JP7743983B2 - Lithium-ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium-ion secondary battery.
近年、従来のカーボン系負極よりも高出力なチタン酸化物を負極活物質として用いた負極を備えるリチウムイオン電池が実用化されている。しかし、チタン酸化物はカーボン系材料よりも金属リチウムに対する電位が高い上に、チタン酸化物は質量あたりの容量が低く、エネルギー密度が低いという欠点を有する。 In recent years, lithium-ion batteries equipped with anodes that use titanium oxide as the anode active material, which has higher output than conventional carbon-based anodes, have been put to practical use. However, titanium oxide has a higher potential relative to metallic lithium than carbon-based materials, and titanium oxide also has the disadvantage of having a low capacity per mass and a low energy density.
このため、TiNb2O7に代表されるような単斜晶系Nb-Ti系複合酸化物(以下、「TNO」または「ニオブチタン酸化物」とする場合がある)の負極活物質としての検討がなされている。このTNOを合材層中の負極活物質として用いた負極(以下、「TNO負極」とする場合がある)は、理論容量が387mAh/gという従来のカーボン系負極と同等の理論容量を持っており、この材料を用いることでこれまでのチタン酸化物を用いた際の欠点であるエネルギー密度が低いという問題を解決できる可能性がある(特許文献1参照)。 For this reason, monoclinic Nb-Ti composite oxides (hereinafter sometimes referred to as "TNO" or "niobium titanium oxide") such as TiNb 2 O 7 have been investigated as negative electrode active materials. A negative electrode using this TNO as the negative electrode active material in the composite layer (hereinafter sometimes referred to as "TNO negative electrode") has a theoretical capacity of 387 mAh/g, which is equivalent to that of conventional carbon-based negative electrodes, and the use of this material may potentially solve the problem of low energy density, which has been a drawback of using titanium oxides to date (see Patent Document 1).
しかし、このTNO負極は、これまでのチタン酸化物を用いた負極とは電気化学的挙動が異なる。そのため、ただ単にチタン酸化物をTNOに置き換えただけでは、出力とエネルギー密度を両立したリチウムイオン二次電池を構築することはできない。 However, this TNO anode has different electrochemical behavior from anodes that use conventional titanium oxide. Therefore, simply replacing titanium oxide with TNO does not allow for the construction of a lithium-ion secondary battery that achieves both high output and energy density.
殊に、TNO負極では充電時に固体電解質界面(以下、「SEI被膜」とする場合がある)が形成されるという、これまでのチタン酸化物とは異なった挙動を示す。このSEI被膜は、負極の電極表面に形成されるため、内部抵抗の上昇を招く。このため、チタン酸化物を負極活物質に用いたリチウムイオン二次電池の大きな特徴である高い出力が得られず、出力特性の低下を招いてしまうことが、実用化を妨げる大きな要因となっている。 In particular, TNO anodes exhibit behavior different from that of conventional titanium oxides, in that a solid electrolyte interface (hereinafter sometimes referred to as an "SEI film") forms during charging. This SEI film forms on the surface of the anode, leading to an increase in internal resistance. As a result, the high output that is a major feature of lithium-ion secondary batteries using titanium oxide as the anode active material cannot be achieved, resulting in a decline in output characteristics, which is a major factor hindering practical application.
詳細は定かではないが、TNO負極中のニオブ(Nb)がSEI被膜を形成する際の触媒作用を示すことが考えられ、この点を解決しなければTNO負極を用いたリチウムイオン二次電池の実用化はできない。また、SEI被膜の形成には、負極活物質の材料組成と電解液の組成が関係しており、これまでのチタン酸化物を用いたリチウムイオン二次電池の電解液をそのままTNO負極に適用すると、出力特性の低下を招いてしまう。 Although the details are unclear, it is thought that the niobium (Nb) in the TNO negative electrode acts as a catalyst when forming the SEI film, and unless this issue is resolved, lithium-ion secondary batteries using TNO negative electrodes cannot be put into practical use. Furthermore, the formation of the SEI film is related to the material composition of the negative electrode active material and the composition of the electrolyte, and applying the electrolyte used in lithium-ion secondary batteries that use titanium oxide to TNO negative electrodes as is will result in a decline in output characteristics.
従って、本発明は上記の問題に着目したなされたものであり、出力特性とエネルギー密度を両立するリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 The present invention was therefore made in response to the above-mentioned problems, and aims to provide a lithium-ion secondary battery that achieves both output characteristics and energy density.
本発明者は、上記課題の解決のため、TNO負極を用いた場合の電解液組成について検討を行った。鋭意検討の結果、TNO負極を用いた場合、電解液添加剤として所定のアルコキシスルホン酸リチウムを含む非水電解液を使用すると、上記組み合わせ特有の効果が発生し、リチウムイオン二次電池の出力特性を大幅に落とすことなく、エネルギー密度をこれまでのチタン酸リチウムを用いた場合の約1.7倍とすることが可能であることを見出し、本発明の完成に至った。 To solve the above-mentioned problems, the inventors investigated the electrolyte composition when using a TNO negative electrode. As a result of extensive research, they discovered that when a TNO negative electrode is used and a non-aqueous electrolyte containing a specific lithium alkoxysulfonate as an electrolyte additive, the effects unique to this combination are generated, making it possible to increase the energy density by approximately 1.7 times compared to when lithium titanate is used, without significantly reducing the output characteristics of the lithium-ion secondary battery, and thus completed the present invention.
上記課題を解決するため、本発明のリチウムイオン二次電池は、合材層中に負極活物質としてニオブチタン酸化物を含む負極と、RSOOO-Li+(ここで、RはOCH3、OC2H5からなる群より選ばれる少なくとも1種の物質)で示されるアルコキシスルホン酸リチウムを含む非水電解液と、を備える。 In order to solve the above problems, the lithium ion secondary battery of the present invention comprises a negative electrode containing niobium titanium oxide as a negative electrode active material in a composite layer, and a nonaqueous electrolyte containing lithium alkoxysulfonate represented by RSOOO - Li + (where R is at least one substance selected from the group consisting of OCH3 and OC2H5 ).
前記非水電解液中の前記アルコキシスルホン酸リチウムの含有量は0.5~2.0質量%であることが好ましい。 The content of the lithium alkoxysulfonate in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.5 to 2.0% by mass.
本発明によれば、出力特性とエネルギー密度を両立するリチウムイオン二次電池を提供することができる。 The present invention makes it possible to provide a lithium-ion secondary battery that combines output characteristics and energy density.
以下に本発明の形態や構成について例示するが、本発明はこれらに限定されることはなく、特許請求の範囲に記載の事項、課題を解決するための手段、発明の効果等の記載の意図に沿ったものであれば、全て本発明に含まれる。 The following are examples of the forms and configurations of the present invention, but the present invention is not limited to these. All aspects that are in line with the intent of the claims, the means for solving the problems, the effects of the invention, etc. are included in the present invention.
本発明は、TNO負極を用いたリチウムイオン二次電池に関し、下記の2点の特徴を有する。 The present invention relates to a lithium-ion secondary battery using a TNO negative electrode, and has the following two features:
第1点としては、負極活物質としてニオブチタン酸化物を合材層中に含む負極を用いる点である。TNO負極については上述の通りであるが、本発明ではTNO負極と電解液添加剤との特有の効果を用いて課題解決を図ったものである。そのため、リチウムイオン二次電池の負極活物質として代表的な炭素材料はもちろんのこと、チタン酸リチウムを負極活物質としたリチウムイオン二次電池の場合であっても本発明の効果は得られない。 The first point is that the negative electrode uses a composite layer containing niobium titanium oxide as the negative electrode active material. While the TNO negative electrode has been described above, the present invention attempts to solve the problem by utilizing the unique effects of the TNO negative electrode and electrolyte additive. Therefore, the effects of the present invention cannot be obtained with carbon materials, which are typical negative electrode active materials for lithium ion secondary batteries, or even with lithium ion secondary batteries that use lithium titanate as the negative electrode active material.
第2点としては、電解液添加剤としてアルコキシスルホン酸リチウム([化1]参照)を使用する点である。本発明では、電解液添加剤として[化1]に示すアルコキシスルホン酸リチウムを用いることで、SEI被膜中に本添加剤が入り込み、被膜密度を下げることによる内部抵抗の低減効果を図るものである。そのため、かかるアルコキシスルホン酸リチウム自体の分解は、本発明の意図するところではない。 The second point is the use of lithium alkoxysulfonate (see Chemical Formula 1) as an electrolyte additive. In the present invention, by using the lithium alkoxysulfonate shown in Chemical Formula 1 as an electrolyte additive, the additive penetrates into the SEI coating, lowering the coating density and thereby reducing internal resistance. Therefore, the decomposition of the lithium alkoxysulfonate itself is not intended by the present invention.
さらに、本発明では、非水電解液中のアルコキシスルホン酸リチウムの含有量を0.5~2.0質量%とすることが好ましい。アルコキシスルホン酸リチウムは上述の通り、SEI被膜中に入り込むことにより効果を発揮する。このため、かかる含有量が0.5質量%より少ない場合、SEI被膜に入り込む添加剤分子数も少なくなる。このため、被膜密度が下がらず、内部抵抗の低減効果が得られないおそれがある。一方、かかる含有量が2.0質量%より多い場合、非水電解液に対するアルコキシスルホン酸リチウムの溶解度の関係で、非水電解液の温度によってはアルコキシスルホン酸リチウムが溶け残ってしまい、2.0質量%より濃い濃度の非水電解液を作製することができない場合がある。 Furthermore, in the present invention, it is preferable that the content of lithium alkoxysulfonate in the non-aqueous electrolyte be 0.5 to 2.0% by mass. As described above, lithium alkoxysulfonate exerts its effect by penetrating into the SEI coating. Therefore, if the content is less than 0.5% by mass, the number of additive molecules penetrating into the SEI coating will also be reduced. As a result, the coating density will not decrease, and the effect of reducing internal resistance may not be achieved. On the other hand, if the content is more than 2.0% by mass, due to the solubility of lithium alkoxysulfonate in the non-aqueous electrolyte, some of the lithium alkoxysulfonate may remain undissolved depending on the temperature of the non-aqueous electrolyte, making it impossible to prepare a non-aqueous electrolyte with a concentration greater than 2.0% by mass.
さらに、より好ましくは、非水電解液中のアルコキシスルホン酸リチウムの含有量が1.0~2.0質量%であれば、内部抵抗の低減効果が十分に得られ、また、非水電解液に対する溶解度も十分に確保することができる。 More preferably, if the content of lithium alkoxysulfonate in the non-aqueous electrolyte is 1.0 to 2.0 mass%, the effect of reducing internal resistance can be sufficiently achieved, and solubility in the non-aqueous electrolyte can be sufficiently ensured.
(非水電解液中のアルコキシスルホン酸リチウムの定量方法)
なお、非水電解液中のアルコキシスルホン酸リチウムの含有量は、例えば以下のように検量線を作製し、対象となる非水電解液を試料としてイオンクロマトグラフィーにより測定して得た値を採用することができる。
(Method for quantifying lithium alkoxysulfonate in non-aqueous electrolyte)
The content of lithium alkoxysulfonate in the non-aqueous electrolyte can be determined by preparing a calibration curve as follows, and measuring the non-aqueous electrolyte as a sample by ion chromatography.
<検量線の作製>
アルコキシスルホン酸リチウムの量を適宜変えながら、検量線を作製した。
<Preparation of calibration curve>
A calibration curve was prepared by appropriately changing the amount of lithium alkoxysulfonate.
<アルコキシスルホン酸リチウムの定量方法>
アルコキシスルホン酸リチウムの含有量が不明な定量対象の非水電解液をイオンクロマトグラフィーにて測定し、検量線を作製した溶液と同じ保持時間でピークが出れば、電解液中にアルコキシスルホン酸リチウムが含まれる。また、イオンクロマトグラフィーによるピーク面積と検量線から添加量を判断することができる。
<Quantitative method for lithium alkoxysulfonate>
If the non-aqueous electrolyte solution to be quantified, whose lithium alkoxysulfonate content is unknown, is measured by ion chromatography, and a peak appears at the same retention time as the solution for which the calibration curve was prepared, the electrolyte solution contains lithium alkoxysulfonate. The amount of addition can be determined from the peak area measured by ion chromatography and the calibration curve.
[リチウムイオン二次電池]
本発明のリチウムイオン二次電池は、例えば以下に説明する正極、負極、セパレータ、非水電解液、端子および外装体により構成され得る。
[Lithium-ion secondary battery]
The lithium ion secondary battery of the present invention can be composed of, for example, a positive electrode, a negative electrode, a separator, a non-aqueous electrolyte, terminals, and an exterior body, all of which are described below.
〈正極〉
正極は、例えば正極活物質合材電極層と、集電体にて構成される。
<Positive electrode>
The positive electrode is composed of, for example, a positive electrode active material composite electrode layer and a current collector.
