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JP7757637B2 - Charging condition determination method and storage element - Google Patents
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JP7757637B2 - Charging condition determination method and storage element - Google Patents

Charging condition determination method and storage element

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Description

本発明は、充電条件決定方法及び蓄電素子に関する。 The present invention relates to a charging condition determination method and a storage element.

リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、エネルギー密度の高さから、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器、自動車等に多用されている。非水電解質二次電池は、一般的には、セパレータで電気的に隔離された一対の電極と、この電極間に介在する非水電解質とを有し、両電極間でイオンの受け渡しを行うことで充放電するよう構成される。また、非水電解質二次電池以外の蓄電素子として、リチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタ等のキャパシタも広く普及している。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries, typified by lithium-ion secondary batteries, are widely used in electronic devices such as personal computers and communication terminals, as well as automobiles, due to their high energy density. Non-aqueous electrolyte secondary batteries generally have a pair of electrodes electrically isolated by a separator and a non-aqueous electrolyte sandwiched between the electrodes, and are configured to charge and discharge by transferring ions between the electrodes. In addition to non-aqueous electrolyte secondary batteries, capacitors such as lithium-ion capacitors and electric double-layer capacitors are also widely used as energy storage elements.

リチウムイオン二次電池の場合、通常、負極には、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられるが、充電条件によっては、負極表面に金属リチウムの析出が生じることがある。金属リチウムの析出は、内部短絡の原因等となるため好ましくない。このようなリチウムイオン二次電池における負極表面の金属リチウムの析出を判定する方法として、特許文献1には、定電流充電における電池電圧の時間当たり変化量を検出し、この変化量に基づいて金属リチウムが析出したことを判定する方法が提案されている。 In the case of lithium-ion secondary batteries, a material capable of absorbing and releasing lithium ions is typically used as the negative electrode active material. However, depending on the charging conditions, metallic lithium may precipitate on the surface of the negative electrode. This metallic lithium precipitation is undesirable as it can cause internal short circuits, etc. Patent Document 1 proposes a method for determining whether metallic lithium has precipitated on the negative electrode surface of such lithium-ion secondary batteries. This method involves detecting the amount of change per unit time in battery voltage during constant current charging and determining whether metallic lithium has precipitated based on this amount of change.

特開2013-89363号公報JP 2013-89363 A

一方、蓄電素子の使用に伴う金属リチウムの析出自体を抑制するためには、設計段階において、その蓄電素子に対応した適切な充電条件を設定する必要がある。特に、急速充電や低温充電を行う場合は金属リチウムの析出が生じ易くなるため、金属リチウムの析出が抑制された急速充電や低温充電を行うことができる条件を決定する方法の開発が期待される。そしてこのためには、負極電位を精度高く測定できることが重要となる。 On the other hand, in order to suppress the deposition of metallic lithium that occurs during the use of a storage element, it is necessary to set appropriate charging conditions for that storage element at the design stage. Because metallic lithium deposition is particularly likely to occur when rapid charging or low-temperature charging is performed, it is hoped that a method can be developed to determine the conditions under which rapid charging or low-temperature charging can be performed while suppressing metallic lithium deposition. To achieve this, it is important to be able to measure the negative electrode potential with high accuracy.

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、金属リチウムの析出が抑制された充電を行うことができる条件を決定する方法、及び負極電位を精度高く測定可能な蓄電素子を提供することである。 The present invention was made based on the above circumstances, and its purpose is to provide a method for determining the conditions under which charging can be performed while suppressing the deposition of metallic lithium, and an energy storage element that can measure the negative electrode potential with high accuracy.

本発明の一側面に係る充電条件決定方法は、正極と、負極と、参照極とを備える三電極セルを準備すること、上記三電極セルに対し、上記参照極を基準とした負極電位の制御により充電操作を行うこと、及び上記充電操作により得られるプロファイルを用いて充電条件を決定することを備え、上記参照極が、多孔性部位を有する。 A method for determining charging conditions according to one aspect of the present invention includes preparing a three-electrode cell having a positive electrode, a negative electrode, and a reference electrode; charging the three-electrode cell by controlling the negative electrode potential relative to the reference electrode; and determining charging conditions using a profile obtained by the charging operation, wherein the reference electrode has a porous portion.

本発明の他の一側面に係る蓄電素子は、正極と、負極と、参照極とを備え、上記参照極が、多孔度が50%以上である多孔性部位を有する。 Another aspect of the present invention relates to an energy storage element comprising a positive electrode, a negative electrode, and a reference electrode, the reference electrode having a porous portion with a porosity of 50% or more.

本発明の一側面によれば、金属リチウムの析出が抑制された充電を行うことができる条件を決定する方法、及び負極電位を精度高く測定可能な蓄電素子を提供することができる。 One aspect of the present invention provides a method for determining conditions under which charging can be performed while suppressing the deposition of metallic lithium, and an energy storage device that can accurately measure the negative electrode potential.

図1は、充電条件決定方法の一実施形態に用いられる実験装置を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing an experimental device used in one embodiment of the charging condition determination method. 図2は、充電条件決定方法の一実施形態に用いられる参照極を示す模式的断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a reference electrode used in one embodiment of the method for determining charging conditions. 図3は、10Cの電流での定電流充電における、参照極を基準とした負極電位の推移についてのシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the results of a simulation of the transition of the negative electrode potential relative to the reference electrode during constant current charging at a current of 10 C. 図4は、20Cの電流での定電流充電における、参照極を基準とした負極電位の推移についてのシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the results of a simulation of the transition of the negative electrode potential relative to the reference electrode during constant current charging at a current of 20 C. 図5は、充電条件決定方法の一実施形態として、充電操作として定電流定電位充電を行ったときに得られるプロファイル(参照極を基準とした負極電位及び電流の推移)の一例を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing an example of a profile (progression of negative electrode potential and current relative to a reference electrode) obtained when constant-current constant-potential charging is performed as a charging operation, as one embodiment of a method for determining charging conditions. 図6は、蓄電素子の一実施形態を示す透視斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing an embodiment of an energy storage element. 図7は、蓄電素子を複数個集合して構成した蓄電装置の一実施形態を示す概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing an embodiment of an electricity storage device configured by assembling a plurality of electricity storage elements.

初めに、本明細書によって開示される充電条件決定方法及び蓄電素子の概要について説明する。 First, we will provide an overview of the charging condition determination method and energy storage element disclosed in this specification.

本発明の一側面に係る充電条件決定方法は、正極と、負極と、参照極とを備える三電極セルを準備すること、上記三電極セルに対し、上記参照極を基準とした負極電位の制御により充電操作を行うこと、及び上記充電操作により得られるプロファイルを用いて充電条件を決定することを備え、上記参照極が、多孔性部位を有する。 A method for determining charging conditions according to one aspect of the present invention includes preparing a three-electrode cell having a positive electrode, a negative electrode, and a reference electrode; charging the three-electrode cell by controlling the negative electrode potential relative to the reference electrode; and determining charging conditions using a profile obtained by the charging operation, wherein the reference electrode has a porous portion.

当該充電条件決定方法によれば、以下のような理由から、金属リチウムの析出が抑制された充電を行うことができる条件を決定することができる。負極における金属リチウムの析出は、熱力学的には負極電位が0V(vs.Li/Li)以下になったときに生じる。そのため、金属リチウムの析出を抑制するためには、負極電位を正確に把握する必要があり、この場合、参照極を用い、参照極を基準として負極電位を測定することが一般的に行われる。しかし、従来の非多孔性の参照極は、正極と負極との間に配置すると電解質中のリチウムイオンの移動を阻害し、測定結果に影響を与える。リチウムイオンの移動を阻害しないように負極の裏面側(正極と対向する面とは反対面側)等の正極と負極との間以外に参照極を配置すると、正確な負極電位を測定することができない。これに対し、当該充電条件決定方法においては、多孔性部位を有する参照極を用いるため、正極と負極との間に参照極を配置しても、リチウムイオンの移動が阻害されにくい。そのため、負極電位を正確に把握するにあたり、負極と参照極との間のIRドロップ(電解質等の抵抗による電圧降下)のみを実質的に考慮すればよくなり、負極電位を精度高く測定することができる。従って、このような参照極を用い、この参照極を基準とした負極電位の制御による充電操作により得られるプロファイルを用いて充電条件を決定することで、金属リチウムの析出が抑制された充電を行うことができる条件を決定することができる。 This charging condition determination method can determine conditions under which charging can be performed while suppressing the deposition of metallic lithium for the following reasons. Metallic lithium deposition on the negative electrode thermodynamically occurs when the negative electrode potential is 0 V (vs. Li/Li + ) or less. Therefore, to suppress the deposition of metallic lithium, it is necessary to accurately grasp the negative electrode potential. In this case, a reference electrode is typically used to measure the negative electrode potential based on the reference electrode. However, when a conventional non-porous reference electrode is placed between the positive and negative electrodes, it inhibits the migration of lithium ions in the electrolyte, affecting the measurement results. If the reference electrode is placed somewhere other than between the positive and negative electrodes, such as on the back side of the negative electrode (the side opposite to the surface facing the positive electrode) so as not to inhibit the migration of lithium ions, an accurate measurement of the negative electrode potential cannot be performed. In contrast, this charging condition determination method uses a reference electrode having a porous portion, so that the migration of lithium ions is less inhibited even when the reference electrode is placed between the positive and negative electrodes. Therefore, when accurately determining the negative electrode potential, it is only necessary to consider the IR drop (voltage drop due to the resistance of the electrolyte, etc.) between the negative electrode and the reference electrode, and the negative electrode potential can be measured with high accuracy. Therefore, by using such a reference electrode and determining the charging conditions using a profile obtained by controlling the negative electrode potential based on this reference electrode, it is possible to determine the conditions under which charging can be performed while suppressing the deposition of metallic lithium.

なお、「多孔性」とは、多孔度が10%超であることを意味する。すなわち、多孔性部位とは、多孔度が10%超である部位である。また、「多孔度」は、下記式1で求められる値とする。
多孔度(%)={1-(かさ密度/理論密度)}×100 ・・・1
かさ密度は、測定対象の部位(多孔性部位)の質量を体積で除した値である。理論密度は、測定対象の部位を構成する部材自体の密度(真密度)である。測定対象の部位の体積は、デジタルカメラまたは電子顕微鏡などにより取得される画像の画像処理により求められる面積と、マイクロメータにより測定される厚さとから求めることができる。後述する蓄電素子に備わる参照極においては、蓄電素子を解体し、参照極を取り出して、ジメチルカーボネートにより充分に洗浄した後、室温にて減圧乾燥を行ったものに対して測定する。
The term "porous" means that the porosity is greater than 10%. That is, a porous portion is a portion having a porosity of greater than 10%. The "porosity" is a value calculated by the following formula 1.
Porosity (%) = {1 - (bulk density / theoretical density)} × 100 ... 1
Bulk density is the value obtained by dividing the mass of the portion to be measured (porous portion) by the volume. Theoretical density is the density (true density) of the material itself that constitutes the portion to be measured. The volume of the portion to be measured can be determined from the area determined by image processing of an image acquired by a digital camera or electron microscope, etc., and the thickness measured with a micrometer. For the reference electrode provided in the energy storage element described below, the energy storage element is disassembled, the reference electrode is removed, and the electrode is thoroughly washed with dimethyl carbonate and then dried under reduced pressure at room temperature.

