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JP7782534B2 - Energy storage devices - Google Patents
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JP7782534B2 - Energy storage devices - Google Patents

Energy storage devices

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JP7782534B2
JP7782534B2 JP2023168945A JP2023168945A JP7782534B2 JP 7782534 B2 JP7782534 B2 JP 7782534B2 JP 2023168945 A JP2023168945 A JP 2023168945A JP 2023168945 A JP2023168945 A JP 2023168945A JP 7782534 B2 JP7782534 B2 JP 7782534B2
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    • Y02E60/10Energy storage using batteries

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Description

本発明は、蓄電デバイスに関する。 The present invention relates to an electricity storage device.

現在、車載用の一般的な高容量リチウムイオン電池(LIB)としては、正極活物質に層状型酸化物(例えばLiNixCoyMn1-x-y2)を、負極活物質に黒鉛などの炭素材料を用いたものが、広く用いられている。こうした構成のLIBでは、充放電を繰り返す際にセル全体が膨張過多となり、粒子割れや導電パスの消失といった劣化を引き起こすことがあった。また、セルの膨張を抑えるためにセルを外部から拘束するといった処置をとらねばならず、その結果、容量密度やエネルギー密度が減少してしまうことがあった。こうした問題に対し、例えば、充放電時の体積変化が小さいチタン酸リチウムを負極活物質に用いたもの(非特許文献1)、充放電時の体積変化が小さいLi1+xTiyz2を正極活物質に用いたもの(特許文献1)、充放電に伴う電極構造の体積変化に追従する結着材を用いたもの(特許文献2)、負極と電解質の間にLiバッファ層を配置し負極と集電体の間に多孔質層を配置したもの(特許文献3)などが提案されている。 Currently, typical high-capacity lithium-ion batteries (LIBs) for automotive applications use layered oxides (e.g., LiNi x Co y Mn 1-xy O 2 ) as the positive electrode active material and carbon materials such as graphite as the negative electrode active material. LIBs with this configuration can experience excessive expansion of the entire cell during repeated charge and discharge cycles, resulting in degradation such as particle cracking and loss of conductive paths. Furthermore, measures such as externally restraining the cell are required to suppress cell expansion, which can result in reduced capacity density and energy density. To address these problems, for example, a battery using lithium titanate as the negative electrode active material, which exhibits little volume change during charge and discharge (Non-Patent Document 1), a battery using Li1 + xTiyVzO2 as the positive electrode active material, which exhibits little volume change during charge and discharge (Patent Document 1), a battery using a binder that follows the volume change of the electrode structure that accompanies charge and discharge (Patent Document 2), and a battery in which a Li buffer layer is disposed between the negative electrode and the electrolyte and a porous layer is disposed between the negative electrode and the current collector (Patent Document 3) have been proposed.

特開2023-68548号公報JP 2023-68548 A 特開2020-145193号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-145193 特開2022-136024号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2022-136024

Toshiba_SCiB_総合カタログ_2301(https://www.global.toshiba/content/dam/toshiba/jp/products-solutions/battery/scib/pdf/SCiB_toshiba.pdf)Toshiba SCiB General Catalog 2301 (https://www.global.toshiba/content/dam/toshiba/jp/products-solutions/battery/scib/pdf/SCiB_toshiba.pdf)

しかしながら、非特許文献1では、チタン酸リチウムの酸化還元電位がリチウム基準で1.5V程度であり、0.1V程度の炭素負極よりも高いため、その分エネルギー密度が低下してしまうという問題があった。また、特許文献1では正極の体積変化を抑制できるが、セル全体で見ると依然として体積変化が大きいことがあった。特許文献2では、結着材が充放電に伴う電極構造の体積変化に追従することはできるが、セル全体の体積変化を抑えることはできなかった。特許文献3では、部品点数が多くなり、容量密度が低下するという問題があった。 However, in Non-Patent Document 1, the oxidation-reduction potential of lithium titanate is approximately 1.5 V versus lithium, which is higher than the approximately 0.1 V of a carbon anode, resulting in a corresponding decrease in energy density. Furthermore, while Patent Document 1 is able to suppress volumetric changes in the positive electrode, the volumetric changes can still be large when viewed as a whole cell. In Patent Document 2, the binder is able to follow the volumetric changes in the electrode structure that occur during charging and discharging, but is unable to suppress volumetric changes in the entire cell. Patent Document 3 has the problem of an increased number of parts, resulting in a decrease in capacity density.

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、エネルギー密度や容量密度の低下を抑制しつつ、セル全体の体積変化を抑制することを主目的とする。 The present invention was made to solve these problems, and its main purpose is to suppress changes in the volume of the entire cell while preventing a decrease in energy density and capacity density.

上述した目的を達成するために、本発明者らは、鋭意研究した。そして、蓄電デバイスにおいて、炭素負極と、所定のリチウム複合酸化物を正極活物質とする正極とを用い、正極の電極密度を調整したところ、セルのエネルギー密度や容量密度の低下を抑制しつつセル全体の体積変化を抑制できることを見いだし、本明細書で開示する発明を完成するに至った。 To achieve the above-mentioned objectives, the inventors conducted extensive research. They discovered that by using a carbon anode and a cathode with a specific lithium composite oxide as the cathode active material in an electricity storage device and adjusting the electrode density of the cathode, they were able to suppress changes in the overall volume of the cell while also suppressing decreases in the cell's energy density and capacity density, leading to the completion of the invention disclosed in this specification.

即ち、本明細書で開示する蓄電デバイスは、
炭素材料を負極活物質とする負極と、
一般式Liaxy2-zz(但し、MはAl、Si、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga及びGeのうち1以上であり、AはF、Cl、Br、I及びSのうち1以上であり、0<a<2、0<x≦0.09、0<y<1、0≦z<2を満たす。)で表されるリチウム複合酸化物を正極活物質とし、電極密度が1g/cm3以上2.4g/cm3以下である正極と、
前記負極と前記正極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えたものである。
That is, the electricity storage device disclosed in this specification is
a negative electrode having a carbon material as a negative electrode active material;
a positive electrode having a positive electrode active material made of a lithium composite oxide represented by the general formula Li a P x M y O 2-z A z (wherein M is one or more of Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, and Ge, and A is one or more of F, Cl, Br, I, and S, and 0<a<2, 0<x≦0.09, 0<y<1, 0≦z<2), and an electrode density of 1 g/cm 3 or more and 2.4 g/cm 3 or less;
an ion conductive medium interposed between the negative electrode and the positive electrode and conducting lithium ions;
It is equipped with the following.

あるいは、本明細書で開示する蓄電デバイスは、
炭素材料を負極活物質とする負極と、
立方晶型の結晶構造を有するリチウム複合酸化物を正極活物質とし、前記正極活物質は、充電時の結晶構造のユニットセルの体積をVC PEAU、放電時の結晶構造のユニットセルの体積をVD PEAUとしたときに、ΔVPEAU=(1-VC PEAU/VD PEAU)×100で表される体積変化率ΔVPEAUが6%以上10%以下であり、電極密度が1g/cm3以上2.4g/cm3以下である正極と、
前記負極と前記正極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えたものである。
Alternatively, the electricity storage device disclosed in the present specification is
a negative electrode having a carbon material as a negative electrode active material;
a positive electrode having a volume change rate ΔV PEAU of 6% or more and 10% or less, expressed as ΔV PEAU = (1 - V C PEAU / V D PEAU ) × 100, where V C PEAU is the volume of a unit cell of the crystal structure during charging and V D PEAU is the volume of a unit cell of the crystal structure during discharging; and an electrode density of 1 g/cm 3 or more and 2.4 g/cm 3 or less;
an ion conductive medium interposed between the negative electrode and the positive electrode and conducting lithium ions;
It is equipped with the following.

