JP7749866B2 - Nonaqueous electrolyte battery and battery pack - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、非水電解質電池及び電池パックに関する。 Embodiments of the present invention relate to non-aqueous electrolyte batteries and battery packs.
近年、電気自動車(EV)や電気バス(EVバス)の普及にあたり、一回充電当たりの航続距離の長距離化が必要とされている。この動力源であるリチウムイオン電池には、パック当たりの充電容量を大きくし、かつ軽量化の観点から、高エネルギー密度のリチウムイオン電池が強く要望されている。この高エネルギー密度化の手段として、一つは電池の高容量化が挙げられる。電池を高容量化するためには、正極活物質に単位質量当りの容量が大きいLNCM(リチウム、ニッケル、マンガン、コバルト)複合酸化物が有望である。 In recent years, the widespread use of electric vehicles (EVs) and electric buses (EV buses) has created a need for longer driving distances per charge. For the lithium-ion batteries that power these vehicles, there is a strong demand for high-energy-density lithium-ion batteries in order to increase the charging capacity per pack and reduce weight. One way to achieve this high energy density is to increase the battery's capacity. To increase the capacity of batteries, LNCM (lithium, nickel, manganese, cobalt) composite oxides, which have a high capacity per unit mass, are promising as positive electrode active materials.
このLNCM正極活物質を用いて電池を高容量化するために、大きな容量を取り出すことが可能な4.2V以上の高い正極電位まで使用すると、正極活物質粒子表面と電解液との副反応に伴うガス発生等により、抵抗上昇が顕著になる。そのため、充放電のサイクルや貯蔵において正極が著しく劣化してしまう。 In order to increase the capacity of a battery using this LNCM positive electrode active material, if it is used at a high positive electrode potential of 4.2 V or higher, which is the potential at which a large capacity can be extracted, a significant increase in resistance occurs due to gas generation caused by a side reaction between the surface of the positive electrode active material particles and the electrolyte. As a result, the positive electrode deteriorates significantly during charge/discharge cycles and storage.
正極活物質粒子表面と電解液との副反応を抑制するためには、正極密度を上げることが考えられる。しかし、従来のLNCM正極活物質は、粒子形状の細かい一次粒子が凝集した、二次粒子を形成する多結晶系が一般的である。これらの活物質は正極合材層に充填した際、空隙が多くなる。そのため、正極密度を上げにくい。 Increasing the positive electrode density is one way to suppress side reactions between the surface of positive electrode active material particles and the electrolyte. However, conventional LNCM positive electrode active materials are generally polycrystalline, forming secondary particles formed by the aggregation of fine primary particles. When these active materials are filled into the positive electrode composite layer, they leave many voids. This makes it difficult to increase the positive electrode density.
正極を作製する際に、正極合材層に大きなプレス荷重をかけることでも正極密度を高めること可能ではある。しかしそうした場合、正極への電解液の含浸性が悪くなるだけでなく、その結果正極における空隙中の電解質支持塩が不足すると、放電性能が低下したり反応ムラが大きくなったりするといった課題もある。 When fabricating the positive electrode, it is possible to increase the density of the positive electrode by applying a large press load to the positive electrode composite layer. However, doing so not only reduces the electrolyte's ability to penetrate the positive electrode, but also creates issues such as a lack of electrolyte supporting salt in the voids in the positive electrode, which can lead to reduced discharge performance and greater reaction irregularities.
高電位でのサイクルにおけるガス発生および抵抗上昇が抑制された非水電解質電池及び電池パックを提供すること。 To provide a non-aqueous electrolyte battery and battery pack in which gas generation and resistance increase during cycling at high potential are suppressed.
実施形態によれば、正極と、負極と、正極と負極との間に在るセパレータと、非水電解質とを具備する非水電解質電池が提供される。正極は、下記式(1)で表される正極活物質の単粒子を含み、かつ10%以上25%以下の第1空隙率を有する正極活物質含有層を含む。非水電解質は、LiPF6とプロピレンカーボネートとを含む。プロピレンカーボネートに対するLiPF6の質量比が0.5以上1.0以下である。第1空隙率に対するセパレータの第2空隙率の比が、2.2以上2.8以下である。
LiaNi(1-b-c-d)CobMncMdO2 (1)
ここで、1≦a≦1.2、0<b≦0.4、0<c≦0.4、0≦d≦0.1、MはFe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Y、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、GaおよびVからなる群より選択される1種以上の元素である。
According to an embodiment, a nonaqueous electrolyte battery is provided, comprising a positive electrode, a negative electrode, a separator between the positive electrode and the negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. The positive electrode includes a positive electrode active material-containing layer containing single particles of a positive electrode active material represented by the following formula (1) and having a first porosity of 10% to 25%. The nonaqueous electrolyte includes LiPF6 and propylene carbonate. The mass ratio of LiPF6 to propylene carbonate is 0.5 to 1.0. The ratio of the second porosity of the separator to the first porosity is 2.2 to 2.8.
Li a Ni (1-bcd) Co b Mn c M d O 2 (1)
Here, 1≦a≦1.2, 0< b≦0.4, 0< c≦0.4, 0≦d≦0.1, and M is one or more elements selected from the group consisting of Fe, Cu, Ti, Mg, Al, W, Y, B, Mo, Nb, Zn, Sn, Zr, Ga, and V.
他の実施形態によると、電池パックが提供される。電池パックは、実施形態に係る非水電解質電池を含んでいる。 According to another embodiment, a battery pack is provided. The battery pack includes a nonaqueous electrolyte battery according to an embodiment.
(第1の実施形態)
第1の実施形態により、非水電解質電池が提供される。非水電解質電池は、正極と、負極と、セパレータと、非水電解質とを具備する。
(First embodiment)
According to a first embodiment, a non-aqueous electrolyte battery is provided. The non-aqueous electrolyte battery includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte.
正極は、正極活物質含有層を含む。正極活物質含有層は、正極活物質として下記式(1)で表されるリチウム含有金属酸化物の単粒子を含む。また、正極活物質含有層は、10%以上25%以下の第1空隙率を有する。
LiaNi(1-b-c-d)CobMncMdO2 (1)
ここで、1≦a≦1.2、0≦b≦0.4、0≦c≦0.4、0≦d≦0.1、MはFe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Y、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、GaおよびVからなる群より選択される1種以上の元素である。
The positive electrode includes a positive electrode active material-containing layer. The positive electrode active material-containing layer contains, as a positive electrode active material, single particles of a lithium-containing metal oxide represented by the following formula (1). The positive electrode active material-containing layer has a first porosity of 10% or more and 25% or less.
Li a Ni (1-bcd) Co b Mn c M d O 2 (1)
Here, 1≦a≦1.2, 0≦b≦0.4, 0≦c≦0.4, 0≦d≦0.1, and M is one or more elements selected from the group consisting of Fe, Cu, Ti, Mg, Al, W, Y, B, Mo, Nb, Zn, Sn, Zr, Ga, and V.
上記(1)式で表されるリチウム含有金属酸化物は、単位質量当りの容量が大きく、また、4.2V(vs. Li/Li+)以上の正極電位まで使用することにより大きな容量を得ることができる。(1)式中のモル比aは、正極がリチウムイオンを吸蔵放出することで変動し得る。より好ましい範囲は1.05≦a≦1.15である。 The lithium-containing metal oxide represented by the formula (1) has a large capacity per unit mass, and can obtain a large capacity by using it at a positive electrode potential of 4.2 V (vs. Li/Li + ) or higher. The molar ratio a in formula (1) can vary depending on the absorption and desorption of lithium ions by the positive electrode. A more preferred range is 1.05≦a≦1.15.
(1)式中のモル比bを0<b≦0.4かつモル比cを0<c≦0.4にすることにより、リチウム含有金属酸化物が遷移金属としてNiに加えてCo及びMnをさらに含むため、単位質量当りの容量が大きくなる。モル比bとモル比cのより好ましい範囲は0.05≦b≦0.2、0.05≦c≦0.2である。By setting the molar ratio b in formula (1) to 0<b≦0.4 and the molar ratio c to 0<c≦0.4, the lithium-containing metal oxide contains Co and Mn as transition metals in addition to Ni, thereby increasing the capacity per unit mass. The more preferred ranges for the molar ratios b and c are 0.05≦b≦0.2 and 0.05≦c≦0.2.
(1)式中の元素Mのモル比dのより好ましい範囲は、0.01≦d≦0.05である。元素Mを含むことにより、例えば、次のような利点が得られる。M=Alでは、格子歪みが減少し、Liイオン拡散性が向上する。M=Mgでは、バルクの電子伝導性が向上し、見かけ上の放電容量が向上する。さらに、高電圧下でのサイクル安定性が向上する。M=Zrでは、サイクル性能が向上する。M=Tiでは、高電圧充放電下での相変化緩和によりサイクル性能が向上する。M=Gaでは、バルクの電子伝導性が向上し、サイクル性能が向上する。 A more preferred range for the molar ratio d of element M in formula (1) is 0.01≦d≦0.05. The inclusion of element M provides the following advantages, for example: When M=Al, lattice distortion is reduced, improving Li-ion diffusivity. When M=Mg, bulk electronic conductivity is improved, improving apparent discharge capacity. Furthermore, cycle stability at high voltages is improved. When M=Zr, cycle performance is improved. When M=Ti, phase change mitigation during high-voltage charge/discharge improves cycle performance. When M=Ga, bulk electronic conductivity is improved, improving cycle performance.
式(1)で表される活物質の単粒子は、内部に結晶粒界を含まないものである。そのため、該単粒子は、比表面積が小さく、粒子の膨張収縮による割れが起き難い。 The single particle of the active material represented by formula (1) does not contain crystal grain boundaries inside. Therefore, the single particle has a small specific surface area and is less likely to crack due to particle expansion and contraction.
正極活物質含有層の第1空隙率を10%以上25%以下の範囲にする理由を説明する。活物質と電解液との反応消費による液枯れを防ぐためには、空隙率は30%前後程度を確保することが望ましい。しかしながら、上記単粒子を含んだ正極の空隙率が25%を超えると、正極密度が低く粒子間の接触が十分に確保できないため、抵抗上昇が大きくなる。また、電池の充放電サイクルに伴う正極活物質含有層の膨張収縮によって活物質含有層と電解液との副反応の面積が増えやすく、ガス発生量が増加してしまう。一方で、第1空隙率を10%未満にすると、電解液に対する正極の吸液性が低下するため、抵抗上昇が大きくなる。The reason for setting the first porosity of the positive electrode active material-containing layer in the range of 10% to 25% is explained below. To prevent liquid drying up due to reaction consumption between the active material and the electrolyte, it is desirable to maintain a porosity of around 30%. However, if the porosity of the positive electrode containing the above-mentioned single particles exceeds 25%, the positive electrode density is low and sufficient contact between the particles cannot be ensured, resulting in a large increase in resistance. Furthermore, the expansion and contraction of the positive electrode active material-containing layer associated with the charge/discharge cycle of the battery tends to increase the area for side reactions between the active material-containing layer and the electrolyte, resulting in an increase in the amount of gas generated. On the other hand, if the first porosity is less than 10%, the positive electrode's ability to absorb the electrolyte decreases, resulting in a large increase in resistance.