(正極活物質合材電極層)
正極活物質合材電極層は、例えば正極活物質、導電材、結着剤、溶媒にて構成することができる。また、正極活物質としては、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiCo0.15Ni0.8Al0.05O2、LiNi0.5Mn1.5O4等の化合物が例示される。より好ましい態様としては、正極活物質として、原子比率としてNiが50%以上のリチウム複合酸化物を含むことができる。このような酸化物としては、例えば、正極活物質合材電極層中に正極活物質として含まれる、リチウムを除くカチオン種において、ニッケルの原子個数比率が50%以上の酸化物である。具体的には、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、およびLiCo0.15Ni0.80Al0.05O2が挙げられる。本発明においては、課題として高エネルギー密度であることについて言及しており、そのために電池容量を大きくすることで高エネルギー密度化を図ることができるが、ニッケルの原子個数比率が50%以上において材料の単位容量が大きい特徴があり、上記の酸化物を用いることで正極極中の正極活物質合材電極層の量をより少なく、かつ電極厚みをより薄くすることで、高エネルギー密度化を図ることができる。
(Cathode active material composite electrode layer)
The positive electrode active material composite electrode layer can be composed of, for example, a positive electrode active material, a conductive material, a binder, and a solvent. Examples of the positive electrode active material include compounds such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 , LiCo 0.15 Ni 0.8 Al 0.05 O 2 , and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4. In a more preferred embodiment, the positive electrode active material may contain a lithium composite oxide having an atomic ratio of Ni of 50% or more. Examples of such oxides include oxides in which the atomic ratio of nickel is 50% or more among the cation species excluding lithium contained as the positive electrode active material in the positive electrode active material composite electrode layer. Specific examples include LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 , LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 , LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 , and LiCo0.15Ni0.80Al0.05O2 . The present invention mentions high energy density as an issue, and for that purpose , a high energy density can be achieved by increasing the battery capacity, but a material with a nickel atomic ratio of 50 % or more is characterized by a large unit capacity, and by using the above oxides, the amount of the positive electrode active material composite electrode layer in the positive electrode can be reduced and the electrode thickness can be made thinner, thereby achieving a high energy density.
例えば、グラファイトを負極活物質に使用し、ニッケルを含む酸化物を正極活物質に使用した場合、正極活物質中に含まれるニッケルの比率がエネルギー密度に与える効果はあまり大きくないことがわかっている。理由としては、リチウムが含まれたグラファイトは、リチウムとほぼ同じ還元電位を有し、全物質中でも最も卑な電位であることに因る。その一方で、正極活物質中のニッケル量の違いで変化する酸化電位は0.1V程度である。このため、グラファイト負極の場合、放電平均電圧が約4.3±0.05Vの範囲で変化するのみであるのに対し、TNO負極の場合、約2.8±0.05Vの範囲で変化することになるため、相対的に正極活物質中のニッケル比率のエネルギー密度に与える影響が無視できなくなる。 For example, when graphite is used as the negative electrode active material and a nickel-containing oxide is used as the positive electrode active material, it has been found that the proportion of nickel in the positive electrode active material does not have a significant effect on energy density. This is because graphite containing lithium has a reduction potential roughly equal to that of lithium, making it the most base potential of all substances. On the other hand, the oxidation potential, which varies with the amount of nickel in the positive electrode active material, is only about 0.1 V. For this reason, in the case of a graphite negative electrode, the average discharge voltage only varies within a range of approximately 4.3 ± 0.05 V, whereas in the case of a TNO negative electrode, it varies within a range of approximately 2.8 ± 0.05 V. Therefore, the impact of the nickel proportion in the positive electrode active material on energy density cannot be ignored.
また、ニッケルの原子個数比率を50%以上が好ましいとしているのは、ニッケルの原子個数比率が50%以下では正極側の高容量化の効果が得にくいだけでなく、正極活物質中に含まれるマンガンやアルミニウムの溶出による活物質粒子の崩壊と見られる本発明の効果の早期喪失の影響を考慮したことに因る。本発明では、負極活物質としてTNOが使用されるため、一般的なリチウムイオン電池では使用できないエステルおよびエーテルを電解液溶媒として使うことが可能であるが、同時に、これらの成分はマンガンイオンやアルミニウムイオンとの親和性も高く、一般的なカーボネートのみの電解液と比べて溶出しやすいことが考えられる。詳細は定かではないが、マンガンやアルミニウムの正電荷と、炭素との電気陰性度の関係で共有結合に使用されている電子が酸素側に傾き、δ-の電荷を帯びたエステルの酸素あるいはエーテルの酸素が配位し、錯体を形成することで、マンガンやアルミニウムの電解液中での安定性を高めていると考えられる。 Furthermore, the preferred nickel atomic ratio is 50% or more because a nickel atomic ratio below 50% not only makes it difficult to achieve high capacity on the positive electrode side, but also takes into consideration the early loss of the benefits of the present invention, which is thought to be due to the disintegration of active material particles due to the elution of manganese and aluminum contained in the positive electrode active material. In the present invention, TNO is used as the negative electrode active material, allowing the use of esters and ethers, which are not suitable for use in general lithium-ion batteries, as electrolyte solvents. However, these components also have a high affinity for manganese ions and aluminum ions, which is thought to make them more susceptible to elution than general electrolytes containing only carbonate. While the details are unclear, the relationship between the positive charge of manganese or aluminum and their electronegativity with carbon causes the electrons used in the covalent bond to lean toward the oxygen, resulting in the coordination of the δ - charged oxygen of the ester or ether, forming a complex, which is thought to enhance the stability of manganese and aluminum in the electrolyte.
また、導電材は本発明においては特に制限はなく、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、カーボンナノチューブ、炭素繊維、活性炭、黒鉛等の公知または市販のものを使用することができる。 In addition, there are no particular limitations on the conductive material used in the present invention, and known or commercially available materials such as carbon blacks such as acetylene black and ketjen black, carbon nanotubes, carbon fibers, activated carbon, and graphite can be used.
結着剤においても特に制限はなく、公知または市販のものを使用することができる。例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、エチレン-プロピレン共重合体、スチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリル樹脂等を使用することができる。 There are no particular restrictions on the binder, and known or commercially available binders can be used. For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl chloride (PVC), polyethylene (PE), polypropylene (PP), ethylene-propylene copolymer, styrene-butadiene rubber (SBR), acrylic resin, etc. can be used.
溶媒も本発明においては特に制限はなく、使用する正極活物質あるいは結着剤によって種々の溶媒を選択することができる。具体的には、結着剤としてPVDFを用いる場合は、溶媒としてN-メチル-2-ピロリドンを用いることが好ましく、一方、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース(CMC)等のゴム系結着剤を用いる場合には、溶媒として水が好適である。 The solvent used in the present invention is not particularly limited, and various solvents can be selected depending on the positive electrode active material or binder used. Specifically, when PVDF is used as the binder, it is preferable to use N-methyl-2-pyrrolidone as the solvent. On the other hand, when a rubber-based binder such as styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene, polyvinyl alcohol, or carboxymethyl cellulose (CMC) is used, water is the preferred solvent.
(集電体)
集電体も本発明においては特に制限はないが、リチウムイオン電池正極用集電体としてはアルミニウム箔が一般的であり、用途によっては多孔質アルミニウム集電体等も用いられる。
(Current collector)
The current collector is not particularly limited in the present invention, but aluminum foil is generally used as a current collector for the positive electrode of a lithium ion battery, and porous aluminum current collectors may also be used depending on the application.
正極は、例えば次に示す方法で作製することができる。最初に、正極活物質、導電助剤及び結着剤等を溶剤に分散させて正極スラリーを調製する。続いて、正極集電体の一方又は両方の面に正極スラリーを塗布した後、例えば真空下、80℃で乾燥して正極活物質合材電極層を形成する。これらの工程により正極が作製され得る。 A positive electrode can be produced, for example, by the following method. First, a positive electrode active material, a conductive additive, a binder, etc. are dispersed in a solvent to prepare a positive electrode slurry. Next, the positive electrode slurry is applied to one or both surfaces of a positive electrode current collector, and then dried, for example, at 80°C under vacuum to form a positive electrode active material composite electrode layer. A positive electrode can be produced through these steps.
また、上記では正極活物質合材電極層と、集電体で構成される正極を説明した。ただし、本発明はこれに限定されず、フルセルに代えてハーフセルを用いる場合には、正極に代えて例えば金属リチウムを対極として用いても良い。 The above description also describes a positive electrode composed of a positive electrode active material composite electrode layer and a current collector. However, the present invention is not limited to this, and when a half cell is used instead of a full cell, metallic lithium, for example, may be used as a counter electrode instead of the positive electrode.
〈負極〉
負極は、負極活物質合材電極層と、集電体にて構成される。
<Negative electrode>
The negative electrode is composed of a negative electrode active material composite electrode layer and a current collector.
(負極活物質合材電極層)
負極活物質合材電極層(本明細書中において、「合材層」とする場合がある)は、負極活物質、導電材、結着剤、溶媒にて構成されている。負極活物質としては、本発明においては単斜晶系Nb-Ti系複合酸化物であるニオブチタン酸化物のみ適用可能であり、とりわけTiNb2O7やTi2Nb10O29において高い効果を発揮する。
(Negative active material composite electrode layer)
The negative electrode active material composite electrode layer (sometimes referred to as the "composite layer" in this specification) is composed of a negative electrode active material, a conductive material, a binder, and a solvent. In the present invention, only niobium titanium oxide, which is a monoclinic Nb-Ti composite oxide, is applicable as the negative electrode active material, and TiNb 2 O 7 and Ti 2 Nb 10 O 29 are particularly effective.
ここで、負極活物質合材電極層中のニオブチタン酸化物の含有量は80質量%~95質量%であることが好ましい。さらに、使用するニオブチタン酸化物の平均二次粒子径は、5μm~20μmであることが好ましい。また、本明細書中における平均二次粒子径とは、レーザー回折・散乱法によって求めた粒度分布における積算値50%での粒径を意味する。 The content of niobium titanium oxide in the negative electrode active material composite electrode layer is preferably 80% to 95% by mass. Furthermore, the average secondary particle diameter of the niobium titanium oxide used is preferably 5 μm to 20 μm. Furthermore, the average secondary particle diameter in this specification refers to the particle size at 50% of the cumulative value in the particle size distribution determined by laser diffraction/scattering.
導電材は本発明においては特に制限はなく、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック、カーボンナノチューブ、炭素繊維、活性炭、黒鉛等の公知または市販のものを使用することができる。 The conductive material used in the present invention is not particularly limited, and known or commercially available materials such as carbon blacks such as acetylene black and ketjen black, carbon nanotubes, carbon fiber, activated carbon, and graphite can be used.
結着剤においても特に制限はなく、公知または市販のものを使用することができる。例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、エチレン-プロピレン共重合体、スチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリル樹脂等を使用することができる。 There are no particular restrictions on the binder, and known or commercially available binders can be used. For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl chloride (PVC), polyethylene (PE), polypropylene (PP), ethylene-propylene copolymer, styrene-butadiene rubber (SBR), acrylic resin, etc. can be used.
結着剤に用いられる溶媒も本発明においては特に制限はなく、使用する活物質あるいは結着剤によって種々の溶媒を選択することができる。具体的には、結着剤としてPVDFを用いる場合は、溶媒としてN-メチル-2-ピロリドンを用いることが好ましく、一方、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース(CMC)等のゴム系結着剤を用いる場合には、溶媒として水が好適である。 The solvent used for the binder is not particularly limited in the present invention, and various solvents can be selected depending on the active material or binder used. Specifically, when PVDF is used as the binder, it is preferable to use N-methyl-2-pyrrolidone as the solvent. On the other hand, when a rubber-based binder such as styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene, polyvinyl alcohol, or carboxymethyl cellulose (CMC) is used, water is the preferred solvent.
(集電体)
集電体も本発明においては特に制限はないが、TNO負極の集電体としてはアルミニウム箔が好適であり、用途によっては多孔質アルミニウム集電体等も用いられる。
(Current collector)
The current collector is not particularly limited in the present invention, but aluminum foil is suitable as the current collector for the TNO negative electrode, and porous aluminum current collectors may also be used depending on the application.
負極は、例えば次に示す方法で作製することができる。最初に、ニオブチタン酸化物、導電助剤及び結着剤等を溶剤に分散させて負極スラリーを調製する。続いて、負極集電体の一方又は両方の面に負極スラリーを塗布した後、例えば真空下、80℃で乾燥して負極活物質合材電極層を形成する。これらの工程により負極が作製されうる。 The negative electrode can be produced, for example, by the following method. First, niobium titanium oxide, a conductive additive, a binder, etc. are dispersed in a solvent to prepare a negative electrode slurry. Next, the negative electrode slurry is applied to one or both surfaces of the negative electrode current collector, and then dried, for example, at 80°C under vacuum to form a negative electrode active material composite electrode layer. The negative electrode can be produced through these steps.