上記参照極は、先端部以外が絶縁層で被覆されたリチウムと合金化しない金属からなる線を有し、上記リチウムと合金化しない金属からなる線の先端部を被覆するように上記多孔性部位が配置されていることが好ましい。このような参照極を用いることで、より精度高く負極電位を測定することができ、また、このような参照極は製造も比較的容易である。上記リチウムと合金化しない金属からなる線としては、例えば、銅線、SUS線、コバルト線等を用いることができる。これらの中でも、コストの観点から銅線が好ましい。 The reference electrode preferably has a wire made of a metal that does not alloy with lithium, the entire surface of which is covered with an insulating layer, and the porous portion is disposed so as to cover the tip of the wire made of a metal that does not alloy with lithium. Using such a reference electrode allows for more accurate measurement of the negative electrode potential, and the reference electrode is also relatively easy to manufacture. Examples of the wire made of a metal that does not alloy with lithium that can be used include copper wire, SUS wire, and cobalt wire. Among these, copper wire is preferred from a cost perspective.

上記充電操作は、定電流定電位充電を含むことが好ましい。定電流定電位充電により得られるプロファイルを用いることで、金属リチウムの析出が生じにくい充電条件を効率的に決定することなどができる。 The above charging operation preferably includes constant-current, constant-potential charging. By using the profile obtained by constant-current, constant-potential charging, it is possible to efficiently determine charging conditions that are less likely to cause deposition of metallic lithium.

上記多孔性部位の多孔度は50%以上であることが好ましい。このような高い多孔度の多孔性部位を有する参照極を用いることで、より精度高く負極電位を測定することができ、その結果、より正確に金属リチウムの析出が生じにくい充電条件を決定することができる。 The porosity of the porous region is preferably 50% or more. Using a reference electrode with a porous region of such high porosity allows for more accurate measurement of the negative electrode potential, and as a result, allows for more accurate determination of charging conditions that are less likely to cause deposition of metallic lithium.

本発明の他の一側面に係る蓄電素子は、正極と、負極と、参照極とを備え、上記参照極が、多孔度が50%以上である多孔性部位を有する。 Another aspect of the present invention relates to an energy storage element comprising a positive electrode, a negative electrode, and a reference electrode, the reference electrode having a porous portion with a porosity of 50% or more.

当該蓄電素子は、多孔度が50%以上である多孔性部位を有する参照極を備えるため、負極電位を精度高く測定可能である。また、当該蓄電素子によれば、正極電位も精度高く測定することができる。 This energy storage element is equipped with a reference electrode having a porous portion with a porosity of 50% or more, allowing for highly accurate measurement of the negative electrode potential. Furthermore, this energy storage element also allows for highly accurate measurement of the positive electrode potential.

本発明の一実施形態に係る充電条件決定方法、蓄電素子、蓄電装置、蓄電素子の製造方法、及びその他の実施形態について詳述する。なお、各実施形態に用いられる各構成部材(各構成要素)の名称は、背景技術に用いられる各構成部材(各構成要素)の名称と異なる場合がある。 A charging condition determination method, energy storage element, energy storage device, and energy storage element manufacturing method according to one embodiment of the present invention, as well as other embodiments, are described in detail below. Note that the names of the components (elementary components) used in each embodiment may differ from the names of the components (elementary components) used in the background art.

<充電条件決定方法>
本発明の一実施形態に係る充電条件決定方法は、正極と、負極と、参照極とを備える三電極セルを準備すること、上記三電極セルに対し、上記参照極を基準とした負極電位の制御により充電操作を行うこと、及び上記充電操作により得られるプロファイルを用いて充電条件を決定することを備える。
<How to determine charging conditions>
A method for determining charging conditions according to one embodiment of the present invention includes preparing a three-electrode cell including a positive electrode, a negative electrode, and a reference electrode, performing a charging operation on the three-electrode cell by controlling the negative electrode potential based on the reference electrode, and determining charging conditions using a profile obtained by the charging operation.

図1に、三電極セル11を含む実験装置10を示す。三電極セル11は、正極12と、負極13と、参照極14とを備える。正極12と、負極13と、参照極14とは、電解質15に浸されている。三電極セル11は、その他、各電極間に配置されたセパレータ(図示せず)等をさらに備えていてもよい。三電極セル11は、充放電装置16を介して制御用PC(パーソナルコンピュータ)17に接続されている。制御用PC17は、メモリに格納される充放電プログラムに従って充放電装置16を制御する。三電極セル11は、充放電装置16によって、充電及び放電される。 Figure 1 shows an experimental device 10 including a three-electrode cell 11. The three-electrode cell 11 includes a positive electrode 12, a negative electrode 13, and a reference electrode 14. The positive electrode 12, the negative electrode 13, and the reference electrode 14 are immersed in an electrolyte 15. The three-electrode cell 11 may further include a separator (not shown) disposed between each electrode. The three-electrode cell 11 is connected to a control PC (personal computer) 17 via a charge/discharge device 16. The control PC 17 controls the charge/discharge device 16 according to a charge/discharge program stored in its memory. The three-electrode cell 11 is charged and discharged by the charge/discharge device 16.

正極12と、負極13と、参照極14とは、充放電装置16に接続されている。正極12及び負極13は特に限定されず、従来公知の正極及び負極を用いることができる。リチウムイオン二次電池の場合、通常、正極12又は負極13の少なくとも一方の活物質として、リチウム元素を含む活物質が用いられる。正極及び負極の具体例としては、後述する本発明の一実施形態に係る蓄電素子に備わる正極及び負極が挙げられる。参照極14については、後に詳述する。また、電解質15は、従来公知の電解質を用いることができる。リチウムイオン二次電池の場合、電解質15としては、リチウム塩と非水溶媒とを含む非水電解液を用いることができる。電解質15の具体例としては、後述する本発明の一実施形態に係る蓄電素子に備わる電解質が挙げられる。制御用PC17は、充放電装置16を介して、参照極14を基準とした負極13の電位を検出する。制御用PC17は、参照極14を基準とした正極12の電位をさらに検出することができるものであってもよい。 The positive electrode 12, the negative electrode 13, and the reference electrode 14 are connected to a charge/discharge device 16. The positive electrode 12 and the negative electrode 13 are not particularly limited, and conventionally known positive and negative electrodes can be used. In the case of a lithium-ion secondary battery, an active material containing lithium is typically used as the active material for at least one of the positive electrode 12 and the negative electrode 13. Specific examples of the positive and negative electrodes include the positive and negative electrodes provided in the energy storage element according to one embodiment of the present invention, which will be described later. The reference electrode 14 will be described in detail later. Furthermore, conventionally known electrolytes can be used for the electrolyte 15. In the case of a lithium-ion secondary battery, the electrolyte 15 can be a nonaqueous electrolyte solution containing a lithium salt and a nonaqueous solvent. Specific examples of the electrolyte 15 include the electrolyte provided in the energy storage element according to one embodiment of the present invention, which will be described later. The control PC 17 detects the potential of the negative electrode 13 relative to the reference electrode 14 via the charge/discharge device 16. The control PC 17 may also be capable of detecting the potential of the positive electrode 12 relative to the reference electrode 14.

図1の三電極セル11において、参照極14は、正極12と負極13との間に配置されている。参照極14は、多孔性部位を有する。図2に、参照極14の好適な形態を示す。 In the three-electrode cell 11 of Figure 1, the reference electrode 14 is disposed between the positive electrode 12 and the negative electrode 13. The reference electrode 14 has a porous portion. Figure 2 shows a suitable form of the reference electrode 14.

図2の参照極14は、先端部18a以外が絶縁層19で被覆された銅線18を有する。図2の参照極14においては、絶縁層19で被覆されていない先端部18aは、銅線18の端面である。銅線18の先端部18a(端面)を被覆するように多孔性部位20が配置されている。 The reference electrode 14 in Figure 2 has a copper wire 18 that is covered with an insulating layer 19 except for the tip 18a. In the reference electrode 14 in Figure 2, the tip 18a that is not covered with the insulating layer 19 is the end face of the copper wire 18. A porous portion 20 is arranged to cover the tip 18a (end face) of the copper wire 18.

絶縁層19を形成する材料は、絶縁性を有するものであれば特に限定されず、例えば樹脂等を用いることができる。絶縁性とは、導電性を有さないことをいう。「導電性」を有するか否かは、JIS-H-0505(1975年)に準拠して測定される体積抵抗率が10Ω・cmを閾値として判定する。絶縁層19で被覆された銅線18の直径(絶縁層19の厚さも含む直径)としては、例えば10μm以上100μm以下程度である。また、参照極14に銅線18を用いること、すなわち参照極14の芯材が金属銅であることで、多孔性部位20が金属リチウムである場合に金属リチウムと金属銅とが合金化せず、金属リチウム基準での電位をより精度高く取得できるといった利点がある。 The material forming the insulating layer 19 is not particularly limited as long as it has insulating properties, and resin, for example, can be used. Insulating refers to not having electrical conductivity. Whether or not a material has "electrical conductivity" is determined by using a volume resistivity of 10 Ω ·cm measured in accordance with JIS-H-0505 (1975) as a threshold value. The diameter of the copper wire 18 coated with the insulating layer 19 (including the thickness of the insulating layer 19) is, for example, approximately 10 μm or more and 100 μm or less. Furthermore, using the copper wire 18 for the reference electrode 14, i.e., using metallic copper as the core material of the reference electrode 14, has the advantage that when the porous portion 20 is metallic lithium, the metallic lithium and the metallic copper do not alloy, thereby enabling more accurate acquisition of the potential relative to metallic lithium.

多孔性部位20は、参照極14の電位の基準となる部分である。多孔性部位20は、三電極セル11の充放電性能に実質的に影響を与えず、負極13との電位差を測定可能な材質であれば特に限定されないが、金属リチウムであることが好ましい。なお、金属リチウムは、リチウム元素のみからなる純金属リチウムであってもよく、他の元素を含むリチウム合金であってもよい。 The porous region 20 is the portion that serves as the reference for the potential of the reference electrode 14. The porous region 20 is not particularly limited as long as it does not substantially affect the charge/discharge performance of the three-electrode cell 11 and allows the potential difference with the negative electrode 13 to be measured, but metallic lithium is preferred. The metallic lithium may be pure metallic lithium consisting of only lithium element, or a lithium alloy containing other elements.