本開示では、容量密度やエネルギー密度の低下を抑制しつつ、セル全体の体積変化を抑制することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推察される。本開示では、酸化還元電位の低い炭素材料を負極活物質とするため、チタン酸リチウムなどを用いる場合よりもエネルギー密度の低下を抑制できる。炭素負極は充放電時の体積変化が大きいが、所定のリチウム複合酸化物を含みかつ所定の電極密度で形成された正極を対極として用いると、正極の充放電時の体積変化で炭素負極の体積変化を打ち消されるため、セル全体の体積変化を抑制できる。それにより、セルを外部から拘束するといった処置を省略可能となるため、容量密度やエネルギー密度の低下も抑制できると推察される。 The present disclosure makes it possible to suppress volume changes throughout the cell while suppressing decreases in capacity density and energy density. The reason for this effect is believed to be as follows: In the present disclosure, a carbon material with a low redox potential is used as the negative electrode active material, thereby suppressing decreases in energy density more effectively than when lithium titanate or the like is used. Carbon negative electrodes undergo large volume changes during charge and discharge. However, when a positive electrode containing a specified lithium composite oxide and formed with a specified electrode density is used as the counter electrode, the volume change of the positive electrode during charge and discharge cancels out the volume change of the carbon negative electrode, thereby suppressing volume changes throughout the cell. This makes it possible to omit measures such as externally restraining the cell, which is believed to also suppress decreases in capacity density and energy density.

蓄電デバイス20の構成の一例を示す模式図。FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of the configuration of an electricity storage device 20. シミュレーションに用いたセルの説明図。FIG. 1 is an explanatory diagram of a cell used in a simulation. オペランドXRD測定の結果を示す説明図。FIG. 10 is an explanatory diagram showing the results of operando XRD measurement. シミュレーション結果を示すグラフ。Graph showing simulation results. シミュレーション結果を示すグラフ。Graph showing simulation results. 実験結果を示すグラフ。Graph showing experimental results. 放電時及び充電時のリチウムイオン電池の様子を示す説明図。1A and 1B are explanatory diagrams showing the state of a lithium ion battery during discharging and charging.

本開示の蓄電デバイスは、炭素材料を負極活物質とする負極と、所定のリチウム複合酸化物を正極活物質とする正極と、負極と正極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体とを備えている。この蓄電デバイスは、例えば、リチウムイオン電池としてもよい。 The electricity storage device disclosed herein comprises a negative electrode using a carbon material as the negative electrode active material, a positive electrode using a specified lithium composite oxide as the positive electrode active material, and an ion-conductive medium interposed between the negative electrode and positive electrode and conducting lithium ions. This electricity storage device may be, for example, a lithium-ion battery.

負極は、例えば負極活物質と結着材と必要に応じて導電材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の負極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。負極活物質は、炭素材料である。炭素材料は、リチウムを吸蔵放出可能なものであることが好ましく、例えば、コークス類、ガラス状炭素類、グラファイト類、難黒鉛化性炭素類、熱分解炭素類、炭素繊維などが挙げられる。このうち、人造黒鉛、天然黒鉛などのグラファイト類(黒鉛)が、金属リチウムに近い作動電位を有し、高い作動電圧での充放電が可能であり、好ましい。負極に含まれる結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)ゴム、スルホン化EPDMゴム、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。負極に含まれる導電材は、負極の電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。負極活物質、結着材、導電材などを分散させる溶剤としては、例えばN-メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。負極の集電体には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al-Cd合金などのほか、接着性、導電性及び耐還元性向上の目的で、例えば銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものも用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1~500μmのものが用いられる。負極の電極密度は、1g/cm3以上2g/cm3以下であるものとしてもよく、1.3g/cm3以上1.7g/cm3以下であるものとしてもよく、1.4g/cm3以上1.6g/cm3以下であるものとしてもよい。なお、電極密度は、集電体を除いた部分の電極密度とする。負極(集電体を除く)における活物質割合は、90質量%以上99.5質量%以下としてもよく、95質量%以上99質量%以下としてもよい。 The negative electrode may be formed, for example, by mixing a negative electrode active material, a binder, and optionally a conductive material, adding an appropriate solvent to form a paste of the negative electrode material, applying it to the surface of a current collector, drying it, and compressing it to increase the electrode density as needed. The negative electrode active material is a carbon material. The carbon material is preferably one that can absorb and release lithium, such as cokes, glassy carbons, graphites, non-graphitizable carbons, pyrolytic carbons, and carbon fibers. Among these, graphites (graphites) such as artificial graphite and natural graphite are preferred because they have an operating potential close to that of metallic lithium and can be charged and discharged at a high operating voltage. The binder contained in the negative electrode serves to bind the active material particles and the conductive material particles together. For example, fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and fluorine-containing rubber, or thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber, sulfonated EPDM rubber, and natural butyl rubber (NBR) can be used alone or as a mixture of two or more. Also, aqueous binders such as cellulose-based binders and aqueous dispersions of styrene butadiene rubber (SBR) can be used. The conductive material contained in the negative electrode is not particularly limited as long as it is an electron-conductive material that does not adversely affect the battery performance of the negative electrode. For example, graphite such as natural graphite (scale graphite, flake graphite) and artificial graphite, acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whiskers, needle coke, carbon fiber, and metals (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) can be used alone or as a mixture of two or more. Among these, carbon black and acetylene black are preferred as conductive materials from the viewpoints of electronic conductivity and coatability. Examples of solvents that can be used to disperse the negative electrode active material, binder, conductive material, etc. include organic solvents such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethylenetriamine, N,N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran. Alternatively, a dispersant, a thickener, etc. may be added to water, and the active material may be slurried with a latex such as SBR. Examples of thickeners that can be used include polysaccharides such as carboxymethyl cellulose and methyl cellulose, either alone or as a mixture of two or more. Examples of application methods include roller coating such as an applicator roll, screen coating, a doctor blade method, spin coating, and a bar coater. Any of these methods can be used to create a desired thickness and shape. The negative electrode current collector can be made of copper, nickel, stainless steel, titanium, aluminum, calcined carbon, conductive polymers, conductive glass, Al—Cd alloys, etc., or, for example, copper whose surface has been treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. for the purpose of improving adhesion, conductivity, and reduction resistance. These surfaces can also be oxidized. The current collector may be in the form of a foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foam, or fiber group. The thickness of the current collector is, for example, 1 to 500 μm. The electrode density of the negative electrode may be 1 g/cm 3 or more and 2 g/cm 3 or less, 1.3 g/cm 3 or more and 1.7 g/cm 3 or less, or 1.4 g/cm 3 or more and 1.6 g/cm 3 or less. The electrode density is the electrode density of the portion excluding the current collector. The proportion of the active material in the negative electrode (excluding the current collector) may be 90% by mass or more and 99.5% by mass or less, or 95% by mass or more and 99% by mass or less.

正極は、正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極活物質は、リチウム複合酸化物である。リチウム複合酸化物は、例えば、Al、Si、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga及びGeのうち1以上を含むものとしてもよい。また、リチウム複合酸化物は、Pを含むものとしてもよい。また、リチウム複合酸化物は、F、Cl、Br、I及びSのうち1以上を含むものとしてもよい。リチウム複合酸化物は、例えば、特開2023-77491号公報に開示されたリチウム複合酸化物としてもよい。こうしたリチウム複合酸化物は、容量密度が高いため、好ましい。 The positive electrode may be formed by mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder, adding an appropriate solvent to form a paste-like positive electrode mixture, applying it to the surface of a current collector, drying it, and compressing it as needed to increase electrode density. The positive electrode active material is a lithium composite oxide. The lithium composite oxide may contain, for example, one or more of Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, and Ge. The lithium composite oxide may also contain P. The lithium composite oxide may also contain one or more of F, Cl, Br, I, and S. The lithium composite oxide may be, for example, the lithium composite oxide disclosed in JP 2023-77491 A. Such lithium composite oxides are preferred due to their high capacity density.

