JP7756695B2 - Lithium-ion battery and manufacturing method of lithium-ion battery - Google Patents
Lithium-ion battery and manufacturing method of lithium-ion batteryInfo
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Description
本発明は、リチウムイオン電池、およびリチウムイオン電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a lithium-ion battery and a method for manufacturing a lithium-ion battery.
EV(Electric Vehicle:電気自動車)やHEV(HybridElectrical Vehicle:ハイブリッド電気自動車)等の車両には、モータ等に電力を供給する蓄電器が搭載される。蓄電器には、複数の二次電池が設けられることが一般的である。 Vehicles such as EVs (Electric Vehicles) and HEVs (Hybrid Electric Vehicles) are equipped with storage batteries that supply power to motors and other devices. Storage batteries typically contain multiple secondary batteries.
EVやHEVに搭載される二次電池としては、リチウムイオン電池(LIB)が広く用いられている。リチウムイオン電池は、軽量で高エネルギー密度が得られるため、車両搭載用の高出力電源として好ましく用いられる。 Lithium-ion batteries (LIBs) are widely used as secondary batteries in EVs and HEVs. Because they are lightweight and offer high energy density, lithium-ion batteries are preferred as high-output power sources for vehicles.
このような車両搭載用のリチウムイオン電池は、出力特性を高めるために、初期抵抗値、および充放電サイクルにより劣化が進んだ状態の劣化抵抗値を、共に低くすることが望まれている。 In order to improve the output characteristics of such vehicle-mounted lithium-ion batteries, it is desirable to reduce both the initial resistance value and the resistance value after deterioration due to charge/discharge cycles.
また、車両搭載用のリチウムイオン電池は、高い安全性を求められるために、放電に伴う正極の発熱を抑制することが求められている。 In addition, because lithium-ion batteries for vehicle use require a high level of safety, it is necessary to suppress heat generation from the positive electrode during discharge.
リチウムイオン電池の発熱による安全性を高めるために、例えば、電解液の溶媒として用いる材料を選択し、特定の範囲で混合することによって、難燃性を高めたリチウムイオン電池の電解液が開示されている(例えば、特許文献1~4参照)。 In order to improve safety in lithium-ion batteries due to heat generation, for example, lithium-ion battery electrolytes with enhanced flame retardancy have been disclosed, which are made by selecting materials used as solvents for the electrolyte and mixing them within specific ranges (see, for example, Patent Documents 1 to 4).
しかしながら、特許文献1~4に開示されたリチウムイオン電池の電解液では、リチウムイオン電池の難燃性は高められるものの、充放電サイクル特性の改善が十分ではないという課題があった。 However, while the electrolyte solutions for lithium-ion batteries disclosed in Patent Documents 1 to 4 improve the flame retardancy of lithium-ion batteries, they do not sufficiently improve the charge-discharge cycle characteristics.
本願は上記課題の解決のため、リチウムイオン電池の充放電サイクル特性の改善を図ることを目的としたものである。そして、延いてはエネルギーの効率化に寄与するものである。 The present application aims to solve the above problems by improving the charge/discharge cycle characteristics of lithium-ion batteries, which will ultimately contribute to greater energy efficiency.
上述したような背景から、本発明者は、リチウムイオン電池の溶媒として特定の材料を特定の割合で混合したものを用い、初回充電の条件を最適化することにより、正極活物質層に含まれる正極活物質の粒子表面の少なくとも一部、および負極活物質層に含まれる負極活物質の粒子表面の少なくとも一部の少なくとも一方が、フッ素を含む被膜で被覆され、被膜がS2F2NO4を含むことにより、リチウムイオン電池の充放電サイクル特性が改善されるという新たな知見を見出した。 In light of the above-mentioned background, the present inventors have discovered a new finding that by using a mixture of specific materials in specific ratios as a solvent for a lithium ion battery and optimizing the conditions for initial charging, at least one of at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer and at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer is coated with a coating containing fluorine, and the coating contains S 2 F 2 NO 4 , thereby improving the charge-discharge cycle characteristics of the lithium ion battery.
[1]正極集電体および正極活物質層を有する正極と、
負極集電体および負極活物質層を有し、前記正極と対向する負極と、
前記正極と前記負極との間に位置し、電解液を含む電解質層と、
を有するリチウムイオン電池であって、
前記電解液は、1,2-ジメトキシエタンとフッ素化エーテルとを含む溶媒、および、該溶媒に溶解されるリチウムイミド化合物、を少なくとも含み、
前記正極活物質層に含まれる正極活物質の粒子表面の少なくとも一部、および前記負極活物質層に含まれる負極活物質の粒子表面の少なくとも一部の少なくとも一方が、フッ素を含む被膜で被覆され、
前記被膜は、S2F2NO4を含む、リチウムイオン電池。
[1] A positive electrode having a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer;
a negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer, the negative electrode facing the positive electrode;
an electrolyte layer located between the positive electrode and the negative electrode and containing an electrolyte solution;
A lithium ion battery having:
the electrolytic solution contains at least a solvent containing 1,2-dimethoxyethane and a fluorinated ether, and a lithium imide compound dissolved in the solvent;
at least one of at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer and at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer is coated with a coating containing fluorine,
A lithium - ion battery, wherein the coating comprises S2F2NO4 .
本発明のリチウムイオン電池は、正極活物質層に含まれる正極活物質の粒子表面の少なくとも一部、および前記負極活物質層に含まれる負極活物質の粒子表面の少なくとも一部の少なくとも一方が、フッ素を含む被膜で被覆され、前記被膜がS2F2NO4を含むため、充放電サイクルにおける容量維持率に優れる。 In the lithium ion battery of the present invention, at least one of at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer and at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer is coated with a coating containing fluorine, and the coating contains S2F2NO4 , so that the lithium ion battery has excellent capacity retention rate during charge and discharge cycles.
[2]飛行時間型二次イオン質量分析法による、前記正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜における前記S2F2NO4のカウント数が5000以上である、[1]に記載のリチウムイオン電池。 [2] The lithium ion battery according to [1], wherein the count number of the S 2 F 2 NO 4 in the coating that covers at least a part of the particle surface of the positive electrode active material by time-of-flight secondary ion mass spectrometry is 5000 or more.
本発明のリチウムイオン電池は、飛行時間型二次イオン質量分析法による、正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜におけるS2F2NO4のカウント数が5000以上であるため、より充放電サイクルにおける容量維持率に優れる。 The lithium ion battery of the present invention has a count number of S 2 F 2 NO 4 of 5000 or more in the coating that covers at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material, as determined by time-of-flight secondary ion mass spectrometry, and therefore has excellent capacity retention rate during charge-discharge cycles.
[3]飛行時間型二次イオン質量分析法による、前記負極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜における前記S2F2NO4のカウント数が3000以上である、請求項1に記載のリチウムイオン電池。 [3] The lithium ion battery according to claim 1, wherein the count number of the S 2 F 2 NO 4 in the coating that covers at least a part of the particle surface of the negative electrode active material by time-of-flight secondary ion mass spectrometry is 3000 or more.
本発明のリチウムイオン電池は、飛行時間型二次イオン質量分析法による、前記負極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜における前記S2F2NO4のカウント数が3000以上であるため、より充放電サイクルにおける容量維持率に優れる。 The lithium ion battery of the present invention has a count number of 3000 or more of the S 2 F 2 NO 4 in the coating that covers at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material, as determined by time-of-flight secondary ion mass spectrometry, and therefore has excellent capacity retention rate during charge-discharge cycles.