多孔性部位20の長さLとしては、例えば500μm以上10mm以下とすることができる。多孔性部位20の厚さTとしては、例えば5μm以上100μm以下とすることができる。多孔性部位20の厚さTは、例えば絶縁層19で被覆された銅線18の直径と同等程度であってもよく、それより大きくてもよい。多孔性部位20は、平板状の形状であってもよい。平板状の多孔性部位20は、例えば平面視において、銅線18の先端部18aを中心とした略円形状であってもよく、略方形状等であってもよい。多孔性部位20の平面視における幅(平面視における長さLと直交する方向の最大長さ)としては、例えば500μm以上10mm以下とすることができる。 The length L of the porous region 20 can be, for example, 500 μm or more and 10 mm or less. The thickness T of the porous region 20 can be, for example, 5 μm or more and 100 μm or less. The thickness T of the porous region 20 can be, for example, approximately the same as the diameter of the copper wire 18 coated with the insulating layer 19, or it can be greater than that. The porous region 20 can be in a flat plate shape. For example, the flat porous region 20 can be approximately circular or rectangular in shape in a plan view, with the tip 18a of the copper wire 18 at its center. The width of the porous region 20 in a plan view (the maximum length in a direction perpendicular to the length L in a plan view) can be, for example, 500 μm or more and 10 mm or less.

多孔性部位20が金属リチウムである場合、このような多孔性部位20は、例えば三電極セル11において、多孔性部位20を設けていない参照極14から正極12へ電流を流す(正極と参照極との間で充電操作を行う)ことにより形成することができる。このような操作をすることで、電解質中に通常含まれるリチウムイオンが、銅線18の先端部18aに金属リチウムとして析出し、金属リチウムである多孔性部位20が形成される。なお、板状の正極12と板状の負極13との間に、セパレータを介して、多孔性部位20を設けていない参照極14(先端部18aが絶縁層19で被覆されていない銅線18)を配置して電極体を形成し、この電極体を圧迫した状態で上記のような充電操作を行うことで、金属リチウムである平板状の多孔性部位20を形成することができる。 When the porous region 20 is metallic lithium, it can be formed, for example, in a three-electrode cell 11, by passing a current from a reference electrode 14 that does not have a porous region 20 to a positive electrode 12 (performing a charging operation between the positive electrode and the reference electrode). By performing this operation, lithium ions typically contained in the electrolyte are precipitated as metallic lithium at the tip 18a of the copper wire 18, forming a porous region 20 made of metallic lithium. Furthermore, an electrode assembly can be formed by placing a reference electrode 14 that does not have a porous region 20 (a copper wire 18 whose tip 18a is not covered with an insulating layer 19) between a plate-shaped positive electrode 12 and a plate-shaped negative electrode 13, via a separator, and then performing the charging operation described above while compressing this electrode assembly, thereby forming a flat-plate-shaped porous region 20 made of metallic lithium.

多孔性部位20の多孔度の下限としては、例えば30%であってもよいが、50%が好ましく、60%がより好ましく、70%がさらに好ましい。多孔性部位20の多孔度を高めることで、測定される負極電位の精度を高めることができる。一方、多孔性部位20の強度等の観点から、多孔性部位20の多孔度は、例えば90%以下が好ましく、80%以下がより好ましい場合もある。多孔性部位20の多孔度は、例えば上記の充電操作における電流密度、時間、温度、正極と参照極との間の距離等を変更することによって調整することができる。 The lower limit of the porosity of the porous region 20 may be, for example, 30%, but is preferably 50%, more preferably 60%, and even more preferably 70%. Increasing the porosity of the porous region 20 can improve the accuracy of the measured negative electrode potential. On the other hand, from the perspective of the strength of the porous region 20, the porosity of the porous region 20 is preferably, for example, 90% or less, and more preferably 80% or less. The porosity of the porous region 20 can be adjusted, for example, by changing the current density, time, temperature, distance between the positive electrode and reference electrode, etc. during the above-mentioned charging operation.

多孔性部位20の多孔度の影響に関し、図3及び図4に、10C又は20Cの電流での定電流充電における参照極を基準とした負極電位の推移についてのシミュレーション結果を示す。各シミュレーションにおいては、参照極における多孔性部位としての金属リチウムの多孔度(porosity)を1%(非多孔性)、10%(非多孔性)、50%(多孔性)及び100%とそれぞれ仮定した場合の結果を示している。多孔度100%は、参照極による阻害が全くないと仮定したものである。図3は、充電電流10Cとした結果であり、図4は、充電電流20Cとした結果である。また、これらのシミュレーションは、参照極を正極と負極との間に配置したモデルに基づいたものである。参照極を基準とした負極電位は、真の負極電位に対して、理論上IRドロップ分低下した値として測定される。IRドロップは、設定した電流Iと、インピーダンス測定等から得られる抵抗Rとから求めることができる。多孔度100%の参照極を基準とした負極電位は、真の負極電位に対してIRドロップ分低下した値として測定されるものであり、理論上最も精密に取得できる負極電位といえる。図3及び図4に示されるように、多孔度50%の参照極を基準とした負極電位は、多孔度100%の参照極を基準とした負極電位とほぼ一致しており、負極電位を精度高く測定できるため、IRドロップ分だけ補正すれば、精度高く真の負極電位を求めることができることがわかる。一方、多孔度1%及び多孔度10%の参照極を基準とした負極電位は、特に電流が大きい図4において、多孔度100%の参照極を基準とした負極電位との差が大きく、負極電位を精度高く測定できていないため、IRドロップ分を補正するだけでは真の負極電位を精度高く求めることができないことがわかる。 Regarding the influence of the porosity of the porous region 20, Figures 3 and 4 show simulation results of the evolution of the negative electrode potential relative to the reference electrode during constant-current charging at 10 C or 20 C. Each simulation shows results assuming the porosity of the metallic lithium serving as the porous region in the reference electrode to be 1% (non-porous), 10% (non-porous), 50% (porous), and 100%, respectively. A porosity of 100% assumes no interference from the reference electrode. Figure 3 shows the results for a charging current of 10 C, and Figure 4 shows the results for a charging current of 20 C. These simulations are based on a model in which the reference electrode is placed between the positive and negative electrodes. The negative electrode potential relative to the reference electrode is measured as a theoretical IR drop from the true negative electrode potential. The IR drop can be calculated from the set current I and the resistance R obtained from impedance measurements, etc. The negative electrode potential measured relative to a reference electrode with 100% porosity is the IR drop value relative to the true negative electrode potential, and is theoretically the most accurate negative electrode potential. As shown in Figures 3 and 4 , the negative electrode potential measured relative to a reference electrode with 50% porosity is nearly identical to the negative electrode potential measured relative to a reference electrode with 100% porosity. This allows for highly accurate measurement of the negative electrode potential, and therefore, correcting for the IR drop alone allows for highly accurate determination of the true negative electrode potential. On the other hand, the negative electrode potential measured relative to reference electrodes with 1% and 10% porosity differs significantly from the negative electrode potential measured relative to a reference electrode with 100% porosity, particularly in Figure 4 where the current is large. This indicates that the negative electrode potential cannot be measured accurately, and therefore, correcting for the IR drop alone does not allow for highly accurate determination of the true negative electrode potential.

次いで、プロファイル(充電操作の際の電流等の推移のデータ)を得るための充電操作について説明する。充電操作は、三電極セルに対し、参照極を基準とした負極電位の制御により行う。この充電操作は、例えば、定電流定電位充電として行うことができる。定電流定電位充電を用いた一例を、図5に示す。この例では、負極電位が0V(vs.Li/Li)に達するまでは定電流で充電を行い、負極電位が0V(vs.Li/Li)に達した後は、この負極電位が保たれるように制御して充電を行っている。 Next, the charging operation for obtaining a profile (data on the transition of current, etc. during charging) will be described. The charging operation is performed by controlling the negative electrode potential with respect to the reference electrode for the three-electrode cell. This charging operation can be performed, for example, as constant-current, constant-potential charging. An example of constant-current, constant-potential charging is shown in FIG. 5. In this example, charging is performed at a constant current until the negative electrode potential reaches 0 V (vs. Li/Li + ), and after the negative electrode potential reaches 0 V (vs. Li/Li + ), charging is controlled so that this negative electrode potential is maintained.

このような充電操作により得られるプロファイルを用いて充電条件を決定することができる。例えば図5の結果に基づいて、多段階の充電条件を設定することができる。具体的には、図5における充電電気量が0からaの間は電流A、充電電気量がaからbの間は電流B、充電電気量がbからcの間は電流C、充電電気量がcからdの間は電流D、及び充電電気量がdからeの間は電流Eの各電流で充電を行う充電条件とすることで、負極電位が0V(vs.Li/Li)未満とならないように制御された、すなわち金属リチウムの析出が抑制された充電条件を得ることができる。 The charging conditions can be determined using a profile obtained by such a charging operation. For example, multi-stage charging conditions can be set based on the results of FIG. 5. Specifically, by setting the charging conditions as follows: current A when the amount of charge is between 0 and a, current B when the amount of charge is between a and b, current C when the amount of charge is between b and c, current D when the amount of charge is between c and d, and current E when the amount of charge is between d and e, it is possible to obtain charging conditions in which the negative electrode potential is controlled not to become less than 0 V (vs. Li/Li + ), i.e., the deposition of metallic lithium is suppressed.

なお、例えば定電流定電位充電等を行う場合の定電位充電時の負極電位は、0V(vs.Li/Li)以外の電位で制御してもよい。例えば電流密度等によって生じる過電圧が異なり、金属リチウムの析出が生じる電位が異なるため、これらを考慮して定電位充電時の負極電位を所定の値で制御してもよい。また、得られたプロファイルに対してIRドロップ分の補正を加味して充電条件を決定してもよい。 For example, when constant-current constant-potential charging or the like is performed, the negative electrode potential during constant-potential charging may be controlled at a potential other than 0 V (vs. Li/Li + ). For example, the overpotential generated varies depending on the current density, etc., and the potential at which metallic lithium precipitates varies. Therefore, the negative electrode potential during constant-potential charging may be controlled to a predetermined value taking these factors into consideration. Furthermore, the charging conditions may be determined by taking into account a correction for the IR drop in the obtained profile.

また、プロファイルを得るための充電操作は、一段階の定電流定電位充電に限定されず、多段階定電流充電、多段階定電流定電位充電等を採用してもよい。多段階定電流充電等を行うときの、各電流値で行う充電の終止条件は、例えば負極電位が0V(vs.Li/Li)等の所定の電位となったときとすることができる。また、各段階における充電終止時の負極電位は、同一でも異なってもよい。多段階定電流充電等でプロファイルを得た場合も、この得られたプロファイルに基づいて、上記の定電流定電位充電により得られたプロファイルを用いた場合と同様に充電条件を決定することができる。 Furthermore, the charging operation for obtaining the profile is not limited to single-stage constant-current/constant-potential charging, and multi-stage constant-current/constant-potential charging, etc. may also be employed. When multi-stage constant-current charging, etc. is performed, the termination condition for charging performed at each current value may be, for example, when the negative electrode potential reaches a predetermined potential such as 0 V (vs. Li/Li + ). Furthermore, the negative electrode potential at the end of charging in each stage may be the same or different. Even when a profile is obtained by multi-stage constant-current charging, etc., the charging conditions can be determined based on this obtained profile in the same way as when the profile obtained by constant-current/constant-potential charging is used.