正極活物質は、一般式Liaxy2-zzで表されるリチウム複合酸化物としてもよい。但し、MはAl、Si、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga及びGeのうち1以上であり、AはF、Cl、Br、I及びSのうち1以上であり、0<a<2、0<x≦0.09、0<y<1、0≦z<2を満たすものとする。このリチウム複合酸化物において、Pの含有量xは、0.02≦x≦0.08を満たすことが好ましく、0.03≦x≦0.08を満たすことがより好ましい。また、金属元素Mの含有量yは、0.65≦y<1を満たすことが好ましく、0.7≦y≦0.95を満たすことがより好ましい。また、元素Aの含有量zは、0≦z≦1を満たすことが好ましく、0≦z≦0.5以下を満たすことがより好ましい。Liの含有量aは、充放電を行っていない状態において1≦a≦1.25を満たすものとしてもよい。このリチウム複合酸化物は、金属元素Mとして、上述したうち少なくとも遷移金属元素(Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu)のうちの1以上を含むものとしてもよく、少なくともMnを含むことが好ましい。このリチウム複合酸化物は、元素Aを含む(すなわち、元素Aの含有量zが0<zを満たす)ものとしてもよい。元素A(特にF)を含むものでは、充放電を繰り返した場合に、放電曲線やdQ/dV曲線の変化が小さいため、電位から充電状態(SOC)を推測しやすいという利点がある。元素AとしてFを含む場合、Fの含有量zは、0<z<0.5を満たすことが好ましく、0.3≦z<0.5を満たすものとしてもよい。このリチウム複合酸化物は、STEM/EDXにて測定された元素分布において金属元素MとPとが均一に分布していることが好ましい。また、このリチウム複合酸化物は、元素Aを含む場合、STEM/EDXにて測定された元素分布において金属元素MとPと元素Aとが均一に分布していることが好ましい。金属元素MとPや元素Aとが均一に分布すると、蓄電デバイスのキャリアイオン(例えばリチウムイオン)が偏らずにリチウム複合酸化物に吸蔵、放出されるため、好ましい。 The positive electrode active material may be a lithium composite oxide represented by the general formula Li a P x M y O 2-z A z . Here, M is one or more of Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, and Ge, and A is one or more of F, Cl, Br, I, and S, and the following conditions are satisfied: 0<a<2, 0<x≦0.09, 0<y<1, and 0≦z<2. In this lithium composite oxide, the P content x preferably satisfies 0.02≦x≦0.08, and more preferably 0.03≦x≦0.08. The content y of the metal element M preferably satisfies 0.65≦y<1, and more preferably 0.7≦y≦0.95. The content z of the element A preferably satisfies 0≦z≦1, and more preferably 0≦z≦0.5. The Li content a may satisfy 1≦a≦1.25 in a state where no charge or discharge is performed. This lithium composite oxide may contain at least one of the transition metal elements (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu) described above as the metal element M, and preferably contains at least Mn. This lithium composite oxide may also contain element A (i.e., the content z of element A satisfies 0<z). Those containing element A (particularly F) have the advantage that the change in the discharge curve and dQ/dV curve is small when charge and discharge are repeated, making it easy to estimate the state of charge (SOC) from the potential. When F is included as element A, the content z of F preferably satisfies 0<z<0.5, and may also satisfy 0.3≦z<0.5. In this lithium composite oxide, it is preferable that the metal elements M and P are uniformly distributed in the element distribution measured by STEM/EDX. Furthermore, when this lithium composite oxide contains element A, it is preferable that metal elements M, P, and element A are uniformly distributed in the element distribution measured by STEM/EDX. Uniform distribution of metal elements M, P, and element A is preferable because carrier ions (e.g., lithium ions) of the electricity storage device are absorbed and released into and from the lithium composite oxide without bias.

正極活物質は、立方晶型の結晶構造を有するリチウム複合酸化物としてもよい。正極活物質は、このうち、無秩序岩塩構造(ランダム岩塩構造とも称される)を有するリチウム複合酸化物であることが好ましい。無秩序岩塩構造は、XRDスペクトルにおいて、2θが35°以上39°以下の範囲、42°以上48°以下の範囲、62°以上68°以下の範囲、及び80°以上84°以下の範囲の4つに回折ピークを有するピークパターンを示す。また、無秩序構造を有することから、回折ピークは比較的ブロードであり、2θ=42°~48°のメインピークの半価幅が1.5°以上を示し、2θ=62°~68°のピークの半価幅が2°以上を示す。 The positive electrode active material may be a lithium composite oxide having a cubic crystal structure. Of these, the positive electrode active material is preferably a lithium composite oxide having a disordered rock salt structure (also called a random rock salt structure). A disordered rock salt structure exhibits a peak pattern in an XRD spectrum with four diffraction peaks in the 2θ ranges of 35° to 39°, 42° to 48°, 62° to 68°, and 80° to 84°. Furthermore, due to the disordered structure, the diffraction peaks are relatively broad, with the main peak at 2θ = 42° to 48° having a half-width of 1.5° or more and the peak at 2θ = 62° to 68° having a half-width of 2° or more.

正極活物質は、充電時の結晶構造のユニットセルの体積をVC PEAU、放電時の結晶構造のユニットセルの体積をVD PEAUとしたときに、ΔVPEAU=(1-VC PEAU/VD PEAU)×100で表される体積変化率ΔVPEAUが6%以上10%以下であることが好ましい。体積変化率ΔVPEAUは7%以上が好ましく、8%以上がより好ましい。また、体積変化率ΔVPEAUは9%以下としてもよい。 The positive electrode active material preferably has a volume change rate ΔV PEAU expressed as ΔV PEAU = (1 - V C PEAU / V D PEAU ) × 100 of 6% or more and 10% or less, where V C PEAU is the volume of a unit cell of the crystalline structure during charging and V D PEAU is the volume of a unit cell of the crystalline structure during discharging. The volume change rate ΔV PEAU is preferably 7% or more, more preferably 8% or more. Alternatively, the volume change rate ΔV PEAU may be 9% or less.

正極に用いられる導電材、結着材、溶剤などは、それぞれ正極で例示したものを用いることができる。集電体としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1~500μmのものが用いられる。集電体の形状は、負極と同様のものを用いることができる。 The conductive materials, binders, solvents, etc. used in the positive electrode can be the same as those exemplified for the positive electrode. Current collectors can be made of aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, baked carbon, conductive polymers, conductive glass, etc., as well as aluminum or copper whose surfaces have been treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. to improve adhesion, conductivity, and oxidation resistance. These surfaces can also be oxidized. Current collector shapes include foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foamed, and fibrous structures. The thickness of the current collector is, for example, 1 to 500 μm. The shape of the current collector can be the same as that of the negative electrode.

正極の電極密度は、1g/cm3以上2.4g/cm3以下である。正極の電極密度は、容量密度を高める観点や、充放電に伴うセルの体積収縮を抑制する観点からは、高い方が好ましく、例えば、1.1g/cm3以上が好ましく、1.2g/cm3以上がより好ましい。正極の電極密度は、充放電に伴うセルの体積膨張を抑制する観点からは、低い方が好ましく、例えば、2.0g/cm3以下が好ましく、1.8g/cm3以下がより好ましい。なお、電極密度は、集電体を除いた部分の電極密度とする。正極(集電体を除く)における活物質割合は、80質量%以上97質量%以下としてもよく、85質量%以上95質量%以下としてもよい。正極に対する負極の容量比は1.0超過1.2以下としてもよく、1.05以上1.15以下としてもよい。 The electrode density of the positive electrode is 1 g/cm 3 or more and 2.4 g/cm 3 or less. The electrode density of the positive electrode is preferably higher from the viewpoint of increasing the capacity density and suppressing volumetric shrinkage of the cell during charge and discharge. For example, 1.1 g/cm 3 or more is preferable, and 1.2 g/cm 3 or more is more preferable. The electrode density of the positive electrode is preferably lower from the viewpoint of suppressing volumetric expansion of the cell during charge and discharge. For example, 2.0 g/cm 3 or less is preferable, and 1.8 g/cm 3 or less is more preferable. The electrode density is the electrode density of the portion excluding the current collector. The active material ratio in the positive electrode (excluding the current collector) may be 80 mass% or more and 97 mass% or less, or 85 mass% or more and 95 mass% or less. The capacity ratio of the negative electrode to the positive electrode may be more than 1.0 and 1.2 or less, or 1.05 or more and 1.15 or less.