セパレータは、正極と負極との間に設けられている。セパレータは、正極活物質含有層の第1空隙率に対し2.2以上2.8以下の第2空隙率を有する。即ちセパレータは、例えば、多孔質材料から形成され得る。セパレータの空隙率が高いと一般的に保液性が高まるが、正極における第1空隙率に対しセパレータの第2空隙率が高すぎると正極への電解質の供給が乏しくなる。その結果、抵抗上昇が大きくなる。一方、セパレータの第2空隙率が第1空隙率に比べて低すぎると、セパレータ中の電解質が枯れてしまう。そのため、この場合も抵抗上昇が大きくなる。従って、第1空隙率と第2空隙率との比は、上記範囲とすることが適切である。 The separator is disposed between the positive electrode and the negative electrode. The separator has a second porosity of 2.2 or more and 2.8 or less relative to the first porosity of the positive electrode active material-containing layer. That is, the separator can be formed, for example, from a porous material. A high porosity of the separator generally improves liquid retention, but if the second porosity of the separator is too high relative to the first porosity of the positive electrode, the supply of electrolyte to the positive electrode will be poor. As a result, the resistance will increase significantly. On the other hand, if the second porosity of the separator is too low compared to the first porosity, the electrolyte in the separator will dry up. Therefore, in this case as well, the resistance will increase significantly. Therefore, it is appropriate for the ratio of the first porosity to the second porosity to be within the above range.
非水電解質は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解される電解質塩とを含む。非水電解質は、電解質塩として少なくとも六フッ化リン酸リチウムLiPF6を含む。非水電解質は、非水溶媒として少なくともプロピレンカーボネート(PC)を含む。 The non-aqueous electrolyte contains a non-aqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the non-aqueous solvent. The non-aqueous electrolyte contains at least lithium hexafluorophosphate (LiPF6 ) as the electrolyte salt. The non-aqueous electrolyte contains at least propylene carbonate (PC) as the non-aqueous solvent.
非水電解質中のPCの質量に対するLiPF6の質量の比(LiPF6の質量/PCの質量)は、0.5以上1.0以下である。PCに対するLiPF6の質量比がこの範囲内にあることで、ガス発生を抑制できる。当該質量比が0.5未満の場合、正極中のLiPF6が反応消費して不足することにより、正極における反応ムラが大きくなる。その結果、ガス発生が増える。質量比が1.0を越える場合、非水電解質の粘度が著しく大きなり、正極およびセパレータ中でのLiPF6の輸送性が低下する。それにより電池内の反応ムラが大きくなりガス発生が増える。 The ratio of the mass of LiPF6 to the mass of PC in the non-aqueous electrolyte (mass of LiPF6 /mass of PC) is 0.5 or more and 1.0 or less. By keeping the mass ratio of LiPF6 to PC within this range, gas generation can be suppressed. If the mass ratio is less than 0.5, the LiPF6 in the positive electrode is consumed by reaction, resulting in a shortage, which increases reaction unevenness at the positive electrode. As a result, gas generation increases. If the mass ratio exceeds 1.0, the viscosity of the non-aqueous electrolyte increases significantly, reducing the transportability of LiPF6 in the positive electrode and separator. This increases reaction unevenness within the battery and increases gas generation.
次に、第1の実施形態に係る非水電解質電池の詳細を説明する。係る非水電解質電池は、電極群を具備することができる。電極群は、正極と、負極と、正極及び負極の間に位置したセパレータとを備える。正極は、電極群と電気的に接続した正極集電タブを含むことができる。また、負極は、電極群と電気的に接続した負極集電タブを含むことができる。Next, the nonaqueous electrolyte battery according to the first embodiment will be described in detail. Such a nonaqueous electrolyte battery may include an electrode assembly. The electrode assembly includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator positioned between the positive electrode and the negative electrode. The positive electrode may include a positive electrode current collector tab electrically connected to the electrode assembly. Furthermore, the negative electrode may include a negative electrode current collector tab electrically connected to the electrode assembly.
係る非水電解質電池は、外装部材を更に具備することができる。電極群は、この外装部材内に収納され得る。外装部材は、非水電解質を収納することができる。非水電解質は、外装部材内に収納された電極群に含浸され得る。非水電解質電池は、外装部材に電気的に接続された正極端子及び負極端子を更に具備することができる。正極端子は、正極の正極集電タブに電気的に接続され得る。負極端子は、負極の負極集電タブに電気的に接続され得る。 Such a nonaqueous electrolyte battery may further include an exterior member. The electrode group may be housed within this exterior member. The exterior member may house a nonaqueous electrolyte. The nonaqueous electrolyte may be impregnated into the electrode group housed within the exterior member. The nonaqueous electrolyte battery may further include a positive electrode terminal and a negative electrode terminal electrically connected to the exterior member. The positive electrode terminal may be electrically connected to the positive electrode current collector tab of the positive electrode. The negative electrode terminal may be electrically connected to the negative electrode current collector tab of the negative electrode.
以下、正極、負極、非水電解質、セパレータ、外装部材、正極端子及び負極端子について詳細に説明する。 The positive electrode, negative electrode, non-aqueous electrolyte, separator, exterior member, positive electrode terminal, and negative electrode terminal are described in detail below.
正極
正極は、正極活物質含有層を含む。正極は、正極活物質含有層がその上に設けられる正極集電体をさらに含み得る。正極集電体が例えばシート形状を有する場合、正極活物質含有層は、正極集電体の少なくとも一方の主面上に担持され得る。正極活物質含有層は、上記(1)式で表される正極活物質の単粒子を含む。正極活物質含有層は、正極活物質以外の物質、例えば、導電剤や結着剤を含み得る。
Positive Electrode The positive electrode includes a positive electrode active material-containing layer. The positive electrode may further include a positive electrode current collector on which the positive electrode active material-containing layer is provided. When the positive electrode current collector has, for example, a sheet shape, the positive electrode active material-containing layer may be supported on at least one main surface of the positive electrode current collector. The positive electrode active material-containing layer includes single particles of the positive electrode active material represented by the above formula (1). The positive electrode active material-containing layer may include materials other than the positive electrode active material, such as a conductive agent or a binder.
導電剤は、集電性能を高め、且つ、活物質と集電体との接触抵抗を抑え得る。導電剤としては、カーボン材料を含むことが好ましい。カーボン材料としては、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、グラファイト、カーボンナノチューブ、カーボンナノ繊維などを挙げることができる。活物質含有層は、上記カーボン材料の1種若しくは2種以上を含むことができる。 The conductive agent can improve current collection performance and reduce contact resistance between the active material and the current collector. The conductive agent preferably contains a carbon material. Examples of carbon materials include acetylene black, ketjen black, furnace black, graphite, carbon nanotubes, and carbon nanofibers. The active material-containing layer can contain one or more of the above carbon materials.
導電剤は、例えば、粒子や繊維の形状を有する。導電剤粒子の平均粒径は、20nm以上100nm以下であることが好ましい。正極活物質含有層において、導電剤が占める割合は、例えば、3質量%以上20質量%以下であることが好ましい。The conductive agent may be in the form of particles or fibers, for example. The average particle size of the conductive agent particles is preferably 20 nm or more and 100 nm or less. The proportion of the conductive agent in the positive electrode active material-containing layer is preferably, for example, 3 mass % or more and 20 mass % or less.
結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、又はフッ素系ゴムが含まれる。使用する結着剤の種類は、1種又は2種以上にすることができる。正極活物質含有層において、結着剤が占める割合は、1質量%以上1.8質量%以下であることが好ましい。 Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and fluorine-based rubber. One or more types of binders may be used. The proportion of binder in the positive electrode active material-containing layer is preferably 1% by mass or more and 1.8% by mass or less.
正極活物質含有層の密度は、3.2g/cm3以上3.8g/cm3以下であることが好ましい。 The density of the positive electrode active material-containing layer is preferably 3.2 g/cm 3 or more and 3.8 g/cm 3 or less.
正極集電体としては、例えば金属箔又は合金箔を用いることができる。金属箔の例としては、アルミニウム箔、ステンレス箔及びニッケル箔などを挙げることができる。合金箔の例としては、アルミニウム合金、銅合金及びニッケル合金などを挙げることができる。 The positive electrode current collector can be, for example, a metal foil or alloy foil. Examples of metal foil include aluminum foil, stainless steel foil, and nickel foil. Examples of alloy foil include aluminum alloy, copper alloy, and nickel alloy.
正極は、例えば、以下の方法で作製される。正極活物質、導電剤及びバインダを溶媒(例えば、N-メチルピロリドン(NMP))とともに混練してスラリーを調製する。得られたスラリーを正極集電体に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより正極を得る。正極活物質含有層の空隙は、正極活物質含有層の組成に応じた荷重にてプレスすることにより調整可能である。また、必要に応じ、プレス前か、プレス後に所定の幅に裁断する工程を行っても良い。 The positive electrode is produced, for example, by the following method. A positive electrode active material, a conductive agent, and a binder are kneaded together with a solvent (e.g., N-methylpyrrolidone (NMP)) to prepare a slurry. The resulting slurry is applied to a positive electrode current collector, dried, and then pressed to obtain a positive electrode. The voids in the positive electrode active material-containing layer can be adjusted by pressing with a load appropriate for the composition of the positive electrode active material-containing layer. If necessary, a cutting process to a specified width may be performed before or after pressing.
負極
負極は、例えば、負極集電体と、負極集電体上に形成された負極活物質含有層とを含む。また、負極活物質含有層は、負極活物質に加え、導電剤及び結着剤を含むことができる。
The negative electrode includes, for example, a negative electrode current collector and a negative electrode active material-containing layer formed on the negative electrode current collector. The negative electrode active material-containing layer may include a conductive agent and a binder in addition to the negative electrode active material.
以下に、負極活物質、導電剤、結着剤及び負極集電体について説明する。 The negative electrode active material, conductive agent, binder, and negative electrode current collector are described below.
負極活物質は、リチウムの酸化-還元反応電位に対し0.4V(対Li/Li+)以上の電位でリチウムイオンの挿入及び脱離が可能な化合物を含むことが好ましい。このような負極を具備した非水電解質電池では、充放電によるリチウムの析出を抑えることができる。よって、このような非水電解質電池は、急速充放電性能により優れる。負極活物質としては、例えば、Li4+xTi5O12(xは充放電反応により-1≦x≦3の範囲で変化する)で表されるスピネル型チタン酸リチウム、Li2+xTi3O7(xは充放電反応により-1≦x≦3の範囲で変化する)で表されるラムスデライト型チタン酸リチウム、Nb2TiO7で表される単斜晶型ニオブチタン複合酸化物、Li2-xTi6O14(xは充放電反応により0≦x≦6の範囲で変化する)で表される直方晶型チタン含有酸化物、又は、P、V、Sn、Cu、NiおよびFeからなる群より選択される少なくとも1種類の元素とTiとを含有する金属複合酸化物などを用いる。P、V、Sn、Cu、NiおよびFeからなる群より選択される少なくとも1種類の元素とTiとを含有する金属複合酸化物は、例えば、TiO2-P2O5、TiO2-V2O5、TiO2-P2O5-SnO2、又は、TiO2-P2O5-MO(MはCu、Ni及びFeからなる群より選択される少なくとも1つの元素)である。これらの金属複合酸化物は、充電によりリチウムが挿入されることでリチウムチタン複合酸化物に変化する。リチウムチタン複合酸化物のうち、スピネル型チタン酸リチウムがサイクル性能に優れ、好ましい。 The negative electrode active material preferably contains a compound capable of inserting and extracting lithium ions at a potential of 0.4 V or more (vs. Li/Li + ) relative to the oxidation-reduction reaction potential of lithium. A nonaqueous electrolyte battery including such a negative electrode can suppress lithium deposition due to charge and discharge. Therefore, such a nonaqueous electrolyte battery has excellent rapid charge and discharge performance. Examples of the negative electrode active material that can be used include spinel-type lithium titanate represented by Li 4+x Ti 5 O 12 (x varies within the range of −1≦x≦3 depending on the charge-discharge reaction), ramsdellite-type lithium titanate represented by Li 2+x Ti 3 O 7 (x varies within the range of −1≦x≦3 depending on the charge-discharge reaction), monoclinic niobium-titanium composite oxide represented by Nb 2 TiO 7 , orthorhombic titanium-containing oxide represented by Li 2-x Ti 6 O 14 (x varies within the range of 0≦x≦6 depending on the charge-discharge reaction), and metal composite oxides containing Ti and at least one element selected from the group consisting of P, V, Sn, Cu, Ni, and Fe. Examples of metal composite oxides containing Ti and at least one element selected from the group consisting of P, V, Sn, Cu, Ni, and Fe include TiO2 - P2O5 , TiO2- V2O5 , TiO2 - P2O5 - SnO2 , and TiO2 - P2O5 - MO ( wherein M is at least one element selected from the group consisting of Cu, Ni, and Fe). These metal composite oxides are converted into lithium-titanium composite oxides by intercalating lithium upon charging. Among the lithium-titanium composite oxides, spinel-type lithium titanate is preferred because it has excellent cycle performance.