本発明の一実施形態に係る充電条件決定方法は、急速充電や低温充電における多段階の充電条件を決定する方法として好適に採用することができる。急速充電とは、最大値が2C以上の電流で充電することをいい、上記電流の最大値は10C以上又は20C以上であってもよい。上記電流の最大値の上限は、例えば100Cであってもよい。低温充電とは、0℃以下の環境で充電することをいい、この場合の電流値は上記に限定されない。 The charging condition determination method according to one embodiment of the present invention can be suitably employed as a method for determining multi-stage charging conditions for rapid charging and low-temperature charging. Rapid charging refers to charging with a current whose maximum value is 2 C or more, and the maximum value of this current may be 10 C or more or 20 C or more. The upper limit of the maximum value of the current may be, for example, 100 C. Low-temperature charging refers to charging in an environment below 0°C, and the current value in this case is not limited to the above.

上記のような急速充電や低温充電は、例えば電気自動車(EV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)、ハイブリッド自動車(HEV)等の自動車用電源(蓄電素子)、産業用途の電源(蓄電素子)、定置用途の電源(蓄電素子)などで採用され得る。従って、本発明の一実施形態に係る充電条件決定方法は、自動車用電源(蓄電素子)、産業用途の電源(蓄電素子)、定置用途の電源(蓄電素子)などの充電条件決定方法として好適に用いることができる。 The above-described rapid charging and low-temperature charging can be employed in, for example, automotive power sources (energy storage elements) for electric vehicles (EVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and the like, industrial power sources (energy storage elements), and stationary power sources (energy storage elements). Therefore, the charging condition determination method according to one embodiment of the present invention can be suitably used as a charging condition determination method for automotive power sources (energy storage elements), industrial power sources (energy storage elements), stationary power sources (energy storage elements), and the like.

<蓄電素子>
本発明の一実施形態に係る蓄電素子は、正極、負極及びセパレータを有する電極体と、電解質と、上記電極体及び電解質を収容する容器と、を備える。電極体は、通常、複数の正極及び複数の負極がセパレータを介して積層された積層型、又は、正極及び負極がセパレータを介して積層された状態で巻回された巻回型である。電解質は、正極、負極及びセパレータに含浸された状態で存在する。また、当該蓄電素子は、参照極をさらに備える。蓄電素子の一例として、非水電解質二次電池(以下、単に「二次電池」ともいう。)について説明する。
<Electricity storage element>
An energy storage element according to one embodiment of the present invention includes an electrode assembly having a positive electrode, a negative electrode, and a separator, an electrolyte, and a container for accommodating the electrode assembly and the electrolyte. The electrode assembly is typically a stacked type in which multiple positive electrodes and multiple negative electrodes are stacked with separators interposed therebetween, or a wound type in which the positive electrode and negative electrode are stacked with separators interposed therebetween and wound. The electrolyte is present in a state impregnated in the positive electrode, negative electrode, and separator. The energy storage element also includes a reference electrode. As an example of an energy storage element, a nonaqueous electrolyte secondary battery (hereinafter simply referred to as a "secondary battery") will be described.

(正極)
正極は、正極基材と、当該正極基材に直接又は中間層を介して配される正極活物質層とを有する。
(positive electrode)
The positive electrode has a positive electrode substrate and a positive electrode active material layer disposed on the positive electrode substrate directly or via an intermediate layer.

正極基材は、導電性を有する。正極基材の材質としては、アルミニウム、チタン、タンタル、ステンレス鋼等の金属又はこれらの合金が用いられる。これらの中でも、耐電位性、導電性の高さ、及びコストの観点からアルミニウム又はアルミニウム合金が好ましい。正極基材としては、箔、蒸着膜、メッシュ、多孔質材料等が挙げられ、コストの観点から箔が好ましい。したがって、正極基材としてはアルミニウム箔又はアルミニウム合金箔が好ましい。アルミニウム又はアルミニウム合金としては、JIS-H-4000(2014年)又はJIS-H4160(2006年)に規定されるA1085、A3003、A1N30等が例示できる。 The positive electrode substrate is conductive. Examples of materials for the positive electrode substrate include metals such as aluminum, titanium, tantalum, and stainless steel, as well as alloys of these. Among these, aluminum or aluminum alloys are preferred from the perspectives of potential resistance, high conductivity, and cost. Positive electrode substrates include foils, vapor-deposited films, meshes, and porous materials, with foils being preferred from the perspective of cost. Therefore, aluminum foil or aluminum alloy foil is preferred as the positive electrode substrate. Examples of aluminum or aluminum alloys include A1085, A3003, and A1N30, as specified in JIS-H-4000 (2014) or JIS-H4160 (2006).

正極基材の平均厚さは、3μm以上50μm以下が好ましく、5μm以上40μm以下がより好ましく、8μm以上30μm以下がさらに好ましく、10μm以上25μm以下が特に好ましい。正極基材の平均厚さを上記の範囲とすることで、正極基材の強度を高めつつ、蓄電素子の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。 The average thickness of the positive electrode substrate is preferably 3 μm or more and 50 μm or less, more preferably 5 μm or more and 40 μm or less, even more preferably 8 μm or more and 30 μm or less, and particularly preferably 10 μm or more and 25 μm or less. By keeping the average thickness of the positive electrode substrate within the above range, the strength of the positive electrode substrate can be increased while also increasing the energy density per volume of the energy storage element.

中間層は、正極基材と正極活物質層との間に配される層である。中間層は、炭素粒子等の導電剤を含むことで正極基材と正極活物質層との接触抵抗を低減する。中間層の構成は特に限定されず、例えば、バインダ及び導電剤を含む。 The intermediate layer is a layer disposed between the positive electrode substrate and the positive electrode active material layer. The intermediate layer contains a conductive agent such as carbon particles to reduce the contact resistance between the positive electrode substrate and the positive electrode active material layer. The composition of the intermediate layer is not particularly limited, and may include, for example, a binder and a conductive agent.

正極活物質層は、正極活物質を含む。正極活物質層は、必要に応じて、導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。 The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material. The positive electrode active material layer may also contain optional components such as a conductive agent, binder, thickener, and filler, as needed.

正極活物質としては、公知の正極活物質の中から適宜選択できる。リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。正極活物質としては、例えば、α-NaFeO型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物、ポリアニオン化合物、カルコゲン化合物、硫黄等が挙げられる。α-NaFeO型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、例えば、Li[LiNi(1-x)]O(0≦x<0.5)、Li[LiNiγCo(1-x-γ)]O(0≦x<0.5、0<γ<1、0<1-x-γ)、Li[LiCo(1-x)]O(0≦x<0.5)、Li[LiNiγMn(1-x-γ)]O(0≦x<0.5、0<γ<1、0<1-x-γ)、Li[LiNiγMnβCo(1-x-γ-β)]O(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1、0<1-x-γ-β)、Li[LiNiγCoβAl(1-x-γ-β)]O(0≦x<0.5、0<γ、0<β、0.5<γ+β<1、0<1-x-γ-β)等が挙げられる。スピネル型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物として、LiMn、LiNiγMn(2-γ)等が挙げられる。ポリアニオン化合物として、LiFePO、LiMnPO、LiNiPO、LiCoPO、Li(PO、LiMnSiO、LiCoPOF等が挙げられる。カルコゲン化合物として、二硫化チタン、二硫化モリブデン、二酸化モリブデン等が挙げられる。これらの材料中の原子又はポリアニオンは、他の元素からなる原子又はアニオン種で一部が置換されていてもよい。これらの材料は表面が他の材料で被覆されていてもよい。正極活物質層においては、これら材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 The positive electrode active material can be appropriately selected from known positive electrode active materials. A material capable of absorbing and releasing lithium ions is typically used as the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries. Examples of the positive electrode active material include lithium transition metal composite oxides having an α-NaFeO 2 -type crystal structure, lithium transition metal composite oxides having a spinel-type crystal structure, polyanion compounds, chalcogen compounds, and sulfur. Examples of lithium transition metal composite oxides having α-NaFeO type 2 crystal structure include Li[Li x Ni (1-x) ]O 2 (0≦x<0.5), Li[Li x Ni γ Co (1-x-γ) ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ<1, 0<1-x-γ), Li[Li x Co (1-x) ]O 2 (0≦x<0.5), Li[Li x Ni γ Mn (1-x-γ) ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ<1, 0<1-x-γ), Li[Li x Ni γ Mn β Co (1-x-γ-β) ]O 2 (0≦x<0.5, 0<γ, 0<β, 0.5<γ+β<1, 0<1-x-γ-β), Li[Li x Ni γ Co β Al (1-x-γ-β) ] O 2 (0≦x<0.5, 0<γ, 0<β, 0.5<γ+β<1, 0<1-x-γ-β), etc. Examples of lithium transition metal composite oxides having a spinel crystal structure include Li x Mn 2 O 4 and Li x Ni γ Mn (2-γ) O 4 . Examples of polyanion compounds include LiFePO4 , LiMnPO4 , LiNiPO4 , LiCoPO4 , Li3V2 ( PO4 ) 3 , Li2MnSiO4 , and Li2CoPO4F . Examples of chalcogen compounds include titanium disulfide , molybdenum disulfide, and molybdenum dioxide . Atoms or polyanions in these materials may be partially substituted with atoms or anion species of other elements. The surfaces of these materials may be coated with other materials. In the positive electrode active material layer, one of these materials may be used alone, or two or more may be used in combination.

正極活物質は、通常、粒子(粉体)である。正極活物質の平均粒径は、例えば、0.1μm以上20μm以下とすることが好ましい。正極活物質の平均粒径を上記下限以上とすることで、正極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。正極活物質の平均粒径を上記上限以下とすることで、正極活物質層の電子伝導性が向上する。なお、正極活物質と他の材料との複合体を用いる場合、該複合体の平均粒径を正極活物質の平均粒径とする。「平均粒径」とは、JIS-Z-8825(2013年)に準拠し、粒子を溶媒で希釈した希釈液に対しレーザ回折・散乱法により測定した粒径分布に基づき、JIS-Z-8819-2(2001年)に準拠し計算される体積基準積算分布が50%となる値を意味する。 The positive electrode active material is typically in the form of particles (powder). The average particle size of the positive electrode active material is preferably, for example, 0.1 μm or more and 20 μm or less. Setting the average particle size of the positive electrode active material above the lower limit facilitates the production and handling of the positive electrode active material. Setting the average particle size of the positive electrode active material below the upper limit improves the electronic conductivity of the positive electrode active material layer. When a composite of the positive electrode active material and another material is used, the average particle size of the composite is taken as the average particle size of the positive electrode active material. "Average particle size" refers to the value at which the volume-based cumulative distribution calculated in accordance with JIS-Z-8819-2 (2001) is 50%, based on the particle size distribution measured by laser diffraction/scattering in a diluted solution obtained by diluting particles with a solvent in accordance with JIS-Z-8825 (2013).

粉体を所定の粒径で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。粉砕方法として、例えば、乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェットミル、旋回気流型ジェットミル又は篩等を用いる方法が挙げられる。粉砕時には水、あるいはヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いることもできる。分級方法としては、篩や風力分級機等が、乾式、湿式ともに必要に応じて用いられる。 To obtain powders of a specified particle size, mills and classifiers are used. Examples of milling methods include those using a mortar, ball mill, sand mill, vibrating ball mill, planetary ball mill, jet mill, counter jet mill, swirling air jet mill, or sieves. Wet milling, in which water or an organic solvent such as hexane is present, can also be used. Sieves and air classifiers are used as classification methods, both dry and wet, as needed.

