive A in the nonaqueous electrolyte of the completed nonaqueous electrolyte storage element was high, exhibited a significant increase in DCR after the charge-discharge cycle test. On the other hand, the nonaqueous electrolyte storage element of Comparative Example 3, in which Additive A was not added to the nonaqueous electrolyte, exhibited a low capacity retention rate during the charge-discharge cycle. In contrast, the nonaqueous electrolyte storage elements of Examples 1 to 4, in which the concentration of Additive A in the nonaqueous electrolyte of the completed nonaqueous electrolyte storage element was 0.2 mass% or less, exhibited a high capacity retention rate during the charge-discharge cycle and suppressed an increase in DCR.
また、実施例及び比較例の結果から、完成した非水電解質蓄電素子中の非水電解質における添加剤Aの濃度は、製造に用いた非水電解質中の添加剤Aの質量と負極に含有される負極活物質の質量との比(mS/mN)、及び製造に用いた非水電解質中の添加剤Aの質量と負極の放電容量との比(mS/cN)を所定の範囲とすることによって調整できることがわかる。 Furthermore, from the results of the Examples and Comparative Examples, it can be seen that the concentration of additive A in the nonaqueous electrolyte in the completed nonaqueous electrolyte storage element can be adjusted by setting the ratio (m S /m N ) of the mass of additive A in the nonaqueous electrolyte used in the production to the mass of the negative electrode active material contained in the negative electrode, and the ratio (m S /c N ) of the mass of additive A in the nonaqueous electrolyte used in the production to the discharge capacity of the negative electrode, within predetermined ranges.
本発明は、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車などの電源として使用される非水電解質蓄電素子などに適用できる。 The present invention can be applied to nonaqueous electrolyte storage elements used as power sources for electronic devices such as personal computers and communication terminals, and automobiles.
1 非水電解質蓄電素子
2 電極体
3 容器
4 正極端子
41 正極リード
5 負極端子
51 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
REFERENCE SIGNS LIST 1 nonaqueous electrolyte storage element 2 electrode body 3 container 4 positive electrode terminal 41 positive electrode lead 5 negative electrode terminal 51 negative electrode lead 20 storage unit 30 storage device
Claims (6)
負極活物質を含有する負極、及び
添加剤を含有する非水電解質
を備え、
上記負極の表面に硫黄元素を含む被膜が形成されており、
上記添加剤が環状サルフェートであり、上記非水電解質における上記添加剤の濃度が0.2質量%以下である非水電解質蓄電素子。 a positive electrode containing a polyanionic compound;
a negative electrode containing a negative electrode active material; and a non-aqueous electrolyte containing an additive,
a coating containing elemental sulfur formed on the surface of the negative electrode,
The additive is a cyclic sulfate, and the concentration of the additive in the nonaqueous electrolyte is 0.2 mass % or less.
添加剤を含有する非水電解質
を備え、
上記負極の表面に硫黄元素を含む被膜が形成されており、
上記添加剤が環状サルフェートであり、上記非水電解質における上記添加剤の濃度が0.05質量%以上0.2質量%以下である非水電解質蓄電素子。 a negative electrode containing a negative electrode active material; and a non-aqueous electrolyte containing an additive,
a coating containing elemental sulfur formed on the surface of the negative electrode,
The additive is a cyclic sulfate, and the concentration of the additive in the nonaqueous electrolyte is 0.05% by mass or more and 0.2% by mass or less.
上記未充放電蓄電素子を初期充放電すること
を備え、
上記負極活物質が炭素材料であり、
上記添加剤が環状サルフェートであり、
下記式1を満たし、
上記初期充放電の充電終止電圧における正極到達電位が3.0V(vs.Li/Li + )以上4.2V(vs.Li/Li + )以下である、非水電解質蓄電素子の製造方法。
0.004≦mS/mN≦0.016 ・・・1
式1中、mSは、上記未充放電蓄電素子における上記非水電解質に含有される上記添加剤の質量(g)である。mNは、上記負極に含有される上記負極活物質の質量(g)である。 assembling an uncharged/discharged electricity storage element using a negative electrode containing a negative electrode active material and a non-aqueous electrolyte containing an additive; and initially charging and discharging the uncharged/discharged electricity storage element;
the negative electrode active material is a carbon material,
the additive is a cyclic sulfate,
Satisfies the following formula 1:
The method for producing a nonaqueous electrolyte storage element, wherein the positive electrode potential at the end-of-charge voltage of the initial charge/discharge is 3.0 V (vs. Li/Li + ) or more and 4.2 V (vs. Li/Li + ) or less .