イオン伝導媒体は、リチウムを含む支持塩と、非水系の溶媒とを含む非水系電解液としてもよい。非水系電解液の溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、フラン類、スルホラン類及びジオキソラン類などが挙げられ、これらを単独又は混合して用いることができる。具体的には、カーボネート類としてエチレンカーボネートやプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチル-n-ブチルカーボネート、メチル-t-ブチルカーボネート、ジ-i-プロピルカーボネート、t-ブチル-i-プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ-ブチルラクトン、γ-バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3-ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。このうち、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との組み合わせが好ましい。 The ion-conducting medium may be a non-aqueous electrolyte solution containing a supporting salt containing lithium and a non-aqueous solvent. Examples of solvents for non-aqueous electrolyte solutions include carbonates, esters, ethers, nitriles, furans, sulfolanes, and dioxolanes, which may be used alone or in combination. Specific examples of carbonates include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, and chloroethylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl-n-butyl carbonate, methyl-t-butyl carbonate, di-i-propyl carbonate, and t-butyl-i-propyl carbonate; cyclic esters such as γ-butyl lactone and γ-valerolactone; chain esters such as methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, and methyl butyrate; ethers such as dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, and diethoxyethane; nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; furans such as tetrahydrofuran and methyltetrahydrofuran; sulfolanes such as sulfolane and tetramethylsulfolane; and dioxolanes such as 1,3-dioxolane and methyldioxolane. Of these, a combination of cyclic carbonates and chain carbonates is preferred.

支持塩は、例えば、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23、LiSbF6、LiSiF6、LiAlF4、LiSCN、LiClO4、LiCl、LiF、LiBr、LiI、LiAlCl4などが挙げられる。このうち、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4などの無機塩、及びLiCF3SO3、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23などの有機塩からなる群より選ばれる1種又は2種以上の塩を組み合わせて用いることが電気特性の点から見て好ましい。この支持塩は、非水系電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。支持塩を溶解する濃度が0.1mol/L以上では、十分な電流密度を得ることができ、5mol/L以下では、電解液をより安定させることができる。 Examples of supporting salts include LiPF6 , LiBF4, LiAsF6 , LiCF3SO3 , LiN ( CF3SO2 ) 2 , LiC( CF3SO2 ) 3 , LiSbF6, LiSiF6 , LiAlF4, LiSCN, LiClO4 , LiCl, LiF , LiBr, LiI, and LiAlCl4 . Among these, it is preferable from the viewpoint of electrical properties to use a combination of one or more salts selected from the group consisting of inorganic salts such as LiPF6 , LiBF4 , LiAsF6 , and LiClO4 , and organic salts such as LiCF3SO3 , LiN( CF3SO2 ) 2 , and LiC( CF3SO2 ) 3 . The concentration of this supporting salt in the nonaqueous electrolyte is preferably 0.1 mol/L or more and 5 mol/L or less, and more preferably 0.5 mol/L or more and 2 mol/L or less. When the concentration of the dissolving supporting salt is 0.1 mol/L or more, a sufficient current density can be obtained, and when it is 5 mol/L or less, the electrolyte can be more stabilized.

本開示の蓄電デバイスは、負極と正極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、蓄電デバイスの使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の薄い微多孔膜が挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。 The power storage device of the present disclosure may include a separator between the negative electrode and positive electrode. The separator is not particularly limited as long as its composition can withstand the range of use of the power storage device. Examples of the separator include polymer nonwoven fabrics such as polypropylene nonwoven fabrics and polyphenylene sulfide nonwoven fabrics, and thin microporous membranes made of olefin resins such as polyethylene and polypropylene. These may be used alone or in combination.

本開示の蓄電デバイスは、充放電前後の負極と正極との合計体積の変化率が±2%以内であることが好ましく、±1.5%以内であることがより好ましく、±1%以内であることがさらに好ましい。 In the energy storage device disclosed herein, the rate of change in the total volume of the negative electrode and positive electrode before and after charging and discharging is preferably within ±2%, more preferably within ±1.5%, and even more preferably within ±1%.

本開示の蓄電デバイスは、セル体積あたりの放電容量が200Ah/L以上であることが好ましく、220Ah/L以上であることがより好ましい。本開示の蓄電デバイスは、セル体積あたりの放電容量が300Ah/L以下であるものとしてもよい。 The power storage device of the present disclosure preferably has a discharge capacity per cell volume of 200 Ah/L or more, and more preferably 220 Ah/L or more. The power storage device of the present disclosure may also have a discharge capacity per cell volume of 300 Ah/L or less.

本開示の蓄電デバイスは、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、こうした蓄電デバイスを複数直列に接続して電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。図1は、本実施形態の蓄電デバイス20の一例を示す模式図である。この蓄電デバイス20は、集電体24の表面に負極合材25を形成したシート状の負極26と、集電体21に正極合材22を形成したシート状の正極23と、負極26と正極23との間に設けられたセパレータ28と、負極26と正極23との間を満たす非水系電解液29と、を備えている。この蓄電デバイス20では、負極26と正極23との間にセパレータ28を挟み、これらを捲回して円筒ケース32に挿入し、負極26に接続された負極端子36と正極23に接続された正極端子34とを配設して形成されている。負極合材25は、黒鉛などの炭素材料を負極活物質として含んでいる。正極合材22は、例えば、一般式Liaxy2-zz(但し、MはAl、Si、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga及びGeのうち1以上であり、AはF、Cl、Br、I及びSのうち1以上であり、0<a<2、0<x≦0.09、0<y<1、0≦z<2を満たす。)で表されるリチウム複合酸化物を正極活物質として含んでいる。正極の電極密度(正極合材22の密度)は、1g/cm3以上2.4g/cm3以下である。 The electricity storage device of the present disclosure is not particularly limited, and examples thereof include coin-shaped, button-shaped, sheet-shaped, laminated, cylindrical, flat, and rectangular types. Furthermore, a plurality of such electricity storage devices may be connected in series to form large devices for use in electric vehicles and the like. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of an electricity storage device 20 according to this embodiment. The electricity storage device 20 includes a sheet-shaped negative electrode 26 having a negative electrode composite 25 formed on the surface of a current collector 24, a sheet-shaped positive electrode 23 having a positive electrode composite 22 formed on a current collector 21, a separator 28 disposed between the negative electrode 26 and the positive electrode 23, and a nonaqueous electrolyte solution 29 filling the space between the negative electrode 26 and the positive electrode 23. The electricity storage device 20 is formed by sandwiching the separator 28 between the negative electrode 26 and the positive electrode 23, winding them, and inserting them into a cylindrical case 32. A negative electrode terminal 36 connected to the negative electrode 26 and a positive electrode terminal 34 connected to the positive electrode 23 are disposed therein. The negative electrode composite 25 contains a carbon material such as graphite as a negative electrode active material. The positive electrode composite 22 contains, for example, a lithium composite oxide represented by the general formula Li a P x M y O 2-z A z (where M is one or more of Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, and Ge, and A is one or more of F, Cl, Br, I, and S, and 0<a<2, 0<x≦0.09, 0<y<1, and 0≦z<2 are satisfied) as a positive electrode active material. The electrode density of the positive electrode (density of the positive electrode composite 22) is 1 g/cm 3 or more and 2.4 g/cm 3 or less.

以上詳述した本実施形態の蓄電デバイスでは、容量密度やエネルギー密度の低下を抑制しつつ、セル全体の体積変化を抑制することができる。このような効果が得られる理由は、以下のように推察される。本実施形態の蓄電デバイスでは、酸化還元電位の低い炭素材料を負極活物質とするため、チタン酸リチウムなどを用いる場合よりもエネルギー密度の低下を抑制できる。炭素負極は充放電時の体積変化が大きいが、所定のリチウム複合酸化物を含みかつ所定の密度で形成された正極を対極として用いると、正極の充放電時の体積変化で炭素負極の体積変化を打ち消されるため、セル全体の体積変化を抑制できる。それにより、セルを外部から拘束するといった処置を省略可能となるため、容量密度やエネルギー密度の低下も抑制できると推察される。 The electricity storage device of this embodiment, as described above in detail, can suppress volumetric changes throughout the cell while suppressing decreases in capacity density and energy density. The reason for this effect is believed to be as follows: In the electricity storage device of this embodiment, a carbon material with a low redox potential is used as the negative electrode active material, which suppresses decreases in energy density more than when lithium titanate or the like is used. Carbon negative electrodes undergo large volumetric changes during charge and discharge. However, when a positive electrode containing a specified lithium composite oxide and formed to a specified density is used as the counter electrode, the volumetric changes of the positive electrode during charge and discharge cancel out the volumetric changes of the carbon negative electrode, thereby suppressing volumetric changes throughout the cell. This makes it possible to omit measures such as externally restraining the cell, which is believed to suppress decreases in capacity density and energy density.

なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is in no way limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.

例えば、本開示は、以下の[1]~[7]のいずれかに示すものとしてもよい。
[1] 炭素材料を負極活物質とする負極と、一般式Liaxy2-zz(但し、MはAl、Si、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga及びGeのうち1以上であり、AはF、Cl、Br、I及びSのうち1以上であり、0<a<2、0<x≦0.09、0<y<1、0≦z<2を満たす。)で表されるリチウム複合酸化物を正極活物質とし、電極密度が1g/cm3以上2.4g/cm3以下である正極と、前記負極と前記正極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備えた、蓄電デバイス。
[2] 前記正極活物質は、立方晶型の結晶構造を有し、充電時の結晶構造のユニットセルの体積をVC PEAU、放電時の結晶構造のユニットセルの体積をVD PEAUとしたときに、ΔVPEAU=(1-VC PEAU/VD PEAU)×100で表される体積変化率ΔVPEAUが6%以上10%以下である、[1]に記載の蓄電デバイス。
[3] 炭素材料を負極活物質とする負極と、立方晶型の結晶構造を有するリチウム複合酸化物を正極活物質とし、前記正極活物質は、充電時の結晶構造のユニットセルの体積をVC PEAU、放電時の結晶構造のユニットセルの体積をVD PEAUとしたときに、ΔVPEAU=(1-VC PEAU/VD PEAU)×100で表される体積変化率ΔVPEAUが6%以上10%以下であり、電極密度が1g/cm3以上2.4g/cm3以下である正極と、前記負極と前記正極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備えた、蓄電デバイス。
[4] 前記負極活物質は、黒鉛である、[1]~[3]のいずれか1つに記載の蓄電デバイス。
[5] 前記正極の密度が1.2g/cm3以上1.8g/cm3以下である、[1]~[4]のいずれか1つに記載の蓄電デバイス。
[6] 充放電前後の前記負極と前記正極との合計体積の変化率が±2%以内である、[1]~[5]のいずれか1つに記載の蓄電デバイス。
[7] セル体積あたりの放電容量が200Ah/L以上である、[1]~[6]のいずれか1つに記載の蓄電デバイス。
For example, the present disclosure may be any of the following [1] to [7].
[1] An electricity storage device comprising: a negative electrode using a carbon material as a negative electrode active material; a positive electrode using a lithium composite oxide represented by the general formula LiaPxMyO2 -zAz ( wherein M is one or more of Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, and Ge, and A is one or more of F, Cl, Br, I, and S, and 0<a<2, 0<x≦0.09, 0<y<1, 0≦z<2) as a positive electrode active material, the positive electrode having an electrode density of 1 g/ cm3 or more and 2.4 g/ cm3 or less; and an ion-conductive medium interposed between the negative electrode and the positive electrode and conducting lithium ions.
[2] The electricity storage device according to [1], wherein the positive electrode active material has a cubic crystal structure, and a volume change rate ΔV PEAU expressed as ΔV PEAU = (1 - V C PEAU / V D PEAU ) × 100 is 6% or more and 10% or less, where V C PEAU is the volume of a unit cell of the crystal structure during charging and V D PEAU is the volume of a unit cell of the crystal structure during discharging.
[3] An electricity storage device comprising: a negative electrode using a carbon material as a negative electrode active material; a positive electrode using a lithium composite oxide having a cubic crystal structure as a positive electrode active material, wherein the positive electrode active material has a volume change rate ΔV PEAU of 6% or more and 10% or less, expressed as ΔV PEAU = ( 1 - V C PEAU / V D PEAU ) × 100, where V C PEAU is the volume of a unit cell of the crystal structure during charging and V D PEAU is the volume of a unit cell of the crystal structure during discharging; and an ion conductive medium interposed between the negative electrode and the positive electrode, which conducts lithium ions.
[4] The electricity storage device according to any one of [1] to [3], wherein the negative electrode active material is graphite.
[5] The electricity storage device according to any one of [1] to [4], wherein the density of the positive electrode is 1.2 g/cm 3 or more and 1.8 g/cm 3 or less.
[6] The electricity storage device according to any one of [1] to [5], wherein the rate of change in the total volume of the negative electrode and the positive electrode before and after charge and discharge is within ±2%.
[7] The electricity storage device according to any one of [1] to [6], wherein the discharge capacity per cell volume is 200 Ah/L or more.

以下には、本開示の蓄電デバイスの一例であるリチウムイオン電池を具体的に検討した例を実施例として説明する。なお、実験例1のうち、実験例1-1~1-8及び実験例1-15が実施例に相当し、実験例1-9~1-14が比較例に相当する。また、実験例2~4は全て比較例に相当する。 The following describes, as an example, a specific example of a lithium-ion battery, which is an example of the energy storage device of the present disclosure. Of Experimental Example 1, Experimental Examples 1-1 to 1-8 and 1-15 correspond to working examples, and Experimental Examples 1-9 to 1-14 correspond to comparative examples. Furthermore, Experimental Examples 2 to 4 all correspond to comparative examples.

[実験例1(実験例1-1~1-14)]
1.セルの体積変化割合のシミュレーション
図2のように、鉛直方向に対向した正極および負極からなるセルについて検討した。正極活物質体積をVPEA[cm3]と置き、負極活物質体積をVNEA[cm3]と置いた。また、正極の合材体積をVPE[cm3]と置き、負極の合材体積をVNE[cm3]と置いた。また、ある単位面積S[cm2]で切り取ったセルについて考え、正極厚みをlPE[μm]と置き、負極厚みをlNE[μm]と置いた。このときに充放電中に体積が可変な部分のセル体積Vall[cm3]を、下記式(1)で定義し、充放電前後でのVallの変化割合ΔVallについて調べた。
[Experimental Example 1 (Experimental Examples 1-1 to 1-14)]
1. Simulation of Cell Volume Change Rate As shown in Figure 2, a cell consisting of a positive electrode and a negative electrode facing each other in the vertical direction was studied. The volume of the positive electrode active material was defined as V PEA [cm 3 ], and the volume of the negative electrode active material was defined as V NEA [cm 3 ]. The volume of the positive electrode composite was defined as V PE [cm 3 ], and the volume of the negative electrode composite was defined as V NE [cm 3 ]. Considering a cell cut out with a certain unit area S [cm 2 ], the positive electrode thickness was defined as l PE [μm], and the negative electrode thickness was defined as l NE [μm]. The cell volume V all [cm 3 ] of the portion whose volume changes during charge and discharge was defined by the following equation (1), and the rate of change in V all , ΔV all , before and after charge and discharge was investigated.

正極活物質および負極活物質は、充放電前後、すなわちLi+の脱挿入前後で結晶格子の体積が変化する。正極活物質の結晶構造のユニットセルの体積をVPEAU[Å3]とし、負極活物質の結晶構造のユニットセルの体積をVNEAU[Å3]とし、VPEAU及びVNEAUをX線回折(XRD)のピーク位置から算出した。充電時のVPEAUをVC PEAU、放電時のVPEAUをVD PEAUとすると、充放電前後でのVPEAUの変化割合ΔVPEAUは、下記式(2)で表される。 The volume of the crystal lattice of the positive electrode active material and the negative electrode active material changes before and after charge and discharge, i.e., before and after deintercalation and insertion of Li + . The volume of the unit cell of the crystal structure of the positive electrode active material is V PEAU [ Å 3 ], and the volume of the unit cell of the crystal structure of the negative electrode active material is V NEAU [Å 3 ]. V PEAU and V NEAU were calculated from the peak positions of X-ray diffraction (XRD). If V PEAU during charge is V C PEAU and V PEAU during discharge is V D PEAU , the change rate ΔV PEAU in V PEAU before and after charge and discharge is expressed by the following formula (2):

シミュレーションに用いた正極活物質は、実験例1では、Li0.90Mn0.840.042(LMPO)とした。後述する事前オペランドXRD実験から、LMPOのΔVPEAUが8.73%であることが算出された。また、事前オペランドXRD実験の際の充放電測定結果から、LMPOあたりの容量QPEAは346mAh/gとした。なお、このLi0.90Mn0.840.042(LMPO)は、XRDによって、立方晶型構造(具体的には無秩序岩塩構造)を有することが確認された。 The positive electrode active material used in the simulation in Experimental Example 1 was Li 0.90 Mn 0.84 P 0.04 O 2 (LMPO). From the pre-operando XRD experiment described below, the ΔV PEAU of LMPO was calculated to be 8.73%. Furthermore, from the charge/discharge measurement results during the pre-operando XRD experiment, the capacity Q PEA per LMPO was determined to be 346 mAh/g. XRD confirmed that this Li 0.90 Mn 0.84 P 0.04 O 2 (LMPO) had a cubic crystal structure (specifically, a disordered rock salt structure).