正極活物質層における正極活物質の含有量は、50質量%以上99質量%以下が好ましく、70質量%以上98質量%以下がより好ましく、80質量%以上95質量%以下がさらに好ましい。正極活物質の含有量を上記の範囲とすることで、正極活物質層の高エネルギー密度化と製造性を両立できる。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably 50% by mass or more and 99% by mass or less, more preferably 70% by mass or more and 98% by mass or less, and even more preferably 80% by mass or more and 95% by mass or less. By keeping the content of the positive electrode active material within this range, both high energy density and manufacturability of the positive electrode active material layer can be achieved.

導電剤は、導電性を有する材料であれば特に限定されない。このような導電剤としては、例えば、炭素質材料、金属、導電性セラミックス等が挙げられる。炭素質材料としては、黒鉛、非黒鉛質炭素、グラフェン系炭素等が挙げられる。非黒鉛質炭素としては、カーボンナノファイバー、ピッチ系炭素繊維、カーボンブラック等が挙げられる。カーボンブラックとしては、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等が挙げられる。グラフェン系炭素としては、グラフェン、カーボンナノチューブ(CNT)、フラーレン等が挙げられる。導電剤の形状としては、粉状、繊維状等が挙げられる。導電剤としては、これらの材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。また、これらの材料を複合化して用いてもよい。例えば、カーボンブラックとCNTとを複合化した材料を用いてもよい。これらの中でも、電子伝導性及び塗工性の観点よりカーボンブラックが好ましく、中でもアセチレンブラックが好ましい。 The conductive agent is not particularly limited as long as it is a material that is conductive. Examples of such conductive agents include carbonaceous materials, metals, and conductive ceramics. Carbonaceous materials include graphite, non-graphitic carbon, and graphene-based carbon. Non-graphitic carbon includes carbon nanofiber, pitch-based carbon fiber, and carbon black. Carbon black includes furnace black, acetylene black, and ketjen black. Graphene-based carbon includes graphene, carbon nanotubes (CNT), and fullerene. The conductive agent may be in the form of powder or fiber. As the conductive agent, one of these materials may be used alone, or two or more may be mixed. These materials may also be used in combination. For example, a composite of carbon black and CNT may be used. Among these, carbon black is preferred from the standpoints of electronic conductivity and coatability, and acetylene black is particularly preferred.

正極活物質層における導電剤の含有量は、1質量%以上10質量%以下が好ましく、3質量%以上9質量%以下がより好ましい。導電剤の含有量を上記の範囲とすることで、蓄電素子のエネルギー密度を高めることができる。 The content of the conductive agent in the positive electrode active material layer is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 3% by mass or more and 9% by mass or less. By keeping the content of the conductive agent within this range, the energy density of the energy storage element can be increased.

バインダとしては、例えば、フッ素樹脂(ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等)、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアクリル、ポリイミド等の熱可塑性樹脂;エチレン-プロピレン-ジエンゴム(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のエラストマー;多糖類高分子等が挙げられる。 Examples of binders include thermoplastic resins such as fluororesins (polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), etc.), polyethylene, polypropylene, polyacrylic, and polyimide; elastomers such as ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butadiene rubber (SBR), and fluororubber; and polysaccharide polymers.

正極活物質層におけるバインダの含有量は、1質量%以上10質量%以下が好ましく、3質量%以上9質量%以下がより好ましい。バインダの含有量を上記の範囲とすることで、活物質を安定して保持することができる。 The binder content in the positive electrode active material layer is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 3% by mass or more and 9% by mass or less. By keeping the binder content within this range, the active material can be stably maintained.

増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース等の多糖類高分子が挙げられる。増粘剤がリチウム等と反応する官能基を有する場合、予めメチル化等によりこの官能基を失活させてもよい。 Examples of thickeners include polysaccharide polymers such as carboxymethyl cellulose (CMC) and methyl cellulose. If the thickener has a functional group that reacts with lithium or the like, this functional group may be deactivated in advance by methylation or the like.

フィラーは、特に限定されない。フィラーとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポリオレフィン、二酸化ケイ素、アルミナ、二酸化チタン、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、アルミノケイ酸塩等の無機酸化物、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウム等の水酸化物、炭酸カルシウム等の炭酸塩、フッ化カルシウム、フッ化バリウム、硫酸バリウム等の難溶性のイオン結晶、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物、タルク、モンモリロナイト、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、セリサイト、ベントナイト、マイカ等の鉱物資源由来物質又はこれらの人造物等が挙げられる。 The filler is not particularly limited. Examples of fillers include polyolefins such as polypropylene and polyethylene; inorganic oxides such as silicon dioxide, alumina, titanium dioxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, magnesium oxide, and aluminosilicates; hydroxides such as magnesium hydroxide, calcium hydroxide, and aluminum hydroxide; carbonates such as calcium carbonate; sparingly soluble ionic crystals such as calcium fluoride, barium fluoride, and barium sulfate; nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride; mineral-derived substances such as talc, montmorillonite, boehmite, zeolite, apatite, kaolin, mullite, spinel, olivine, sericite, bentonite, and mica; and synthetic versions of these.

正極活物質層は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge、Sn、Sr、Ba等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Nb、W等の遷移金属元素を正極活物質、導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー以外の成分として含有してもよい。 The positive electrode active material layer may contain typical non-metallic elements such as B, N, P, F, Cl, Br, and I; typical metallic elements such as Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga, Ge, Sn, Sr, and Ba; and transition metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Nb, and W as components other than the positive electrode active material, conductive agent, binder, thickener, and filler.

(負極)
負極は、負極基材と、当該負極基材に直接又は中間層を介して配される負極活物質層とを有する。中間層の構成は特に限定されず、例えば上記正極で例示した構成から選択することができる。
(Negative electrode)
The negative electrode has a negative electrode substrate and a negative electrode active material layer disposed on the negative electrode substrate directly or via an intermediate layer. The configuration of the intermediate layer is not particularly limited and can be selected from the configurations exemplified for the positive electrode above, for example.

負極基材は、導電性を有する。負極基材の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼、アルミニウム等の金属又はこれらの合金、炭素質材料等が用いられる。これらの中でも銅又は銅合金が好ましい。負極基材としては、箔、蒸着膜、メッシュ、多孔質材料等が挙げられ、コストの観点から箔が好ましい。したがって、負極基材としては銅箔又は銅合金箔が好ましい。銅箔の例としては、圧延銅箔、電解銅箔等が挙げられる。 The negative electrode substrate is electrically conductive. Materials used for the negative electrode substrate include metals such as copper, nickel, stainless steel, nickel-plated steel, and aluminum, or alloys of these metals, and carbonaceous materials. Among these, copper or copper alloys are preferred. Examples of negative electrode substrates include foil, vapor-deposited film, mesh, and porous materials, with foil being preferred from a cost perspective. Therefore, copper foil or copper alloy foil is preferred as the negative electrode substrate. Examples of copper foil include rolled copper foil and electrolytic copper foil.

負極基材の平均厚さは、2μm以上35μm以下が好ましく、3μm以上30μm以下がより好ましく、4μm以上25μm以下がさらに好ましく、5μm以上20μm以下が特に好ましい。負極基材の平均厚さを上記の範囲とすることで、負極基材の強度を高めつつ、蓄電素子の体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。 The average thickness of the negative electrode substrate is preferably 2 μm or more and 35 μm or less, more preferably 3 μm or more and 30 μm or less, even more preferably 4 μm or more and 25 μm or less, and particularly preferably 5 μm or more and 20 μm or less. By keeping the average thickness of the negative electrode substrate within the above range, the strength of the negative electrode substrate can be increased while also increasing the energy density per volume of the energy storage element.

負極活物質層は、負極活物質を含む。負極活物質層は、必要に応じて導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分を含む。導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー等の任意成分は、上記正極で例示した材料から選択できる。 The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material. The negative electrode active material layer also contains optional components such as a conductive agent, binder, thickener, and filler as needed. The optional components such as a conductive agent, binder, thickener, and filler can be selected from the materials exemplified for the positive electrode above.

負極活物質層は、B、N、P、F、Cl、Br、I等の典型非金属元素、Li、Na、Mg、Al、K、Ca、Zn、Ga、Ge、Sn、Sr、Ba、等の典型金属元素、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Zr、Ta、Hf、Nb、W等の遷移金属元素を負極活物質、導電剤、バインダ、増粘剤、フィラー以外の成分として含有してもよい。 The negative electrode active material layer may contain typical non-metallic elements such as B, N, P, F, Cl, Br, and I; typical metallic elements such as Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Zn, Ga, Ge, Sn, Sr, and Ba; and transition metal elements such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Zr, Ta, Hf, Nb, and W as components other than the negative electrode active material, conductive agent, binder, thickener, and filler.

負極活物質としては、公知の負極活物質の中から適宜選択できる。リチウムイオン二次電池用の負極活物質としては、通常、リチウムイオンを吸蔵及び放出することができる材料が用いられる。負極活物質としては、例えば、Si、Sn等の金属又は半金属;Si酸化物、Ti酸化物、Sn酸化物等の金属酸化物又は半金属酸化物;LiTi12、LiTiO2、TiNb等のチタン含有酸化物;ポリリン酸化合物;炭化ケイ素;黒鉛(グラファイト)、非黒鉛質炭素(易黒鉛化性炭素又は難黒鉛化性炭素)等の炭素材料等が挙げられる。これらの材料の中でも、黒鉛及び非黒鉛質炭素が好ましい。負極活物質層においては、これら材料の1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 The negative electrode active material can be appropriately selected from known negative electrode active materials. A material capable of absorbing and releasing lithium ions is typically used as the negative electrode active material for lithium ion secondary batteries. Examples of negative electrode active materials include metals or semimetals such as Si and Sn; metal oxides or semimetal oxides such as Si oxide, Ti oxide, and Sn oxide; titanium-containing oxides such as Li 4 Ti 5 O 12 , LiTiO 2 , and TiNb 2 O 7 ; polyphosphate compounds; silicon carbide; carbon materials such as graphite and non-graphitic carbon (easily graphitizable carbon or non-graphitizable carbon). Among these materials, graphite and non-graphitic carbon are preferred. In the negative electrode active material layer, one of these materials may be used alone, or two or more may be mixed and used.

「黒鉛」とは、充放電前又は放電状態において、X線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.33nm以上0.34nm未満の炭素材料をいう。黒鉛としては、天然黒鉛、人造黒鉛が挙げられる。安定した物性の材料を入手できるという観点で、人造黒鉛が好ましい。 "Graphite" refers to a carbon material in which the average lattice spacing (d 002 ) of the (002) plane, as determined by X-ray diffraction before charge/discharge or in a discharged state, is 0.33 nm or more and less than 0.34 nm. Examples of graphite include natural graphite and artificial graphite. Artificial graphite is preferred from the viewpoint of being able to obtain a material with stable physical properties.