負極活物質として、リチウムの酸化-還元反応電位に対し0.5V(対Li/Li+)以上の電位でリチウムイオンの挿入及び脱離の反応電位を示すチタン含有酸化物を含むことが更に好ましい。このようなチタン含有酸化物には、例えば、上述した化合物のうち、スピネル型チタン酸リチウム、ラムスデライト型チタン酸リチウム、単斜晶型ニオブチタン複合酸化物、及び直方晶型チタン含有酸化物が含まれる。 It is more preferable that the negative electrode active material contains a titanium-containing oxide that exhibits a reaction potential for insertion and deintercalation of lithium ions at a potential of 0.5 V (vs. Li/Li + ) or more relative to the oxidation-reduction reaction potential of lithium. Examples of such titanium-containing oxides include spinel-type lithium titanate, ramsdellite-type lithium titanate, monoclinic niobium titanium composite oxide, and orthorhombic titanium-containing oxide, among the above-mentioned compounds.
負極活物質は、例えば、炭素質物または金属化合物を含んでいてもよい。炭素質物としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス、気相成長炭素繊維、メソフェーズピッチ系炭素繊維、球状炭素、及び樹脂焼成炭素を挙げることができる。より好ましい炭素質物として、気相成長炭素繊維、メソフェーズピッチ系炭素繊維、又は球状炭素が挙げられる。炭素質物は、X線回折による(002)面の面間隔d002が0.34nm以下であることが好ましい。 The negative electrode active material may contain, for example, a carbonaceous material or a metal compound. Examples of the carbonaceous material include natural graphite, artificial graphite, coke, vapor-grown carbon fiber, mesophase pitch-based carbon fiber, spherical carbon, and resin-baked carbon. More preferred carbonaceous materials include vapor-grown carbon fiber, mesophase pitch-based carbon fiber, and spherical carbon. The carbonaceous material preferably has a (002) plane spacing d 002 of 0.34 nm or less as determined by X-ray diffraction.
金属化合物としては、金属硫化物、又は、金属窒化物を用いることができる。金属硫化物としては例えばTiS2のような硫化チタン、例えばMoS2のような硫化モリブデン、並びに、例えばFeS、FeS2、若しくはLixFeS2(0≦x≦2のような硫化鉄を用いることができる。金属窒化物としては、リチウムコバルト窒化物(例えばLisCotN、0<s<4,0<t<0.5)を用いることができる。)
導電剤の例としては、アセチレンブラック、カーボンブラック及び黒鉛のような炭素質物が挙げられる。
The metal compound may be a metal sulfide or a metal nitride. Examples of the metal sulfide include titanium sulfide such as TiS2 , molybdenum sulfide such as MoS2 , and iron sulfide such as FeS, FeS2 , or LixFeS2 (where 0≦x≦ 2 ). Examples of the metal nitride include lithium cobalt nitride (e.g., LisCotN , 0<s<4, 0<t<0.5).
Examples of conductive agents include carbonaceous materials such as acetylene black, carbon black, and graphite.
結着剤の例としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、及びスチレンブタジェンゴムが挙げられる。 Examples of binders include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine-based rubber, and styrene-butadiene rubber.
負極活物質がリチウムイオンを吸蔵及び放出できる物質である場合、負極集電体としては、負極活物質のリチウムイオン吸蔵及び放出電位において電気化学的に安定である材料を用いることができる。負極集電体は、銅、ニッケル、ステンレス及びアルミニウムから選択される少なくとも1種類から作られる金属箔、又はMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、及びSiから選択される少なくとも1種類の元素を含むアルミニウム合金から作られる合金箔であることが好ましい。負極集電体の形状は、電池の用途に応じて、様々なものを用いることができる。When the negative electrode active material is a material capable of absorbing and releasing lithium ions, the negative electrode current collector can be made of a material that is electrochemically stable at the lithium ion absorption and release potential of the negative electrode active material. The negative electrode current collector is preferably a metal foil made of at least one material selected from copper, nickel, stainless steel, and aluminum, or an alloy foil made of an aluminum alloy containing at least one element selected from Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si. The shape of the negative electrode current collector can vary depending on the application of the battery.
負極は、例えば、以下の方法によって作製することができる。まず、負極活物質、結着剤及び必要な場合には導電剤を、汎用されている溶媒、例えばN-メチルピロリドン中で懸濁させ、負極作製用スラリーを調製する。得られたスラリーを、負極集電体上に塗布する。塗布したスラリーを乾燥させ、乾燥後の塗膜をプレスをすることによって、負極集電体と、この負極集電体上に形成された負極活物質含有層とを含む負極を得ることができる。 A negative electrode can be produced, for example, by the following method. First, the negative electrode active material, binder, and, if necessary, conductive agent are suspended in a commonly used solvent, such as N-methylpyrrolidone, to prepare a slurry for producing the negative electrode. The resulting slurry is applied to a negative electrode current collector. The applied slurry is then dried, and the dried coating is pressed to obtain a negative electrode comprising a negative electrode current collector and a layer containing the negative electrode active material formed on the negative electrode current collector.
セパレータ
セパレータとしては、絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、ポリオレフィン、セルロース、ポリエチレンテレフタレート、及びビニロンのようなポリマーで作られた多孔質フィルム又は不織布を用いることができる。セパレータの材料は1種類であってもよいし、又は2種類以上を組合せて用いてもよい。
The separator is not particularly limited as long as it has insulating properties, but porous films or nonwoven fabrics made of polymers such as polyolefin, cellulose, polyethylene terephthalate, and vinylon can be used. The separator material may be one type, or two or more types may be used in combination.
セパレータの第2空隙率は、例えば、55%以上70%以下であり得る。 The second porosity of the separator can be, for example, 55% or more and 70% or less.
セパレータの厚さは、5μm以上20μm以下にすることができる。 The thickness of the separator can be between 5 μm and 20 μm.
電極群
電極群は、例えば、正極、セパレータ及び負極を積層したものを捲回した捲回型構造を有してもよいし、複数の正極及び複数の負極を間にセパレータを介して交互に積層させたスタック型構造を有してもよい。或いは、電極群はその他の構造を有していてもよい。
The electrode group may have, for example, a wound structure in which a stack of positive electrodes, separators, and negative electrodes is wound, or a stack structure in which multiple positive electrodes and multiple negative electrodes are alternately stacked with separators interposed therebetween, or the electrode group may have another structure.
非水電解質
非水電解質は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解される電解質塩とを含む。非水電解質の例として、液状非水電解質が挙げられる。
Nonaqueous Electrolyte The nonaqueous electrolyte includes a nonaqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the nonaqueous solvent. Examples of the nonaqueous electrolyte include a liquid nonaqueous electrolyte.
非水電解質は、電解質塩として少なくともLiPF6を含む。電解質塩は、LiPF6に加え、例えば、LiBF4(四フッ化ホウ酸リチウム)、Li(CF3SO2)2N(ビストリフルオロメタンスルホニルアミドリチウム;通称LiTFSI)、LiCF3SO3(トリフルオロメタンスルホン酸リチウム;通称LiTFS)、Li(C2F5SO2)2N(ビスペンタフルオロエタンスルホニルアミドリチウム;通称LiBETI)、LiClO4、LiAsF6(六フッ化砒素リチウム)、LiSbF6、ビスオキサラトホウ酸リチウム{LiB(C2O4)2、通称;LiBOB}、ジフルオロ(トリフルオロ-2-オキシド-2-トリフルオロ-メチルプロピオナト(2-)-0,0)ホウ酸リチウム{LiBF2OCOOC(CF3)2、通称;LiBF2(HHIB)}のようなリチウム塩をさらに含み得る。これらの他の電解質塩は一種類で使用してもよいし二種類以上を混合して用いてもよい。非水電解質が含む電解質塩のうち、80質量%以上をLiPF6が占めることが望ましい。非水電解質は、電解質塩としてLiPF6のみを含んでも良く、その場合は電解質塩の内LiPF6の含有量は100質量%となる。 The non-aqueous electrolyte contains at least LiPF 6 as an electrolyte salt. In addition to LiPF 6 , the electrolyte salt may be, for example, LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate), Li(CF 3 SO 2 ) 2 N (lithium bistrifluoromethanesulfonylamide; commonly known as LiTFSI), LiCF 3 SO 3 (lithium trifluoromethanesulfonate; commonly known as LiTFS), Li(C 2 F 5 SO 2 ) 2 N (lithium bispentafluoroethanesulfonylamide; commonly known as LiBETI), LiClO 4 , LiAsF 6 (lithium arsenic hexafluoride), LiSbF 6 , or lithium bisoxalatoborate {LiB(C 2 O 4 ) 2 N}. , commonly known as LiBOB}, and lithium difluoro(trifluoro-2-oxido-2-trifluoro-methylpropionato(2-)-0,0)borate {LiBF 2 OCOOC(CF 3 ) 2 , commonly known as LiBF 2 (HHIB)}. These other electrolyte salts may be used alone or in combination of two or more. Of the electrolyte salts contained in the non-aqueous electrolyte, it is desirable that LiPF 6 account for 80 mass % or more. The non-aqueous electrolyte may contain only LiPF 6 as the electrolyte salt, in which case the content of LiPF 6 in the electrolyte salt is 100 mass %.
非水電解質における電解質塩濃度は、1モル/L以上3モル/L以下の範囲内にすることが好ましい。電解質塩の濃度がこの範囲内にあると、非水電解質において電解質塩濃度の上昇による粘度増加の影響を抑えつつ、高負荷電流を流した場合の性能をより向上することが可能になる。The electrolyte salt concentration in the non-aqueous electrolyte is preferably in the range of 1 mol/L to 3 mol/L. When the electrolyte salt concentration is within this range, it is possible to further improve performance when a high load current is passed through the non-aqueous electrolyte while suppressing the effects of increased viscosity due to an increase in electrolyte salt concentration.
非水溶媒は、少なくともプロピレンカーボネート(PC)を含む。非水溶媒は、PCに加え、例えば、エチレンカーボネート(EC)などの(PC以外の)環状カーボネート、ジエチルカーボネート(DEC)やジメチルカーボネート(DMC)あるいはメチルエチルカーボネート(MEC)もしくはジプロピルカーボネート(DPC)などの鎖状カーボネート、1,2-ジメトキシエタン(DME)、γ-ブチロラクトン(GBL)、テトラヒドロフラン(THF)、2-メチルテトラヒドロフラン(2-MeHF)、1,3-ジオキソラン、スルホラン、又は、アセトニトリル(AN)をさらに含み得る。これらの他の溶媒は一種類で使用してもよいし二種類以上を混合して用いてもよい。The non-aqueous solvent contains at least propylene carbonate (PC). In addition to PC, the non-aqueous solvent may further contain, for example, a cyclic carbonate (other than PC) such as ethylene carbonate (EC), a chain carbonate such as diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), methyl ethyl carbonate (MEC), or dipropyl carbonate (DPC), 1,2-dimethoxyethane (DME), γ-butyrolactone (GBL), tetrahydrofuran (THF), 2-methyltetrahydrofuran (2-MeHF), 1,3-dioxolane, sulfolane, or acetonitrile (AN). These other solvents may be used alone or in combination.