[4]リチウムイオン電池を60℃以上の環境下で、1サイクル目の充電レートを0.3C以下とする活性化工程を有し、
前記リチウムイオン電池は、正極集電体および正極活物質層を有する正極と、負極集電体および負極活物質層を有し、前記正極と前記負極との間に位置し、電解液を含む電解質層と、を有し、
前記電解液は、1,2-ジメトキシエタンとフッ素化エーテルとを含む溶媒、および、該溶媒に溶解されるリチウムイミド化合物、を少なくとも含み、
前記正極活物質層に含まれる正極活物質の粒子表面の少なくとも一部、または前記負極活物質層に含まれる負極活物質の粒子表面の少なくとも一部が、フッ素を含む被膜で被覆されている、リチウムイオン電池の製造方法。
[4] An activation step of activating the lithium ion battery in an environment of 60°C or higher at a charge rate of 0.3C or less in the first cycle,
The lithium ion battery includes a positive electrode having a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer, and an electrolyte layer having a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer, the electrolyte layer being positioned between the positive electrode and the negative electrode and containing an electrolyte solution;
the electrolytic solution contains at least a solvent containing 1,2-dimethoxyethane and a fluorinated ether, and a lithium imide compound dissolved in the solvent;
a fluorine-containing coating on at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer, or a fluorine-containing coating on at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer.
本発明のリチウムイオン電池は、リチウムイオン電池を60℃以上の環境下で、1サイクル目の充電レートを0.3C以下とする活性化工程を有するため、充放電サイクルにおける容量維持率に優れるリチウムイオン電池を製造することができる。 The lithium-ion battery of the present invention includes an activation process in which the lithium-ion battery is placed in an environment of 60°C or higher and the charge rate for the first cycle is set to 0.3 C or less, making it possible to produce a lithium-ion battery with excellent capacity retention during charge-discharge cycles.
本発明によれば、リチウムイオン電池の充放電サイクル特性の改善を図ることができる。 The present invention makes it possible to improve the charge/discharge cycle characteristics of lithium-ion batteries.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態のリチウムイオン電池について説明する。
なお、以下に示す実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
Hereinafter, a lithium ion battery according to one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The embodiments shown below are specifically described to provide a better understanding of the gist of the invention, and unless otherwise specified, do not limit the present invention. Furthermore, the drawings used in the following description may show essential parts enlarged for the sake of convenience in order to make the features of the present invention easier to understand, and the dimensional proportions of each component may not necessarily be the same as those in reality.
[リチウムイオン電池]
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン電池の構成例を説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン電池の層構成の一例を示す模式断面図である。
[Lithium-ion battery]
An example of the configuration of a lithium ion battery according to one embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the layer structure of a lithium ion battery according to one embodiment of the present invention.
リチウムイオン電池(LIB)10は、正極集電体11およびこの正極集電体11の一面に位置する正極活物質層12を有する正極13と、負極集電体14およびこの負極集電体14の一面に位置する負極活物質層15を有して正極13と対向する負極16と、正極13と負極16との間に位置する電解質層17と、が積層されてなる。 The lithium-ion battery (LIB) 10 is composed of a stack of a positive electrode 13 having a positive electrode current collector 11 and a positive electrode active material layer 12 located on one side of the positive electrode current collector 11, a negative electrode 16 having a negative electrode current collector 14 and a negative electrode active material layer 15 located on one side of the negative electrode current collector 14 and facing the positive electrode 13, and an electrolyte layer 17 located between the positive electrode 13 and the negative electrode 16.
正極活物質層12は、正極合剤を含む層である。正極合剤は、正極活物質と、炭酸リチウムと、導電助剤と、バインダーとを有する。 The positive electrode active material layer 12 is a layer containing a positive electrode mixture. The positive electrode mixture contains a positive electrode active material, lithium carbonate, a conductive additive, and a binder.
正極活物質は、イオンの吸蔵および放出、イオンの脱離および挿入(インターカレーション)、または、イオンとイオンのカウンターアニオン(例えば、PF6 -)とのドープおよび脱ドープを可逆的に進行させることが可能な電極活物質を用いることができる。 The positive electrode active material can be an electrode active material that can reversibly absorb and release ions, desorb and insert ions (intercalation), or dope and dedope ions with their counter anions (e.g., PF 6 − ).
正極活物質の具体例としては、例えば、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMnO2)、リチウムマンガンスピネル(LiMn2O4)、および、一般式:LiNixCoyMnzMaO2(x+y+z+a=1、0≦x<1、0≦y<1、0≦z<1、0≦a<1、MはAl、Mg、Nb、Ti、Cu、Zn、Crより選ばれる1種類以上の元素)で表される複合金属酸化物(三元系化合物)、リチウムバナジウム化合物(LiV2O5)、オリビン型LiMPO4(ただし、Mは、Co、Ni、Mn、Fe、Mg、Nb、Ti、Al、Zrより選ばれる1種類以上の元素又はVOを示す)、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、LiNixCoyAlzO2(0.9<x+y+z<1.1)等の複合金属酸化物、ポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセン等が挙げられる。
本実施形態では、正極合剤に含まれる正極活物質として、Ni,Co,Mnを含む三元系化合物を用いた。
Specific examples of the positive electrode active material include lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMnO 2 ), lithium manganese spinel (LiMn 2 O 4 ), composite metal oxides (ternary compounds) represented by the general formula: LiNi x Co y Mn z M a O 2 (x + y + z + a = 1, 0≦x<1, 0≦y<1, 0≦z<1, 0≦a<1, M is one or more elements selected from Al, Mg, Nb, Ti, Cu, Zn, and Cr), lithium vanadium compounds (LiV 2 O 5 ), and olivine-type LiMPO 4 (wherein M represents one or more elements selected from Co, Ni, Mn, Fe, Mg, Nb, Ti, Al, and Zr , or VO), composite metal oxides such as lithium titanate ( Li4Ti5O12 ) and LiNixCoyAlzO2 ( 0.9 <x+y+z<1.1), polyacetylene, polyaniline , polypyrrole, polythiophene, and polyacene.
In this embodiment, a ternary compound containing Ni, Co, and Mn is used as the positive electrode active material contained in the positive electrode mixture.
正極活物質層12の正極合剤に含まれるバインダーとしては、公知のものを用いることができる。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)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン-クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、が挙げられる。 Known binders can be used as the binder contained in the positive electrode mixture of the positive electrode active material layer 12. Examples include fluororesins such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), and polyvinyl fluoride (PVF).
正極活物質層12の正極合剤に含まれる導電助剤としては、例えば、カーボンブラック類等のカーボン粉末、カーボンナノチューブ、炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属微粉、炭素材料および金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。
正極活物質層12を構成する正極合剤には、カーボンブラックのうち、特に導電性に優れたケッチェンブラックを用いている。
なお、導電助剤は、正極合剤のみで十分な導電性を確保できる場合は、正極合剤には導電助剤を含んでいなくてもよい。
Examples of the conductive additive contained in the positive electrode mixture of the positive electrode active material layer 12 include carbon powders such as carbon blacks, carbon nanotubes, carbon materials, metal fine powders such as copper, nickel, stainless steel, and iron, mixtures of carbon materials and metal fine powders, and conductive oxides such as ITO.
The positive electrode mixture constituting the positive electrode active material layer 12 uses Ketjen black, which is a type of carbon black that has particularly excellent conductivity.
In addition, when sufficient conductivity can be ensured by the positive electrode mixture alone, the positive electrode mixture does not need to contain a conductive additive.