「非黒鉛質炭素」とは、充放電前又は放電状態においてX線回折法により決定される(002)面の平均格子面間隔(d002)が0.34nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。非黒鉛質炭素としては、難黒鉛化性炭素や、易黒鉛化性炭素が挙げられる。非黒鉛質炭素としては、例えば、樹脂由来の材料、石油ピッチまたは石油ピッチ由来の材料、石油コークスまたは石油コークス由来の材料、植物由来の材料、アルコール由来の材料等が挙げられる。 "Non-graphitic carbon" refers to a carbon material in which the average lattice spacing (d 002 ) of the (002) plane, as determined by X-ray diffraction before charge/discharge or in a discharged state, is 0.34 nm or more and 0.42 nm or less. Examples of non-graphitic carbon include non-graphitizable carbon and graphitizable carbon. Examples of non-graphitic carbon include resin-derived materials, petroleum pitch or petroleum pitch-derived materials, petroleum coke or petroleum coke-derived materials, plant-derived materials, and alcohol-derived materials.

ここで、「放電状態」とは、負極活物質である炭素材料から、充放電に伴い吸蔵放出可能なリチウムイオンが十分に放出されるように放電された状態を意味する。例えば、負極活物質として炭素材料を含む負極を作用極として、金属Liを対極として用いた半電池において、開回路電圧が0.7V以上である状態である。 Here, "discharged state" refers to a state in which the negative electrode active material, the carbon material, has been discharged so that lithium ions capable of being absorbed and released during charging and discharging are sufficiently released. For example, this refers to a state in which the open circuit voltage is 0.7 V or higher in a half cell using a negative electrode containing a carbon material as the negative electrode active material as the working electrode and metallic Li as the counter electrode.

「難黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.36nm以上0.42nm以下の炭素材料をいう。 The term "non-graphitizable carbon" refers to a carbon material having the above d 002 of 0.36 nm or more and 0.42 nm or less.

「易黒鉛化性炭素」とは、上記d002が0.34nm以上0.36nm未満の炭素材料をいう。 The term "easily graphitizable carbon" refers to a carbon material having the above d 002 of 0.34 nm or more and less than 0.36 nm.

負極活物質は、通常、粒子(粉体)である。負極活物質の平均粒径は、例えば、1nm以上100μm以下とすることができる。負極活物質が炭素材料、チタン含有酸化物又はポリリン酸化合物である場合、その平均粒径は、1μm以上100μm以下であってもよい。負極活物質が、Si、Sn、Si酸化物、又は、Sn酸化物等である場合、その平均粒径は、1nm以上1μm以下であってもよい。負極活物質の平均粒径を上記下限以上とすることで、負極活物質の製造又は取り扱いが容易になる。負極活物質の平均粒径を上記上限以下とすることで、活物質層の電子伝導性が向上する。粉体を所定の粒径で得るためには粉砕機や分級機等が用いられる。粉砕方法及び粉級方法は、例えば、上記正極で例示した方法から選択できる。負極活物質がSiやSn等の金属である場合、負極活物質は、箔状であってもよい。 The negative electrode active material is typically in the form of particles (powder). The average particle size of the negative electrode active material can be, for example, 1 nm to 100 μm. When the negative electrode active material is a carbon material, a titanium-containing oxide, or a polyphosphate compound, the average particle size may be 1 μm to 100 μm. When the negative electrode active material is Si, Sn, Si oxide, Sn oxide, or the like, the average particle size may be 1 nm to 1 μm. Setting the average particle size of the negative electrode active material to be above the lower limit facilitates the production and handling of the negative electrode active material. Setting the average particle size of the negative electrode active material to be below the upper limit improves the electronic conductivity of the active material layer. To obtain powder with a specified particle size, a pulverizer, a classifier, or the like is used. The pulverization and classification methods can be selected from, for example, the methods exemplified for the positive electrode above. When the negative electrode active material is a metal such as Si or Sn, the negative electrode active material may be in the form of a foil.

負極活物質層における負極活物質の含有量は、60質量%以上99質量%以下が好ましく、90質量%以上98質量%以下がより好ましい。負極活物質の含有量を上記の範囲とすることで、負極活物質層の高エネルギー密度化と製造性を両立できる。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is preferably 60% by mass or more and 99% by mass or less, and more preferably 90% by mass or more and 98% by mass or less. By keeping the content of the negative electrode active material within this range, it is possible to achieve both high energy density and manufacturability of the negative electrode active material layer.

(参照極)
参照極は、多孔度が50%以上である多孔性部位を有する。当該蓄電素子に備わる参照極の具体的形態及び好適形態は、本発明の一実施形態に係る充電条件決定方法で用いられる参照極として説明した参照極であって多孔性部位の多孔度が50%以上であるものの形態が挙げられる。
(Reference pole)
The reference electrode has a porous portion with a porosity of 50% or more. Specific and preferred embodiments of the reference electrode provided in the energy storage element include the reference electrode described as the reference electrode used in the charging condition determination method according to one embodiment of the present invention, in which the porosity of the porous portion is 50% or more.

(セパレータ)
セパレータは、公知のセパレータの中から適宜選択できる。セパレータとして、例えば、基材層のみからなるセパレータ、基材層の一方の面又は双方の面に耐熱粒子とバインダとを含む耐熱層が形成されたセパレータ等を使用することができる。セパレータの基材層の形状としては、例えば、織布、不織布、多孔質樹脂フィルム等が挙げられる。これらの形状の中でも、強度の観点から多孔質樹脂フィルムが好ましく、電解質(電解液)の保液性の観点から不織布が好ましい。セパレータの基材層の材料としては、シャットダウン機能の観点から例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好ましく、耐酸化分解性の観点から例えばポリイミドやアラミド等が好ましい。セパレータの基材層として、これらの樹脂を複合した材料を用いてもよい。
(separator)
The separator can be appropriately selected from known separators. Examples of separators that can be used include separators consisting of only a substrate layer and separators in which a heat-resistant layer containing heat-resistant particles and a binder is formed on one or both surfaces of the substrate layer. Examples of the shape of the substrate layer of the separator include woven fabric, nonwoven fabric, and porous resin film. Among these shapes, porous resin film is preferred from the viewpoint of strength, and nonwoven fabric is preferred from the viewpoint of electrolyte (electrolytic solution) retention. As the material for the substrate layer of the separator, polyolefins such as polyethylene and polypropylene are preferred from the viewpoint of shutdown function, and polyimide and aramid are preferred from the viewpoint of oxidative decomposition resistance. A composite material of these resins may also be used as the substrate layer of the separator.

耐熱層に含まれる耐熱粒子は、1気圧の空気雰囲気下で室温から500℃まで昇温したときの質量減少が5%以下であるものが好ましく、室温から800℃まで昇温したときの質量減少が5%以下であるものがさらに好ましい。質量減少が所定以下である材料として無機化合物が挙げられる。無機化合物として、例えば、酸化鉄、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化マグネシウム、アルミノケイ酸塩等の酸化物;窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物;炭酸カルシウム等の炭酸塩;硫酸バリウム等の硫酸塩;フッ化カルシウム、フッ化バリウム、チタン酸バリウム等の難溶性のイオン結晶;シリコン、ダイヤモンド等の共有結合性結晶;タルク、モンモリロナイト、ベーマイト、ゼオライト、アパタイト、カオリン、ムライト、スピネル、オリビン、セリサイト、ベントナイト、マイカ等の鉱物資源由来物質又はこれらの人造物等が挙げられる。無機化合物として、これらの物質の単体又は複合体を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。これらの無機化合物の中でも、蓄電素子の安全性の観点から、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、又はアルミノケイ酸塩が好ましい。 The heat-resistant particles contained in the heat-resistant layer preferably exhibit a mass loss of 5% or less when heated from room temperature to 500°C in an air atmosphere at 1 atmosphere pressure, and more preferably exhibit a mass loss of 5% or less when heated from room temperature to 800°C. Examples of materials exhibiting a mass loss of less than the specified value include inorganic compounds. Examples of inorganic compounds include oxides such as iron oxide, silicon oxide, aluminum oxide, titanium oxide, zirconium oxide, calcium oxide, strontium oxide, barium oxide, magnesium oxide, and aluminosilicates; nitrides such as aluminum nitride and silicon nitride; carbonates such as calcium carbonate; sulfates such as barium sulfate; sparingly soluble ionic crystals such as calcium fluoride, barium fluoride, and barium titanate; covalently bonded crystals such as silicon and diamond; mineral-derived substances such as talc, montmorillonite, boehmite, zeolite, apatite, kaolin, mullite, spinel, olivine, sericite, bentonite, and mica, as well as artificial products thereof. As the inorganic compound, these substances may be used alone or in the form of a complex, or two or more may be mixed and used. Of these inorganic compounds, silicon oxide, aluminum oxide, or aluminosilicate are preferred from the perspective of the safety of the energy storage element.

セパレータの空孔率は、強度の観点から80体積%以下が好ましく、放電性能の観点から20体積%以上が好ましい。ここで、「空孔率」とは、体積基準の値であり、水銀ポロシメータでの測定値を意味する。 The porosity of the separator is preferably 80% by volume or less from the perspective of strength, and 20% by volume or more from the perspective of discharge performance. Here, "porosity" refers to a volume-based value measured using a mercury porosimeter.

セパレータとして、ポリマーと非水電解質とで構成されるポリマーゲルを用いてもよい。ポリマーとして、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリメチルメタアクリレート、ポリビニルアセテート、ポリビニルピロリドン、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。ポリマーゲルを用いると、漏液を抑制する効果がある。セパレータとして、上述したような多孔質樹脂フィルム又は不織布等とポリマーゲルを併用してもよい。 A polymer gel composed of a polymer and a non-aqueous electrolyte may be used as the separator. Examples of polymers include polyacrylonitrile, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polymethyl methacrylate, polyvinyl acetate, polyvinylpyrrolidone, and polyvinylidene fluoride. Using a polymer gel has the effect of suppressing leakage. The separator may also be a combination of a porous resin film or nonwoven fabric, such as those described above, and a polymer gel.

(電解質)
非水電解質二次電池には、電解質として非水電解質が用いられる。非水電解質としては、公知の非水電解質の中から適宜選択できる。非水電解質には、非水電解液を用いてもよい。非水電解液は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解されている電解質塩とを含む。
(electrolyte)
A nonaqueous electrolyte secondary battery uses a nonaqueous electrolyte as an electrolyte. The nonaqueous electrolyte can be appropriately selected from known nonaqueous electrolytes. A nonaqueous electrolyte solution may be used as the nonaqueous electrolyte. The nonaqueous electrolyte solution includes a nonaqueous solvent and an electrolyte salt dissolved in the nonaqueous solvent.

非水溶媒としては、公知の非水溶媒の中から適宜選択できる。非水溶媒としては、環状カーボネート、鎖状カーボネート、カルボン酸エステル、リン酸エステル、スルホン酸エステル、エーテル、アミド、ニトリル等が挙げられる。非水溶媒として、これらの化合物に含まれる水素原子の一部がハロゲンに置換されたものを用いてもよい。 The non-aqueous solvent can be appropriately selected from known non-aqueous solvents. Examples of non-aqueous solvents include cyclic carbonates, chain carbonates, carboxylic acid esters, phosphate esters, sulfonic acid esters, ethers, amides, and nitriles. Non-aqueous solvents in which some of the hydrogen atoms in these compounds have been substituted with halogens may also be used.