0.004≦ mS / mN ≦0.016...1
In Formula 1, m 1 S is the mass (g) of the additive contained in the non-aqueous electrolyte in the uncharged/discharged electricity storage element , and m 1 N is the mass (g) of the negative electrode active material contained in the negative electrode.
上記未充放電蓄電素子を初期充放電すること
を備え、
上記負極活物質が炭素材料であり、
上記添加剤が環状サルフェートであり、
下記式1を満たし、
上記初期充放電が容量確認のための充放電である、非水電解質蓄電素子の製造方法。
0.004≦mS/mN≦0.016 ・・・1
式1中、mSは、上記未充放電蓄電素子における上記非水電解質に含有される上記添加剤の質量(g)である。mNは、上記負極に含有される上記負極活物質の質量(g)である。 assembling an uncharged/discharged electricity storage element using a negative electrode containing a negative electrode active material and a non-aqueous electrolyte containing an additive; and initially charging and discharging the uncharged/discharged electricity storage element;
the negative electrode active material is a carbon material,
the additive is a cyclic sulfate,
Satisfies the following formula 1:
The method for producing a nonaqueous electrolyte electricity storage element includes the step of carrying out the initial charge/discharge for confirming the capacity .
0.004≦ mS / mN ≦0.016...1
In Formula 1, m 1 S is the mass (g) of the additive contained in the non-aqueous electrolyte in the uncharged/discharged electricity storage element , and m 1 N is the mass (g) of the negative electrode active material contained in the negative electrode.
上記未充放電蓄電素子を初期充放電すること
を備え、
上記添加剤が環状サルフェートであり、
下記式2を満たし、
上記初期充放電の充電終止電圧における正極到達電位が3.0V(vs.Li/Li + )以上4.2V(vs.Li/Li + )以下である、非水電解質蓄電素子の製造方法。
0.010≦mS/cN≦0.048 ・・・2
式2中、mSは、上記未充放電蓄電素子における上記非水電解質に含有される上記添加剤の質量(g)である。cNは、上記負極の放電容量(Ah)である。 assembling an uncharged/discharged electricity storage element using a negative electrode containing a negative electrode active material and a non-aqueous electrolyte containing an additive; and initially charging and discharging the uncharged/discharged electricity storage element;
the additive is a cyclic sulfate,
Satisfies the following formula 2,
The method for producing a nonaqueous electrolyte storage element, wherein the positive electrode potential at the end-of-charge voltage of the initial charge/discharge is 3.0 V (vs. Li/Li + ) or more and 4.2 V (vs. Li/Li + ) or less .
0.010≦m S /c N ≦0.048 ...2
In Equation 2, m 1 S is the mass (g) of the additive contained in the non-aqueous electrolyte in the uncharged/discharged electricity storage element, and c 1 N is the discharge capacity (Ah) of the negative electrode.
上記未充放電蓄電素子を初期充放電すること
を備え、
上記添加剤が環状サルフェートであり、
下記式2を満たし、
上記初期充放電が容量確認のための充放電である、非水電解質蓄電素子の製造方法。
0.010≦mS/cN≦0.048 ・・・2
式2中、mSは、上記未充放電蓄電素子における上記非水電解質に含有される上記添加剤の質量(g)である。cNは、上記負極の放電容量(Ah)である。
assembling an uncharged/discharged electricity storage element using a negative electrode containing a negative electrode active material and a non-aqueous electrolyte containing an additive; and initially charging and discharging the uncharged/discharged electricity storage element;
the additive is a cyclic sulfate,
Satisfies the following formula 2,
The method for producing a nonaqueous electrolyte electricity storage element includes the step of carrying out the initial charge/discharge for confirming the capacity .
0.010≦m S /c N ≦0.048 ...2
In Equation 2, m 1 S is the mass (g) of the additive contained in the non-aqueous electrolyte in the uncharged/discharged electricity storage element, and c 1 N is the discharge capacity (Ah) of the negative electrode.
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