負極活物質層15は、負極合剤として負極活物質とバインダーとを有し、必要に応じて導電助剤を有する。負極活物質は、公知の負極活物質を使用できる。負極活物質としては、例えば、金属リチウム、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛)、カーボンナノチューブ、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等の炭素材料、アルミニウム、シリコン、スズ等のリチウムと化合することのできる金属、SiOx(0<x<2)、二酸化スズ等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)等を含む粒子が挙げられる。 The negative electrode active material layer 15 contains a negative electrode active material and a binder as a negative electrode mixture, and optionally contains a conductive additive. Known negative electrode active materials can be used as the negative electrode active material. Examples of the negative electrode active material include metallic lithium, graphite (natural graphite, artificial graphite) capable of absorbing and releasing lithium ions, carbon materials such as carbon nanotubes, non-graphitizable carbon, easily graphitizable carbon, and low-temperature fired carbon, metals capable of combining with lithium such as aluminum, silicon, and tin, amorphous compounds mainly composed of oxides such as SiO x (0<x<2) and tin dioxide, and particles containing lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ).
負極合剤に含まれる導電助剤およびバインダーは、正極活物質層12と同様のものを用いることができる。負極合剤に用いるバインダーは、正極活物質層12で挙げた他に、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアクリル酸(PAA)等を用いることもできる。 The conductive additive and binder contained in the negative electrode mixture can be the same as those used in the positive electrode active material layer 12. In addition to the binders listed for the positive electrode active material layer 12, other binders that can be used in the negative electrode mixture include, for example, carboxymethyl cellulose (CMC), styrene-butadiene rubber (SBR), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyacrylic acid (PAA), etc.
負極活物質層15を含む負極16は、リチウムイオン電池10を充電する際に、負極活物質の一例であるカーボン材料中の層間にリチウムイオンが入り込むことで電位が変化する。 When the lithium-ion battery 10 is charged, the potential of the negative electrode 16, which includes the negative electrode active material layer 15, changes as lithium ions enter between the layers of the carbon material, which is an example of a negative electrode active material.
電解質層(セパレータ)17は、正極13と負極16との間にあって、リチウムイオンを透過し、かつ正極13と負極16とを隔離する。電解質層(セパレータ)17は、例えば、樹脂材料からなる多孔質膜や、不織布等によって構成されている。電解質層(セパレータ)17は、電解液を含む。 The electrolyte layer (separator) 17 is located between the positive electrode 13 and the negative electrode 16, allows lithium ions to pass through, and separates the positive electrode 13 and the negative electrode 16. The electrolyte layer (separator) 17 is made of, for example, a porous membrane made of a resin material or a nonwoven fabric. The electrolyte layer (separator) 17 contains an electrolytic solution.
本実施形態のリチウムイオン電池10に用いる電解液は、1,2-ジメトキシエタンとフッ素化エーテルとを混合した溶媒と、この溶媒にリチウムイミド化合物を溶解させたものである。 The electrolyte used in the lithium-ion battery 10 of this embodiment is a solvent mixture of 1,2-dimethoxyethane and a fluorinated ether, with a lithium imide compound dissolved in this solvent.
電解液の溶媒に用いるフッ素化エーテル(フッ素含有鎖状エーテル)としては、例えば、1,2-エトキシエタン(DEE)若しくはエトキシメトキシエタン(EME)の一部または全部の水素原子をフッ素原子で置換した構造を有する化合物等が挙げられる。 Examples of fluorinated ethers (fluorine-containing chain ethers) used as solvents for electrolyte solutions include compounds having a structure in which some or all of the hydrogen atoms in 1,2-ethoxyethane (DEE) or ethoxymethoxyethane (EME) are replaced with fluorine atoms.
フッ素化エーテルは、炭素数が小さい場合、沸点が低くなる傾向があるため、電池の高温動作時に気化してしまう場合がある。一方、炭素数が大きすぎると、鎖状エーテルの粘度が高くなって、電解液の導電性が下がる場合がある。したがって、炭素数は4以上10以下であることが好ましい。 When the number of carbon atoms in a fluorinated ether is small, it tends to have a low boiling point, which can lead to evaporation during high-temperature operation of the battery. On the other hand, if the number of carbon atoms is too large, the viscosity of the chain ether increases, which can reduce the conductivity of the electrolyte. Therefore, it is preferable for the number of carbon atoms to be between 4 and 10.
フッ素含有鎖状エーテルの具体例としては、2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピル1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル、1,1,2,2-テトラフルオロエチル2,2,2-トリフルオロエチルエーテル、1H,1H,2’H,3H-デカフルオロジプロピルエーテル、1,1,2,3,3,3-ヘキサフルオロプロピル-2,2-ジフルオロエチルエーテル、イソプロピル1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル、プロピル1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル、1,1,2,2-テトラフルオロエチル2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル、1H,1H,5H-パーフルオロペンチル-1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル、1H,1H,2’H-パーフルオロジプロピルエーテル、1H-パーフルオロブチル-1H-パーフルオロエチルエーテル、メチルパーフルオロペンチルエーテル、メチルパーフルオロへキシルエーテル、メチル1,1,3,3,3-ペンタフルオロ-2-(トリフルオロメチル)プロピルエーテル、1,1,2,3,3,3-ヘキサフルオロプロピル2,2,2-トリフルオロエチルエーテル、エチルノナフルオロブチルエーテル、エチル1,1,2,3,3,3-ヘキサフルオロプロピルエーテル、1,1,2,3,3,3-ヘキサフルオロプロピル1H,1H-ヘプタフルオロブチルエーテル、ビス(2,2,3,3-テトラフルオロプロピル)エーテル、ビス(2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピル)エーテル、1H,1H,5H-オクタフルオロペンチル1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル、1H,1H,2’H-パーフルオロジプロピルエーテル、ヘプタフルオロプロピル1,2,2,2-テトラフルオロエチルエーテル、1,1,2,2-テトラフルオロエチル-2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル、2,2,3,3,3-ペンタフルオロプロピル-1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル、エチルノナフルオロブチルエーテル、メチルノナフルオロブチルエーテル、2,2,3,4,4,4-ヘキサフルオロブチル-ジフルオロメチルエーテル、1,1-ジフルオロエチル-2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル、1,1-ジフルオロエチル-1H,1H-ヘプタフルオロブチルエーテル、ビス(1H,1H-ヘプタフルオロブチル)エーテル、ノナフルオロブチルメチルエーテル、2,2-ジフルオロエチル-1,1,2,2-テトラフルオロエチルエーテル、ビス(2,2-ジフルオロエチル)エーテル、ビス(1,1,2-トリフルオロエチル)エーテル、1,1,2-トリフルオロエチル-2,2,2-トリフルオロエチルエーテル、ビス(1,1,2,2-テトラフルオロエチル)エーテル、などが挙げられる。 Specific examples of fluorine-containing chain ethers include 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl 1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether, 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,2-trifluoroethyl ether, 1H,1H,2'H,3H-decafluorodipropyl ether, 1,1,2,3,3,3-hexafluoropropyl-2,2-difluoroethyl ether, isopropyl 1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether, propyl 1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether, 1,1,2,2-tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether, and 1H,1H,5H-perfluoropentyl-1, 1,2,2-tetrafluoroethyl ether, 1H,1H,2'H-perfluorodipropyl ether, 1H-perfluorobutyl-1H-perfluoroethyl ether, methyl perfluoropentyl ether, methyl perfluorohexyl ether, methyl 1,1,3,3,3-pentafluoro-2-(trifluoromethyl)propyl ether, 1,1,2,3,3,3-hexafluoropropyl 2,2,2-trifluoroethyl ether, ethyl nonafluorobutyl ether, ethyl 1,1,2,3,3,3-hexafluoropropyl ether, 1,1,2,3,3,3-hexafluoropropyl 1H,1H-heptafluorobutyl ether, biphenyls, bis(2,2,3,3-tetrafluoropropyl) ether, bis(2,2,3,3,3-pentafluoropropyl) ether, 1H,1H,5H-octafluoropentyl 1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether, 1H,1H,2'H-perfluorodipropyl ether, heptafluoropropyl 1,2,2,2-tetrafluoroethyl ether, 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether, 2,2,3,3,3-pentafluoropropyl-1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether, ethyl nonafluorobutyl ether, methyl nonafluorobutyl ether, 2,2,3,4,4, Examples include 4-hexafluorobutyl-difluoromethyl ether, 1,1-difluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether, 1,1-difluoroethyl-1H,1H-heptafluorobutyl ether, bis(1H,1H-heptafluorobutyl)ether, nonafluorobutyl methyl ether, 2,2-difluoroethyl-1,1,2,2-tetrafluoroethyl ether, bis(2,2-difluoroethyl)ether, bis(1,1,2-trifluoroethyl)ether, 1,1,2-trifluoroethyl-2,2,2-trifluoroethyl ether, and bis(1,1,2,2-tetrafluoroethyl)ether.