環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、クロロエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、スチレンカーボネート、1-フェニルビニレンカーボネート、1,2-ジフェニルビニレンカーボネート等が挙げられる。これらの中でもECが好ましい。 Cyclic carbonates include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), vinylethylene carbonate (VEC), chloroethylene carbonate, fluoroethylene carbonate (FEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), styrene carbonate, 1-phenylvinylene carbonate, and 1,2-diphenylvinylene carbonate. Of these, EC is preferred.

鎖状カーボネートとしては、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジフェニルカーボネート、トリフルオロエチルメチルカーボネート、ビス(トリフルオロエチル)カーボネート等が挙げられる。これらの中でもEMCが好ましい。 Examples of chain carbonates include diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diphenyl carbonate, trifluoroethyl methyl carbonate, and bis(trifluoroethyl) carbonate. Of these, EMC is preferred.

非水溶媒として、環状カーボネート又は鎖状カーボネートを用いることが好ましく、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを併用することがより好ましい。環状カーボネートを用いることで、電解質塩の解離を促進して非水電解液のイオン伝導度を向上させることができる。鎖状カーボネートを用いることで、非水電解液の粘度を低く抑えることができる。環状カーボネートと鎖状カーボネートとを併用する場合、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの体積比率(環状カーボネート:鎖状カーボネート)としては、例えば、5:95から50:50の範囲とすることが好ましい。 It is preferable to use a cyclic carbonate or a chain carbonate as the non-aqueous solvent, and it is more preferable to use a combination of a cyclic carbonate and a chain carbonate. The use of a cyclic carbonate promotes dissociation of the electrolyte salt, improving the ionic conductivity of the non-aqueous electrolyte. The use of a chain carbonate reduces the viscosity of the non-aqueous electrolyte. When a cyclic carbonate and a chain carbonate are used in combination, the volume ratio of the cyclic carbonate to the chain carbonate (cyclic carbonate:chain carbonate) is preferably in the range of, for example, 5:95 to 50:50.

電解質塩としては、公知の電解質塩から適宜選択できる。電解質塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、マグネシウム塩、オニウム塩等が挙げられる。これらの中でもリチウム塩が好ましい。 The electrolyte salt can be appropriately selected from known electrolyte salts. Examples of electrolyte salts include lithium salts, sodium salts, potassium salts, magnesium salts, and onium salts. Of these, lithium salts are preferred.

リチウム塩としては、LiPF、LiPO、LiBF、LiClO、LiN(SOF)等の無機リチウム塩、リチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)、リチウムジフルオロオキサレートボレート(LiFOB)、リチウムビス(オキサレート)ジフルオロホスフェート(LiFOP)等のシュウ酸リチウム塩、LiSOCF、LiN(SOCF、LiN(SO、LiN(SOCF)(SO)、LiC(SOCF、LiC(SO等のハロゲン化炭化水素基を有するリチウム塩等が挙げられる。これらの中でも、無機リチウム塩が好ましく、LiPFがより好ましい。 Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF6 , LiPO2F2 , LiBF4 , LiClO4 , and LiN ( SO2F ) 2 ; lithium oxalate salts such as lithium bis(oxalate)borate (LiBOB), lithium difluorooxalateborate (LiFOB), and lithium bis(oxalate)difluorophosphate ( LiFOP ) ; and lithium salts having a halogenated hydrocarbon group such as LiSO3CF3 , LiN( SO2CF3 ) 2 , LiN( SO2C2F5 ) 2 , LiN ( SO2CF3 ) ( SO2C4F9 ) , LiC( SO2CF3 ) 3 , and LiC( SO2C2F5 ) 3 . Among these, inorganic lithium salts are preferred, and LiPF6 is more preferred.

非水電解液における電解質塩の含有量は、20℃1気圧下において、0.1mol/dm以上2.5mol/dm以下であると好ましく、0.3mol/dm以上2.0mol/dm以下であるとより好ましく、0.5mol/dm以上1.7mol/dm以下であるとさらに好ましく、0.7mol/dm以上1.5mol/dm以下であると特に好ましい。電解質塩の含有量を上記の範囲とすることで、非水電解液のイオン伝導度を高めることができる。 The content of the electrolyte salt in the non-aqueous electrolyte solution at 20°C and 1 atmosphere is preferably 0.1 mol/dm3 or more and 2.5 mol/dm3 or less , more preferably 0.3 mol/dm3 or more and 2.0 mol/dm3 or less , even more preferably 0.5 mol/dm3 or more and 1.7 mol/dm3 or less , and particularly preferably 0.7 mol/dm3 or more and 1.5 mol/ dm3 or less. By setting the content of the electrolyte salt within the above range, the ionic conductivity of the non-aqueous electrolyte solution can be increased.

非水電解液は、非水溶媒と電解質塩以外に、添加剤を含んでもよい。添加剤としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)等のハロゲン化炭酸エステル;リチウムビス(オキサレート)ボレート(LiBOB)、リチウムジフルオロオキサレートボレート(LiFOB)、リチウムビス(オキサレート)ジフルオロホスフェート(LiFOP)等のシュウ酸塩;リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)等のイミド塩;ビフェニル、アルキルビフェニル、ターフェニル、ターフェニルの部分水素化体、シクロヘキシルベンゼン、t-ブチルベンゼン、t-アミルベンゼン、ジフェニルエーテル、ジベンゾフラン等の芳香族化合物;2-フルオロビフェニル、o-シクロヘキシルフルオロベンゼン、p-シクロヘキシルフルオロベンゼン等の前記芳香族化合物の部分ハロゲン化物;2,4-ジフルオロアニソール、2,5-ジフルオロアニソール、2,6-ジフルオロアニソール、3,5-ジフルオロアニソール等のハロゲン化アニソール化合物;ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、無水コハク酸、無水グルタル酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、無水グルタコン酸、無水イタコン酸、シクロヘキサンジカルボン酸無水物;亜硫酸エチレン、亜硫酸プロピレン、亜硫酸ジメチル、プロパンスルトン、プロペンスルトン、ブタンスルトン、メタンスルホン酸メチル、ブスルファン、トルエンスルホン酸メチル、硫酸ジメチル、硫酸エチレン、スルホラン、ジメチルスルホン、ジエチルスルホン、ジメチルスルホキシド、ジエチルスルホキシド、テトラメチレンスルホキシド、ジフェニルスルフィド、4,4’-ビス(2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン)、4-メチルスルホニルオキシメチル-2,2-ジオキソ-1,3,2-ジオキサチオラン、チオアニソール、ジフェニルジスルフィド、ジピリジニウムジスルフィド、1,3-プロペンスルトン、1,3-プロパンスルトン、1,4-ブタンスルトン、1,4-ブテンスルトン、パーフルオロオクタン、ホウ酸トリストリメチルシリル、リン酸トリストリメチルシリル、チタン酸テトラキストリメチルシリル、モノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム等が挙げられる。これら添加剤は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 In addition to the nonaqueous solvent and electrolyte salt, the nonaqueous electrolyte may contain additives. Examples of additives include halogenated carbonates such as fluoroethylene carbonate (FEC) and difluoroethylene carbonate (DFEC); oxalates such as lithium bis(oxalate)borate (LiBOB), lithium difluorooxalateborate (LiFOB), and lithium bis(oxalate)difluorophosphate (LiFOP); imide salts such as lithium bis(fluorosulfonyl)imide (LiFSI); biphenyl, alkylbiphenyl, terphenyl, partially hydrogenated terphenyl, and cyclohexyl Aromatic compounds such as benzene, t-butylbenzene, t-amylbenzene, diphenyl ether, and dibenzofuran; partial halides of the above aromatic compounds such as 2-fluorobiphenyl, o-cyclohexylfluorobenzene, and p-cyclohexylfluorobenzene; halogenated anisole compounds such as 2,4-difluoroanisole, 2,5-difluoroanisole, 2,6-difluoroanisole, and 3,5-difluoroanisole; vinylene carbonate, methylvinylene carbonate, ethylvinylene carbonate, succinic anhydride, Glutaric anhydride, maleic anhydride, citraconic anhydride, glutaconic anhydride, itaconic anhydride, cyclohexanedicarboxylic anhydride; ethylene sulfite, propylene sulfite, dimethyl sulfite, propane sultone, propene sultone, butane sultone, methyl methanesulfonate, busulfan, methyl toluenesulfonate, dimethyl sulfate, ethylene sulfate, sulfolane, dimethyl sulfone, diethyl sulfone, dimethyl sulfoxide, diethyl sulfoxide, tetramethylene sulfoxide, diphenyl sulfide, 4,4'-bis(2,2- Examples of additives include tetrakis(trimethylsilyl)silyl ether, tetrakis(trimethylsilyl) ...

非水電解液に含まれる添加剤の含有量は、非水電解液全体の質量に対して0.01質量%以上10質量%以下であると好ましく、0.1質量%以上7質量%以下であるとより好ましく、0.2質量%以上5質量%以下であるとさらに好ましく、0.3質量%以上3質量%以下であると特に好ましい。添加剤の含有量を上記の範囲とすることで、高温保存後の容量維持性能又はサイクル性能を向上させたり、安全性をより向上させたりすることができる。 The content of additives contained in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.01% by mass or more and 10% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or more and 7% by mass or less, even more preferably 0.2% by mass or more and 5% by mass or less, and particularly preferably 0.3% by mass or more and 3% by mass or less, relative to the total mass of the non-aqueous electrolyte. By keeping the additive content within the above range, it is possible to improve capacity retention or cycle performance after high-temperature storage, and to further improve safety.

非水電解質には、固体電解質を用いてもよく、非水電解液と固体電解質とを併用してもよい。 A solid electrolyte may be used as the non-aqueous electrolyte, or a non-aqueous electrolyte solution and a solid electrolyte may be used in combination.

固体電解質としては、リチウム、ナトリウム、カルシウム等のイオン伝導性を有し、常温(例えば15℃から25℃)において固体である任意の材料から選択できる。固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、酸窒化物固体電解質、ポリマー固体電解質等が挙げられる。 The solid electrolyte can be selected from any material that has ionic conductivity, such as lithium, sodium, or calcium, and is solid at room temperature (e.g., 15°C to 25°C). Examples of solid electrolytes include sulfide solid electrolytes, oxide solid electrolytes, oxynitride solid electrolytes, and polymer solid electrolytes.

硫化物固体電解質としては、リチウムイオン二次電池の場合、例えば、LiS-P、LiI-LiS-P、Li10Ge-P12等が挙げられる。 In the case of a lithium ion secondary battery, examples of sulfide solid electrolytes include Li 2 SP 2 S 5 , LiI-Li 2 SP 2 S 5 , and Li 10 Ge-P 2 S 12 .

本実施形態の非水電解質蓄電素子の形状については特に限定されるものではなく、例えば、円筒型電池、角型電池、扁平型電池、コイン型電池、ボタン型電池等が挙げられる。 The shape of the nonaqueous electrolyte storage element of this embodiment is not particularly limited, and examples include cylindrical batteries, prismatic batteries, flat batteries, coin batteries, and button batteries.