シミュレーションに用いた負極活物質は、標準的な天然黒鉛とした。天然黒鉛の真密度は放電時から充電時にかけて2.2g/cm3から2g/cm3へと変化する、つまり、充放電前後でのVNEAUの変化割合ΔVNEAUは-10%であるものとした。また、天然黒鉛あたりの容量QNEAは、S. Schweidler, L. de Biasi, A. Schiele, P. Hartmann, T. Brezesinski, J. Janek, The Journal of Physical Chemistry C 2018, 122, 8829-8835. に基づいて、350mAh/gとした。 The negative electrode active material used in the simulation was standard natural graphite. The true density of natural graphite changes from 2.2 g/ cm3 to 2 g/ cm3 during discharge and charge. In other words, the change rate of VNEAU before and after charge and discharge, ΔVNEAU , was assumed to be -10%. The capacity QNEA per unit of natural graphite was assumed to be 350 mAh/g based on S. Schweidler, L. de Biasi, A. Schiele, P. Hartmann, T. Brzesinski, J. Janek, The Journal of Physical Chemistry C 2018, 122, 8829-8835.

シミュレーションに用いたセルにおいて、正極の活物質割合wPEAは90質量%とした。正極の電極密度cPEAは1.0g/cm3~3.6g/cm3の範囲で変化させた。また、負極の活物質割合wNEAは98質量%とし、負極の活物質目付け量ρNEAは7.5mg/cm2、負極の電極密度cNEAは1.5g/cm3とした。正極に対する負極の容量比は1.1とした。正極の活物質目付け量はρPEAと置いた。 In the cell used in the simulation, the active material ratio w PEA of the positive electrode was set to 90 mass%. The electrode density c PEA of the positive electrode was varied in the range of 1.0 g/cm 3 to 3.6 g/cm 3. The active material ratio w NEA of the negative electrode was set to 98 mass%, the active material weight ρ NEA of the negative electrode was set to 7.5 mg/cm 2 , and the electrode density c NEA of the negative electrode was set to 1.5 g/cm 3. The capacity ratio of the negative electrode to the positive electrode was set to 1.1. The active material weight ρ PEA of the positive electrode was set to

以上の前提のもとで、下記式(3)から正極の活物質目付け量ρPEA[mg/cm2]を求め、下記式(4)から正極厚みlPE[μm]を求め、その結果から、下記式(5)で表される正極体積VPEを求めた。 Based on the above assumptions, the active material coverage ρ PEA [mg/cm 2 ] of the positive electrode was calculated using the following formula (3), and the positive electrode thickness l PE [μm] was calculated using the following formula (4). From these results, the positive electrode volume V PE was calculated using the following formula (5).

また、下記式(6)から負極厚みlNE[μm]を求め、その結果から、下記式(7)で表される負極体積VNEを求めた。 Furthermore, the negative electrode thickness l NE [μm] was calculated from the following formula (6), and the negative electrode volume V NE was calculated from the result, as expressed by the following formula (7).

以上の結果を上記式(1)にあてはめて、充放電中に体積が可変な部分のセル体積Vallを算出した。 The above results were substituted into the above formula (1) to calculate the cell volume V all of the portion whose volume is variable during charging and discharging.

さらに、充電時に活物質の体積が変化する際に、その変化割合と同様に正極および負極がそれぞれ変化すると考えるのがもっとも確からしいと考え、以上の算出と合わせて充放電前後でのセル体積の変化割合ΔVallを求めた。ΔVallは、ΔVall=(Vall(充電前)-Vall(充電後))×100/Vall(充電前)の式から求めた。また、下記式(8)からセル体積あたりの容量Q[Ah/L]を求めた。 Furthermore, it was considered most likely that when the volume of the active material changes during charging, the positive and negative electrodes each change at the same rate, and the rate of change in cell volume ΔV all was calculated based on the above calculations. ΔV all was calculated using the formula: ΔV all = (V all (before charging) - V all (after charging)) × 100/V all (before charging). Furthermore, the capacity per cell volume Q [Ah/L] was calculated using the following formula (8):

2.正極の作製
正極活物質として、Li0.90Mn0.840.042(LMPO)を合成した。原材料として斜方晶LiMnO2をジルコニア製ボールとともにジルコニア製ポットに封入し、遊星型ボールミルで560rpm、28h粉砕処理を行うことで、無秩序岩塩型の相を有するLiMnO2粉末を得た。原材料として上記の手法で得たLiMnO2とLi3PO4をLi3PO4の重量分率が5%となるようにメノウ鉢で混合したのち、ジルコニア製ボールと共にジルコニア製ポットに封入し、遊星型ボールミルで600rpm,36h粉砕処理を行い、立方晶の相を有するLi0.900.04Mn0.842正極活物質を合成した。合成したLMPO正極活物質を85質量%、カーボンブラック(CB、TB5500、東海カーボン製)を10質量%、結着剤(ポリビニルピロリドン,キシダ製)を5質量%混合し、Al箔上に塗工・乾燥して正極を作製した。
2. Preparation of Positive Electrode Li 0.90 Mn 0.84 P 0.04 O 2 (LMPO) was synthesized as the positive electrode active material. Orthorhombic LiMnO 2 as the raw material was sealed in a zirconia pot together with zirconia balls and ground in a planetary ball mill at 560 rpm for 28 hours to obtain LiMnO 2 powder with a disordered rock salt phase. The raw materials LiMnO 2 and Li 3 PO 4 obtained by the above method were mixed in an agate bowl so that the weight fraction of Li 3 PO 4 was 5%, and then sealed in a zirconia pot together with zirconia balls and ground in a planetary ball mill at 600 rpm for 36 hours to synthesize Li 0.90 P 0.04 Mn 0.84 O 2 positive electrode active material with a cubic phase. A mixture of 85% by mass of the synthesized LMPO positive electrode active material, 10% by mass of carbon black (CB, TB5500, manufactured by Tokai Carbon), and 5% by mass of a binder (polyvinylpyrrolidone, manufactured by Kishida) was applied to an Al foil and dried to prepare a positive electrode.

3.正極のオペランドXRD
上述のように作製した正極について、充放電中の結晶格子定数の変化を調べるためにオペランドXRDを行った。LMPO正極と金属Li対極とを組み合わせ、セパレータ(E20MMS)と電解液を介してハーフセルを作製し、定電流・定電圧充放電測定を行いながらSPring-8のBL33XUにてXRDパターンを取得した。電解液は、エチレンカーボネート(EC)を30体積%、ジメチルカーボネート(DMC)を40体積%、エチルメチルカーボネート(EMC)を30体積%含む混合溶媒に、LiPF6を1Mの濃度となるように加えたものとした。定電流・低電圧充放電測定は、4.8~1.5V vs. Li+/Liの電位範囲で、正極活物質質量あたり20mA/gの電流値となるように調整して行った。
3. Operando XRD of the positive electrode
Operando XRD was performed on the positive electrode prepared as described above to examine the change in the crystal lattice constant during charge and discharge. A half-cell was prepared by combining the LMPO positive electrode and a metallic Li counter electrode with a separator (E20MMS) and electrolyte. XRD patterns were obtained using a Spring-8 BL33XU battery while conducting constant-current and constant-voltage charge and discharge measurements. The electrolyte was a mixed solvent containing 30 vol% ethylene carbonate (EC), 40 vol% dimethyl carbonate (DMC), and 30 vol% ethyl methyl carbonate (EMC), to which LiPF6 was added to a concentration of 1 M. Constant-current, low-voltage charge and discharge measurements were performed in the potential range of 4.8 to 1.5 V vs. Li + /Li, adjusting the current value to 20 mA/g per mass of positive electrode active material.