上述したフッ素化エーテル(フッ素含有鎖状エーテル)の中でも、耐電圧性と沸点等の観点から、本実施形態では、1,1,2,2-テトラフルオロエチル-2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル(TTE)を用いている。 Of the above-mentioned fluorinated ethers (fluorine-containing chain ethers), in this embodiment, 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether (TTE) is used from the standpoints of voltage resistance, boiling point, etc.
フッ素化エーテルは、溶媒全体の質量に対して50質量%以上、90質量%以下の割合、より好ましくは75質量%以上、90質量%以下の割合で含まれていればよい。フッ素化エーテルを溶媒全体の質量に対して75質量%以上、90質量%以下の割合にすることで、正極集電体11として、例えばアルミニウムを用いた際に、このアルミニウムの電解液による腐食を防止することができる。これにより、リチウムイオン電池10の充放電サイクルをより一層向上させることが可能になる。
電解液に対するフッ素化エーテルの濃度としては、1mol/L以上、5mol/L以下の濃度範囲であればよい。
The fluorinated ether may be contained in a proportion of 50% by mass or more and 90% by mass or less, more preferably 75% by mass or more and 90% by mass or less, based on the mass of the entire solvent. By containing the fluorinated ether in a proportion of 75% by mass or more and 90% by mass or less, based on the mass of the entire solvent, corrosion of aluminum by the electrolyte can be prevented when aluminum is used as the positive electrode current collector 11. This makes it possible to further improve the charge/discharge cycle of the lithium-ion battery 10.
The concentration of the fluorinated ether in the electrolyte may be in the range of 1 mol/L or more and 5 mol/L or less.
電解液の溶媒に用いる1,2-ジメトキシエタン(DME)は、有機溶媒としては比較的沸点が高い(85℃)水溶性の液体である。
1,2-ジメトキシエタンは、電解液全体の質量に対して10質量%以上、30質量%以下の割合、より好ましくは15質量%以上、25質量%以下の割合で含まれていればよい。電解液に対する1,2-ジメトキシエタンの濃度としては、3mol/L以上、7mol/L以下の濃度範囲であればよい。
1,2-dimethoxyethane (DME) used as a solvent for the electrolyte is a water-soluble liquid with a relatively high boiling point (85° C.) as an organic solvent.
The 1,2-dimethoxyethane may be contained in an amount of 10% by mass or more and 30% by mass or less, more preferably 15% by mass or more and 25% by mass or less, based on the total mass of the electrolyte solution. The concentration of 1,2-dimethoxyethane in the electrolyte solution may be in the range of 3 mol/L or more and 7 mol/L or less.
電解液に含まれる1,2-ジメトキシエタンをエチレンカーボーネートに置き換えることもできる。
エチレンカーボーネート(炭酸エチレン)は、融点が34℃~37℃のガラス状固体(室温)であり、エチレングリコールの炭酸とのエステルである。エチレンカーボーネートは極性溶媒であり、電解液の溶媒に添加することによって、誘電率を高めることができる。
The 1,2-dimethoxyethane contained in the electrolyte can also be replaced with ethylene carbonate.
Ethylene carbonate is a glassy solid (room temperature) with a melting point of 34°C to 37°C, and is an ester of ethylene glycol with carbonic acid. Ethylene carbonate is a polar solvent, and adding it to the solvent of an electrolyte can increase the dielectric constant.
エチレンカーボーネートは、1,2-ジメトキシエタンに対して2mol/L以下の濃度範囲で含有させればよい。
または、エチレンカーボーネートは、溶媒全体に対して8質量%未満の濃度範囲で含まれていてもよい。
エチレンカーボーネートを溶媒全体に対して8質量%未満の濃度範囲にすることで、正極集電体11として、例えば、アルミニウムを用いた際に、このアルミニウムの電解液による腐食を防止することができる。これにより、リチウムイオン電池10の充放電サイクルをより一層向上させることが可能になる。
Ethylene carbonate may be contained in a concentration range of 2 mol/L or less relative to 1,2-dimethoxyethane.
Alternatively, ethylene carbonate may be contained in a concentration range of less than 8 mass % relative to the total mass of the solvent.
By setting the concentration of ethylene carbonate to a range of less than 8 mass % with respect to the entire solvent, it is possible to prevent corrosion of aluminum by the electrolyte when, for example, aluminum is used as the positive electrode current collector 11. This makes it possible to further improve the charge/discharge cycle of the lithium ion battery 10.
リチウムイミド化合物は、電解液の溶媒に溶解される電解質であり、一般的に、リチウムアミドと水素化リチウムとの反応により生成される。本実施形態に用いられるリチウムイミド化合物としては、リチウムビス-フルオロスルホニルイミド(LiFSI)またはリチウムビス-トリフルオロメタンスルホニルイミド(LiTFSI)が挙げられる。こうしたリチウムビスイミドは、リチウム塩として非水性の電解液に添加することにより、低温出力特性を向上させるとともに、高温サイクル作動時に発生し得る正極表面の分解を抑制して、電解液の酸化反応を防止することができる。 Lithium imide compounds are electrolytes dissolved in the solvent of the electrolyte solution and are generally produced by the reaction of lithium amide with lithium hydride. Examples of lithium imide compounds used in this embodiment include lithium bis-fluorosulfonylimide (LiFSI) and lithium bis-trifluoromethanesulfonylimide (LiTFSI). Adding these lithium bisimides to the non-aqueous electrolyte solution as lithium salts improves low-temperature output characteristics and suppresses decomposition of the positive electrode surface, which can occur during high-temperature cycle operation, thereby preventing oxidation of the electrolyte solution.
こうしたリチウムイミド化合物は、電解液全体に対して、1mol/L以上、3mol/L以下の濃度範囲で含まれていればよい。 Such lithium imide compounds may be contained in the electrolyte at a concentration ranging from 1 mol/L to 3 mol/L inclusive.
以上のような構成の本実施形態の電解液を本実施形態のリチウムイオン電池10に用いると、正極活物質層12に含まれる正極活物質の粒子表面の少なくとも一部、および負極活物質層15に含まれる負極活物質の粒子表面の少なくとも一部の少なくとも一方が、フッ素を含む被膜で被覆される。
例えば、正極活物質の粒子表面には、電解液のフッ素化エーテルによって、フッ素含有有機物の被膜が形成される。このように、正極活物質の粒子表面の少なくとも一部が、フッ素を含む被膜で被覆されると、可逆容量損失を減少させることができる。そして、充放電サイクルにおける良好な放電特性を得ることができる。また、正極活物質の表面の安定性を向上によって、高温時の酸素放出を遅延させ、発熱開始温度をより高温側にして、高温温度耐性と安全性を向上させることができる。
また、負極活物質の粒子表面には、電解液のフッ素化エーテルによって、フッ素含有有機物の被膜が形成される。このように、負極活物質の粒子表面の少なくとも一部が、フッ素を含む被膜で被覆されると、可逆容量損失を減少させることができる。
When the electrolyte solution of the present embodiment having the above-described configuration is used in the lithium-ion battery 10 of the present embodiment, at least one of at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 12 and at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer 15 is coated with a coating containing fluorine.