外装部材
外装部材には、例えば、ラミネートフィルム又は金属製容器が用いられる。ラミネートフィルムの板厚、金属製容器の板厚は、それぞれ、0.5mm以下にし得る。また、外装部材としては、ポリオレフィン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリスチレン系樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレン系樹脂、フッ素系樹脂等からなる樹脂製容器を用いてもよい。
The exterior member may be, for example, a laminate film or a metal container. The thickness of the laminate film and the metal container may each be 0.5 mm or less. Alternatively, the exterior member may be a resin container made of polyolefin resin, polyvinyl chloride resin, polystyrene resin, acrylic resin, phenolic resin, polyphenylene resin, fluorine resin, or the like.
外装部材の形状すなわち電池形状には、扁平型(薄型)、角型、円筒型、コイン型、ボタン型等が挙げられる。また、電池は、例えば、携帯用電子機器等に搭載される小型用途、二輪乃至四輪の自動車等に搭載される大型用途のいずれにも適用することができる。 The shape of the exterior member, i.e., the battery shape, can be flat (thin), rectangular, cylindrical, coin-shaped, button-shaped, etc. Furthermore, batteries can be used in both small applications, such as those installed in portable electronic devices, and large applications, such as those installed in two-wheeled or four-wheeled automobiles.
ラミネートフィルムの例には、樹脂層と、樹脂層間に介在された金属層とを含む多層フィルムが挙げられる。金属層は、軽量化のためにアルミニウム箔若しくはアルミニウム合金箔が好ましい。樹脂層は、例えばポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の高分子材料を用いることができる。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行って外装部材の形状に成形することができる。An example of a laminate film is a multilayer film containing a resin layer and a metal layer sandwiched between the resin layers. The metal layer is preferably aluminum foil or aluminum alloy foil for weight reduction. The resin layer can be made of a polymeric material such as polypropylene (PP), polyethylene (PE), nylon, or polyethylene terephthalate (PET). The laminate film can be sealed by heat fusion and molded into the shape of the exterior component.
金属製容器は、アルミニウム又はアルミニウム合金等から作られる。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金が好ましい。合金中に鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属を含む場合、その量は100ppm以下にすることが好ましい。 The metal container is made from aluminum or an aluminum alloy. Aluminum alloys containing elements such as magnesium, zinc, and silicon are preferred. If the alloy contains transition metals such as iron, copper, nickel, and chromium, the amount should preferably be 100 ppm or less.
正極端子
正極端子は、その一部が正極の一部に電気的に接続されることによって、正極と外部回路との間で電子が移動するための導体として働くことができる。正極端子は、例えば、正極集電体、特に正極集電タブに接続することができる。または、正極端子は、例えば、正極リードを介して正極集電タブに接続され得る。
Positive Electrode Terminal A portion of the positive electrode terminal is electrically connected to a portion of the positive electrode, thereby serving as a conductor for transferring electrons between the positive electrode and an external circuit. The positive electrode terminal can be connected, for example, to the positive electrode current collector, particularly the positive electrode current collector tab. Alternatively, the positive electrode terminal can be connected, for example, to the positive electrode current collector tab via a positive electrode lead.
正極端子は、例えば、Li酸化-還元反応電位に対し3.0V以上4.5V以下(vs. Li/Li+)高い電位において電気的に安定であり、且つ導電性を有する材料から形成されることが好ましい。正極端子は、アルミニウム、又はMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiからなる群より選択される1以上を含むアルミニウム合金から形成されることが好ましい。 The positive electrode terminal is preferably formed from a material that is electrically stable and conductive at a potential that is 3.0 V to 4.5 V (vs. Li/Li + ) higher than the Li oxidation-reduction reaction potential, for example. The positive electrode terminal is preferably formed from aluminum or an aluminum alloy containing one or more elements selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si.
正極端子は、電気伝導性の高い材料から形成されていることが好ましい。正極集電体に接続する場合、正極端子が集電体と同様の材料からなることが好ましい。同じ材料を用いることで、正極端子と正極集電体との間の接触抵抗を低減させることができる。正極リードも同様に、正極端子および正極集電体と同様の材料から形成されることが好ましい。 The positive electrode terminal is preferably made of a highly electrically conductive material. When connected to the positive electrode current collector, the positive electrode terminal is preferably made of the same material as the current collector. Using the same material reduces the contact resistance between the positive electrode terminal and the positive electrode current collector. Similarly, the positive electrode lead is preferably made of the same material as the positive electrode terminal and the positive electrode current collector.
負極端子
負極端子は、その一部が負極の一部に電気的に接続されることによって、負極と外部回路との間で電子が移動するための導体として働くことができる。負極端子は、例えば、負極集電体、特に負極集電タブに接続することができる。または、負極端子は、例えば、負極リードを介して負極集電タブに接続され得る。
A portion of the negative electrode terminal is electrically connected to a portion of the negative electrode, thereby serving as a conductor for transferring electrons between the negative electrode and an external circuit. The negative electrode terminal can be connected, for example, to the negative electrode current collector, particularly the negative electrode current collector tab. Alternatively, the negative electrode terminal can be connected, for example, to the negative electrode current collector tab via a negative electrode lead.
負極端子は、Li酸化-還元反応電位に対し0.5V以上3.0V以下(vs. Li/Li+)高い電位において電気的に安定であり、且つ導電性を有する材料から形成されることが好ましい。負極端子は、アルミニウム、又はMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiからなる群より選択される1以上を含むアルミニウム合金から形成されることが好ましい。 The negative electrode terminal is preferably formed from a material that is electrically stable and conductive at a potential that is 0.5 V to 3.0 V (vs. Li/Li + ) higher than the Li oxidation-reduction reaction potential. The negative electrode terminal is preferably formed from aluminum or an aluminum alloy containing one or more elements selected from the group consisting of Mg, Ti, Zn, Mn, Fe, Cu, and Si.
負極端子は、電気伝導性の高い材料から形成されていることが好ましい。負極集電体に接続する場合、負極端子が集電体と同様の材料からなることが好ましい。同じ材料を用いることで、負極端子と負極集電体との間の接触抵抗を低減させることができる。負極リードも同様に、負極端子および負極集電体と同様の材料から形成されることが好ましい。 The negative electrode terminal is preferably made of a highly electrically conductive material. When connected to the negative electrode current collector, the negative electrode terminal is preferably made of the same material as the current collector. Using the same material reduces the contact resistance between the negative electrode terminal and the negative electrode current collector. Similarly, the negative electrode lead is preferably made of the same material as the negative electrode terminal and the negative electrode current collector.
次に、係る非水電解質電池の例を、図面を参照しながら更に詳細に説明する。 Next, an example of such a nonaqueous electrolyte battery will be described in more detail with reference to the drawings.
図1は、実施形態に係る非水電解質電池100の一例の分解斜視図である。図1に示す電池は、密閉型の角型非水電解質電池である。例示する非水電解質電池100は、外装缶1と、蓋2と、正極外部端子3と、負極外部端子4と、電極群5とを備える。外装缶1と蓋2とから外装部材が構成されている。外装缶1は、有底角筒形状をなし、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄あるいはステンレスなどの金属から形成される。 Figure 1 is an exploded perspective view of an example of a nonaqueous electrolyte battery 100 according to an embodiment. The battery shown in Figure 1 is a sealed prismatic nonaqueous electrolyte battery. The illustrated nonaqueous electrolyte battery 100 comprises an outer can 1, a lid 2, a positive electrode external terminal 3, a negative electrode external terminal 4, and an electrode group 5. The outer can 1 and the lid 2 form an outer casing. The outer can 1 has a bottomed rectangular cylindrical shape and is formed from a metal such as aluminum, an aluminum alloy, iron, or stainless steel.
図2は、図1に示す非水電解質電池100に用いられる電極群の部分展開斜視図である。図2に示すように、偏平型の電極群5は、正極6と負極7がその間にセパレータ8を介して偏平形状に捲回されたものである。正極6は、例えば金属箔からなる帯状の正極集電体と、正極集電体の長辺に平行な一端部からなる正極集電タブ6aと、少なくとも正極集電タブ6aの部分を除いて正極集電体に形成された正極活物質含有層6bとを含む。一方、負極7は、例えば金属箔からなる帯状の負極集電体と、負極集電体の長辺に平行な一端部からなる負極集電タブ7aと、少なくとも負極集電タブ7aの部分を除いて負極集電体に形成された負極活物質含有層7bとを含む。2 is a partially exploded perspective view of an electrode group used in the nonaqueous electrolyte battery 100 shown in FIG. 1. As shown in FIG. 2, the flat electrode group 5 is formed by winding a positive electrode 6 and a negative electrode 7 in a flat shape with a separator 8 interposed therebetween. The positive electrode 6 includes a strip-shaped positive electrode current collector made of, for example, metal foil, a positive electrode current collector tab 6a formed at one end parallel to the long side of the positive electrode current collector, and a positive electrode active material-containing layer 6b formed on the positive electrode current collector except for at least the portion of the positive electrode current collector tab 6a. Meanwhile, the negative electrode 7 includes a strip-shaped negative electrode current collector made of, for example, metal foil, a negative electrode current collector tab 7a formed at one end parallel to the long side of the negative electrode current collector, and a negative electrode active material-containing layer 7b formed on the negative electrode current collector except for at least the portion of the negative electrode current collector tab 7a.
このような正極6、セパレータ8及び負極7は、正極集電タブ6aが電極群の捲回軸方向にセパレータ8から突出し、かつ負極集電タブ7aがこれとは反対方向にセパレータ8から突出するよう、正極6及び負極7の位置をずらして捲回されている。このような捲回により、電極群5では、図2に示すように、一方の端面から渦巻状に捲回された正極集電タブ6aが突出し、かつ他方の端面から渦巻状に捲回された負極集電タブ7aが突出している。非水電解質(図示しない)は、電極群5に含浸されている。The positive electrode 6, separator 8, and negative electrode 7 are wound with the positive electrode 6 and negative electrode 7 offset so that the positive electrode current collector tab 6a protrudes from the separator 8 in the direction of the winding axis of the electrode group, and the negative electrode current collector tab 7a protrudes from the separator 8 in the opposite direction. As a result of this winding, as shown in FIG. 2, the spirally wound positive electrode current collector tab 6a protrudes from one end face of the electrode group 5, and the spirally wound negative electrode current collector tab 7a protrudes from the other end face. A nonaqueous electrolyte (not shown) is impregnated into the electrode group 5.
図1に示すように、正極集電タブ6a及び負極集電タブ7aは、それぞれ、電極群の捲回中心付近を境にして二つの束に分けられている。導電性の挟持部材9は、略U字形状を有した第1,第2の挟持部9a,9bと、第1の挟持部9aと第2の挟持部9bとを電気的に接続する連結部9cとを有する。正負極集電タブ6a,7aは、それぞれ、一方の束が第1の挟持部9aによって挟持され、かつ他方の束が第2の挟持部9bによって挟持される。As shown in Figure 1, the positive electrode current collector tabs 6a and the negative electrode current collector tabs 7a are each divided into two bundles, with the boundary near the winding center of the electrode group. The conductive clamping member 9 has first and second clamping portions 9a and 9b, each having a roughly U-shape, and a connecting portion 9c that electrically connects the first clamping portion 9a and the second clamping portion 9b. One bundle of the positive and negative electrode current collector tabs 6a and 7a is clamped by the first clamping portion 9a, and the other bundle is clamped by the second clamping portion 9b.
正極リード10は、略長方形状の支持板10aと、支持板10aに開口された貫通孔10bと、支持板10aから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の集電部10c、10dとを有する。一方、負極リード11は、略長方形状の支持板11aと、支持板11aに開口された貫通孔11bと、支持板11aから二股に分岐し、下方に延出した短冊状の集電部11c、11dとを有する。The positive electrode lead 10 has a substantially rectangular support plate 10a, a through hole 10b opened in the support plate 10a, and rectangular current collecting portions 10c and 10d that branch off from the support plate 10a and extend downward. The negative electrode lead 11 has a substantially rectangular support plate 11a, a through hole 11b opened in the support plate 11a, and rectangular current collecting portions 11c and 11d that branch off from the support plate 11a and extend downward.