図3に、オペランドXRD測定の結果を示す。図3には、オペランドXRDパターンから算出した格子定数の変化推移も示した。ここから、LMPOは充電時に4.075A、放電時に4.17Aであるとわかり、LMPOのΔVPEAUは8.73%と算出された。 The results of operando XRD measurements are shown in Figure 3. The change in lattice constant calculated from the operando XRD patterns is also shown in Figure 3. From these results, it was found that LMPO had a current of 4.075 A during charging and 4.17 A during discharging, and the ΔV PEAU of LMPO was calculated to be 8.73%.

4.負極の作製
黒鉛を98質量%、カルボキシメチルセルロースを1質量%、PVdFを1質量%混合し、Cu箔上に塗工・乾燥して負極を作製した。負極の活物質目付けρNEAは7.5mg/cm2とし、負極電極密度cNEAは1.5g/cm3とした。
4. Preparation of Negative Electrode: A mixture of 98% by weight of graphite, 1% by weight of carboxymethyl cellulose, and 1% by weight of PVdF was coated on Cu foil and dried to prepare a negative electrode. The active material weight per unit area of the negative electrode, ρ, was 7.5 mg/ cm² , and the negative electrode density, c , was 1.5 g/ cm³ .

5.リチウムイオン電池の厚み計測
上述のように作製したLMPO正極と、黒鉛負極とを用いて、フルセルのリチウムイオン電池を作製した。フルセルは60×100mmのAlラミネート内に正極と負極をポリエチレンのセパレータを介して対向させて作製した。電解液は、上述のハーフセルの電解液と同様とした。充放電における終止電圧は4.7~1.4Vとし、電流値は正極活物質質量あたり20mA/gとした。そして、初回の充電時と放電時にそれぞれセルの厚みを厚み計測器で4箇所計測した。得られた厚みから、集電体・Alラミネート・セパレータの厚みを差し引いてセル体積を求めた。得られた結果は測定した4点の平均を用いて計算した。
5. Thickness Measurement of Lithium-Ion Battery A full-cell lithium-ion battery was fabricated using the LMPO positive electrode and graphite negative electrode prepared as described above. The full cell was fabricated by placing the positive and negative electrodes facing each other in a 60 x 100 mm Al laminate with a polyethylene separator between them. The electrolyte was the same as that used in the half-cell. The end voltage during charge and discharge was 4.7 to 1.4 V, and the current value was 20 mA/g per mass of positive electrode active material. The thickness of the cell was measured at four points using a thickness gauge during the initial charge and discharge. The cell volume was calculated by subtracting the thickness of the current collector, Al laminate, and separator from the measured thickness. The results were calculated using the average of the four measurements.

[実験例2]
正極活物質を、LiNi1/3Co1/3Mn1/32(NCM111)とした以外は、実験例1と同様とした。A. O. Kondrakov, et. al., The Journal of Physical Chemistry C 2017, 121, 3286-3294. のデータに基づき、NMC111のΔVPEAUは1.16%とし、QPEAは149mAh/gとした。
[Experimental Example 2]
The procedure was the same as in Experimental Example 1, except that the positive electrode active material was LiNiCoMnO ( NCM111 ). Based on the data in A.O. Kondrakov et al., The Journal of Physical Chemistry C 2017, 121, 3286-3294, ΔVPEAU of NMC111 was set to 1.16% and QPEA was set to 149 mAh/g.

[実験例3]
正極活物質を、LiNi0.8Co0.1Mn0.12(NCM811)とした以外は、実験例1と同様とした。A. O. Kondrakov, et. al., The Journal of Physical Chemistry C 2017, 121, 3286-3294. のデータに基づき、NCM811のΔVPEAUは1.45%とし、QPEAは189mAh/gとした。
[Experimental Example 3]
The same procedure as in Experimental Example 1 was repeated except that the positive electrode active material was LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 ( NCM811 ). Based on the data in A.O. Kondrakov et al ., The Journal of Physical Chemistry C 2017, 121, 3286-3294, ΔVPEAU of NCM811 was set to 1.45% and QPEA was set to 189 mAh/g.

[実験例4]
正極活物質を、LiMn24とした以外は、実験例1と同様とした。T. Ohzuku, et. al., J. Electrochem. Soc. 1990, 137, 769-775. のデータに基づき、LiMn24のΔVPEAUは7.45%とし、QPEAは110mAh/gとした。
[Experimental Example 4]
The same procedure as in Experimental Example 1 was repeated except that the positive electrode active material was LiMn2O4 . Based on the data in T. Ohzuku, et al., J. Electrochem. Soc. 1990, 137, 769-775, ΔV PEAU of LiMn2O4 was set to 7.45% and Q PEAU was set to 110 mAh/g.

[結果と考察]
図4に、上記の数式を用いて正極密度cPEを変化させた際の、充放電前後のVallの変化割合(%)とセル体積あたりの容量(Ah/L)をシミュレーションした結果を示した。図4Aは正極活物質としてLi0.90Mn0.840.042(LMPO)を用いた場合(実験例1)、図4BはLiNi1/3Co1/3Mn1/32(NCM111)を用いた場合(実験例2)、図4CはLiNi0.8Co0.1Mn0.12(NCM811)を用いた場合(実験例3)、図4DはLiMn24を用いた場合(実験例4)の結果である。
[Results and Discussion]
Figure 4 shows the results of a simulation using the above formula to determine the change in V all (%) before and after charge/discharge and the capacity per cell volume (Ah/L) when the positive electrode density c PE is changed. Figure 4A shows the results when Li 0.90 Mn 0.84 P 0.04 O 2 (LMPO) was used as the positive electrode active material (Experimental Example 1), Figure 4B shows the results when LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (NCM111) was used (Experimental Example 2), Figure 4C shows the results when LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 (NCM811) was used (Experimental Example 3), and Figure 4D shows the results when LiMn 2 O 4 was used (Experimental Example 4).

これらの結果から、正極密度に関わらず、NCM111、NCM811、LiMn24を正極活物質として用いて負極に黒鉛を用いた場合、充放電前後のセル体積変化率が±1%以内に収まる条件がないことがわかった。一方、LMPOを正極活物質に用いた場合、正極密度が1.4~1.6g/cm3付近であるとVallの変化割合が±1%におさまることがわかった。 These results indicate that, regardless of the positive electrode density, when NCM111, NCM811, or LiMn2O4 is used as the positive electrode active material and graphite is used for the negative electrode, there are no conditions under which the cell volume change rate before and after charge and discharge falls within ±1%. On the other hand, when LMPO is used as the positive electrode active material, it was found that the change rate in V all falls within ±1% when the positive electrode density is around 1.4 to 1.6 g/ cm3 .

図4A~図4Dに関し、充放電前後のVallの変化割合ΔVallとセル体積あたりの放電容量の関係に置き換えたものを図5に示した。また、各正極活物質を用いた場合について、図中に示した条件1~7でのシミュレーション結果を表1にまとめた。 4A to 4D are shown in Fig. 5, which is a representation of the relationship between the rate of change ΔV all in V all before and after charge and discharge and the discharge capacity per cell volume. Table 1 also summarizes the simulation results under conditions 1 to 7 shown in the figures for the cases where each positive electrode active material was used.