For example, a fluorine-containing organic coating is formed on the particle surface of the positive electrode active material by the fluorinated ether in the electrolyte. Thus, when at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material is coated with a fluorine-containing coating, reversible capacity loss can be reduced. This leads to good discharge characteristics during charge-discharge cycles. Furthermore, by improving the surface stability of the positive electrode active material, oxygen release at high temperatures can be delayed, and the heat generation onset temperature can be raised, improving high-temperature resistance and safety.
Furthermore, a coating of a fluorine-containing organic material is formed on the particle surface of the negative electrode active material by the fluorinated ether in the electrolyte. When at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material is coated with a coating containing fluorine, the reversible capacity loss can be reduced.
本実施形態のリチウムイオン電池10では、正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜、および負極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜は、S2F2NO4を含む。前記被膜がS2F2NO4を含むことにより、リチウムイオン電池10は、充放電サイクルにおける容量維持率に優れる。 In the lithium-ion battery 10 of this embodiment, the coating that covers at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material and the coating that covers at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material contain S2F2NO4 . Because the coating contains S2F2NO4 , the lithium - ion battery 10 has an excellent capacity retention rate during charge-discharge cycles.
前記被膜に含まれるS2F2NO4は、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF-SIMS:Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)によって分析することができる。 The S 2 F 2 NO 4 contained in the coating can be analyzed by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS).
TOF-SIMSによる正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜におけるS2F2NO4のカウント数が5000以上であることが好ましい。前記被膜に含まれるS2F2NO4のカウント数が前記下限値以上であると、リチウムイオン電池10は、より充放電サイクルにおける容量維持率に優れる。 It is preferable that the count number of S 2 F 2 NO 4 in the coating that covers at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material by TOF-SIMS is not less than 5000. When the count number of S 2 F 2 NO 4 contained in the coating is not less than the lower limit, the lithium ion battery 10 has a better capacity retention rate during charge and discharge cycles.
TOF-SIMSによる負極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜におけるS2F2NO4のカウント数が3000以上であることが好ましい。前記被膜に含まれるS2F2NO4のカウント数が前記下限値以上であると、リチウムイオン電池10は、より充放電サイクルにおける容量維持率に優れる。 It is preferable that the count number of S 2 F 2 NO 4 in the coating that covers at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material by TOF-SIMS is not less than 3000. When the count number of S 2 F 2 NO 4 contained in the coating is not less than the lower limit, the lithium ion battery 10 has a better capacity retention rate during charge and discharge cycles.
TOF-SIMSによる前記被膜に含まれるS2F2NO4のカウント数は、前記被膜に含まれる任意の物質の総量(合計質量)の内の、S2F2NO4の質量%に換算することができる。例えば、本実施形態のリチウムイオン電池10において、正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜、または負極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜からTOF-SIMSによって検出された主なアニオン分子は、F、PO2、SO3、CN、Li2F3、S2F2NO4の6つである。F、PO2、SO3、CN、Li2F3、S2F2NO4のそれぞれの分子量は18.99、62.97、80.06、26.02、70.88、180.13であるため、それぞれのカウント数にそれぞれの分子量を乗じたものの総和に対する、S2F2NO4のカウント数にS2F2NO4の分子量を乗じたものの比を計算することで、上記6つのアニオン分子中に含まれるS2F2NO4の質量%を得る。 The number of S 2 F 2 NO 4 counted in the coating by TOF-SIMS can be converted into the mass % of S 2 F 2 NO 4 in the total amount (total mass) of any substance contained in the coating. For example, in the lithium-ion battery 10 of this embodiment, the main anion molecules detected by TOF-SIMS from the coating covering at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material or the coating covering at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material are six: F, PO 2 , SO 3 , CN, Li 2 F 3 , and S 2 F 2 NO 4 . Since the molecular weights of F, PO2 , SO3 , CN, Li2F3 , and S2F2NO4 are 18.99, 62.97, 80.06 , 26.02, 70.88 , and 180.13, respectively, the mass % of S2F2NO4 contained in the six anion molecules can be obtained by calculating the ratio of the count number of S2F2NO4 multiplied by the molecular weight of S2F2NO4 to the sum of the count numbers multiplied by the molecular weight of S2F2NO4 .
上記の換算方法により、正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜の上記6つのアニオン分子の合計質量(100質量%とする)に対するS2F2NO4の含有量は、65質量%が好ましく、68質量%以上がより好ましい。前記被膜の全質量に対するS2F2NO4の含有量が前記下限値以上であると、サイクル特性が向上する。 According to the above conversion method, the content of S2F2NO4 relative to the total mass (100 mass%) of the six anion molecules in the coating that covers at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material is preferably 65 mass%, more preferably 68 mass% or more. When the content of S2F2NO4 relative to the total mass of the coating is equal to or greater than the lower limit, the cycle characteristics are improved.
また、上記の換算方法により、負極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜の全質量(100質量%)に対するS2F2NO4の含有量は、73質量%が好ましく、74質量%以上がより好ましい。前記被膜の全質量に対するS2F2NO4の含有量が前記下限値以上であると、サイクル特性が向上する。 Furthermore, by the above conversion method, the content of S2F2NO4 relative to the total mass (100 mass%) of the coating that covers at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material is preferably 73 mass% and more preferably 74 mass % or more. When the content of S2F2NO4 relative to the total mass of the coating is equal to or greater than the lower limit, the cycle characteristics are improved.
本実施形態のリチウムイオン電池10によれば、正極活物質層12に含まれる正極活物質の粒子表面の少なくとも一部、および負極活物質層15に含まれる負極活物質の粒子表面の少なくとも一部の少なくとも一方が、フッ素を含む被膜で被覆され、被膜がS2F2NO4を含むため、充放電サイクルにおける容量維持率に優れるリチウムイオン電池10を実現することができる。
S2F2NO4は、電解液の溶媒に溶解される電解質であるリチウムイミド化合物が分解して生成される特有の生成物であり、また、S2F2NO4は、本実施形態のリチウムイオン電池10の正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜、または負極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜から検出されたアニオン分子の内で、分子式がリチウムイミド化合物に近い。
このことから、S2F2NO4に含まれるフッ素または窒素が、充放電サイクルにおける容量維持率の向上に効果的に作用していると推測される。
According to the lithium ion battery 10 of this embodiment, at least one of at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 12 and at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer 15 is coated with a coating containing fluorine, and the coating contains S2F2NO4 , so that a lithium ion battery 10 with excellent capacity retention rate during charge and discharge cycles can be realized.
S2F2NO4 is a specific product produced by decomposition of a lithium imide compound, which is an electrolyte dissolved in a solvent of an electrolytic solution, and among the anion molecules detected from the coating covering at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material of the lithium ion battery 10 of this embodiment or the coating covering at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material, S2F2NO4 has a molecular formula close to that of a lithium imide compound.
From this, it is presumed that the fluorine or nitrogen contained in S 2 F 2 NO 4 acts effectively to improve the capacity retention rate during charge-discharge cycles.
[リチウムイオン電池の製造方法]
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン電池の製造方法は、リチウムイオン電池を60℃以上の環境下で、1サイクル目の充電レートを0.3C以下とする活性化工程を有する。
1サイクル目の充電レートは、0.05C以下が好ましい。また、1サイクル目の充電電圧は、特に限定されず、任意の値であってよい。
1サイクル目の放電レートは、特に限定されず、任意の値であってよい。また、1サイクル目の放電電圧は、特に限定されず、任意の値であってよい。
[Method of manufacturing lithium-ion batteries]
A method for manufacturing a lithium ion battery according to one embodiment of the present invention includes an activation step of activating a lithium ion battery in an environment of 60° C. or higher at a charge rate of 0.3 C or less in the first cycle.