〈セパレータ〉
正極と負極との間に介在するセパレータとしては、一般的に用いられているPE(ポリエチレン)、PP(ポリプロピレン)等のポリオレフィン系樹脂やPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)等よりなる合成樹脂製の不織布や多孔シート等を使用することができる。不織布や多孔シートは、単層であっても、多層構造であってもよい。
<Separator>
The separator interposed between the positive electrode and the negative electrode can be a commonly used nonwoven fabric or porous sheet made of a synthetic resin such as a polyolefin resin such as PE (polyethylene) or PP (polypropylene), or PTFE (polytetrafluoroethylene). The nonwoven fabric or porous sheet may have a single layer or a multilayer structure.
〈非水電解液〉
非水電解液は、電解質、電解液溶媒、および電解液添加剤として上述のアルコキシスルホン酸リチウムを含み、本発明のリチウムイオン二次電池に用いることのできる非水電解液である。
<Non-aqueous electrolyte>
The non-aqueous electrolyte solution contains an electrolyte, an electrolyte solvent, and the above-mentioned lithium alkoxysulfonate as an electrolyte additive, and is a non-aqueous electrolyte solution that can be used in the lithium ion secondary battery of the present invention.
電解質は、特に限定されるものではなく、リチウムイオン二次電池で一般に用いられるリチウムイオンを含む電解質塩であることが好ましい。例えば、LiBF4、LiPF6等のリチウム塩を使用することができる。これらの電解質は、1種類で使用してもよく、2種以上を組み合わせて使用してもよい。また、電解質塩の濃度は特に限定されず、例えば、電解液溶媒に対して0.3M(mol/L)~3M程度含有されていればよい。 The electrolyte is not particularly limited, but is preferably an electrolyte salt containing lithium ions that is commonly used in lithium ion secondary batteries. For example, lithium salts such as LiBF 4 and LiPF 6 can be used. These electrolytes may be used alone or in combination of two or more. The concentration of the electrolyte salt is not particularly limited, and may be, for example, about 0.3 M (mol/L) to 3 M relative to the electrolyte solvent.
より詳しくは、電解質として例えば0.5M~3MのLiPF6および/またはLiBF4を含み、LiFSI、LiBOBおよびLiPO2F2は含まない電解質を使用することができる。 More specifically, an electrolyte containing, for example, 0.5M to 3M LiPF 6 and/or LiBF 4 but not containing LiFSI, LiBOB, or LiPO 2 F 2 can be used.
LiPF6および/またはLiBF4の含有量は、0.5M未満では電解液中のイオンの量が足りずに高出力を実現できないおそれがある。また、3Mより多いと、電解液粘度が高くなりすぎて、セパレータへの浸透および電解液の抵抗が高くなってしまい、高出力を実現できないおそれがある。そこで、高出力と電解液の抵抗を考慮して、かかる含有量は、0.5M~3Mとすることが好ましい。 If the content of LiPF6 and/or LiBF4 is less than 0.5 M, the amount of ions in the electrolyte may be insufficient, making it difficult to achieve high output. Furthermore, if the content is greater than 3 M, the viscosity of the electrolyte may become too high, resulting in increased penetration into the separator and increased resistance of the electrolyte, making it difficult to achieve high output. Therefore, taking into account high output and the resistance of the electrolyte, the content is preferably set to 0.5 M to 3 M.
また、本発明ではLiFSI、LiBOBおよびLiPO2F2は含まないことが好ましい。これらの電解質は、いずれも充電時に負極側で還元分解してしまい、過剰なSEIを形成することから、本発明の効果となっている高出力を実現できないためである。詳細は不明だが、本発明における負極活物質であるTNO中のニオブが触媒となり、電解液成分であるカーボネートと特異的に反応・分解しフッ化水素酸を生成してしまうおそれがあることに因る。 Furthermore, in the present invention, it is preferable not to include LiFSI, LiBOB, or LiPO2F2 . This is because these electrolytes all undergo reductive decomposition on the negative electrode side during charging, forming excessive SEI, making it impossible to achieve the high output that is the effect of the present invention. Although the details are unclear, the niobium in TNO, the negative electrode active material in the present invention, acts as a catalyst and may specifically react and decompose with carbonate, a component of the electrolyte solution, to produce hydrofluoric acid.
本発明においては、課題として高出力特性に言及しており、これを解決するにあたっては電解液のイオン伝導度は重要なパラメータとなる。なお、電解液のイオン伝導度については後述するが、これらは非水溶媒側からのアプローチであり、電解液のイオン伝導度に最も大きな影響を与えるパラメータは電解質の種類と量である。特に、LiPF6および/またはLiBF4は、アニオンの嵩が大きいためイオンの乖離が良く、高出力なリチウムイオン電池の構築が可能となる。また、本発明において負極活物質として使用しているTNOに対しても悪影響を及ぼしにくいため、本発明に好適である。 In the present invention, high-power characteristics are mentioned as a problem, and the ionic conductivity of the electrolyte is an important parameter in solving this problem. The ionic conductivity of the electrolyte will be discussed later, but this is an approach from the non-aqueous solvent side, and the parameters that have the greatest impact on the ionic conductivity of the electrolyte are the type and amount of electrolyte. In particular, LiPF6 and/or LiBF4 have large anions, which allow for good ion dissociation, making it possible to construct a high-power lithium-ion battery. Furthermore, they are suitable for the present invention because they are less likely to adversely affect TNO, which is used as the negative electrode active material in the present invention.
電解液溶媒としては、電解液系リチウムイオン二次電池で使用されている非水電解液を用いることができる。 The nonaqueous electrolyte used in liquid electrolyte lithium-ion secondary batteries can be used as the electrolyte solvent.
非水電解液としては、非水溶媒として環状溶媒および/または鎖状溶媒が含まれていることが好ましい。環状溶媒としては、環状カーボネートおよび/または環状エステル、鎖状溶媒としては、鎖状カーボネートおよび/または鎖状エーテルが含まれていることが好ましい。環状カーボネートは、電解質成分の解離度に関係し、鎖状カーボネートは、電解液粘度に関係している。 The non-aqueous electrolyte preferably contains a cyclic solvent and/or a chain solvent as the non-aqueous solvent. The cyclic solvent preferably contains a cyclic carbonate and/or a cyclic ester, and the chain solvent preferably contains a chain carbonate and/or a chain ether. The cyclic carbonate is related to the degree of dissociation of the electrolyte components, and the chain carbonate is related to the viscosity of the electrolyte.
環状カーボネートは、比誘電率が高い性質があり、電解液のリチウムイオン伝導性の向上に関与する。電解液中のイオン種の溶媒和エネルギーについて示したボルンの式では、式中に比誘電率が含まれており、比誘電率が大きくなると、ギブス自由エネルギーが負に大きくなる特徴を有する。ギブス自由エネルギーが負の場合、反応が自発的に進行することを意味し、さらにその絶対値が大きいほど反応が進行しやすいことを意味している。このため、非水溶媒中に環状カーボネートが含まれると、電解質のカチオン成分とアニオン成分の解離が促進されるため、非水溶媒中に電解質がイオンとして存在する割合が高くなり、リチウムイオン伝導性の向上につながる。 Cyclic carbonates have a high dielectric constant, which contributes to improving the lithium ion conductivity of electrolytes. The Born equation, which shows the solvation energy of ionic species in electrolytes, includes the dielectric constant, and as the dielectric constant increases, the Gibbs free energy becomes more negative. A negative Gibbs free energy means that the reaction will proceed spontaneously, and the larger its absolute value, the more likely the reaction will proceed. For this reason, when cyclic carbonates are included in non-aqueous solvents, the dissociation of the cation and anion components of the electrolyte is promoted, increasing the proportion of the electrolyte present as ions in the non-aqueous solvent, leading to improved lithium ion conductivity.
さらに、このリチウムイオン伝導性は、電池のレート特性に直結するパラメータであるため、非水溶媒中に環状カーボネートを有することが好ましい。また、鎖状カーボネートは、非水溶媒の粘度に関係する。環状カーボネートは比誘電率が高いことを上述したが、一方で高粘度であることが多い。非水溶媒の粘度は、電解液の流動性に直結し、セパレータへの電解液の浸透性に関与する。セパレータへ電解液が浸透されない箇所ができてしまうと、その部分が通電されないため、電池の本来持つ性能を発揮することができず、あらゆる電池性能の低下を招く。鎖状カーボネートは、これを防ぐために用いることができ、比誘電率は高くないものの、低粘度である特徴を有する。このように、カーボネートは、環状と鎖状で役割が異なるため、非水溶媒成分として両方含まれることが、より良いリチウムイオン電池の構築にとって好ましく、本発明においては、これらの成分の少なくとも1種以上が含まれることが好ましい。 Furthermore, because lithium ion conductivity is a parameter directly linked to the rate characteristics of a battery, it is preferable to include a cyclic carbonate in the non-aqueous solvent. Furthermore, chain carbonates are related to the viscosity of the non-aqueous solvent. While cyclic carbonates have a high dielectric constant, they often also have a high viscosity. The viscosity of the non-aqueous solvent is directly linked to the fluidity of the electrolyte and affects the permeability of the electrolyte into the separator. If areas of the separator are created where the electrolyte does not permeate, no current will flow through those areas, preventing the battery from achieving its full potential and resulting in a decline in overall battery performance. Chain carbonates can be used to prevent this, and while they do not have a high dielectric constant, they are characterized by their low viscosity. Because cyclic and chain carbonates thus play different roles, including both as non-aqueous solvent components is preferable for building better lithium-ion batteries. In the present invention, it is preferable to include at least one of these components.
また、環状エステルであるγ‐ブチロラクトンは、環状カーボネートとエステルの両方の性質を持った化合物である。本来であれば、電解液溶媒成分としてγ‐ブチロラクトン単体でもリチウムイオン電池に使用することが可能であるが、負極材料としてグラファイトが使用されることが多く、この場合、グラファイト層間にγ‐ブチロラクトン分子が入ってしまい、グラファイトの分解を促進してしまうおそれがあるため、これまで使用されることがなかった。本発明は、負極活物質としてTNOを用いることを要件としており、上述のような活物質層間に入る問題がないため、γ‐ブチロラクトン本来の性能を十分に発揮することができる。 γ-butyrolactone, a cyclic ester, is a compound that possesses the properties of both a cyclic carbonate and an ester. While γ-butyrolactone alone could be used in lithium-ion batteries as an electrolyte solvent component, it has not been used until now because graphite is often used as the negative electrode material, and in this case, γ-butyrolactone molecules may enter between the graphite layers, potentially promoting graphite decomposition. The present invention requires the use of TNO as the negative electrode active material, which eliminates the problem of γ-butyrolactone entering between the active material layers, thereby allowing γ-butyrolactone to fully demonstrate its inherent performance.
環状カーボネートは、エチレンカーボネートおよび/またはプロピレンカーボネートであり、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネートおよびビニルエチレンカーボネートは含まないことが好ましい。 The cyclic carbonate is preferably ethylene carbonate and/or propylene carbonate, and does not include vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, or vinylethylene carbonate.
環状カーボネートの中でも、エチレンカーボネートおよびプロピレンカーボネートを用いたときに、本発明の効果がより高くなる。エチレンカーボネートは、環状カーボネートの中でも比誘電率が極めて高く、高レート特性の維持に最適な材料である。また、プロピレンカーボネートもエチレンカーボネートとほぼ同様の性質があるが、プロピレンカーボネートは、γ‐ブチロラクトンと同様に、負極活物質がグラファイトの場合、層間に分子が入ってしまい分解を促進してしまうおそれがあるため、これまで使用されることがなかった。しかしながら、本発明では、負極活物質としてグラファイトではなくTNOを用いることを要件としており、上述のような活物質層間に入る問題がないため、プロピレンカーボネート本来の性能を十分に発揮することができる。 Among cyclic carbonates, the effects of the present invention are enhanced when ethylene carbonate and propylene carbonate are used. Ethylene carbonate has an extremely high dielectric constant among cyclic carbonates, making it the ideal material for maintaining high-rate performance. Propylene carbonate also has properties similar to ethylene carbonate, but like gamma-butyrolactone, propylene carbonate has not been used until now because, when the negative electrode active material is graphite, its molecules may enter between the layers and promote decomposition. However, the present invention requires the use of TNO instead of graphite as the negative electrode active material, which eliminates the problem of molecules entering between the active material layers, allowing propylene carbonate to fully demonstrate its inherent performance.
また、本発明では、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネートおよびビニルエチレンカーボネートは含まないことが好ましい。この理由としては、TNO負極特有のSEI形成が関係しており、これらのカーボネートが含まれてしまうと、通電を阻害するほどのSEIの過形成が起こってしまうおそれがあり、結果として電池容量およびレート特性の低下を生ずるおそれがあるからである。 In addition, in the present invention, it is preferable not to include vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, and vinylethylene carbonate. The reason for this is that these carbonates are related to the SEI formation specific to TNO negative electrodes, and if these carbonates are included, there is a risk of excessive SEI formation to the extent that it inhibits current flow, resulting in a decrease in battery capacity and rate characteristics.