正極リード10は、集電部10c、10dの間に挟持部材9を挟む。集電部10cは、挟持部材9の第1の挟持部9aに配置される。集電部10dは、第2の挟持部9bに配置される。集電部10c、10dと、第1,第2の挟持部9a,9bと、正極集電タブ6aとは、例えば超音波溶接によって接合される。これにより、電極群5の正極6と正極リード10が正極集電タブ6aを介して電気的に接続される。 The positive electrode lead 10 sandwiches the clamping member 9 between the current collecting portions 10c and 10d. The current collecting portion 10c is placed in the first clamping portion 9a of the clamping member 9. The current collecting portion 10d is placed in the second clamping portion 9b. The current collecting portions 10c and 10d, the first and second clamping portions 9a and 9b, and the positive electrode current collecting tab 6a are joined by, for example, ultrasonic welding. This electrically connects the positive electrode 6 of the electrode group 5 and the positive electrode lead 10 via the positive electrode current collecting tab 6a.
負極リード11は、集電部11c、11dの間に挟持部材9を挟む。集電部11cは、挟持部材9の第1の挟持部9aに配置される。集電部11dは、第2の挟持部9bに配置される。集電部11c、11dと、第1,第2の挟持部9a,9bと、負極集電タブ7aとは、例えば超音波溶接によって接合される。これにより、電極群5の負極7と負極リード11が負極集電タブ7aを介して電気的に接続される。 The negative electrode lead 11 sandwiches the clamping member 9 between the current collecting portions 11c and 11d. The current collecting portion 11c is positioned in the first clamping portion 9a of the clamping member 9. The current collecting portion 11d is positioned in the second clamping portion 9b. The current collecting portions 11c and 11d, the first and second clamping portions 9a and 9b, and the negative electrode current collecting tab 7a are joined by, for example, ultrasonic welding. This electrically connects the negative electrode 7 of the electrode group 5 and the negative electrode lead 11 via the negative electrode current collecting tab 7a.
正負極リード10,11および挟持部材9の材質は、特に指定しないが、正負極外部端子3,4とそれぞれ同じ材質にすることが望ましい。正極外部端子3には、例えば、アルミニウム或いはアルミニウム合金が使用される。負極外部端子4には、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、ニッケル、ニッケルメッキされた鉄などが使用される。例えば、外部端子の材質がアルミニウム又はアルミニウム合金の場合は、リードの材質をアルミニウム又はアルミニウム合金にすることが好ましい。また、外部端子が銅の場合は、リードの材質を銅などにすることが望ましい。 The materials for the positive and negative electrode leads 10, 11 and the clamping member 9 are not particularly specified, but it is desirable that they be made of the same material as the positive and negative electrode external terminals 3, 4, respectively. The positive electrode external terminal 3 is made of, for example, aluminum or an aluminum alloy. The negative electrode external terminal 4 is made of, for example, aluminum, an aluminum alloy, copper, nickel, or nickel-plated iron. For example, if the external terminal is made of aluminum or an aluminum alloy, it is desirable that the lead be made of aluminum or an aluminum alloy. Furthermore, if the external terminal is made of copper, it is desirable that the lead be made of copper, etc.
矩形板状の蓋2は、外装缶1の開口部に例えばレーザーでシーム溶接される。蓋2は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄あるいはステンレスなどの金属から形成される。蓋2と外装缶1は、同じ種類の金属から形成されることが望ましい。正極外部端子3は、正極リード10の支持板10aと電気的に接続される。負極外部端子4は、負極リード11の支持板11aと電気的に接続される。絶縁ガスケット12は、正負極外部端子3,4と蓋2との間に配置され、正負極外部端子3,4と蓋2とを電気的に絶縁している。絶縁ガスケット12は、樹脂成形品であることが望ましい。 The rectangular plate-shaped lid 2 is seam-welded to the opening of the outer can 1, for example, by laser. The lid 2 is made of a metal such as aluminum, aluminum alloy, iron, or stainless steel. It is desirable that the lid 2 and outer can 1 are made of the same type of metal. The positive electrode external terminal 3 is electrically connected to the support plate 10a of the positive electrode lead 10. The negative electrode external terminal 4 is electrically connected to the support plate 11a of the negative electrode lead 11. The insulating gasket 12 is disposed between the positive and negative electrode external terminals 3, 4 and the lid 2, and electrically insulates them from each other. It is desirable that the insulating gasket 12 is a resin molded product.
<各種測定方法>
以下、第1空隙率、第2空隙率、活物質の組成、及び非水電解質の組成の測定方法を記載する。まず、電池から電極を取り出す方法について説明する。
<Various measurement methods>
The methods for measuring the first porosity, the second porosity, the composition of the active material, and the composition of the non-aqueous electrolyte will be described below. First, a method for removing the electrodes from the battery will be described.
まず、測定対象の電池を用意する。測定対象の電池は、定格容量の80%以上の放電容量を有するものとする。すなわち、劣化が過剰に進行した電池は測定対象としない。First, prepare the battery to be measured. The battery to be measured must have a discharge capacity of 80% or more of its rated capacity. In other words, batteries that have deteriorated excessively will not be measured.
次に、用意した電池を、開回路電圧が2.0V~2.2Vになるまで放電する。次に、放電した電池を、内部雰囲気の露点が-70℃である、アルゴンを充填したグローブボックス内に移す。このようなグローブボックス内で、電池を開く。切り開いた電池から、電極群を取り出す。取り出した電極群が正極リード及び負極リードを含む場合は、正極と負極とを短絡させないように注意しながら、正極リード及び負極リードを切断する。Next, the prepared battery is discharged until the open circuit voltage reaches 2.0 V to 2.2 V. The discharged battery is then transferred to an argon-filled glove box with an internal atmosphere having a dew point of -70°C. The battery is opened in the glove box. The electrode group is removed from the cut-open battery. If the removed electrode group includes a positive electrode lead and a negative electrode lead, the positive electrode lead and the negative electrode lead are cut off, taking care not to short-circuit the positive and negative electrodes.
次に、電極群を解体し、正極、負極及びセパレータに分解する。このようにして得られた各電極を、ジエチルカーボネートを溶媒として用いて洗浄する。この洗浄では、分解して得られた部材をジエチルカーボネート溶媒に完全に浸し、その状態で60分間放置する。Next, the electrode group is disassembled into positive electrodes, negative electrodes, and separators. Each electrode obtained in this way is washed using diethyl carbonate as a solvent. During this washing, the disassembled components are completely immersed in the diethyl carbonate solvent and left in that state for 60 minutes.
洗浄後、電極を真空乾燥に供する。真空乾燥に際しては、25℃環境において、大気圧から-97kpa以上となるまで減圧し、その状態を10分間保持する。このような手順で取り出した電極について、以下の方法で測定を行う。After cleaning, the electrodes are subjected to vacuum drying. During vacuum drying, the pressure is reduced from atmospheric pressure to -97 kPa or higher in a 25°C environment, and this state is maintained for 10 minutes. The electrodes removed using this procedure are measured using the following method.
第1空隙率
正極活物質含有層の第1空隙率は、水銀圧入法により測定することができる。詳細は、次のとおりである。
First Porosity The first porosity of the positive electrode active material-containing layer can be measured by mercury intrusion porosimetry.
正極から、短冊状の測定サンプルを複数切り出す。測定サンプルの寸法は、例えば、1.25cm×2.50cmとする。次いで、切り出した測定サンプルの質量を測定する。次に、測定装置のセル内に、16枚の測定サンプルを装入する。これらの測定サンプルを、初期圧約10kPa(約1.5psia、細孔直径約120μm相当)、最高圧414MPa(約59986psia、細孔直径約0.003μm相当)の条件で測定して、正極の細孔分布曲線を得る。測定装置としては、例えば、島津製作所製マイクロメリティックス細孔分布測定装置オートポア9520を用いる。 Several strip-shaped measurement samples are cut from the positive electrode. The dimensions of the measurement samples are, for example, 1.25 cm x 2.50 cm. The mass of the cut measurement samples is then measured. 16 measurement samples are then placed in the cell of the measurement device. These measurement samples are measured under conditions of an initial pressure of approximately 10 kPa (approximately 1.5 psia, equivalent to a pore diameter of approximately 120 μm) and a maximum pressure of 414 MPa (approximately 59,986 psia, equivalent to a pore diameter of approximately 0.003 μm) to obtain a pore distribution curve for the positive electrode. For example, a Shimadzu Micromeritics Pore Distribution Measurement Device Autopore 9520 is used as the measurement device.
次いで、同じ正極から切り出した別の測定サンプルから、例えばスパチュラを用いて正極活物質含有層を剥がし取り、集電体片を得る。次いで、この集電体片の質量を測定する。次いで、測定サンプルの質量から集電体片の質量を減ずることにより、測定サンプルに含まれる活物質含有層の質量を得る。次いで、上記の方法により得られた正極の細孔分布曲線について、再計算を行い、正極活物質含有層の細孔分布曲線に換算する。このようにして、活物質含有層の細孔分布曲線を得る。以上のようにして得られた細孔分布及び正極活物質含有層の質量から、正極活物質含有層の質量1g当りの細孔体積を求めることができる。得られた細孔体積(mL/g)を、正極活物質含有層の質量1g当りの体積で除することで第1空隙率が得られる。Next, the positive electrode active material-containing layer is peeled off from another measurement sample cut out from the same positive electrode, using, for example, a spatula, to obtain a current collector piece. The mass of this current collector piece is then measured. The mass of the current collector piece is then subtracted from the mass of the measurement sample to obtain the mass of the active material-containing layer contained in the measurement sample. The pore distribution curve of the positive electrode obtained by the above method is then recalculated and converted into the pore distribution curve of the positive electrode active material-containing layer. In this way, the pore distribution curve of the active material-containing layer is obtained. The pore volume per 1 g of the positive electrode active material-containing layer can be calculated from the pore distribution obtained in this manner and the mass of the positive electrode active material-containing layer. The first porosity is obtained by dividing the obtained pore volume (mL/g) by the volume per 1 g of the positive electrode active material-containing layer.
第2空隙率
セパレータの第2空隙率も、水銀圧入法により測定することができる。詳細は、次のとおりである。
Second Porosity The second porosity of the separator can also be measured by mercury intrusion porosimetry. Details are as follows.
セパレータから、短冊状の測定サンプルを複数切り出す。測定サンプルの寸法は、例えば、1.25cm×2.50cmとする。次いで、切り出した測定サンプルの質量を測定する。次に、測定装置のセル内に、16枚の測定サンプルを装入する。これらの測定サンプルを、初期圧約10kPa(約1.5psia、細孔直径約120μm相当)、最高圧414MPa(約59986psia、細孔直径約0.003μm相当)の条件で測定して、セパレータの細孔分布曲線を得る。測定装置としては、例えば、島津製作所製マイクロメリティックス細孔分布測定装置オートポア9520を用いる。得られた細孔分布から、セパレータ1g当りの細孔体積を求めることができる。得られた細孔体積(mL/g)を、セパレータ1g当りの体積で除することで空隙率が得られる。 Several strip-shaped measurement samples are cut from the separator. The dimensions of the measurement samples are, for example, 1.25 cm x 2.50 cm. The mass of the cut measurement samples is then measured. Next, 16 measurement samples are placed in the cell of the measurement device. These measurement samples are measured under conditions of an initial pressure of approximately 10 kPa (approximately 1.5 psia, equivalent to a pore diameter of approximately 120 μm) and a maximum pressure of 414 MPa (approximately 59,986 psia, equivalent to a pore diameter of approximately 0.003 μm) to obtain a pore distribution curve for the separator. For example, a Shimadzu Micromeritics Autopore 9520 pore distribution measurement device is used. The pore volume per 1 g of separator can be calculated from the obtained pore distribution. The porosity is obtained by dividing the obtained pore volume (mL/g) by the volume per 1 g of separator.