条件1(LMPO正極を密度1.4g/cm3で使用)では、Vallの変化割合は-0.1%とほとんど体積変化が起こらないことがわかった。ここでのセル体積あたりの容量Qは226Ah/Lであった。条件2(LMPO正極を密度3.0g/cm3で使用)では、セル体積あたりの容量Qは312Ah/Lと最も高容量を見込めるが、Vallの変化割合ΔVallは3.1%となってしまうため、長期的には劣化が見込まれ、外部拘束等が必要になることがわかった。条件3,4,5,6は、現状よく車載用リチウムイオン電池に用いられている正負極の組み合わせであるが、いずれもVallの変化割合ΔVallは2%以上となり、外部拘束を要することがわかった。また、条件7(LiMn24正極を密度3.0g/cm3で使用)においても、Vallの変化割合ΔVallは-1.5%と±1%以内から外れており、体積変化が大きかった。またセル体積あたりの容量も190Ah/Lと、NCM系やLMPOを正極に用いた場合よりも容量が低かった。表2にLMPO正極を用いた際の正極密度に対するセル体積の変化と体積あたりの容量をまとめた。セル体積の変化率を-1~1%に抑えるには、正極の密度が1.2~1.8%であることが好ましいことがわかった。 Under condition 1 (using an LMPO positive electrode with a density of 1.4 g/cm 3 ), the rate of change in V all was −0.1%, indicating almost no volume change. The capacity Q per cell volume was 226 Ah/L. Under condition 2 (using an LMPO positive electrode with a density of 3.0 g/cm 3 ), the capacity Q per cell volume was 312 Ah/L, which is the highest capacity expected, but the rate of change in V all , ΔV all , was 3.1%, indicating that long-term degradation is expected and external constraints, etc., are required. Conditions 3, 4, 5, and 6 are combinations of positive and negative electrodes currently commonly used in automotive lithium-ion batteries, but all of them showed a rate of change in V all , ΔV all , of 2% or more, indicating the need for external constraints. Furthermore, under condition 7 (using a LiMn 2 O 4 positive electrode with a density of 3.0 g/cm 3 ), the rate of change in V all , ΔV all , was −1.5%, outside the ±1% range, indicating a large volume change. The capacity per cell volume was also 190 Ah/L, which was lower than when an NCM-based or LMPO-based cathode was used. Table 2 summarizes the change in cell volume and capacity per volume relative to the cathode density when an LMPO cathode was used. It was found that a cathode density of 1.2 to 1.8% is preferable to keep the cell volume change rate to -1 to 1%.

LMPO正極およびNCM811正極と黒鉛負極を用いて実際にフルセルを作製し、上述した厚み計測により、充電時および放電時のセル体積の変化を見積もった。結果を図6と表3に示した。LMPO正極を用いたセルは充電時に1.7%のセル膨張がおこるものの、放電時にはほとんどセルの体積変化はなかった。一方で、NCM811正極を用いた場合は、充電時に16%のセル膨張、放電時にも16%のセル収縮が確認された。これはシミュレーションから考えられるセル膨張収縮率よりも大きな値であったが、計測誤差によるものが大きいと考えられ、概ね傾向としてはシミュレーションと一致するセルの膨張収縮を示したと考えられた。以上より、従来の高容量型リチウムイオン電池では、例えば図7Aに示すように、充放電時に炭素負極の膨張収縮を吸収しきれず、セル全体としての膨張収縮が大きいのに対して、本開示のリチウムイオン電池では、図7Bに示すように、充放電時に炭素負極の膨張収縮を正極の膨張収縮で吸収可能なため、セル全体としての膨張収縮が抑制されることがわかった。 Full cells were actually fabricated using LMPO and NCM811 positive electrodes and graphite negative electrodes, and the change in cell volume during charge and discharge was estimated using the thickness measurements described above. The results are shown in Figure 6 and Table 3. The cell using the LMPO positive electrode expanded by 1.7% during charge, but there was almost no change in cell volume during discharge. On the other hand, when the NCM811 positive electrode was used, cell expansion of 16% during charge and cell contraction of 16% during discharge were confirmed. While this was a larger value than the cell expansion and contraction rate predicted by the simulation, it is believed that this was largely due to measurement error, and the cell expansion and contraction generally tended to be consistent with the simulation. From the above, it has been found that in conventional high-capacity lithium-ion batteries, as shown in Figure 7A, the expansion and contraction of the carbon anode cannot be fully absorbed during charge and discharge, resulting in large expansion and contraction of the cell as a whole, whereas in the lithium-ion battery of the present disclosure, as shown in Figure 7B, the expansion and contraction of the carbon anode can be absorbed by the expansion and contraction of the positive electrode during charge and discharge, thereby suppressing expansion and contraction of the cell as a whole.

本開示は、電池産業の技術分野等に利用可能である。 This disclosure can be used in technical fields such as the battery industry.

20 蓄電デバイス、21 集電体、22 正極合材、23 正極、24 集電体、25 負極合材、26 負極、28 セパレータ、29 非水系電解液、32 円筒ケース、34 正極端子、36 負極端子。 20: Electricity storage device, 21: Current collector, 22: Positive electrode composite, 23: Positive electrode, 24: Current collector, 25: Negative electrode composite, 26: Negative electrode, 28: Separator, 29: Non-aqueous electrolyte, 32: Cylindrical case, 34: Positive electrode terminal, 36: Negative electrode terminal.

Claims (7)

炭素材料を負極活物質とする負極と、
一般式Liaxy2-zz(但し、MはAl、Si、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga及びGeのうち1以上であり、AはF、Cl、Br、I及びSのうち1以上であり、0<a<2、0<x≦0.09、0<y<1、0≦z<2を満たす。)で表されるリチウム複合酸化物を正極活物質とし、電極密度が1g/cm3以上2.4g/cm3以下である正極と、
前記負極と前記正極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えた、蓄電デバイス。
a negative electrode having a carbon material as a negative electrode active material;
a positive electrode having a positive electrode active material made of a lithium composite oxide represented by the general formula Li a P x M y O 2-z A z (wherein M is one or more of Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, and Ge, and A is one or more of F, Cl, Br, I, and S, and 0<a<2, 0<x≦0.09, 0<y<1, 0≦z<2), and an electrode density of 1 g/cm 3 or more and 2.4 g/cm 3 or less;
an ion conductive medium interposed between the negative electrode and the positive electrode and conducting lithium ions;
An electricity storage device comprising:
前記正極活物質は、立方晶型の結晶構造を有し、充電時の結晶構造のユニットセルの体積をVC PEAU、放電時の結晶構造のユニットセルの体積をVD PEAUとしたときに、ΔVPEAU=(1-VC PEAU/VD PEAU)×100で表される体積変化率ΔVPEAUが6%以上10%以下である、
請求項1に記載の蓄電デバイス。
the positive electrode active material has a cubic crystal structure, and a volume change rate ΔV PEAU expressed by ΔV PEAU = (1 − V C PEAU / V D PEAU ) × 100 is 6% or more and 10% or less, where V C PEAU is the volume of a unit cell of the crystal structure during charging and V D PEAU is the volume of a unit cell of the crystal structure during discharging;
The electricity storage device according to claim 1 .
炭素材料を負極活物質とする負極と、
立方晶型の結晶構造を有するリチウム複合酸化物を正極活物質とし、前記正極活物質は、充電時の結晶構造のユニットセルの体積をVC PEAU、放電時の結晶構造のユニットセルの体積をVD PEAUとしたときに、ΔVPEAU=(1-VC PEAU/VD PEAU)×100で表される体積変化率ΔVPEAUが6%以上10%以下であり、電極密度が1g/cm3以上2.4g/cm3以下である正極と、
前記負極と前記正極との間に介在しリチウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えた、蓄電デバイス。
a negative electrode having a carbon material as a negative electrode active material;
a positive electrode having a volume change rate ΔV PEAU of 6% or more and 10% or less, expressed as ΔV PEAU = (1 - V C PEAU / V D PEAU ) × 100, where V C PEAU is the volume of a unit cell of the crystal structure during charging and V D PEAU is the volume of a unit cell of the crystal structure during discharging; and an electrode density of 1 g/cm 3 or more and 2.4 g/cm 3 or less;
an ion conductive medium interposed between the negative electrode and the positive electrode and conducting lithium ions;
An electricity storage device comprising:
前記負極活物質は、黒鉛である、
請求項1~3のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。
The negative electrode active material is graphite.
The electricity storage device according to any one of claims 1 to 3.
前記正極の電極密度が1.2g/cm3以上1.8g/cm3以下である、
請求項1~3のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。
The electrode density of the positive electrode is 1.2 g/cm 3 or more and 1.8 g/cm 3 or less.
The electricity storage device according to any one of claims 1 to 3.
充放電前後の前記負極と前記正極との合計体積の変化率が±2%以内である、
請求項1~3のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。
The rate of change in the total volume of the negative electrode and the positive electrode before and after charge and discharge is within ±2%.
The electricity storage device according to any one of claims 1 to 3.
セル体積あたりの放電容量が200Ah/L以上である、
請求項1~3のいずれか1項に記載の蓄電デバイス。
The discharge capacity per cell volume is 200 Ah/L or more.
The electricity storage device according to any one of claims 1 to 3.
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