The charge rate in the first cycle is preferably equal to or less than 0.05 C. The charge voltage in the first cycle is not particularly limited and may be any value.
The discharge rate in the first cycle is not particularly limited and may be any value. The discharge voltage in the first cycle is also not particularly limited and may be any value.
本実施形態のリチウムイオン電池の製造方法におけるリチウムイオン電池は、正極集電体および正極活物質層を有する正極と、負極集電体および負極活物質層を有し、正極と対向する負極と、正極と負極との間に位置し、電解液を含む電解質層と、を有し、電解液は、1,2-ジメトキシエタンとフッ素化エーテルとを含む溶媒、および、該溶媒に溶解されるリチウムイミド化合物、を少なくとも含み、正極活物質層に含まれる正極活物質の粒子表面の少なくとも一部、または負極活物質層に含まれる負極活物質の粒子表面の少なくとも一部が、フッ素を含む被膜で被覆されているものである。 The lithium-ion battery in the manufacturing method for a lithium-ion battery of this embodiment comprises a positive electrode having a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer, a negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer and facing the positive electrode, and an electrolyte layer located between the positive electrode and the negative electrode and containing an electrolyte solution, the electrolyte solution containing at least a solvent containing 1,2-dimethoxyethane and a fluorinated ether, and a lithium imide compound dissolved in the solvent, and at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer or at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer is coated with a coating containing fluorine.
本実施形態に係るリチウムイオン電池の製造方法は、活性化工程を経る前のリチウムイオン電池の製造工程を有していてもよい。
活性化工程を経る前のリチウムイオン電池は、上述の正極と上述の負極を、電解質層を介して積層させることによって得られる。
The method for manufacturing a lithium ion battery according to this embodiment may include a manufacturing step of a lithium ion battery before the activation step.
The lithium ion battery before the activation step is obtained by stacking the above-mentioned positive electrode and the above-mentioned negative electrode with an electrolyte layer interposed therebetween.
本実施形態のリチウムイオン電池の製造方法によれば、上記活性化工程により、正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜、および負極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜の少なくとも一方に、S2F2NO4が生成し、上述の実施形態のリチウムイオン電池が得られる。 According to the method for producing a lithium ion battery of this embodiment, S 2 F 2 NO 4 is produced in at least one of the coating covering at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material and the coating covering at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material by the activation step , thereby obtaining the lithium ion battery of the above embodiment.
以上、本発明の実施形態を説明したが、こうした実施形態は、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。こうした実施形態は、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同様に、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。 The above describes embodiments of the present invention, but these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be embodied in a variety of other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their variations are included 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、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples, but the present invention is not limited to the following examples.
本発明の効果を検証した。
[電解質層]
以下の組成の電解液(試料)を作成した。なお、各試料の濃度は、電解質全体に対する濃度を示している。
電解質:LiFSI(1.7mol/L)、溶媒:EC/DME/TTE(0.9mol/L/2.2mol/L/3.8mol/L)
LiFSI:リチウムビス-フルオロスルホニルイミド
EC:エチレンカーボーネート
DME:1,2-ジメトキシエタン
TTE:1,1,2,2-テトラフルオロエチル-2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル
これら各試料の電解液をシート状の多孔質基材に含侵させて電解質層を得た。
The effects of the present invention were verified.
[Electrolyte layer]
Electrolyte solutions (samples) having the following compositions were prepared. The concentration of each sample is shown relative to the total electrolyte.
Electrolyte: LiFSI (1.7 mol/L), solvent: EC/DME/TTE (0.9 mol/L/2.2 mol/L/3.8 mol/L)
LiFSI: lithium bis-fluorosulfonylimide EC: ethylene carbonate DME: 1,2-dimethoxyethane TTE: 1,1,2,2-tetrafluoroethyl-2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether The electrolyte solution of each of these samples was impregnated into a sheet-shaped porous substrate to obtain an electrolyte layer.
[正極]
正極合剤として、LiCoNiMnO6(NMC)、炭酸リチウム、ケッチェンブラック(KB)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)の混練物を用い、この混錬物を、塗工機(ブレードコーター)を用いてアルミニウム薄膜に塗布し、乾燥して正極を得た。
[Positive electrode]
A kneaded mixture of LiCoNiMnO 6 (NMC), lithium carbonate, Ketjen black (KB), and polyvinylidene fluoride (PVDF) was used as the positive electrode mixture. This kneaded mixture was applied to an aluminum thin film using a blade coater and dried to obtain a positive electrode.
[負極]
負極としては、黒鉛および酸化ケイ素を用いた。
[Negative electrode]
The negative electrode was made of graphite and silicon oxide.
以上のような正極、負極および電解質層を積層させて、検証に用いるリチウムイオン電池を作製した。 The positive electrode, negative electrode, and electrolyte layer described above were stacked to create the lithium-ion battery used for verification.
<検証例1>
上述したリチウムイオン電池を用いて、初回充電によるリチウムイオン電池の容量を測定した。初回充電におけるリチウムイオン電池の温度を25℃、45℃、60℃、65℃とした。なお、初回充電におけるリチウムイオン電池の温度は、リチウムイオン電池のセルの温度を熱電対で測定した温度である。初回充電における充電レートを0.05C、4.15Vとした。充電時のdQ/dV曲線を図2に示す。充電時のリチウムイオン電池の温度が高くなるに従って、正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜、および負極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜の形成に起因する反応量を示す2.5V-2.7Vに見られるピークの面積が大きくなっていることが分かった。
<Verification Example 1>
Using the above-described lithium-ion battery, the capacity of the lithium-ion battery after initial charging was measured. The temperatures of the lithium-ion battery during initial charging were 25°C, 45°C, 60°C, and 65°C. The temperature of the lithium-ion battery during initial charging was the temperature measured by a thermocouple from the temperature of the lithium-ion battery cell. The charge rate during initial charging was 0.05C and 4.15V. The dQ/dV curve during charging is shown in Figure 2. It was found that as the temperature of the lithium-ion battery during charging increased, the area of the peak observed at 2.5V-2.7V, which indicates the amount of reaction resulting from the formation of a coating covering at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material and a coating covering at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material, increased.
<検証例2>
上述したリチウムイオン電池を用いて、50サイクルの充放電を繰り返して、初回充電に対する50サイクル目の充電における容量維持率(%)を測定した。また、初回の充電時の正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜、および負極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜の形成に起因する反応量を示すdQ/dV曲線の2.5V-2.7Vに見られるピークの面積と容量維持率(%)を表1と図3に示す。
<Verification Example 2>
The lithium-ion battery described above was repeatedly charged and discharged 50 times, and the capacity retention rate (%) at the 50th charge cycle relative to the initial charge was measured. Table 1 and Figure 3 show the area of the peak observed at 2.5 V-2.7 V on the dQ/dV curve, which indicates the reaction amount resulting from the formation of a coating covering at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material and a coating covering at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material during the initial charge.
表1および図3に示す結果から、セルの温度が60℃以上であれば、十分量の被膜が形成されて、容量維持率が高くなることが分かった。 The results shown in Table 1 and Figure 3 indicate that if the cell temperature is 60°C or higher, a sufficient amount of film is formed, resulting in a high capacity retention rate.
また、初回充電におけるリチウムイオン電池の温度と反応量の関係を図4に示す。
図4に示す結果から、充電時のリチウムイオン電池の温度が高くなるに従って、正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜、および負極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜の形成に起因する反応量が大きくなることが分かった。
FIG. 4 shows the relationship between the temperature and the reaction amount of the lithium ion battery during the initial charge.