活物質の組成
上述の方法で電池から取り出した電極の表面を蛍光X線(XRF)により測定することで活物質の組成が得られる。
Composition of the Active Material The composition of the active material can be obtained by measuring the surface of the electrode taken out of the battery by the above-mentioned method using X-ray fluorescence (XRF).
非水電解質の組成
電池を開回路電圧が2.0V~2.2Vになるまで放電する。次に、放電した電池を、内部雰囲気の露点が-70℃である、アルゴンを充填したグローブボックス内に移す。このようなグローブボックス内で、電池を開く。切り開いた電池から、電極群を取り出す。取り出した電極群を絞り、電解液を採取する。採取量が少ない場合はアセトニトリルを用いて電解液を抽出する。得られた電解液をGC-MS(ガスクロマトグラフ-質量分析法)で分析することで、プロピレンカーボネート(PC)の含有量が得られ、キャピラリー電気泳動でLiPF6の含有量が得られる。それぞれ得られた含有量からLiPF6/PCが算出される。
Composition of the non-aqueous electrolyte: The battery is discharged until the open circuit voltage reaches 2.0 V to 2.2 V. The discharged battery is then transferred to an argon-filled glove box with an internal atmosphere having a dew point of -70°C. The battery is then opened in the glove box. The electrode group is removed from the cut-open battery. The removed electrode group is squeezed to extract the electrolyte. If the amount extracted is small, the electrolyte is extracted using acetonitrile. The propylene carbonate (PC) content is determined by analyzing the obtained electrolyte using GC-MS (gas chromatography-mass spectrometry), and the LiPF6 content is determined using capillary electrophoresis. The LiPF6 /PC ratio is calculated from the respective contents obtained.
第1の実施形態に係る非水電解質電池は、上記式(1)で表される正極活物質の単粒子を含み、かつ10%以上25%以下の第1空隙率を有する正極活物質含有層を含む正極と、第1空隙率に対し2.2以上2.8以下の比の第2空隙率を有するセパレータと、質量比(LiPF6/PC)0.5以上1.0以下でLiPF6とプロピレンカーボネート(PC)とを含む非水電解質とを具備する。したがって、係る電池は、高電位でのサイクルにおいてもガス発生および抵抗上昇を抑制することができる。 The nonaqueous electrolyte battery according to the first embodiment includes a positive electrode including a positive electrode active material-containing layer containing single particles of the positive electrode active material represented by formula (1) and having a first porosity of 10% to 25%, a separator having a second porosity with a ratio of 2.2 to 2.8 relative to the first porosity, and a nonaqueous electrolyte containing LiPF6 and propylene carbonate (PC) in a mass ratio ( LiPF6 /PC) of 0.5 to 1.0. Therefore, this battery can suppress gas generation and resistance increase even during cycles at high potential.
(第2の実施形態)
第2の実施形態によれば、電池を含む電池パックが提供される。電池には、第1の実施形態に係る非水電解質電池が使用される。電池パックに含まれる単電池の数は、1個または複数にすることができる。
Second Embodiment
According to a second embodiment, a battery pack including a battery is provided. The battery is the nonaqueous electrolyte battery according to the first embodiment. The number of unit cells included in the battery pack can be one or more.
複数の電池は、電気的に直列、並列、又は直列及び並列を組み合わせて接続されて組電池を構成することができる。電池パックは、複数の組電池を含んでいてもよい。 Multiple batteries can be electrically connected in series, parallel, or a combination of series and parallel to form a battery assembly. A battery pack may include multiple battery assemblies.
電池パックは、保護回路を更に具備することができる。保護回路は、電池の充放電を制御する機能を有する。また、電池パックを電源として使用する装置(例えば、電子機器、自動車等)に含まれる回路を、電池パックの保護回路として使用することができる。 The battery pack may further include a protection circuit. The protection circuit has the function of controlling the charging and discharging of the battery. In addition, a circuit included in a device that uses the battery pack as a power source (e.g., electronic equipment, automobiles, etc.) can be used as the protection circuit for the battery pack.
また、電池パックは、通電用の外部端子を更に具備することもできる。通電用の外部端子は、電池からの電流を外部に出力するため、及び電池に電流を入力するためのものである。言い換えれば、電池パックを電源として使用する際、電流が通電用の外部端子を通して外部に供給される。また、電池パックを充電する際、充電電流(自動車の動力の回生エネルギーを含む)は通電用の外部端子を通して電池パックに供給される。 The battery pack may also be provided with external terminals for current flow. The external terminals for current flow are used to output current from the battery to the outside and to input current to the battery. In other words, when the battery pack is used as a power source, current is supplied to the outside through the external terminals for current flow. Furthermore, when the battery pack is charged, charging current (including regenerative energy from the vehicle's power) is supplied to the battery pack through the external terminals for current flow.
次に、第2の実施形態に係る電池パックの一例を、図面を参照して説明する。図3は、実施形態に係る電池パックの電気回路の一例を示すブロック図である。Next, an example of a battery pack according to the second embodiment will be described with reference to the drawings. Figure 3 is a block diagram showing an example of an electrical circuit of a battery pack according to the embodiment.
図3に示す電池パックは、図1及び図2に示した構造を有する複数個の扁平型の単電池100を含む。これらの単電池100は、図3に示すように互いに電気的に直列に接続されている。The battery pack shown in Figure 3 includes a plurality of flat-type cells 100 having the structure shown in Figures 1 and 2. These cells 100 are electrically connected in series with each other as shown in Figure 3.
電池パックには、単電池100に加え、サーミスタ25、保護回路26及び通電用の外部端子27が搭載されている。 In addition to the single battery 100, the battery pack is equipped with a thermistor 25, a protection circuit 26, and an external terminal 27 for supplying electricity.
直列接続の一端にて単電池100の正極外部端子に正極側リード28が接続されている。正極側リード28は、正極側コネクタ29と配線32を介して保護回路26と電気的に接続されている。直列接続の他端にて単電池100の負極外部端子に負極側リード30が接続されている。負極側リード30は、負極側コネクタ31と配線33とを介して保護回路26と電気的に接続されている。At one end of the series connection, a positive electrode lead 28 is connected to the positive electrode external terminal of the cell 100. The positive electrode lead 28 is electrically connected to the protection circuit 26 via a positive electrode connector 29 and wiring 32. At the other end of the series connection, a negative electrode lead 30 is connected to the negative electrode external terminal of the cell 100. The negative electrode lead 30 is electrically connected to the protection circuit 26 via a negative electrode connector 31 and wiring 33.
サーミスタ25は、単電池100の各々の温度を検出し、その検出信号を保護回路26に送信する。保護回路26は、所定の条件で保護回路26と通電用の外部端子27との間のプラス側配線34a及びマイナス側配線34bを遮断することができる。所定の条件の例は、例えばサーミスタ25から、単電池100の温度が所定温度以上であるとの信号を受信したときである。また、所定の条件の他の例は、単電池100の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。この過充電等の検出は、個々の単電池100又は単電池100全体について行われる。個々の単電池100を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、参照極として用いるリチウム電極を個々の単電池100に挿入する。図3の電池パックでは、単電池100それぞれに電圧検出のための配線35が接続されており、これら配線35を通して検出信号が保護回路26に送信される。The thermistor 25 detects the temperature of each cell 100 and transmits the detected temperature signal to the protection circuit 26. The protection circuit 26 can interrupt the positive wiring 34a and negative wiring 34b between the protection circuit 26 and the external terminal 27 for current supply under predetermined conditions. An example of a predetermined condition is when the thermistor 25 receives a signal indicating that the temperature of the cell 100 is above a predetermined temperature. Another example of a predetermined condition is when an overcharge, overdischarge, overcurrent, or other abnormality is detected in the cell 100. This overcharge detection is performed for each cell 100 or for all cells 100. When detecting an individual cell 100, the battery voltage or the positive or negative electrode potential may be detected. In the latter case, a lithium electrode used as a reference electrode is inserted into each cell 100. In the battery pack shown in FIG. 3, each cell 100 is connected to a voltage detection wire 35, and a detection signal is transmitted to the protection circuit 26 via this wire 35.
図示した電池パックは複数の単電池100を直列接続した形態を有するが、係る電池パックでは、電池容量を増大させるために、複数の単電池100を並列に接続してもよい。或いは、電池パックは、直列接続と並列接続とを組合せて接続された複数の単電池100を備えてもよい。組み上がった電池パックをさらに直列又は並列に接続することもできる。 The battery pack shown in the figure has a configuration in which multiple cells 100 are connected in series, but in such a battery pack, multiple cells 100 may be connected in parallel to increase battery capacity. Alternatively, the battery pack may include multiple cells 100 connected in a combination of series and parallel connections. The assembled battery pack may also be further connected in series or parallel.
また、図示した電池パックは複数の単電池100を備えているが、第2の実施形態に係る電池パックは1つの単電池100を備えるものでもよい。 Furthermore, although the illustrated battery pack includes multiple cells 100, the battery pack of the second embodiment may also include a single cell 100.
また、電池パックの態様は用途により適宜変更される。電池パックの用途としては、大電流を取り出したときに良好なサイクル性能が望まれるものが好ましい。具体的には、デジタルカメラの電源用や、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車等の車載用が挙げられる。特に、車載用が好適である。 The battery pack configuration may be modified as appropriate depending on the intended use. Preferred battery pack applications require good cycle performance when drawing large current. Specific examples include power sources for digital cameras, and in-vehicle applications such as two- to four-wheel hybrid electric vehicles, two- to four-wheel electric vehicles, and power-assisted bicycles. In-vehicle applications are particularly preferred.
本実施形態に係る電池パックを搭載した自動車において、電池パックは、例えば、自動車の動力の回生エネルギーを回収するものである。 In a vehicle equipped with a battery pack according to this embodiment, the battery pack, for example, recovers regenerative energy from the vehicle's power.
以上詳述した第2の実施形態に係る電池パックは、第1の実施形態に係る非水電解質電池を含む。したがって、係る電池パックは、高電位でのサイクルにおいてもガス発生および抵抗上昇を抑制することができる。The battery pack according to the second embodiment described above includes the nonaqueous electrolyte battery according to the first embodiment. Therefore, this battery pack can suppress gas generation and resistance increase even during cycles at high potentials.
<非水電解質電池の作製>
(実施例1)
(正極の作製)
活物質として単粒子で形成されたリチウム含有ニッケルコバルトマンガン複合酸化物LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2を準備した。仕込みの活物質の平均粒子径(D50)は4μmであった。導電剤としてアセチレンブラック、並びに、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを準備した。これら活物質、導電剤、及び結着剤を93:5:2の質量比でN-メチルピロリドン(NMP)に溶解および混合させてペーストを調製した。
<Fabrication of non-aqueous electrolyte battery>
Example 1
(Preparation of Positive Electrode)
A lithium - containing nickel-cobalt-manganese composite oxide ( LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 ) formed as a single particle was prepared as the active material. The average particle diameter ( D50 ) of the prepared active material was 4 μm. Acetylene black was prepared as the conductive agent, and polyvinylidene fluoride was prepared as the binder. The active material, conductive agent, and binder were dissolved and mixed in N-methylpyrrolidone (NMP) in a mass ratio of 93:5:2 to prepare a paste.