また、鎖状カーボネートは、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびジエチルカーボネートから選ばれる少なくとも1種以上であることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the chain carbonate is at least one selected from dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate.
鎖状カーボネートは、上述の通り、電解液の低粘度化を目的として使用されるものである。メチル基またはエチル基を持った鎖状カーボネートは、鎖状カーボネートの中でも極めて低粘度であることから、このような鎖状カーボネートを使用することで、本発明の効果である高レート特性の特徴を十分に発揮することができる。 As mentioned above, chain carbonates are used to reduce the viscosity of the electrolyte. Chain carbonates containing methyl or ethyl groups have extremely low viscosity among chain carbonates, so by using such chain carbonates, the high-rate characteristics that are an effect of the present invention can be fully achieved.
また、非水電解液は、環状エーテル類の1,3‐ジオキサン、アジポニトリル、スクシノニトリルから選ばれる少なくとも1種以上を0.1質量%~5質量%含んでもよい。 The non-aqueous electrolyte may also contain 0.1% to 5% by mass of at least one cyclic ether selected from 1,3-dioxane, adiponitrile, and succinonitrile.
1,3‐ジオキサンは、鎖状カーボネートよりもさらに低粘度でありながら高比誘電率という、高出力向け電池の電解液として有利な特徴を有しているが、酸化分解電位が約2.2Vと、鎖状カーボネートよりも約1Vほど低い致命的な欠点があり、正極側で容易に酸化分解されてしまうため、これまでリチウムイオン電池の電解液にはあまり使用されてこなかった。しかし、本発明において、0.1質量%~5質量%の範囲であれば、電池の性能に悪影響を及ぼさないことを見出し、本化合物を電解液成分として適正量含ませることによって、鎖状カーボネートよりも低粘度でありながら高比誘電率という特徴が活かされ、本発明の効果である高エネルギー密度化と高出力特性の両立に有効な結果となった。 1,3-dioxane has advantageous characteristics as an electrolyte for high-power batteries, such as a lower viscosity than chain carbonates and a high dielectric constant. However, it has a fatal drawback: its oxidative decomposition potential is approximately 2.2 V, which is approximately 1 V lower than chain carbonates. This means that it is easily oxidatively decomposed on the positive electrode side, and so it has not been widely used in lithium-ion battery electrolytes until now. However, in this invention, it has been discovered that a concentration in the range of 0.1% to 5% by mass does not adversely affect battery performance. By including this compound in an appropriate amount as an electrolyte component, the compound's characteristics of a lower viscosity than chain carbonates and a high dielectric constant can be utilized, resulting in effective results in achieving both high energy density and high power characteristics, the effects of this invention.
また、アジポニトリルおよびスクシノニトリルは、安全性または信頼性向上のための添加剤として知られる化合物であるが、本発明においても、これらが上記質量%の範囲内で含まれることが好適である。これらの化合物が集電体および活物質から溶出した金属イオンに配位し錯体を形成するため、高活性となった金属イオン種を失活させ、漏れ電流およびガス発生抑制等が可能となると考えられ、本発明の効果の長期的な持続につながる。 Adiponitrile and succinonitrile are compounds known as additives for improving safety or reliability, and it is preferable for these compounds to be included in the present invention within the above-mentioned mass % range. These compounds coordinate with metal ions eluted from the current collector and active material to form complexes, which are thought to deactivate highly active metal ion species and suppress leakage current and gas generation, leading to long-term maintenance of the effects of the present invention.
殊に、本発明では、上述のように正極活物質合材電極層中には、正極活物質として、原子比率としてNiが50%以上のリチウム複合酸化物を含むことができ、イオン化傾向から、正極活物質に含まれるカチオン種の中でもニッケルが溶出しやすい傾向がある。本発明では、これらのようなジニトリルが電解液中に含まれることで、過充電時に大量に発生するニッケルイオンを錯体の形で捕捉し、電池の劣化を防ぐことで、本発明の効果である高エネルギー密度と高出力特性の両立を長期間可能とする。 In particular, in the present invention, as described above, the positive electrode active material composite electrode layer can contain a lithium composite oxide with an atomic ratio of Ni of 50% or more as the positive electrode active material. Due to its ionization tendency, nickel tends to be the most susceptible to leaching out of the cationic species contained in the positive electrode active material. In the present invention, by including such dinitriles in the electrolyte, nickel ions, which are generated in large quantities during overcharging, are captured in the form of a complex, preventing battery degradation and enabling the effects of the present invention, namely, high energy density and high output characteristics, to be achieved for a long period of time.
しかしながら、1,3‐ジオキサン、アジポニトリル、スクシノニトリルは配位力が強いため、非水電解液中の含有量が5質量%以上となると、充放電に必要なイオンも捕捉してしまう割合が高くなり、サイクル特性の低下などを招くため、上記のとおり0.1質量%~5質量%の範囲での使用が推奨される。 However, because 1,3-dioxane, adiponitrile, and succinonitrile have strong coordinating power, if their content in the non-aqueous electrolyte exceeds 5% by mass, a high proportion of them will capture ions necessary for charging and discharging, resulting in a decrease in cycle characteristics. Therefore, as stated above, it is recommended that they be used in the range of 0.1% to 5% by mass.
また、電解液溶媒としては、環状溶媒の前記環状カーボネートや環状エステルの他に、スルホランを用いることができる。また、鎖状溶媒の前記鎖状エーテルとして、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、各種グライム類等を、主溶媒と混合して使用することができる In addition to the cyclic carbonates and cyclic esters mentioned above, sulfolane can also be used as the electrolyte solvent. Furthermore, dimethoxyethane, diethoxyethane, various glymes, and other chain ethers can be used as the chain solvent by mixing them with the main solvent.
また、電解液添加剤としてアルコキシスルホン酸リチウムを含むことの効果は上述の通りであり、アルコキシスルホン酸リチウムとしては、メトキシスルホン酸リチウムとエトキシスルホン酸リチウムが挙げられ、電解液添加剤としてこれらのうちの少なくとも1種を含み、具体的な組み合わせとしてメトキシスルホン酸リチウムのみ、エトキシスルホン酸リチウムのみ、およびメトキシスルホン酸リチウムとエトキシスルホン酸リチウムを両方含む組み合わせが挙げられる。アルコキシスルホン酸リチウム全ての合計として、非水電解液中における含有量が0.5質量%~2.0質量%、好ましくは1.0質量%~2.0質量%である。また、メトキシスルホン酸リチウムの飽和濃度は2.0質量%となっており、添加剤の合計濃度を2.0質量%より多くする場合は、エトキシスルホン酸リチウムと混合して使用する。また、RSOOO-Li+の、RがOCH3で表される物質がメトキシスルホン酸リチウムであり、RがOC2H5で表される物質がエトキシスルホン酸リチウムである。 The effects of including lithium alkoxysulfonate as an electrolyte additive are as described above. Examples of lithium alkoxysulfonate include lithium methoxysulfonate and lithium ethoxysulfonate. The electrolyte additive contains at least one of these. Specific combinations include lithium methoxysulfonate alone, lithium ethoxysulfonate alone, and a combination containing both lithium methoxysulfonate and lithium ethoxysulfonate. The total content of all lithium alkoxysulfonates in the non-aqueous electrolyte is 0.5% to 2.0% by mass, preferably 1.0% to 2.0% by mass. Furthermore, the saturated concentration of lithium methoxysulfonate is 2.0% by mass. If the total additive concentration is greater than 2.0% by mass, it is mixed with lithium ethoxysulfonate. Furthermore, in RSOOO - Li + , the substance where R is OCH3 is lithium methoxysulfonate, and the substance where R is OC2H5 is lithium ethoxysulfonate.
〈端子〉
端子としては、金属が一般に使用される。材料および形状に制限はないが、本発明においては、例えば材料としてはアルミニウムおよび銅が好適であり、形状としては結線等にて変形しないような形状が好適である。
Terminal
Metal is generally used for the terminals. There are no restrictions on the material or shape, but in the present invention, aluminum and copper are suitable as materials, and a shape that will not be deformed by wiring or the like is suitable.
〈外装体〉
外装体としては、例えば缶材およびラミネート材が選択される。材料および形状に制限はないが、例えば材料としては缶材ではステンレスが好適であり、ラミネート材ではアルミ箔の表面をプラスチックフィルムにてコーティングしたものが好適である。形状はセル容量に応じて変化させることができ、一般的にセル容量が大きいほど大きな形状となる。
<Exterior body>
The exterior body can be made of, for example, a can or a laminate. There are no restrictions on the material or shape, but stainless steel is a suitable can material, and a laminate material made of aluminum foil coated with a plastic film is a suitable material. The shape can be changed depending on the cell capacity, and generally, the larger the cell capacity, the larger the shape.
本発明のリチウムイオン二次電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、角形、扁平型等が挙げられる。 The shape of the lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, but examples include coin type, button type, sheet type, laminated type, cylindrical type, prismatic type, and flat type.
以下、コイン型のリチウムイオン二次電池を例にして、本発明のリチウムイオン二次電池の構造を、図面を参照して説明する。図1は、本発明のリチウムイオン二次電池の一例として示す、コイン型の電池の模式断面図である。 The structure of the lithium-ion secondary battery of the present invention will be described below with reference to the drawings, using a coin-type lithium-ion secondary battery as an example. Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a coin-type battery, shown as an example of the lithium-ion secondary battery of the present invention.
コイン型のリチウムイオン二次電池1は、正極2と、負極3と、それら正極2及び負極3の間に配置されたセパレータ4とを備える。これら正極2、負極3及びセパレータ4は、下部側に位置する第1外部端子5と上部側に位置する第2外部端子6の間に収納されている。当該第1外部端子5及び当該第2外部端子6の当接部位は、ガスケット7により絶縁されている。 The coin-type lithium-ion secondary battery 1 comprises a positive electrode 2, a negative electrode 3, and a separator 4 disposed between the positive electrode 2 and the negative electrode 3. The positive electrode 2, negative electrode 3, and separator 4 are housed between a first external terminal 5 located on the lower side and a second external terminal 6 located on the upper side. The contact areas between the first external terminal 5 and the second external terminal 6 are insulated by a gasket 7.
正極2は、第1外部端子5の内面に位置してそれと接続される正極集電体21と、当該正極集電体21のセパレータ4と対向する面に設けられた正極活物質合材電極層22とから構成されている。負極3は、第2外部端子6の内面に位置してそれと接続される負極集電体31と、当該負極集電体31のセパレータ4と対向する面に設けられた、合材層32とから構成されている。セパレータ4は、例えば非水電解質に含浸されている。第2外部端子6は、その端部がその下端及び両側面をガスケット7で包んだ状態で第1外部端子5内に挿入され、下部側の第1外部端子5の開口端をガスケット7側に湾曲させて第2外部端子6を第1外部端子5にかしめ固定するとともに、第1外部端子5及び第2外部端子6の当接部位をガスケット7により絶縁している。 The positive electrode 2 is composed of a positive electrode current collector 21 located on the inner surface of the first external terminal 5 and connected thereto, and a positive electrode active material composite electrode layer 22 provided on the surface of the positive electrode current collector 21 facing the separator 4. The negative electrode 3 is composed of a negative electrode current collector 31 located on the inner surface of the second external terminal 6 and connected thereto, and a composite material layer 32 provided on the surface of the negative electrode current collector 31 facing the separator 4. The separator 4 is impregnated with, for example, a nonaqueous electrolyte. The second external terminal 6 is inserted into the first external terminal 5 with its lower end and both side surfaces wrapped in gaskets 7. The lower open end of the first external terminal 5 is bent toward the gasket 7 to crimp and fix the second external terminal 6 to the first external terminal 5, and the abutting portions of the first external terminal 5 and second external terminal 6 are insulated by the gasket 7.
次に、図2を参照して、本発明のリチウムイオン二次電池の一例である積層型の電池について説明する。 Next, with reference to Figure 2, we will explain a stacked battery, which is an example of a lithium-ion secondary battery of the present invention.