From the results shown in FIG. 4, it was found that as the temperature of the lithium-ion battery during charging increases, the amount of reaction resulting from the formation of a coating that covers at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material and a coating that covers at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material increases.
<検証例3>
上述したリチウムイオン電池を用いて、初回充電を行った。初回充電におけるリチウムイオン電池の温度を25℃、45℃、65℃とした。なお、初回充電におけるリチウムイオン電池の温度は、リチウムイオン電池のセルの温度を熱電対で測定した温度である。初回充電における充電レートを0.05C、4.15Vとした。TOF-SIMSにより、充電によって、正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜、および負極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜に生成した成分を測定した。TOF-SIMSによる被膜に生成したアニオン成分を測定する条件は下記の通りである。
(一次イオン源)
イオン種:Bi3++(ビスマスが3つのクラスターで2荷のイオン)
加速電圧:30kV
電流値:約0.2pA
測定エリア:約100μm角
(スパッタイオン源)
イオン種:Arクラスターイオン
加速電圧:2.5kV
測定エリア:約400μm角
サイクル(スパッタ回数):100
<Verification Example 3>
An initial charge was performed using the above-described lithium ion battery. The temperatures of the lithium ion battery during the initial charge were 25°C, 45°C, and 65°C. The temperature of the lithium ion battery during the initial charge was the temperature measured by a thermocouple from the cell temperature of the lithium ion battery. The charge rate during the initial charge was 0.05 C and 4.15 V. TOF-SIMS was used to measure the components formed in the coating covering at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material and the coating covering at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material by charging. The conditions for measuring the anion components formed in the coating by TOF-SIMS were as follows:
(Primary ion source)
Ion species: Bi 3++ (bismuth ions with three clusters and two charges)
Acceleration voltage: 30 kV
Current value: approximately 0.2 pA
Measurement area: Approximately 100 μm square (sputter ion source)
Ion species: Ar cluster ions Acceleration voltage: 2.5 kV
Measurement area: Approximately 400 μm square Cycles (number of sputtering): 100
TOF-SIMSのアニオン成分の測定結果を表2、表3、図5および図6に示す。表2および図5は、正極におけるTOF-SIMSの測定結果を示す。表3および図6は、負極におけるTOF-SIMSの測定結果を示す。 The results of TOF-SIMS anion component measurements are shown in Tables 2, 3, 5, and 6. Tables 2 and 5 show the TOF-SIMS measurement results for the positive electrode. Table 3 and 6 show the TOF-SIMS measurement results for the negative electrode.
表2および表3に示す結果から、初回充電により、正極活物質および負極活物質の粒子表面を被覆する被膜には、F、PO2、SO3、CN、Li2F3、S2F2NO4が生成していることが確認された。
図5は、反応量と正極活物質の粒子表面を被覆する被膜におけるS2F2NO4のカウント数の関係を示す図である。図5において、3つの測定結果の分布を近似的に表す直線の方程式を示す。この方程式から、初回充電におけるリチウムイオン電池の温度を60℃とした場合のS2F2NO4のカウント数を予測した。その結果、表2に示すように、初回充電におけるリチウムイオン電池の温度を60℃とした場合、正極活物質の粒子表面を被覆する被膜におけるS2F2NO4のカウント数は5473.2であった。
図6は、反応量と負極活物質の粒子表面を被覆する被膜におけるS2F2NO4のカウント数の関係を示す図である。図6において、3つの測定結果の分布を近似的に表す直線の方程式を示す。この方程式から、初回充電におけるリチウムイオン電池の温度を60℃とした場合のS2F2NO4のカウント数を予測した。その結果、表3に示すように、初回充電におけるリチウムイオン電池の温度を60℃とした場合、負極活物質の粒子表面を被覆する被膜におけるS2F2NO4のカウント数は3125.6であった。
From the results shown in Tables 2 and 3, it was confirmed that F, PO 2 , SO 3 , CN, Li 2 F 3 , and S 2 F 2 NO 4 were produced in the coatings covering the particle surfaces of the positive electrode active material and negative electrode active material during the initial charge.
5 is a diagram showing the relationship between the reaction amount and the count number of S 2 F 2 NO 4 in the coating covering the particle surface of the positive electrode active material. In FIG. 5, a linear equation is shown that approximately represents the distribution of the three measurement results. From this equation, the count number of S 2 F 2 NO 4 when the temperature of the lithium ion battery during the initial charge was set to 60°C was predicted. As a result, as shown in Table 2, when the temperature of the lithium ion battery during the initial charge was set to 60°C, the count number of S 2 F 2 NO 4 in the coating covering the particle surface of the positive electrode active material was 5473.2.
6 is a diagram showing the relationship between the reaction amount and the count number of S 2 F 2 NO 4 in the coating coating the particle surface of the negative electrode active material. In FIG. 6, a linear equation is shown that approximately represents the distribution of the three measurement results. From this equation, the count number of S 2 F 2 NO 4 was predicted when the temperature of the lithium ion battery during the initial charge was set to 60°C. As a result, as shown in Table 3, when the temperature of the lithium ion battery during the initial charge was set to 60°C, the count number of S 2 F 2 NO 4 in the coating coating the particle surface of the negative electrode active material was 3125.6.
TOF-SIMSによる前記被膜に含まれるS2F2NO4のカウント数は、前記被膜に含まれる任意の物質の総量(合計質量)の内の、S2F2NO4の質量%に換算することができる。例えば、本実施形態のリチウムイオン電池10において、正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜、または負極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜からTOF-SIMSによって検出された主なアニオン分子は、F、PO2、SO3、CN、Li2F3、S2F2NO4の6つである。F、PO2、SO3、CN、Li2F3、S2F2NO4のそれぞれの分子量は18.99、62.97、80.06、26.02、70.88、180.13であるため、それぞれのカウント数にそれぞれの分子量を乗じたものの総和に対する、S2F2NO4のカウント数にS2F2NO4の分子量を乗じたものの比を計算することで、上記6つのアニオン分子中に含まれるS2F2NO4の質量%を得る。 The number of S 2 F 2 NO 4 counted in the coating by TOF-SIMS can be converted into the mass % of S 2 F 2 NO 4 in the total amount (total mass) of any substance contained in the coating. For example, in the lithium-ion battery 10 of this embodiment, the main anion molecules detected by TOF-SIMS from the coating covering at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material or the coating covering at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material are six: F, PO 2 , SO 3 , CN, Li 2 F 3 , and S 2 F 2 NO 4 . Since the molecular weights of F, PO2 , SO3 , CN, Li2F3 , and S2F2NO4 are 18.99, 62.97, 80.06 , 26.02, 70.88 , and 180.13, respectively, the mass % of S2F2NO4 contained in the six anion molecules can be obtained by calculating the ratio of the count number of S2F2NO4 multiplied by the molecular weight of S2F2NO4 to the sum of the count numbers multiplied by the molecular weight of S2F2NO4 .
上記の換算方法により、正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜の上記6つのアニオン分子の合計質量(100質量%とする)に対するS2F2NO4の含有量は、65質量%が好ましく、68質量%以上がより好ましい。前記被膜の全質量に対するS2F2NO4の含有量が前記下限値以上であると、サイクル特性が向上する。 According to the above conversion method, the content of S2F2NO4 relative to the total mass (100 mass%) of the six anion molecules in the coating that covers at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material is preferably 65 mass%, more preferably 68 mass% or more. When the content of S2F2NO4 relative to the total mass of the coating is equal to or greater than the lower limit, the cycle characteristics are improved.