図6に角型電池の一例としての蓄電素子101を示す。なお、同図は、容器内部を透視した図としている。セパレータを挟んで巻回された正極及び負極を有する電極体102が角型の容器103に収納される。正極は正極リード141を介して正極端子104と電気的に接続されている。負極は負極リード151を介して負極端子105と電気的に接続されている。 Figure 6 shows an energy storage element 101 as an example of a prismatic battery. Note that this figure is a see-through view of the inside of the container. An electrode assembly 102 having a positive electrode and a negative electrode wound with a separator sandwiched between them is housed in a prismatic container 103. The positive electrode is electrically connected to a positive electrode terminal 104 via a positive electrode lead 141. The negative electrode is electrically connected to a negative electrode terminal 105 via a negative electrode lead 151.

また、蓄電素子101においては、電極体102を構成する正極と負極との間に参照極106の先端部分が差し込まれている。一実施形態において、参照極106の先端部分(多孔性部位を含む部分)は、正極と負極との間に配置される。参照極106は、例えばセパレータを介して、正極及び負極と接触しないように正極と負極との間に配置することができる。また、参照極106は、容器103の上面に設けられた参照極端子107と電気的に接続されている。参照極106の具体的構成としては、例えば図2の参照極14と同様の構成が挙げられる。 In addition, in the energy storage element 101, the tip portion of the reference electrode 106 is inserted between the positive and negative electrodes that make up the electrode body 102. In one embodiment, the tip portion of the reference electrode 106 (the portion including the porous portion) is disposed between the positive and negative electrodes. The reference electrode 106 can be disposed between the positive and negative electrodes, for example, via a separator, so as not to come into contact with the positive and negative electrodes. The reference electrode 106 is also electrically connected to a reference electrode terminal 107 provided on the top surface of the container 103. A specific configuration of the reference electrode 106 can be, for example, the same as that of the reference electrode 14 in Figure 2.

当該蓄電素子101は、多孔度が50%以上である多孔性部位を有する参照極106を備えるため、従来の装置を用いてこの蓄電素子101の負極電位を精度高く測定することができる。また、当該蓄電素子101の正極電位も同様に精度高く測定することができる。 The energy storage element 101 includes a reference electrode 106 having a porous portion with a porosity of 50% or more, so the negative electrode potential of the energy storage element 101 can be measured with high accuracy using conventional equipment. Similarly, the positive electrode potential of the energy storage element 101 can also be measured with high accuracy.

<蓄電装置の構成>
本実施形態の蓄電素子は、EV、HEV、PHEV等の自動車用電源、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器用電源、産業用途の電源、定置用途の電源又は電力貯蔵用電源等に、複数の蓄電素子を集合して構成した蓄電ユニット(バッテリーモジュール)として搭載することができる。この場合、蓄電ユニットに含まれる少なくとも1つの蓄電素子に対して、本発明の技術が適用されていればよい。
<Configuration of Power Storage Device>
The energy storage element of this embodiment can be mounted as an energy storage unit (battery module) configured by assembling a plurality of energy storage elements in an automobile power source such as an EV, HEV, or PHEV, a power source for electronic devices such as a personal computer or a communication terminal, an industrial power source, a stationary power source, or a power source for power storage, etc. In this case, the technology of the present invention may be applied to at least one energy storage element included in the energy storage unit.

図7に、電気的に接続された2つ以上の蓄電素子101が集合した蓄電ユニット120をさらに集合した蓄電装置130の一例を示す。蓄電装置130は、2つ以上の蓄電素子101を電気的に接続するバスバ(図示せず)、2つ以上の蓄電ユニット120を電気的に接続するバスバ(図示せず)等を備えていてもよい。蓄電ユニット120又は蓄電装置130は、1つ以上の蓄電素子の状態を監視する状態監視装置(図示せず)を備えていてもよい。状態監視装置としては、例えば参照極を基準とした負極電位等を監視する装置が挙げられる。 Figure 7 shows an example of a power storage device 130 that further aggregates power storage units 120, each of which is an aggregation of two or more electrically connected power storage elements 101. The power storage device 130 may include a bus bar (not shown) that electrically connects two or more power storage elements 101, a bus bar (not shown) that electrically connects two or more power storage units 120, and the like. The power storage unit 120 or the power storage device 130 may include a status monitoring device (not shown) that monitors the status of one or more power storage elements. An example of a status monitoring device is a device that monitors the negative electrode potential relative to a reference electrode.

<蓄電素子の製造方法>
本実施形態の蓄電素子の製造方法は、公知の方法から適宜選択できる。当該製造方法は、例えば、電極体を準備することと、電解質を準備することと、電極体及び電解質を容器に収容することと、を備える。電極体を準備することは、正極、負極及び参照極を準備することと、セパレータを介して正極及び負極を積層又は巻回することにより電極体を形成することとを備える。
<Method of manufacturing an energy storage element>
The method for manufacturing the energy storage element of this embodiment can be appropriately selected from known methods. The manufacturing method includes, for example, preparing an electrode assembly, preparing an electrolyte, and housing the electrode assembly and the electrolyte in a container. Preparing the electrode assembly includes preparing a positive electrode, a negative electrode, and a reference electrode, and forming the electrode assembly by stacking or winding the positive electrode and the negative electrode with a separator interposed therebetween.

なお、電極体を形成することにおいては、正極と負極との間に参照極を配置した状態で電極体を形成することができる。また、多孔性部位を有さない参照極を用いて蓄電素子を組み立て、上述のように、正極と参照極との間で充電操作を行うことにより、参照極に多孔性部位を形成してもよい。 When forming the electrode body, the electrode body can be formed with a reference electrode placed between the positive electrode and negative electrode. Alternatively, a storage element can be assembled using a reference electrode that does not have a porous portion, and a porous portion can be formed in the reference electrode by performing a charging operation between the positive electrode and the reference electrode as described above.

<その他の実施形態>
尚、本発明の充電条件決定方法及び蓄電素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成又は周知技術に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。また、ある実施形態の構成に対して周知技術を付加することができる。
<Other embodiments>
The charging condition determination method and the energy storage device of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the configuration of one embodiment can be added to the configuration of another embodiment, or part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment or well-known technology. Furthermore, part of the configuration of one embodiment can be deleted. Also, well-known technology can be added to the configuration of one embodiment.

上記実施形態では、蓄電素子が充放電可能な非水電解質二次電池(例えばリチウムイオン二次電池)として用いられる場合について説明したが、蓄電素子の種類、形状、寸法、容量等は任意である。本発明は、種々の二次電池、電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタ等のキャパシタにも適用できる。 In the above embodiment, the energy storage element is described as being used as a chargeable and dischargeable non-aqueous electrolyte secondary battery (e.g., a lithium-ion secondary battery), but the type, shape, dimensions, capacity, etc. of the energy storage element are arbitrary. The present invention can also be applied to various secondary batteries, electric double-layer capacitors, lithium-ion capacitors, and other capacitors.

上記実施形態では、正極及び負極がセパレータを介して積層された電極体について説明したが、電極体は、セパレータを備えなくてもよい。例えば、正極又は負極の活物質層上に導電性を有さない層が形成された状態で、正極及び負極が直接接してもよい。 In the above embodiment, an electrode assembly in which a positive electrode and a negative electrode are stacked with a separator interposed therebetween has been described, but the electrode assembly does not need to include a separator. For example, the positive electrode and the negative electrode may be in direct contact with each other, with a non-conductive layer formed on the active material layer of the positive electrode or negative electrode.

また、上記実施形態における充電条件決定方法及び蓄電素子において、参照極は正極と負極との間に配置したが、参照極の配置箇所は任意である。本発明の蓄電素子には、例えば図1の三電極セル11のような、充電条件決定方法に用いられる蓄電素子(三電極セル)も含まれる。また、本発明の充電条件決定方法及び蓄電素子で用いられる参照極は、先端部以外が絶縁層で被覆された銅線以外の材料の先端に多孔性部位が設けられたものなどであってもよい。 In addition, in the charging condition determination method and energy storage element of the above embodiment, the reference electrode is placed between the positive electrode and the negative electrode, but the reference electrode may be placed anywhere. The energy storage element of the present invention also includes an energy storage element (three-electrode cell) used in the charging condition determination method, such as the three-electrode cell 11 in Figure 1. Furthermore, the reference electrode used in the charging condition determination method and energy storage element of the present invention may be made of a material other than copper wire that is coated with an insulating layer except for the tip, and that has a porous portion at the tip.

本発明は、自動車等の電源として使用される蓄電素子における充電条件を決定する方法等に適用できる。 The present invention can be applied to methods for determining charging conditions for storage elements used as power sources for automobiles, etc.

10 実験装置
11 三電極セル
12 正極
13 負極
14 参照極
15 電解質
16 充放電装置
17 制御用PC
18 銅線
18a 先端部
19 絶縁層
20 多孔性部位
101 蓄電素子
102 電極体
103 容器
104 正極端子
141 正極リード
105 負極端子
106 参照極
107 参照極端子
151 負極リード
120 蓄電ユニット
130 蓄電装置
10 Experimental apparatus 11 Three-electrode cell 12 Positive electrode 13 Negative electrode 14 Reference electrode 15 Electrolyte 16 Charging/discharging device 17 Control PC
18 Copper wire 18a Tip portion 19 Insulating layer 20 Porous portion 101 Energy storage element 102 Electrode body 103 Container 104 Positive electrode terminal 141 Positive electrode lead 105 Negative electrode terminal 106 Reference electrode 107 Reference electrode terminal 151 Negative electrode lead 120 Energy storage unit 130 Energy storage device

Claims (2)

正極と、負極と、参照極とを備える三電極セルを準備すること、
上記三電極セルに対し、上記参照極を基準とした負極電位の制御により充電操作を行うこと、及び
上記充電操作により得られるプロファイルを用いて充電条件を決定すること
を備え、
上記参照極が、多孔性部位を有し、
上記参照極は、先端部以外が絶縁層で被覆されたリチウムと合金化しない金属からなる線を有し、上記リチウムと合金化しない金属からなる線の先端部を被覆するように上記多孔性部位が配置されている充電条件決定方法。
Providing a three-electrode cell including a positive electrode, a negative electrode, and a reference electrode;
performing a charging operation on the three-electrode cell by controlling the negative electrode potential based on the reference electrode; and determining charging conditions using a profile obtained by the charging operation,
the reference electrode has a porous portion,
The reference electrode has a wire made of a metal that does not alloy with lithium and is covered with an insulating layer except for its tip, and the porous portion is arranged to cover the tip of the wire made of the metal that does not alloy with lithium.
正極と、負極と、参照極とを備え、
上記参照極が、多孔性部位を有し、
上記参照極は、先端部以外が絶縁層で被覆されたリチウムと合金化しない金属からなる線を有し、上記リチウムと合金化しない金属からなる線の先端部を被覆するように上記多孔性部位が配置されている蓄電素子。
A positive electrode, a negative electrode, and a reference electrode are provided.
the reference electrode has a porous portion,
The reference electrode has a wire made of a metal that does not alloy with lithium and is covered with an insulating layer except for its tip, and the porous portion is arranged to cover the tip of the wire made of the metal that does not alloy with lithium.
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