積層型のリチウム二次電池100は、ラミネートフィルムからなる袋状の外装体200を備えている。外装体200内には、積層構造の電極群300が収納されている。ラミネートフィルムは、例えば複数枚(例えば2枚)のプラスチックフィルムをそれらのフィルム間にアルミニウム箔のような金属箔を挟んで積層した構造を有する。2枚のプラスチックフィルムのうち、一方のプラスチックフィルムは熱融着性樹脂フィルムが用いられる。外装体200は、2枚のラミネートフィルムを熱融着性樹脂フィルムが互いに対向するように重ね、これらのラミネートフィルム間に電極群300を収納し、電極群300周辺の2枚のラミネートフィルム部分を互いに熱融着して封止することにより、前記電極群300を気密に収納している。 The laminated lithium secondary battery 100 includes a bag-shaped exterior body 200 made of laminate film. A laminated electrode group 300 is housed within the exterior body 200. The laminate film has a structure in which, for example, multiple (e.g., two) plastic films are stacked with a metal foil such as aluminum foil sandwiched between them. One of the two plastic films is a heat-sealable resin film. The exterior body 200 is made by stacking two laminate films with the heat-sealable resin films facing each other, and housing the electrode group 300 between these laminate films. The two laminate film portions around the electrode group 300 are heat-sealed to each other to seal the electrode group 300, thereby hermetically housing the electrode group 300.
電極群300は、正極400と負極500とそれら正極400、負極500の間に介在されたセパレータ600とを負極500が最外層に位置すると共に、負極500と外装体200の内面の間にセパレータ600が位置するように複数積層した構造を有する。正極400は、正極集電体410と当該集電体410の両面に形成された正極活物質合材電極層420とから構成されている。負極500は、負極集電体510と、当該集電体510の両面に形成された合材層520とから構成されている。 The electrode group 300 has a structure in which a positive electrode 400, a negative electrode 500, and a separator 600 sandwiched between the positive electrode 400 and the negative electrode 500 are stacked in multiple layers, with the negative electrode 500 positioned as the outermost layer and the separator 600 positioned between the negative electrode 500 and the inner surface of the outer casing 200. The positive electrode 400 is composed of a positive electrode current collector 410 and a positive electrode active material composite electrode layer 420 formed on both sides of the current collector 410. The negative electrode 500 is composed of a negative electrode current collector 510 and a composite layer 520 formed on both sides of the current collector 510.
正極400は、正極集電体410が正極活物質合材電極層420の例えば左側面から延出した正極リード700を有する。各正極リード700は、外装体200内において先端側で束ねられ、互いに接合されている。正極タブ800は、一端が正極リード700の接合部に接合され、かつ他端が外装体200の封止部を通して外部に延出している。負極500は、負極集電体510が合材層520の例えば右側面から延出した負極リード900を有する。各負極リード900は、外装体200内において先端側で束ねられ、互いに接合されている。負極タブ1000は、一端が負極リード900の接合部に接合され、かつ他端が外装体200の封止部を通して外部に延出している。非水電解液は、外装体200内に注入されている。外装体200の注入箇所は、非水電解液の注入後に封止される。 The positive electrode 400 has a positive electrode lead 700 in which the positive electrode current collector 410 extends from, for example, the left side of the positive electrode active material composite electrode layer 420. The positive electrode leads 700 are bundled at their tip ends within the exterior case 200 and joined to each other. One end of the positive electrode tab 800 is joined to the joint of the positive electrode lead 700, and the other end extends to the outside through the sealing portion of the exterior case 200. The negative electrode 500 has a negative electrode lead 900 in which the negative electrode current collector 510 extends from, for example, the right side of the composite layer 520. The negative electrode leads 900 are bundled at their tip ends within the exterior case 200 and joined to each other. One end of the negative electrode tab 1000 is joined to the joint of the negative electrode lead 900, and the other end extends to the outside through the sealing portion of the exterior case 200. A nonaqueous electrolyte is injected into the exterior case 200. The injection site of the exterior body 200 is sealed after the non-aqueous electrolyte is injected.
以下に、実施例を挙げて本発明についてさらに詳しく説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されない。 The present invention will be explained in more detail below using examples. Note that the present invention is not limited to the following examples.
<実施例1-1>
(1)電解液の調製
LiPF6の濃度が1.0Mとなるように、LiPF6をエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)を3対7の体積比で混合した溶液に溶解し、さらにメトキシスルホン酸リチウムを溶液重量に対して0.5重量%を添加し、マグネチックスターラーにて1時間攪拌することにより、本発明における電解液を調製した。
<Example 1-1>
(1) Preparation of Electrolyte Solution LiPF 6 was dissolved in a solution of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of 3:7 so that the concentration of LiPF 6 was 1.0 M, and 0.5% by weight of lithium methoxysulfonate was further added to the solution, followed by stirring with a magnetic stirrer for 1 hour to prepare the electrolyte solution of the present invention.
(2)試験セルの作製
水熱合成法により得られたTiNb2O7粒子を活物質とし、活物質、導電材、結着剤を溶媒で混練しスラリーを作製した。導電材にはデンカ社製のアセチレンブラックを使用した。結着剤にはクレハ社製のKFポリマーを使用した。活物質と導電材と結着剤の質量比は85:10:5であった。溶媒には関東化学社製のN-メチルピロリドンを使用した。得られたスラリーを20μmの厚さのアルミ箔の片面に目付50g/m2で塗工した。塗工後、プレスし、Φ13で打ち抜き、乾燥させて溶媒を蒸発させ、負極を得た。
(2) Preparation of test cell TiNb 2 O 7 particles obtained by hydrothermal synthesis were used as the active material, and the active material, conductive material, and binder were kneaded with a solvent to prepare a slurry. Acetylene black manufactured by Denka Corporation was used as the conductive material. KF polymer manufactured by Kureha Corporation was used as the binder. The mass ratio of the active material, conductive material, and binder was 85:10:5. N-methylpyrrolidone manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd. was used as the solvent. The obtained slurry was coated on one side of 20 μm thick aluminum foil at a basis weight of 50 g/m 2. After coating, it was pressed, punched out to Φ13, and dried to evaporate the solvent, obtaining a negative electrode.
2032型コインセル外装体内部に、得られた負極、対極としてΦ14の金属リチウム、Φ15のガラスセパレータを1枚ずつ、セパレータを介して負極の塗工面と金属リチウムが対向するように入れ、さらに調製した電解液を加えた。上蓋をした後、かしめ機にて周囲をかしめることにより試験セルを作製した。 The resulting negative electrode, a Φ14 lithium metal counter electrode, and a Φ15 glass separator were placed inside the exterior of a 2032-type coin cell, with the coated surface of the negative electrode facing the lithium metal through the separator, and the prepared electrolyte was then added. After placing the lid, the periphery was crimped using a crimping machine to create a test cell.
(3)充放電試験
東洋システム社製充放電試験装置(TOSCAT-3000)にて、充放電試験を行った。放電容量の測定は、まず、作製した試験セルを0.1 ItAにて1.5Vまで定電流/定電圧充電を行い、15分間放置した。その後、0.1 ItAにて2.5Vまで定電流放電を行い、252mAh/g-活物質の容量を得た。また、0.1 ItAにて1.5Vまで定電流/定電圧充電を行い、15分間放置し、放電試験を5.0 ItAにてさらに行い、89%vs0.1 ItAの容量比を得た。ここで、「89%vs0.1 ItA」とは、0.1ItAに対する5.0ItAの放電容量比であり、以下同様である。また、表において、「5.0ItA放電容量比」の項目にこの結果を示す。
(3) Charge/Discharge Test A charge/discharge test was performed using a charge/discharge tester (TOSCAT-3000) manufactured by Toyo Systems Co., Ltd. To measure the discharge capacity, the prepared test cell was first charged at a constant current/constant voltage to 1.5 V at 0.1 ItA and left for 15 minutes. Thereafter, a constant current discharge was performed at 0.1 ItA to 2.5 V, resulting in a capacity of 252 mAh/g-active material. Furthermore, a constant current/constant voltage charge was performed at 0.1 ItA to 1.5 V, left for 15 minutes, and a discharge test was further performed at 5.0 ItA, resulting in a capacity ratio of 89% vs. 0.1 ItA. Here, "89% vs. 0.1 ItA" refers to the discharge capacity ratio at 5.0 ItA to 0.1 ItA, and the same applies below. In the table, this result is shown in the "5.0 ItA Discharge Capacity Ratio" section.
<実施例1-2>
電解液中にメトキシスルホン酸リチウムを添加せず、エトキシスルホン酸リチウム添加量が0.5重量%である以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、250mAh/g-活物質の放電容量、ならびに87%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 1-2>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that no lithium methoxysulfonate was added to the electrolyte and the amount of lithium ethoxysulfonate added was 0.5 wt %, and a discharge capacity of 250 mAh/g-active material and a capacity ratio of 87% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例1-3>
電解液中にメトキシスルホン酸リチウムを添加せず、エトキシスルホン酸リチウム添加量が1.0重量%である以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、250mAh/g-活物質の放電容量、ならびに87%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 1-3>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that no lithium methoxysulfonate was added to the electrolyte and the amount of lithium ethoxysulfonate added was 1.0 wt %. A discharge capacity of 250 mAh/g-active material and a capacity ratio of 87% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例1-4>
電解液中にメトキシスルホン酸リチウムを添加せず、エトキシスルホン酸リチウム添加量が1.5重量%である以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、249mAh/g-活物質の放電容量、ならびに87%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 1-4>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that no lithium methoxysulfonate was added to the electrolyte and the amount of lithium ethoxysulfonate added was 1.5 wt %. A discharge capacity of 249 mAh/g-active material and a capacity ratio of 87% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例1-5>
電解液中のメトキシスルホン酸リチウム添加量が0.5重量%かつエトキシスルホン酸リチウム添加量が0.5重量%である以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、251mAh/g-活物質の放電容量、ならびに85%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 1-5>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that the amount of lithium methoxysulfonate added to the electrolyte was 0.5 wt % and the amount of lithium ethoxysulfonate added was 0.5 wt %, and a discharge capacity of 251 mAh/g-active material and a capacity ratio of 85% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例1-6>
電解液中のエトキシスルホン酸リチウム添加量が1.0重量%である以外、実施例1-5と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、249mAh/g-活物質の放電容量、ならびに91%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 1-6>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Examples 1-5, except that the amount of lithium ethoxysulfonate added to the electrolyte was 1.0 wt %. A discharge capacity of 249 mAh/g-active material and a capacity ratio of 91% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例1-7>
電解液中のメトキシスルホン酸リチウム添加量が0.2重量%であり、エトキシスルホン酸リチウム添加量が0.3重量%である以外、実施例1-5と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、248mAh/g-活物質の放電容量、ならびに88%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 1-7>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Examples 1-5, except that the amount of lithium methoxysulfonate added to the electrolyte was 0.2 wt % and the amount of lithium ethoxysulfonate added was 0.3 wt %, and a discharge capacity of 248 mAh/g-active material and a capacity ratio of 88% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例1-8>
電解液中のエトキシスルホン酸リチウム添加量が1.5重量%である以外、実施例1-5と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、245mAh/g-活物質の放電容量、ならびに90%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 1-8>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Examples 1-5, except that the amount of lithium ethoxysulfonate added to the electrolyte was 1.5 wt %, and a discharge capacity of 245 mAh/g-active material and a capacity ratio of 90% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例1-9>
電解液中のメトキシスルホン酸リチウム添加量が0.4重量%である以外、実施例1-5と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、250mAh/g-活物質の放電容量、ならびに78%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 1-9>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Examples 1-5, except that the amount of lithium methoxysulfonate added to the electrolyte was 0.4 wt %. A discharge capacity of 250 mAh/g-active material and a capacity ratio of 78% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例1-10>
電解液中にメトキシスルホン酸リチウムを添加せず、エトキシスルホン酸リチウム添加量が0.4重量%である以外、実施例1-5と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、249mAh/g-活物質の放電容量、ならびに79%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 1-10>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-5, except that no lithium methoxysulfonate was added to the electrolyte and the amount of lithium ethoxysulfonate added was 0.4 wt %. A discharge capacity of 249 mAh/g-active material and a capacity ratio of 79% vs. 0.1 ItA were obtained.
<比較例1>
メトキシスルホン酸リチウムが添加されていない電解液を使用した以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、247mAh/g-活物質の放電容量、ならびに70%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Comparative Example 1>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that an electrolyte solution containing no lithium methoxysulfonate was used. A discharge capacity of 247 mAh/g-active material and a capacity ratio of 70% vs. 0.1 ItA were obtained.
<従来例1>
負極活物質粒子としてチタン酸リチウムを用い、メトキシスルホン酸リチウムが添加されていない電解液を使用した以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、150mAh/g-活物質の放電容量、ならびに99%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Conventional Example 1>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that lithium titanate was used as the negative electrode active material particles and an electrolyte solution to which lithium methoxysulfonate was not added was used. A discharge capacity of 150 mAh/g-active material and a capacity ratio of 99% vs. 0.1 ItA were obtained.