また、上記の換算方法により、負極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する被膜の全質量(100質量%)に対するS2F2NO4の含有量は、73質量%が好ましく、74質量%以上がより好ましい。前記被膜の全質量に対するS2F2NO4の含有量が前記下限値以上であると、サイクル特性が向上する。 Furthermore, by the above conversion method, the content of S2F2NO4 relative to the total mass (100 mass%) of the coating that covers at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material is preferably 73 mass% and more preferably 74 mass % or more. When the content of S2F2NO4 relative to the total mass of the coating is equal to or greater than the lower limit, the cycle characteristics are improved.
表2および表3に示す結果から、初回充電におけるリチウムイオン電池の温度を25℃とした場合、正極活物質の粒子表面を被覆する被膜におけるS2F2NO4の含有量が57.1質量%、負極活物質の粒子表面を被覆する被膜におけるS2F2NO4の含有量が69.6質量%であった。また、表2および表3に示す結果から、初回充電におけるリチウムイオン電池の温度を45℃とした場合、正極活物質の粒子表面を被覆する被膜におけるS2F2NO4の含有量が59.1質量%、負極活物質の粒子表面を被覆する被膜におけるS2F2NO4の含有量が71.1質量%であった。また、表2および表3に示す結果から、初回充電におけるリチウムイオン電池の温度を60℃とした場合、正極活物質の粒子表面を被覆する被膜におけるS2F2NO4の含有量が66.0質量%、負極活物質の粒子表面を被覆する被膜におけるS2F2NO4の含有量が73.3質量%であった。また、表2および表3に示す結果から、初回充電におけるリチウムイオン電池の温度を65℃とした場合、正極活物質の粒子表面を被覆する被膜におけるS2F2NO4の含有量が68.2質量%、負極活物質の粒子表面を被覆する被膜におけるS2F2NO4の含有量が74.0質量%であった。 The results shown in Tables 2 and 3 indicate that when the temperature of the lithium-ion battery during initial charging was 25° C., the S 2 F 2 NO 4 content in the coating film coating the particle surfaces of the positive electrode active material was 57.1% by mass, and the S 2 F 2 NO 4 content in the coating film coating the particle surfaces of the negative electrode active material was 69.6% by mass. Furthermore, the results shown in Tables 2 and 3 indicate that when the temperature of the lithium-ion battery during initial charging was 45° C., the S 2 F 2 NO 4 content in the coating film coating the particle surfaces of the positive electrode active material was 59.1% by mass, and the S 2 F 2 NO 4 content in the coating film coating the particle surfaces of the negative electrode active material was 71.1% by mass. Furthermore, from the results shown in Tables 2 and 3, when the temperature of the lithium ion battery during initial charge was 60° C., the content of S 2 F 2 NO 4 in the coating coating the particle surfaces of the positive electrode active material was 66.0 mass %, and the content of S 2 F 2 NO 4 in the coating coating the particle surfaces of the negative electrode active material was 73.3 mass %. Furthermore, from the results shown in Tables 2 and 3, when the temperature of the lithium ion battery during initial charge was 65° C., the content of S 2 F 2 NO 4 in the coating coating the particle surfaces of the positive electrode active material was 68.2 mass %, and the content of S 2 F 2 NO 4 in the coating coating the particle surfaces of the negative electrode active material was 74.0 mass %.
図7は、初回充電におけるリチウムイオン電池の温度とサイクル数に対する容量維持率の変化の関係を示す図である。図7に示される、初回充電におけるリチウムイオン電池の温度を60℃以上とした容量維持率のカーブは、表2および表3で示したように前記被膜におけるS2F2NO4の含有量が最も多くなるものに対応していることが分かった。 7 is a graph showing the relationship between the temperature of the lithium-ion battery during the initial charge and the change in capacity retention rate with respect to the number of cycles. It was found that the capacity retention rate curve shown in FIG . 7, in which the temperature of the lithium-ion battery during the initial charge was 60°C or higher, corresponds to the curve in which the S2F2NO4 content in the coating is the highest, as shown in Tables 2 and 3 .
本発明のリチウムイオン電池は、充放電サイクルにおける容量維持率を向上することができる。このようなリチウムイオン電池は、EVやHEV等の車両の二次電池として用いた際に、1回の充電で長距離走行を実現し、エネルギー効率を改善することが可能になる。従って、産業上の利用可能性を有する。 The lithium-ion battery of the present invention can improve the capacity retention rate during charge/discharge cycles. When used as a secondary battery in vehicles such as EVs and HEVs, such a lithium-ion battery can achieve long-distance driving on a single charge and improve energy efficiency. Therefore, it has industrial applicability.
10 リチウムイオン電池
11 正極集電体
12 正極活物質層
13 正極
14 負極集電体
15 負極活物質層
16 負極
17 電解質層
10 Lithium ion battery 11 Positive electrode current collector 12 Positive electrode active material layer 13 Positive electrode 14 Negative electrode current collector 15 Negative electrode active material layer 16 Negative electrode 17 Electrolyte layer
Claims (2)
負極集電体および負極活物質層を有し、前記正極と対向する負極と、
前記正極と前記負極との間に位置し、電解液を含む電解質層と、
を有するリチウムイオン電池であって、
前記電解液は、1,2-ジメトキシエタンとフッ素化エーテルとを含む溶媒、および、該溶媒に溶解されるリチウムイミド化合物、を少なくとも含み、
前記正極活物質層に含まれる正極活物質の粒子表面の少なくとも一部、および前記負極活物質層に含まれる負極活物質の粒子表面の少なくとも一部の少なくとも一方が、フッ素を含む被膜で被覆され、
飛行時間型二次イオン質量分析法での測定で検出される前記正極活物質の粒子表面の少なくとも一部を被覆する前記被膜におけるF、PO 2 、SO 3 、CN、Li 2 F 3 およびS 2 F 2 NO 4 のアニオンの合計質量(100質量%)に対する前記S 2 F 2 NO 4 の含有量が68質量%以上である、リチウムイオン電池。 a positive electrode having a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer;
a negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer, the negative electrode facing the positive electrode;
an electrolyte layer located between the positive electrode and the negative electrode and containing an electrolyte solution;
A lithium ion battery having:
the electrolytic solution contains at least a solvent containing 1,2-dimethoxyethane and a fluorinated ether, and a lithium imide compound dissolved in the solvent;
at least one of at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer and at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer is coated with a coating containing fluorine,
A lithium ion battery in which the content of S2F2NO4 in the coating covering at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material is 68 mass% or more relative to the total mass (100 mass%) of the anions of F , PO2 , SO3 , CN , Li2F3 , and S2F2NO4 , as detected by measurement using time-of-flight secondary ion mass spectrometry .
前記リチウムイオン電池は、正極集電体および正極活物質層を有する正極と、負極集電体および負極活物質層を有し前記正極と対向する負極と、前記正極と前記負極との間に位置し、電解液を含む電解質層と、を有し、
前記電解液は、1,2-ジメトキシエタンとフッ素化エーテルとを含む溶媒、および、該溶媒に溶解されるリチウムイミド化合物、を少なくとも含み、
前記正極活物質層に含まれる正極活物質の粒子表面の少なくとも一部、または前記負極活物質層に含まれる負極活物質の粒子表面の少なくとも一部が、フッ素を含む被膜で被覆されている、リチウムイオン電池の製造方法。 an activation step of activating the lithium ion battery in an environment of 60°C or higher at a charge rate of 0.3C or less in the first cycle;
The lithium ion battery includes a positive electrode having a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer, a negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer and facing the positive electrode, and an electrolyte layer located between the positive electrode and the negative electrode and containing an electrolyte solution,
the electrolytic solution contains at least a solvent containing 1,2-dimethoxyethane and a fluorinated ether, and a lithium imide compound dissolved in the solvent;
a fluorine-containing coating on at least a portion of the particle surface of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer, or a fluorine-containing coating on at least a portion of the particle surface of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer.
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