ペースト調製の具体的方法を以下に記載する。活物質および導電剤をヘンシェルミキサーを用いて混合し、活物質と導電剤との複合材(コンパウンド)を形成した。得られた複合材と結着剤をNMPに分散し、20Lの容積を有するプラネタリーミキサーを用いて混練した。この際、急激な粘度上昇を避けるために、各材料を少しずつNMPに加えた。混練は、固形分濃度(Non-Volatile content;NV)が78.5%の固練り条件で行った。次いで、混練物を2Lの容積を有するビーズミル装置に移し、800rpmのビーズ回転速度で混合を行って、ペーストを調製した。The specific method for preparing the paste is described below. The active material and conductive agent were mixed using a Henschel mixer to form a composite (compound) of the active material and conductive agent. The resulting composite and binder were dispersed in NMP and kneaded using a planetary mixer with a capacity of 20 L. To avoid a sudden increase in viscosity, each material was added to the NMP little by little. Kneading was performed under high-pressure conditions with a solids concentration (non-volatile content; NV) of 78.5%. The kneaded mixture was then transferred to a bead mill with a capacity of 2 L and mixed at a bead rotation speed of 800 rpm to prepare a paste.
ペースト状の分散液を正極塗液として、帯形状のアルミニウム箔からなる集電体の表裏両面に均一に塗布した。正極塗液の塗膜を乾燥させて正極活物質含有層を形成した。乾燥後の帯状体へのプレス成型を次の条件で行った。硬質クロムメッキが施されたスチールロールからなる、プレスロール径がΦ350mmのプレスロールを用い、プレス荷重を約8kN/cmに設定した。圧延により第1空隙率24.6%の正極を得た。圧延後の電極を所定の寸法に裁断した。そこに集電タブを溶接して正極を得た。 A paste-like dispersion liquid was used as the positive electrode coating liquid and uniformly applied to both the front and back surfaces of a strip-shaped current collector made of aluminum foil. The coating film of the positive electrode coating liquid was dried to form a positive electrode active material-containing layer. After drying, the strip was press-molded under the following conditions: a press roll made of hard chrome-plated steel with a press roll diameter of 350 mm was used, and the press load was set to approximately 8 kN/cm. A positive electrode with a first porosity of 24.6% was obtained by rolling. The rolled electrode was cut to the specified dimensions. A current collecting tab was welded to the cut electrode to obtain the positive electrode.
(負極の作製)
負極活物質として、Li4Ti5O12で表されるスピネル型のリチウムチタン酸化物、導電剤としてグラファイト、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを準備した。これら負極活物質、導電剤、結着剤を94:4:2の質量比で、NMPに溶解および混合させてペーストを調製した。このペーストを負極塗液として、帯形状のアルミニウム箔からなる負極集電体の表裏両面に均一に塗布した。負極塗液を乾燥させて負極活物質含有層を形成した。乾燥後の帯状体をプレス成型した後、帯状体を所定の寸法に裁断した。電極厚みが130μmとなるように調整した。そこに集電タブを溶接して負極を得た。
(Preparation of negative electrode)
A spinel-type lithium titanium oxide represented by Li4Ti5O12 was prepared as the negative electrode active material, graphite as the conductive agent, and polyvinylidene fluoride as the binder. These negative electrode active materials, conductive agent, and binder were dissolved and mixed in NMP in a mass ratio of 94:4:2 to prepare a paste. This paste was used as a negative electrode coating liquid and uniformly applied to both the front and back surfaces of a negative electrode current collector made of strip-shaped aluminum foil. The negative electrode coating liquid was dried to form a negative electrode active material-containing layer. The dried strip was press-molded and then cut to a predetermined size. The electrode thickness was adjusted to 130 μm. A current collecting tab was welded to the negative electrode to obtain a negative electrode.
(電極群の作製)
2枚のセルロースからなる不織布セパレータを用意した。セパレータの厚みはいずれも8μmで、第2空隙率は65%であった。次に、一方のセパレータ、正極、他方のセパレータ、及び負極をこの順で重ねて積層体を形成した。得られた積層体を、セパレータが最外周に位置するように捲回して捲回体を得た。次いで得られた捲回体(コイル)を加熱しながらプレスした。かくして、捲回型電極群を作製した。
(Preparation of electrode group)
Two nonwoven separators made of cellulose were prepared. Each separator had a thickness of 8 μm and a second porosity of 65%. Next, one separator, a positive electrode, the other separator, and a negative electrode were stacked in this order to form a laminate. The resulting laminate was wound so that the separator was positioned at the outermost periphery to obtain a wound body. The resulting wound body (coil) was then pressed while being heated. In this way, a wound electrode group was produced.
(非水電解質の調製)
非水溶媒として、プロピレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比1:2で混合した混合溶媒を調製した。この混合溶媒に、電解質塩としてLiPF6を濃度が1.5mol/Lとなるように溶解させて、非水電解質を調製した。得られた非水電解質では、LiPF6の質量/プロピレンカーボネート(PC)の質量の比率は0.7であった。
(Preparation of non-aqueous electrolyte)
A nonaqueous solvent was prepared by mixing propylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 1:2. LiPF 6 was dissolved in this mixed solvent as an electrolyte salt to a concentration of 1.5 mol/L to prepare a nonaqueous electrolyte. The resulting nonaqueous electrolyte had a LiPF 6 mass/propylene carbonate (PC) mass ratio of 0.7.
(電池の組み立て)
上記のようにして得られた捲回型電極群の正極および負極にそれぞれ電極端子を装着した。アルミニウム製の角型容器に電極群を入れた。この容器の中に前述の非水電解質を注液し、容器に封をすることで非水電解質電池を得た。なお、非水電解質電池の設計には、公称容量が26Ahとなる設計を用いた。
(Battery assembly)
Electrode terminals were attached to the positive and negative electrodes of the wound electrode assembly obtained as described above. The electrode assembly was placed in an aluminum rectangular container. The nonaqueous electrolyte was poured into the container, and the container was sealed to obtain a nonaqueous electrolyte battery. The nonaqueous electrolyte battery was designed to have a nominal capacity of 26 Ah.
(実施例2)
正極の第1空隙率が19.6%となるように正極作製時の圧延条件を変更するとともに、セパレータを55%の第2空隙率を有するセルロース不織布セパレータに変更した。これらの変更を加えた以外、実施例1と同様にして非水電解質電池を作製した。
Example 2
The rolling conditions during the preparation of the positive electrode were changed so that the first porosity of the positive electrode was 19.6%, and the separator was changed to a cellulose nonwoven fabric separator having a second porosity of 55%. A nonaqueous electrolyte battery was prepared in the same manner as in Example 1, except for these changes.
(実施例3)
正極の第1空隙率が25%となるように正極作製時の圧延条件を変更するとともに、セパレータを55%の第2空隙率を有するセルロース不織布セパレータに変更した。これらの変更を加えた以外、実施例1と同様にして非水電解質電池を作製した。
Example 3
The rolling conditions during the preparation of the positive electrode were changed so that the first porosity of the positive electrode was 25%, and the separator was changed to a cellulose nonwoven fabric separator having a second porosity of 55%. A nonaqueous electrolyte battery was prepared in the same manner as in Example 1, except for these changes.
(実施例4)
正極の第1空隙率が25%となるように正極作製時の圧延条件を変更するとともに、セパレータを55%の第2空隙率を有するセルロース不織布セパレータに変更した。さらに、LiPF6/PC質量比が0.9となるよう、LiPF6の濃度を増加させた。これらの変更を加えた以外、実施例1と同様にして非水電解質電池を作製した。
Example 4
The rolling conditions during positive electrode fabrication were changed so that the first porosity of the positive electrode was 25%, and the separator was changed to a cellulose nonwoven fabric separator having a second porosity of 55%. Furthermore, the LiPF concentration was increased so that the LiPF /PC mass ratio was 0.9. A nonaqueous electrolyte battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except for these changes.
(実施例5)
正極の第1空隙率が16%となるように正極作製時の圧延条件を変更するとともに、セパレータを44%の第2空隙率を有するセルロース不織布セパレータに変更した。これらの変更を加えた以外、実施例1と同様にして非水電解質電池を作製した。
Example 5
The rolling conditions during the preparation of the positive electrode were changed so that the first porosity of the positive electrode was 16%, and the separator was changed to a cellulose nonwoven fabric separator having a second porosity of 44%. Aside from these changes, a nonaqueous electrolyte battery was prepared in the same manner as in Example 1.
(実施例6)
正極の第1空隙率が11%となるように正極作製時の圧延条件を変更するとともに、セパレータを30%の第2空隙率を有するセルロース不織布セパレータに変更した。これらの変更を加えた以外、実施例1と同様にして非水電解質電池を作製した。
Example 6
The rolling conditions during the preparation of the positive electrode were changed so that the first porosity of the positive electrode was 11%, and the separator was changed to a cellulose nonwoven fabric separator having a second porosity of 30%. Aside from these changes, a nonaqueous electrolyte battery was prepared in the same manner as in Example 1.
(比較例1)
正極活物質として、二次粒子で形成されたリチウム含有ニッケルコバルトマンガン複合酸化物LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2を代わりに用いたこと以外、実施例1と同じ方法で非水電解質電池を作製した。
(Comparative Example 1)
A nonaqueous electrolyte battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that a lithium-containing nickel-cobalt-manganese composite oxide LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 formed of secondary particles was used instead as the positive electrode active material.
(比較例2及び3)
正極の第1空隙率が下記表1に示す値となるように正極作製時の圧延条件を変更したこと以外、実施例1と同じ方法で非水電解質電池を作製した。
(Comparative Examples 2 and 3)
A nonaqueous electrolyte battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the rolling conditions during fabrication of the positive electrode were changed so that the first porosity of the positive electrode would have the value shown in Table 1 below.
(比較例4及び5)
LiPF6/PC質量比が下記表1に示す値となるようにLiPF6の濃度を変更したこと以外、実施例1と同じ方法で非水電解質電池を作製した。
(Comparative Examples 4 and 5)
A nonaqueous electrolyte battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the concentration of LiPF 6 was changed so that the LiPF 6 /PC mass ratio was the value shown in Table 1 below.
(比較例6及び7)
セパレータを、下記表1に示す第2空隙率を有するセルロース不織布セパレータに変更したこと以外、実施例1と同じ方法で非水電解質電池を作製した。
(Comparative Examples 6 and 7)
A nonaqueous electrolyte battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that the separator was changed to a cellulose nonwoven fabric separator having a second porosity shown in Table 1 below.
得られた各電池に対し、45℃環境下でSOC(state of charge)0%からSOC100%まで2Cで充電した後、SOC100%から0%まで2Cで放電する充放電サイクルを1000サイクル繰り返し、1000サイクルの際のガス発生量、並びに1000サイクル後の抵抗上昇率を測定した。その結果を表1に示す。充放電サイクルを繰り返した際のガス発生量および抵抗上昇率の何れについても、実施例1にて測定された値を100とし、他の実施例および比較例についての測定結果をこの基準に対する相対数値により示す。Each battery was charged at 2C from 0% SOC (state of charge) to 100% SOC in a 45°C environment, and then discharged at 2C from 100% SOC to 0% SOC for 1000 cycles. The amount of gas generated during 1000 cycles and the rate of resistance increase after 1000 cycles were measured. The results are shown in Table 1. For both the amount of gas generated and the rate of resistance increase during repeated charge-discharge cycles, the value measured in Example 1 was set to 100, and the measurement results for the other Examples and Comparative Examples are shown as relative values to this standard.
ガス発生量は、次のとおり測定・算出した。充放電サイクル前後の電池のセル体積変化量から算出した。セル体積は25℃の環境で1Cで充電状態(SOC)が50%になるまで充電した後、水に沈め、アルキメデスの原理より求めた。The amount of gas generated was measured and calculated as follows. It was calculated from the change in cell volume of the battery before and after a charge-discharge cycle. The cell volume was determined using Archimedes' principle by charging the battery at 1C in a 25°C environment until the state of charge (SOC) reached 50%, then submerging it in water.