実施例1-1~1-10、比較例1および従来例の充放電試験結果を表1に示す。0.1ItAにおける放電容量は、実施例および比較例が従来例よりも約1.7倍容量が大きく、実施例および比較例にて用いられているTNO活物質がリチウムイオン電池の高エネルギー密度化に有利であることがわかった。表1の総合評価の項目において、0.1ItA放電容量が240mAh/gより高く、0.1ItA放電容量と5.0ItA放電容量の比が80以上の場合を◎、◎より劣るものの、0.1ItA放電容量が200mAh/gより高く、0.1ItA放電容量と5.0ItA放電容量の比が75以上の場合を〇、それ以外の場合を×、と評価した。以下、他の表の総合評価の項目においても、特に記載のない限り同様の評価を行った。 The results of charge/discharge tests for Examples 1-1 to 1-10, Comparative Example 1, and the Conventional Example are shown in Table 1. The discharge capacity at 0.1 ItA was approximately 1.7 times greater in the Examples and Comparative Example than in the Conventional Example, demonstrating that the TNO active material used in the Examples and Comparative Example is advantageous for achieving high energy density in lithium-ion batteries. In the overall evaluation section of Table 1, a 0.1 ItA discharge capacity greater than 240 mAh/g and a ratio of 0.1 ItA discharge capacity to 5.0 ItA discharge capacity of 80 or greater was evaluated as ◎; a 0.1 ItA discharge capacity greater than 200 mAh/g and a ratio of 0.1 ItA discharge capacity to 5.0 ItA discharge capacity of 75 or greater, although inferior to ◎, was evaluated as ○; and all other cases were evaluated as ×. The same evaluation was conducted for the overall evaluation section of the other tables below unless otherwise noted.
実施例1-1~実施例1-8までは、本発明請求項1と2を満たす内容である。従来例1と比較した場合、従来例1の0.1ItA放電容量より、実施例1-1~実施例1-8の0.1ItA放電容量は、最小でも95mAh/gも大きい。比較例1と比較した場合、実施例1-1~実施例1-8の0.1ItA放電容量は、比較例1と同程度であるものの、5.0ItA放電容量比は、比較例1の5.0ItA放電容量比よりも最小でも15%も大きくなる結果となった。本発明の効果である出力特性とエネルギー密度の両立を可能とする結果である。また、実施例1-9、実施例1-10は、請求項1には含まれるが請求項2には含まれない内容である。実施例1-9、実施例1-10の0.1ItA放電容量は、比較例1と同程度であるものの、5.0ItA放電容量比が、実施例1-9、実施例1-10では比較例1より最小で8%向上しており、実施例1-1~実施例1-8より劣るものの、効果が確認できた。 Examples 1-1 to 1-8 satisfy claims 1 and 2 of the present invention. Compared to Conventional Example 1, the 0.1 ItA discharge capacities of Examples 1-1 to 1-8 are at least 95 mAh/g greater than the 0.1 ItA discharge capacity of Conventional Example 1. Compared to Comparative Example 1, the 0.1 ItA discharge capacities of Examples 1-1 to 1-8 are similar to that of Comparative Example 1, but the 5.0 ItA discharge capacity ratio is at least 15% greater than the 5.0 ItA discharge capacity ratio of Comparative Example 1. This result enables the achievement of both output characteristics and energy density, which are the effects of the present invention. Furthermore, Examples 1-9 and 1-10 are included in claim 1 but not claim 2. Although the 0.1 ItA discharge capacity of Examples 1-9 and 1-10 was similar to that of Comparative Example 1, the 5.0 ItA discharge capacity ratio of Examples 1-9 and 1-10 was improved by at least 8% compared to Comparative Example 1, and although inferior to Examples 1-1 to 1-8, the effect was confirmed.
以上より、実施例全てにおいて、発明の効果である出力特性とエネルギー密度の両立はできているが、請求項2に含まれる範囲の方がより本発明の効果が高いことがわかった。
なお、メトキシスルホン酸リチウムについては、エトキシスルホン酸リチウムを添加せず単体で2.0Mまで添加すると溶解しないため、飽和濃度である0.5Mまで実験している。エトキシスルホン酸リチウムについては、メトキシスルホン酸リチウムを添加せず単体で2.0Mまで添加すると溶解しないため、飽和濃度である1.5Mまで実験している。
From the above, it was found that in all of the examples, both the output characteristics and energy density, which are the effects of the invention, were achieved, but the effect of the invention was greater in the range included in claim 2.
It should be noted that lithium methoxysulfonate does not dissolve when added alone up to 2.0 M without the addition of lithium ethoxysulfonate, so experiments were conducted up to the saturated concentration of 0.5 M. Lithium ethoxysulfonate does not dissolve when added alone up to 2.0 M without the addition of lithium methoxysulfonate, so experiments were conducted up to the saturated concentration of 1.5 M.
<実施例2-1>
電解液中のエチレンカーボネートがプロピレンカーボネート(PC)である以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、252mAh/g-活物質の放電容量、ならびに86%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 2-1>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that the ethylene carbonate in the electrolyte was replaced with propylene carbonate (PC). A discharge capacity of 252 mAh/g-active material and a capacity ratio of 86% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例2-2>
電解液中の溶媒成分がγ‐ブチロラクトン(GBL)である以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、247mAh/g-活物質の放電容量、ならびに90%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 2-2>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that the solvent component in the electrolyte was γ-butyrolactone (GBL). A discharge capacity of 247 mAh/g-active material and a capacity ratio of 90% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例2-3>
電解液中のエチレンカーボネートがγ‐ブチロラクトンである以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、255mAh/g-活物質の放電容量、ならびに88%vs0.1 ItAの容量比を得た。表2に実施例2-1~2-3の結果を示す。
<Example 2-3>
Test cells were prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that ethylene carbonate in the electrolyte was replaced with γ-butyrolactone, and a discharge capacity of 255 mAh/g-active material and a capacity ratio of 88% vs. 0.1 ItA were obtained. Table 2 shows the results of Examples 2-1 to 2-3.
<実施例2-4>
電解液中のエチレンカーボネートがプロピレンカーボネートであり、電解液中のジメチルカーボネートがγ‐ブチロラクトンである以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、250mAh/g-活物質の放電容量、ならびに85%vs0.1 ItAの容量比を得た。表2に実施例2-1~2-4の結果を示す。
<Example 2-4>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that the ethylene carbonate in the electrolyte was replaced with propylene carbonate and the dimethyl carbonate in the electrolyte was replaced with γ-butyrolactone, resulting in a discharge capacity of 250 mAh/g-active material and a capacity ratio of 85% vs. 0.1 ItA. Table 2 shows the results of Examples 2-1 to 2-4.
実施例2-1から実施例2-4のどの水準においても、本発明の効果である出力特性とエネルギー密度の両立を可能とする結果を示した。これらの電解液溶媒は、常温で液体、かつGBLとDMCは粘度が低いため、上記の構成においても性能に悪影響を与える結果にならなかったと推察される。 At all levels, Examples 2-1 to 2-4 demonstrated the effects of the present invention, which are a combination of output characteristics and energy density. Because these electrolyte solvents are liquid at room temperature, and GBL and DMC have low viscosity, it is believed that the above configuration did not adversely affect performance.
<実施例3-1>
電解液中にプロピレンカーボネートが加わり、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとプロピレンカーボネートの体積比を1.5:7:1.5とした以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、245mAh/g-活物質の放電容量、ならびに88%vs0.1 ItAの容量比を得た。表3に実施例3-1、1-1および2-1の結果を示す。
<Example 3-1>
Test cells were prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that propylene carbonate was added to the electrolyte and the volume ratio of ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and propylene carbonate was 1.5:7:1.5. A discharge capacity of 245 mAh/g-active material and a capacity ratio of 88% vs. 0.1 ItA were obtained. Table 3 shows the results of Examples 3-1, 1-1, and 2-1.
実施例3-1は、電解液にECとPCという2つの環状カーボネートを加えた系であるが、本発明の効果を示す結果となった。ECは常温で固体であり40℃付近で融解すると、高粘度の液体となるが、本電解液系には低粘度の鎖状カーボネートも含まれており、本電解液の構成の範囲内では問題ない結果となったと考えられる。 Example 3-1 is a system in which two cyclic carbonates, EC and PC, were added to the electrolyte, and the results demonstrated the effects of the present invention. EC is a solid at room temperature and becomes a highly viscous liquid when melted at around 40°C. However, this electrolyte system also contains a low-viscosity chain carbonate, and it is believed that the results were satisfactory within the scope of the electrolyte's composition.
<実施例4-1>
電解液中の鎖状カーボネートとしてエチルメチルカーボネート(EMC)を用いた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、248mAh/g-活物質の放電容量、ならびに90%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 4-1>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that ethyl methyl carbonate (EMC) was used as the chain carbonate in the electrolyte solution. A discharge capacity of 248 mAh/g-active material and a capacity ratio of 90% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例4-2>
電解液中の鎖状カーボネートとしてジエチルカーボネート(DEC)を用いた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、248mAh/g-活物質の放電容量、ならびに88%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 4-2>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that diethyl carbonate (DEC) was used as the chain carbonate in the electrolyte, and a discharge capacity of 248 mAh/g-active material and a capacity ratio of 88% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例4-3>
電解液中の鎖状カーボネートとしてジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートを同じ分量で用いた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、253mAh/g-活物質の放電容量、ならびに90%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 4-3>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that the same amounts of dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate were used as the chain carbonate in the electrolyte solution. A discharge capacity of 253 mAh/g-active material and a capacity ratio of 90% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例4-4>
電解液中の鎖状カーボネートとしてジメチルカーボネートとジエチルカーボネートを同じ分量で用いた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、251mAh/g-活物質の放電容量、ならびに87%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 4-4>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that the same amounts of dimethyl carbonate and diethyl carbonate were used as the chain carbonate in the electrolyte solution. A discharge capacity of 251 mAh/g-active material and a capacity ratio of 87% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例4-5>
電解液中の鎖状カーボネートとしてエチルメチルカーボネートとジエチルカーボネートを同じ分量で用いた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、247mAh/g-活物質の放電容量、ならびに85%vs0.1 ItAの容量比を得た。表4に、実施例4-1~4-5、1-1の結果を示す。
<Example 4-5>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that the same amounts of ethyl methyl carbonate and diethyl carbonate were used as the chain carbonate in the electrolyte solution, and a discharge capacity of 247 mAh/g-active material and a capacity ratio of 85% vs. 0.1 ItA were obtained. Table 4 shows the results of Examples 4-1 to 4-5 and 1-1.
実施例4-1から実施例4-5のどの水準においても、本発明の効果である出力特性とエネルギー密度の両立を可能とする結果を示した。これらの電解液溶媒は、EC以外は常温で液体かつ粘度が低いため、上記の構成においても問題ない結果となったと推察される。 At all levels, Examples 4-1 to 4-5 demonstrated that the effects of the present invention, namely, output characteristics and energy density, could be achieved simultaneously. Since these electrolyte solvents, with the exception of EC, are liquid at room temperature and have low viscosity, it is presumed that the above configuration produced satisfactory results.
<実施例5-1>
電解液100重量%に対して1,3‐ジオキサン(1,3-DO)を0.1重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、252mAh/g-活物質の放電容量、ならびに90%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 5-1>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 0.1 wt % of 1,3-dioxane (1,3-DO) was added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 252 mAh/g-active material and a capacity ratio of 90% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-2>
電解液100重量%に対して1,3‐ジオキサンを2.5重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、250mAh/g-活物質の放電容量、ならびに92%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 5-2>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 2.5 wt % of 1,3-dioxane was added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 250 mAh/g-active material and a capacity ratio of 92% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-3>
電解液100重量%に対して1,3‐ジオキサンを5.0重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、246mAh/g-活物質の放電容量、ならびに92%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 5-3>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 5.0 wt % of 1,3-dioxane was added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 246 mAh/g-active material and a capacity ratio of 92% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-4>
電解液100重量%に対してアジポニトリル(AZN)を0.1重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、254mAh/g-活物質の放電容量、ならびに90%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 5-4>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 0.1 wt % of adiponitrile (AZN) was added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 254 mAh/g-active material and a capacity ratio of 90% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-5>
電解液100重量%に対してアジポニトリルを2.5重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、249mAh/g-活物質の放電容量、ならびに88%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 5-5>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 2.5 wt % of adiponitrile was added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 249 mAh/g-active material and a capacity ratio of 88% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-6>
電解液100重量%に対してアジポニトリルを5.0重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、242mAh/g-活物質の放電容量、ならびに87%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Examples 5-6>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 5.0 wt % of adiponitrile was added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 242 mAh/g-active material and a capacity ratio of 87% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-7>
電解液100重量%に対してスクシノニトリル(SCN)を0.1重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、252mAh/g-活物質の放電容量、ならびに90%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Examples 5-7>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 0.1 wt % of succinonitrile (SCN) was added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 252 mAh/g-active material and a capacity ratio of 90% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-8>
電解液100重量%に対してスクシノニトリルを2.5重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、250mAh/g-活物質の放電容量、ならびに88%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Examples 5-8>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 2.5 wt % of succinonitrile was added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 250 mAh/g-active material and a capacity ratio of 88% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-9>
電解液100重量%に対してスクシノニトリルを5.0重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、243mAh/g-活物質の放電容量、ならびに90%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Examples 5-9>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 5.0 wt % of succinonitrile was added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 243 mAh/g-active material and a capacity ratio of 90% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-10>
電解液100重量%に対して1,3‐ジオキサンを6.0重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、215mAh/g-活物質の放電容量、ならびに92%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Examples 5-10>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 6.0 wt % of 1,3-dioxane was added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 215 mAh/g-active material and a capacity ratio of 92% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-11>
電解液100重量%に対してアジポニトリルを6.0重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、213mAh/g-活物質の放電容量、ならびに92% vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 5-11>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 6.0 wt % of adiponitrile was added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 213 mAh/g-active material and a capacity ratio of 92% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-12>
電解液100重量%に対してスクシノニトリルを6.0重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、210mAh/g-活物質の放電容量、ならびに92%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 5-12>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 6.0 wt % of succinonitrile was added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 210 mAh/g-active material and a capacity ratio of 92% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-13>
電解液100重量%に対して1,3‐ジオキサンを0.08重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、239mAh/g-活物質の放電容量、ならびに85%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 5-13>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 0.08 wt % of 1,3-dioxane was added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 239 mAh/g-active material and a capacity ratio of 85% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-14>
電解液100重量%に対して1,3‐ジオキサンを1.0重量%と、アジポニトリルを1.0重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、247mAh/g-活物質の放電容量、ならびに86%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 5-14>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 1.0 wt % of 1,3-dioxane and 1.0 wt % of adiponitrile were added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 247 mAh/g-active material and a capacity ratio of 86% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-15>
電解液100重量%に対して1,3‐ジオキサンを0.08重量%と、スクシノニトリルを1.0重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、250mAh/g-活物質の放電容量、ならびに87%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 5-15>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 0.08 wt % of 1,3-dioxane and 1.0 wt % of succinonitrile were added to 100 wt % of the electrolyte solution. A discharge capacity of 250 mAh/g-active material and a capacity ratio of 87% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例5-16>
電解液100重量%に対してアジポニトリルを1.0重量%と、スクシノニトリルを1.0重量%加えた以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、248mAh/g-活物質の放電容量、ならびに86%vs0.1 ItAの容量比を得た。表5に実施例5-1~5-16の結果を示す。
<Example 5-16>
Test cells were prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that 1.0 wt% adiponitrile and 1.0 wt% succinonitrile were added to 100 wt% of the electrolyte solution, and a discharge capacity of 248 mAh/g-active material and a capacity ratio of 86% vs. 0.1 ItA were obtained. Table 5 shows the results of Examples 5-1 to 5-16.
実施例5-1から実施例5-9、実施例5-14から実施例5-16のどの水準においても、本発明の効果である出力特性とエネルギー密度の両立を可能とする結果を示した。1,3‐ジオキサンは、高比誘電率を示したものと考えられ、アジポニトリルおよびスクシノニトリルは安全性または信頼性向上に寄与したものと考えられる。また、添加量がそれぞれ5.0重量%より大であるか、0.1未満である実施例5-10から実施例5-13についても、実施例5-1から実施例5-9より劣るものの、0.1ItA放電容量が200mAh/gより高く、0.1ItA放電容量と5.0ItA放電容量の比が75以上となった。以上より、1,3‐ジオキサンとアジポニトリルとスクシノニトリルをそれぞれ0.1質量%~5質量%添加すると良好な電池特性が得られることがわかった。 In all levels of Examples 5-1 to 5-9 and Examples 5-14 to 5-16, results demonstrated that the effects of the present invention, namely, output characteristics and energy density, were compatible. It is believed that 1,3-dioxane exhibited a high dielectric constant, while adiponitrile and succinonitrile contributed to improved safety and reliability. Furthermore, in Examples 5-10 to 5-13, in which the amounts added were greater than 5.0 wt% or less than 0.1 wt%, respectively, the 0.1 ItA discharge capacity was higher than 200 mAh/g, and the ratio of the 0.1 ItA discharge capacity to the 5.0 ItA discharge capacity was 75 or greater. These results demonstrate that adding 0.1 to 5 mass% of 1,3-dioxane, adiponitrile, and succinonitrile, respectively, resulted in favorable battery characteristics.
<比較例6-1>
電解液に電解質を添加しない以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、0mAh/g-活物質の放電容量、ならびに0%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Comparative Example 6-1>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that no electrolyte was added to the electrolytic solution, and a discharge capacity of 0 mAh/g-active material and a capacity ratio of 0% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例6-1>
電解質濃度を0.5Mとした以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、250mAh/g-活物質の放電容量、ならびに82%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 6-1>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that the electrolyte concentration was 0.5 M, and a discharge capacity of 250 mAh/g-active material and a capacity ratio of 82% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例6-2>
電解質濃度を1.5Mとした以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、252mAh/g-活物質の放電容量、ならびに86%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 6-2>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that the electrolyte concentration was 1.5 M. A discharge capacity of 252 mAh/g-active material and a capacity ratio of 86% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例6-3>
電解質濃度を3.0Mとした以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、253mAh/g-活物質の放電容量、ならびに83%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 6-3>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that the electrolyte concentration was 3.0 M, and a discharge capacity of 253 mAh/g-active material and a capacity ratio of 83% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例6-4>
電解質濃度を4.0Mとした以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、246mAh/g-活物質の放電容量、ならびに75%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 6-4>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that the electrolyte concentration was 4.0 M, and a discharge capacity of 246 mAh/g-active material and a capacity ratio of 75% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例6-5>
電解質に四フッ化ホウ酸リチウムを用い、濃度を0.5Mとした以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、245mAh/g-活物質の放電容量、ならびに82%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 6-5>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that lithium tetrafluoroborate was used as the electrolyte and the concentration was 0.5 M. A discharge capacity of 245 mAh/g-active material and a capacity ratio of 82% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例6-6>
電解質に四フッ化ホウ酸リチウムを用い、濃度を1.5Mとした以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、248mAh/g-活物質の放電容量、ならびに86%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 6-6>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that lithium tetrafluoroborate was used as the electrolyte and the concentration was 1.5 M. A discharge capacity of 248 mAh/g-active material and a capacity ratio of 86% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例6-7>
電解質に四フッ化ホウ酸リチウムを用い、濃度を3.0Mとした以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、249mAh/g-活物質の放電容量、ならびに83%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Examples 6-7>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that lithium tetrafluoroborate was used as the electrolyte and the concentration was 3.0 M. A discharge capacity of 249 mAh/g-active material and a capacity ratio of 83% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例6-8>
電解質に四フッ化ホウ酸リチウムを用い、濃度を4.0Mとした以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、242mAh/g-活物質の放電容量、ならびに75%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Examples 6 to 8>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that lithium tetrafluoroborate was used as the electrolyte and the concentration was 4.0 M. A discharge capacity of 242 mAh/g-active material and a capacity ratio of 75% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例6-9>
電解質にLiFSIを用い、濃度を1.5Mとした以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、246mAh/g-活物質の放電容量、ならびに75%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Examples 6 to 9>
A test cell was fabricated and tested in the same manner as in Example 1-1, except that LiFSI was used as the electrolyte and the concentration was 1.5 M. A discharge capacity of 246 mAh/g-active material and a capacity ratio of 75% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例6-10>
電解質にLiBOBを用い、濃度を1.5Mとした以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、248mAh/g-活物質の放電容量、ならびに75%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Examples 6-10>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that LiBOB was used as the electrolyte and the concentration was 1.5 M. A discharge capacity of 248 mAh/g-active material and a capacity ratio of 75% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例6-11>
電解質にLiPF2O2を用い、濃度を1.5Mとした以外、実施例1-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、246mAh/g-活物質の放電容量、ならびに75%vs0.1 ItAの容量比を得た。表6に実施例6-1~6-11、比較例6-1の結果を示す。
<Example 6-11>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 1-1, except that LiPF 2 O 2 was used as the electrolyte at a concentration of 1.5 M. A discharge capacity of 246 mAh/g-active material and a capacity ratio of 75% vs. 0.1 ItA were obtained. Table 6 shows the results of Examples 6-1 to 6-11 and Comparative Example 6-1.
実施例6-1から実施例6-3、実施例6-5から実施例6-7のどの水準においても、本発明の効果である出力特性とエネルギー密度の両立を可能とする結果を示した。ただし、実施例6-4、実施例6-8のようにそれぞれが3Mより多く添加されると、電解液の抵抗が高くなり、5.0ItA放電容量比が若干悪化している。よって、電解質添加量が大きくなりすぎると、電解液粘度が高くなるため放電レート特性に悪影響を及ぼすため、適切な濃度とする必要がある。また、LiFSI、LiBOB、LFOを添加した場合は、LiPF6やLiBF4程の効果が得られず、5.0ItA放電容量比が若干悪化している。なお、比較例6-1は電解質を含まないため、電池として機能しない。
以上より、LiPF6またはLiBF4を0.5~3.0M添加すると良好な電池特性を示すことがわかった。
At any level in Examples 6-1 to 6-3, and Examples 6-5 to 6-7, results were shown that the effects of the present invention, namely, output characteristics and energy density, can be achieved simultaneously. However, when more than 3M of each is added, as in Examples 6-4 and 6-8, the resistance of the electrolyte increases, and the 5.0 ItA discharge capacity ratio is slightly deteriorated. Therefore, if the amount of electrolyte added is too large, the viscosity of the electrolyte increases, which has a negative effect on the discharge rate characteristics, so an appropriate concentration is required. Furthermore, when LiFSI, LiBOB, or LFO is added, the effect is not as good as that of LiPF6 or LiBF4 , and the 5.0 ItA discharge capacity ratio is slightly deteriorated. Note that Comparative Example 6-1 does not contain an electrolyte and therefore does not function as a battery.
From the above, it was found that adding 0.5 to 3.0M of LiPF6 or LiBF4 showed good battery characteristics.
<実施例7-1>
金属リチウム対極をLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM)を用いた正極に変更し、さらにコインセルから1Ahのラミネートセルに変更した。具体的には、正極集電リードを有する正極と、負極集電リードを有する負極とを、つづら折り状に繋がったセパレータに交互に積層することにより電極素子を作製した。セパレータは、ポリエチレンからなる基材層の両面にポリプロピレンからなる表面層が配置されているもの(PE/PP/PE)を用いた。セパレータの厚さは20μmである。続いて、正極リードおよび負極リードをそれぞれ集束して、集束した正極リードに正極端子を超音波溶接により接続し、集束した負極リードに負極端子を超音波溶接により接続した。作製した電極素子は、厚さが4.8mm、定格容量が1Ahであった。なお、ここでいう「定格容量」は、上限電圧4.2V、電流値0.5Cの定電流―定電圧充電(カットオフ電流:0.05C)を行った後に下限電圧2.7V、電流値0.2Cで定電流放電を行ったときの放電容量を指す。
<Example 7-1>
The metallic lithium counter electrode was changed to a positive electrode using LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 ( NCM ), and the coin cell was further changed to a 1 Ah laminate cell. Specifically, an electrode element was produced by alternately stacking a positive electrode having a positive electrode current collector lead and a negative electrode having a negative electrode current collector lead on a separator connected in a zigzag pattern. The separator used was a polyethylene substrate layer with a polypropylene surface layer on both sides (PE/PP/PE). The separator thickness was 20 μm. Next, the positive electrode lead and the negative electrode lead were each bundled, and a positive electrode terminal was connected to the bundled positive electrode lead by ultrasonic welding, and a negative electrode terminal was connected to the bundled negative electrode lead by ultrasonic welding. The produced electrode element had a thickness of 4.8 mm and a rated capacity of 1 Ah. The term "rated capacity" used herein refers to the discharge capacity when a constant current-constant voltage charge (cutoff current: 0.05 C) is performed at an upper limit voltage of 4.2 V and a current value of 0.5 C, followed by a constant current discharge at a lower limit voltage of 2.7 V and a current value of 0.2 C.
続いて、外装体として、ポリオレフィンからなる熱融着樹脂層と、アルミニウム箔からなる金属層と、ナイロン樹脂およびポリエステル樹脂からなる保護層とがこの順番で積層した構造を有するラミネートフィルムを2枚用意した。2枚のラミネートフィルムの熱融着樹脂層を互いに対向して配置して、2つの収容凹部内に電極群が収納されるように、ラミネートフィルムの接着面が合わさるように重ね合わせた。2枚のラミネートフィルムの周縁間には、各端子の熱融着樹脂部が形成される部分が通過し、各端子の一部が外部に露出するように電極群を配置した。この状態で、それらラミネートフィルムの各タブが延出する2辺を含む3辺において、ラミネートフィルムの周縁同士の熱融着樹脂層を熱融着した。続いて、外装体の熱融着していない1辺から、上記にて調製した電解液を注入した。次に、減圧環境下で、外装体の残りの1辺を熱融着して、試験セルを作製した。 Next, two laminate films were prepared as exterior bodies. Each laminate film had a structure consisting of a heat-sealed resin layer made of polyolefin, a metal layer made of aluminum foil, and a protective layer made of nylon resin and polyester resin, laminated in that order. The heat-sealed resin layers of the two laminate films were positioned facing each other, and the laminate films were overlapped with their adhesive surfaces facing each other so that the electrode groups would be housed in the two housing recesses. The electrode groups were positioned so that the portions of the heat-sealed resin portions of each terminal passed between the edges of the two laminate films, leaving a portion of each terminal exposed to the outside. In this state, the heat-sealed resin layers of the laminate films were heat-sealed to each other along three edges, including the two edges from which the tabs of the laminate films extended. The electrolyte prepared above was then injected into the one edge of the exterior body that was not heat-sealed. Next, the remaining edge of the exterior body was heat-sealed in a reduced-pressure environment to create a test cell.