抵抗上昇率は、次のとおり測定・算出した。抵抗上昇率は充放電サイクル前後の放電抵抗値の比から算出した。放電抵抗には、25℃の環境で1Cで充電状態(SOC)が50%になるまで充電した後、10Cで0.2秒放電を行った際の抵抗値を測定した。The resistance increase rate was measured and calculated as follows. The resistance increase rate was calculated from the ratio of the discharge resistance values before and after the charge-discharge cycle. The discharge resistance was measured after charging at 1C in an environment of 25°C until the state of charge (SOC) reached 50%, and then discharging at 10C for 0.2 seconds.
表1には、正極活物質粒子の粒形状、正極における第1空隙率、セパレータの第2空隙率、これら第1第2空隙率の比、非水電解質におけるLiPF6とPCとの質量比、及び上記測定結果を示す。正極活物質の粒形状としては、単粒子であったか、或いは二次粒子を含んでいたかを表記する。 Table 1 shows the particle shape of the positive electrode active material particles, the first porosity in the positive electrode, the second porosity of the separator, the ratio between the first and second porosities, the mass ratio of LiPF6 to PC in the nonaqueous electrolyte, and the above measurement results. The particle shape of the positive electrode active material is indicated as either a single particle or containing secondary particles.
表1が示すとおり、実施例1-Xでは、サイクル時のガス発生量および抵抗上昇率の何れも同程度に抑えられていた。対して、比較例1及び3ではガス発生量および抵抗上昇率が両方とも大幅に増加していた。比較例2,4,5ではガス発生量が増加しており、比較例6及び7では抵抗上昇率が多かった。 As shown in Table 1, in Example 1-X, both the amount of gas generated during cycling and the rate of increase in resistance were suppressed to the same extent. In contrast, in Comparative Examples 1 and 3, both the amount of gas generated and the rate of increase in resistance increased significantly. In Comparative Examples 2, 4, and 5, the amount of gas generated increased, and in Comparative Examples 6 and 7, the rate of increase in resistance was high.
比較例1から、正極活物質形状が二次粒子の場合、正極活物質含有層の第1空隙率は高くなり、ガス発生量および抵抗上昇率が増加することが観られる。 From Comparative Example 1, it can be seen that when the positive electrode active material has the shape of secondary particles, the first porosity of the positive electrode active material-containing layer becomes higher, and the amount of gas generated and the rate of increase in resistance increase.
比較例2及び比較例3から、正極活物質含有層の第1空隙率が低すぎても高すぎても、ガス発生が多くなることが観られる。 Comparative Examples 2 and 3 show that gas generation increases when the first porosity of the positive electrode active material-containing layer is too low or too high.
比較例4及び比較例5から、電解質中のPCに対するLiPF6の比率が大きすぎても小さすぎても、反応ムラが大きくなりガス発生が増加することが観られる。 From Comparative Examples 4 and 5, it can be seen that if the ratio of LiPF6 to PC in the electrolyte is too large or too small, the reaction becomes uneven and gas generation increases.
比較例6及び比較例7から、正極活物質の第1空隙率と比較してセパレータの第2空隙率が低すぎても高過ぎても、抵抗上昇が大きくなることが観られる。 Comparative Examples 6 and 7 show that the increase in resistance is significant when the second porosity of the separator is too low or too high compared to the first porosity of the positive electrode active material.
以上に説明した少なくとも1つの実施形態及び実施例によると、非水電解質電池が提供される。非水電解質電池は、正極と、負極と、それらの間に介するセパレータと、非水電解質とを具備する。正極は、下記式(1)で表される正極活物質の単粒子を含む正極活物質含有層を含む。活物質含有層の水銀圧入法による第1空隙率が10%以上25%以下である。非水電解質は、LiPF6とプロピレンカーボネートとを含む。非水電解質中のプロピレンカーボネートに対するLiPF6の質量比は、0.5以上1.0以下である。セパレータの水銀圧入法による第2空隙率は、活物質含有層の第1空隙率に対する比で2.2以上2.8以下である。
LiaNi(1-b-c-d)CobMncMdO2 (1)
ここで、1≦a≦1.2、0≦b≦0.4、0≦c≦0.4、0≦d≦0.1、MはFe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Y、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、GaおよびVからなる群より選択される1種以上の元素である。
According to at least one of the above-described embodiments and examples, a nonaqueous electrolyte battery is provided. The nonaqueous electrolyte battery includes a positive electrode, a negative electrode, a separator interposed therebetween, and a nonaqueous electrolyte. The positive electrode includes a positive electrode active material-containing layer including single particles of a positive electrode active material represented by the following formula (1). The active material-containing layer has a first porosity of 10% or more and 25% or less as measured by mercury porosimetry. The nonaqueous electrolyte includes LiPF6 and propylene carbonate. The mass ratio of LiPF6 to propylene carbonate in the nonaqueous electrolyte is 0.5 or more and 1.0 or less. The separator has a second porosity of 2.2 or more and 2.8 or less as a ratio to the first porosity of the active material-containing layer as measured by mercury porosimetry.
Li a Ni (1-bcd) Co b Mn c M d O 2 (1)
Here, 1≦a≦1.2, 0≦b≦0.4, 0≦c≦0.4, 0≦d≦0.1, and M is one or more elements selected from the group consisting of Fe, Cu, Ti, Mg, Al, W, Y, B, Mo, Nb, Zn, Sn, Zr, Ga, and V.
上記非水電解質電池によれば、高電位での充放電サイクルにおいてもガス発生および抵抗上昇を抑制することができる。 The above-mentioned nonaqueous electrolyte battery can suppress gas generation and resistance increase even during charge-discharge cycles at high potentials.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 While several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments may be embodied in a variety of other forms, and various omissions, substitutions, and modifications may be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their variations are intended to fall within the scope and spirit of the invention, as well as within the scope of the invention and its equivalents as set forth in the claims.
以下に、本発明に係る幾つかの実施形態を附記する。
[1] 下記式(1)で表される正極活物質の単粒子を含み、かつ10%以上25%以下の第1空隙率を有する正極活物質含有層を含む正極と、
負極と、
前記正極と前記負極との間に在るセパレータと、
LiPF6とプロピレンカーボネートとを含み、前記プロピレンカーボネートに対する前記LiPF6の質量比が0.5以上1.0以下である非水電解質と
を具備し、
前記第1空隙率に対する前記セパレータの第2空隙率の比が2.2以上2.8以下である非水電解質電池:
LiaNi(1-b-c-d)CobMncMdO2 (1)
ここで、1≦a≦1.2、0≦b≦0.4、0≦c≦0.4、0≦d≦0.1、MはFe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Y、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、GaおよびVからなる群より選択される1種以上の元素である。
[2] 前記第2空隙率は55%以上70%以下である、[1]に記載の非水電解質電池。
[3] 前記負極は、リチウムの酸化-還元反応電位に対し0.5V(対Li/Li+)以上の電位でリチウムイオンの挿入及び脱離の反応電位を示す負極活物質を含む、[1]又は[2]に記載の非水電解質電池。
[4] [1]から[3]の何れか1つに記載の非水電解質電池を含む電池パック。
Several embodiments of the present invention will be described below.
[1] A positive electrode including a positive electrode active material-containing layer that includes single particles of a positive electrode active material represented by the following formula (1) and has a first porosity of 10% or more and 25% or less;
a negative electrode;
a separator between the positive electrode and the negative electrode;
a non-aqueous electrolyte containing LiPF6 and propylene carbonate, wherein the mass ratio of the LiPF6 to the propylene carbonate is 0.5 or more and 1.0 or less;
A nonaqueous electrolyte battery, wherein the ratio of the second porosity of the separator to the first porosity is 2.2 or more and 2.8 or less:
Li a Ni (1-bcd) Co b Mn c M d O 2 (1)
Here, 1≦a≦1.2, 0≦b≦0.4, 0≦c≦0.4, 0≦d≦0.1, and M is one or more elements selected from the group consisting of Fe, Cu, Ti, Mg, Al, W, Y, B, Mo, Nb, Zn, Sn, Zr, Ga, and V.
[2] The nonaqueous electrolyte battery according to [1], wherein the second porosity is 55% or more and 70% or less.
[3] The nonaqueous electrolyte battery according to [1] or [2], wherein the negative electrode contains a negative electrode active material that exhibits a reaction potential for insertion and deintercalation of lithium ions at a potential of 0.5 V (vs. Li/Li+) or more relative to the oxidation-reduction reaction potential of lithium.
[4] A battery pack including the nonaqueous electrolyte battery according to any one of [1] to [3].
1…外装缶、2…蓋、3…正極外部端子、4…負極外部端子、5…電極群、6…正極、6a…正極集電タブ、6b…正極活物質含有層、7…負極、7a…負極集電タブ、7b…負極活物質含有層、8…セパレータ、9…挟持部材、9a…第1の挟持部、9b…第2の挟持部、9c…連結部、10…正極リード、10a…支持板、10b…貫通孔、10c…集電部、10d…集電部、11…負極リード、11a…支持板、11b…貫通孔、11c…集電部、11d…集電部、12…絶縁ガスケット、25…サーミスタ、26…保護回路、27…通電用の外部端子、28…正極側リード、29…正極側コネクタ、30…負極側リード、31…負極側コネクタ、32…配線、33…配線、34a…プラス側配線、34b…マイナス側配線、35…配線、100…単電池。1...Outer can, 2...Lid, 3...Positive electrode external terminal, 4...Negative electrode external terminal, 5...Electrode group, 6...Positive electrode, 6a...Positive electrode current collecting tab, 6b...Positive electrode active material containing layer, 7...Negative electrode, 7a...Negative electrode current collecting tab, 7b...Negative electrode active material containing layer, 8...Separator, 9...Cleaning member, 9a...First clamping portion, 9b...Second clamping portion, 9c...Connecting portion, 10...Positive electrode lead, 10a...Support plate, 10b...Through hole, 10c...Current collecting portion, 10d...Current collecting portion 11...negative electrode lead, 11a...support plate, 11b...through hole, 11c...current collecting portion, 11d...current collecting portion, 12...insulating gasket, 25...thermistor, 26...protective circuit, 27...external terminal for current supply, 28...positive electrode side lead, 29...positive electrode side connector, 30...negative electrode side lead, 31...negative electrode side connector, 32...wiring, 33...wiring, 34a...positive side wiring, 34b...negative side wiring, 35...wiring, 100...single cell
Claims (4)
負極と、
前記正極と前記負極との間に在るセパレータと、
LiPF6とプロピレンカーボネートとを含み、前記プロピレンカーボネートに対する前記LiPF6の質量比が0.5以上1.0以下である非水電解質とを具備し、
前記第1空隙率に対する前記セパレータの第2空隙率の比が2.2以上2.8以下である非水電解質電池:
LiaNi(1-b-c-d)CobMncMdO2 (1)
ここで、1≦a≦1.2、0<b≦0.4、0<c≦0.4、0≦d≦0.1、MはFe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Y、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、GaおよびVからなる群より選択される1種以上の元素である。 a positive electrode including a positive electrode active material-containing layer that includes single particles of a positive electrode active material represented by the following formula (1) and has a first porosity of 10% or more and 25% or less;
a negative electrode;
a separator between the positive electrode and the negative electrode;
a non-aqueous electrolyte containing LiPF6 and propylene carbonate, wherein the mass ratio of the LiPF6 to the propylene carbonate is 0.5 or more and 1.0 or less;
A nonaqueous electrolyte battery, wherein the ratio of the second porosity of the separator to the first porosity is 2.2 or more and 2.8 or less:
Li a Ni (1-bcd) Co b Mn c M d O 2 (1)
Here, 1≦a≦1.2, 0< b≦0.4, 0< c≦0.4, 0≦d≦0.1, and M is one or more elements selected from the group consisting of Fe, Cu, Ti, Mg, Al, W, Y, B, Mo, Nb, Zn, Sn, Zr, Ga, and V.
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