実施例1-1と同様の方法で、試験を実施し、放電容量が1012mAh/g、2.35Vの放電平均電圧ならびに89%vs0.1 ItAの容量比を得た。 Tests were conducted in the same manner as in Example 1-1, resulting in a discharge capacity of 1012 mAh/g, an average discharge voltage of 2.35 V, and a capacity ratio of 89% vs. 0.1 ItA.
<実施例7-2>
正極をLiNi0.6Co0.2Mn0.2O2とした以外、実施例7-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、1020mAh/g-活物質の放電容量、2.34Vの放電平均電圧ならびに92%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 7-2>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 7-1 , except that the positive electrode was LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 . A discharge capacity of 1020 mAh/g-active material, a discharge average voltage of 2.34 V, and a capacity ratio of 92% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例7-3>
正極をLiNi0.8Co0.1Mn0.1O2とした以外、実施例7-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、999mAh/g-活物質の放電容量、2.38Vの放電平均電圧ならびに89%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 7-3>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 7-1 , except that the positive electrode was LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 . A discharge capacity of 999 mAh/g-active material, a discharge average voltage of 2.38 V, and a capacity ratio of 89% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例7-4>
正極をLiNi0.5Mn0.5O2とした以外、実施例7-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、1010mAh/g-活物質の放電容量、3.00Vの放電平均電圧ならびに80%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 7-4>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 7-1, except that the positive electrode was LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 , and a discharge capacity of 1010 mAh/g-active material, a discharge average voltage of 3.00 V, and a capacity ratio of 80% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例7-5>
正極をLiNiO2とした以外、実施例7-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、996mAh/g-活物質の放電容量、2.44Vの放電平均電圧ならびに85%vs0.1 ItAの容量比を得た。
<Example 7-5>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 7-1, except that the positive electrode was LiNiO 2 , and a discharge capacity of 996 mAh/g-active material, a discharge average voltage of 2.44 V, and a capacity ratio of 85% vs. 0.1 ItA were obtained.
<実施例7-6>
正極をLiNi0.33Co0.33Mn0.33O2とした以外、実施例7-1と同様の方法で試験セルの作製、試験を実施し、950mAh/g-活物質の放電容量、2.37Vの放電平均電圧ならびに92%vs0.1 ItAの容量比を得た。表7に実施例7-1~7-6の結果を示す。表7の総合評価の項目において、0.1ItA放電容量と5.0ItA放電容量の比が75より高く、0.1ItA放電容量が950mAh/gより高い場合を◎、◎より劣るものの0.1ItA放電容量が900mAh/gより高いものを〇、0.1ItA放電容量が900mAh/gより低いものを×、と評価した。
<Example 7-6>
A test cell was prepared and tested in the same manner as in Example 7-1, except that the positive electrode was LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2 . A discharge capacity of 950 mAh/g of active material, an average discharge voltage of 2.37 V, and a capacity ratio of 92% vs. 0.1 ItA were obtained. Table 7 shows the results of Examples 7-1 to 7-6. In the overall evaluation section of Table 7, the ratio of the 0.1 ItA discharge capacity to the 5.0 ItA discharge capacity was higher than 75, and the 0.1 ItA discharge capacity was higher than 950 mAh/g. A 0.1 ItA discharge capacity higher than 900 mAh/g, although inferior to A, was evaluated as ◯. A 0.1 ItA discharge capacity lower than 900 mAh/g was evaluated as ×.
実施例7-1から実施例7-6において、どの水準においても、本発明の効果である出力特性とエネルギー密度の両立を可能とする結果を示した。ただし、正極活物質中のニッケル比率が3割3分3厘まで低くなると、放電容量が下がってしまいエネルギー密度を確保できなくなってしまうため、ニッケル比率は3割3分3厘より大とする必要がある。 In Examples 7-1 to 7-6, results showed that the effects of the present invention, which are the compatibility of output characteristics and energy density, were achieved at all levels. However, if the nickel ratio in the positive electrode active material were to fall to 33.3%, the discharge capacity would decrease and it would no longer be possible to ensure energy density, so the nickel ratio must be greater than 33.3%.
本発明では、リチウムイオン電池の出力特性とエネルギー密度の両立を課題としており、負極活物質としてTNO、電解液添加剤としてメトキシスルホン酸リチウム、およびエトキシスルホン酸リチウムを0.5乃至2.0重量%添加したときのみ、上記性能が両立した結果となった。TNOのみ、あるいは該添加剤のみでは効果が発揮されず、本発明が上記組み合わせによる特異な効果に起因することが示された。出力特性はチタン酸リチウムを負極活物質に用いた場合に及ばないものの、その差は10%程度であり、TNOの使用により放電容量が約1.7倍となることを考慮すると、どちらが優れた電池構成であるかは言うまでもない。 The objective of this invention was to achieve both output characteristics and energy density in a lithium-ion battery. Both of these performance characteristics were achieved only when TNO was used as the negative electrode active material and 0.5 to 2.0 wt.% of lithium methoxysulfonate and lithium ethoxysulfonate were added as electrolyte additives. Using TNO alone or these additives alone would not have been effective, demonstrating that the invention is attributable to the unique effect of the combination. While the output characteristics are inferior to those achieved when lithium titanate is used as the negative electrode active material, the difference is only about 10%, and considering that the use of TNO increases discharge capacity by approximately 1.7 times, it goes without saying which battery configuration is superior.
以上より、リチウムイオン電池において、負極活物質としてニオブチタン酸リチウム、電解液添加剤としてメトキシスルホン酸リチウム、およびエトキシスルホン酸リチウムを用いることにより、出力特性とエネルギー密度を両立した電池の実現が可能であり、電気自動車、ドローン等のモビリティー用途はもちろんのこと、自然エネルギー貯蔵用途等、幅広い分野における使用が期待される。
以下に、本出願の当初特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]
合材層中に負極活物質としてニオブチタン酸化物を含む負極と、
RSOOO
-
Li
+
(ここで、RはOCH
3
、OC
2
H
5
からなる群より選ばれる少なくとも1種の物質)で示されるアルコキシスルホン酸リチウムを含む非水電解液と、を備えるリチウムイオン二次電池。
[2]
前記非水電解液中の前記アルコキシスルホン酸リチウムの含有量が0.5~2.0質量%である、[1]のリチウムイオン二次電池。
[3]
前記非水電解液は、非水溶媒として環状カーボネート、鎖状カーボネートおよびγ‐ブチロラクトンから選ばれる少なくとも1種以上を含む、[1]または[2]のリチウムイオン二次電池。
[4]
前記環状カーボネートは、エチレンカーボネートおよび/またはプロピレンカーボネートであり、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネートおよびビニルエチレンカーボネートは含まない、[1]~[3]のいずれかのリチウムイオン二次電池。
[5]
前記鎖状カーボネートは、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびジエチルカーボネートから選ばれる少なくとも1種以上である、[1]~[4]のいずれかのリチウムイオン二次電池。
[6]
前記非水電解液は、環状エーテル類の1,3‐ジオキサン、アジポニトリル、スクシノニトリルから選ばれる少なくとも1種以上を0.1重量%~5重量%含む、[1]~[5]のいずれかのリチウムイオン二次電池。
[7]
電解質として、0.5M~3MのLiPF
6
および/またはLiBF
4
を含み、LiFSi、LiBOBおよびLiPO
2
F
2
は含まない、[1]~[6]のいずれかのリチウムイオン二次電池。
[8]
合材層中に原子比率としてNiが50%以上のリチウム複合酸化物を含む正極を備える、[1]~[7]のいずれかリチウムイオン二次電池。
[9]
リチウム複合酸化物は、LiNi
0.5
Co
0.2
Mn
0.3
O
2
、LiNi
0.6
Co
0.2
Mn
0.2
O
2
、およびLiNi
0.8
Co
0.1
Mn
0.1
O
2
から選ばれる少なくとも1種以上である、[8]のリチウムイオン二次電池。
[10]
[1]~[9]のいずれかのリチウムイオン二次電池に用いる非水電解液。
As described above, by using lithium niobium titanate as the negative electrode active material and lithium methoxysulfonate and lithium ethoxysulfonate as electrolyte additives in lithium-ion batteries, it is possible to create batteries that combine good output characteristics and energy density. This battery is expected to be used in a wide range of fields, including mobility applications such as electric vehicles and drones, as well as natural energy storage applications.
The inventions described in the original claims of this application are set forth below.
[1]
a negative electrode containing niobium titanium oxide as a negative electrode active material in a mixture layer;
and a non-aqueous electrolyte solution containing lithium alkoxysulfonate represented by RSOOO − Li + (wherein R is at least one substance selected from the group consisting of OCH 3 and OC 2 H 5 ).
[2]
The lithium ion secondary battery according to [1], wherein the content of the lithium alkoxysulfonate in the non-aqueous electrolyte solution is 0.5 to 2.0 mass %.
[3]
The lithium ion secondary battery according to [1] or [2], wherein the non-aqueous electrolyte solution contains at least one non-aqueous solvent selected from the group consisting of cyclic carbonates, chain carbonates, and γ-butyrolactone.
[4]
The lithium ion secondary battery according to any one of [1] to [3], wherein the cyclic carbonate is ethylene carbonate and/or propylene carbonate, and does not include vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, or vinylethylene carbonate.
[5]
The lithium ion secondary battery according to any one of [1] to [4], wherein the chain carbonate is at least one selected from dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and diethyl carbonate.
[6]
The lithium ion secondary battery according to any one of [1] to [5], wherein the non-aqueous electrolyte solution contains 0.1 wt % to 5 wt % of at least one selected from cyclic ethers: 1,3-dioxane, adiponitrile, and succinonitrile.
[7]
The lithium ion secondary battery according to any one of [1] to [6], which contains 0.5M to 3M LiPF6 and/or LiBF4 as an electrolyte, but does not contain LiFSi , LiBOB , or LiPO2F2 .
[8]
The lithium ion secondary battery according to any one of [1] to [7], comprising a positive electrode containing a lithium composite oxide in which Ni is 50% or more in atomic ratio in a mixture layer.
[9]
The lithium ion secondary battery according to [8], wherein the lithium composite oxide is at least one selected from LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2 , LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , and LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 .
[10]
A non-aqueous electrolyte solution for use in the lithium ion secondary battery according to any one of [1] to [9].
1…リチウムイオン二次電池、2…正極、3…負極、4…セパレータ、5…第1外部端子、6…第2外部端子、7…ガスケット、21…正極集電体、22…正極活物質合材電極層、31…負極集電体、32…合材層、100…積層型のリチウム二次電池、200…外装体、300…電極群、400…正極、500…負極、600…セパレータ、410…正極集電体、420…正極活物質合材電極層、510…負極集電体、520…合材層、700…正極リード、800…正極タブ、900…負極リード、1000…負極タブ。 1...Lithium ion secondary battery, 2...Positive electrode, 3...Negative electrode, 4...Separator, 5...First external terminal, 6...Second external terminal, 7...Gasket, 21...Positive electrode current collector, 22...Positive electrode active material composite electrode layer, 31...Negative electrode current collector, 32...Composite layer, 100...Stacked lithium secondary battery, 200...Exterior body, 300...Electrode group, 400...Positive electrode, 500...Negative electrode, 600...Separator, 410...Positive electrode current collector, 420...Positive electrode active material composite electrode layer, 510...Negative electrode current collector, 520...Composite layer, 700...Positive electrode lead, 800...Positive electrode tab, 900...Negative electrode lead, 1000...Negative electrode tab.
Claims (9)
RSOOO-Li+(ここで、RはOCH3 およびOC2H5からなる群より選ばれる少なくとも1つである)で表されるアルコキシスルホン酸リチウムを含む非水電解液と、
を備えるリチウムイオン二次電池。 a negative electrode containing niobium titanium oxide as a negative electrode active material in a mixture layer;
a non-aqueous electrolyte solution containing a lithium alkoxysulfonate represented by RSOOO - Li + (wherein R is at least one selected from the group consisting of OCH3 and OC2H5 );
A lithium-ion secondary battery comprising:
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