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JP2004296420A - Organic electrolyte battery - Google Patents

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JP2004296420A
JP2004296420A JP2003147547A JP2003147547A JP2004296420A JP 2004296420 A JP2004296420 A JP 2004296420A JP 2003147547 A JP2003147547 A JP 2003147547A JP 2003147547 A JP2003147547 A JP 2003147547A JP 2004296420 A JP2004296420 A JP 2004296420A
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negative electrode
organic electrolyte
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JP2003147547A
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Japanese (ja)
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Mayumi Koshiishi
眞弓 輿石
Shuichi Wada
秀一 和田
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Maxell Ltd
Original Assignee
Hitachi Maxell Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic electrolyte battery wherein a productivity is improved by shortening the time necessary for an initial charging. <P>SOLUTION: In the organic electrolyte battery including a negative electrode, a positive electrode, and an organic electrolyte liquid, a lithium-containing material with a specific surface area of not less than 1.0 m<SP>2</SP>/g is used as a negative electrode activator, and content ratio of x (mass%) of S in the negative electrode against 100 mass% of the total content of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu, and Zr measured by X-ray fluorometric analysis is made not less than two times the content ratio of y (mass%) of S in the positive electrode against 100 mass% of the total content of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu, and Zr measured by X-ray fluorometric analysis. It is preferable that the electrolyte liquid contains a certain amount of γ-butyrolactone and/or vinylene carbonate. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機電解液電池に関し、さらに詳しくは、初回充電時に要する時間を短縮し、生産性を向上することができる有機電解液電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
リチウムイオン電池に代表される有機電解液電池は、高電圧、高エネルギー密度であることから、ますます需要が増えている。従来、この種の有機電解液電池では、負極にグラファイトなどの炭素材料を結着剤とともに金属箔上に設けたものが用いられ、電解液にLiPFなどを有機溶媒に溶かしたものが用いられていた。しかしながら、この電池は、エネルギー密度が低いという問題があった。
【0003】
そこで、それを改善するため、負極活物質として比表面積の大きいカーボン材料などを用いる試みがなされている。しかしながら、上記のように比表面積の大きい負極活物質を用いた場合、負極活物質上での初回充電時における有機電解液や微量に存在する水の分解反応が大きくなり、多量のガスが発生する。そのため、電極間にガスが溜まり、そのガスが反応を阻害するため電極に反応ムラが生じるという問題があった。また、このガス発生は初回充電時の電流値が大きいほど激しくなり、そのため、反応ムラも大きくなる。そこで、初回充電時の電流値を小さくし、ガス発生による電極の反応ムラを最小限にする必要がある。しかしながら、そのようにした場合、生産時間が長くかかり、生産性が悪いという問題があった。
【0004】
そこで、有機電解液中にプロパンスルトンを含有させることによって初回充電時におけるガス発生を抑制しようとする試みがなされている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−170576号公報(第2頁)
【0006】
しかしながら、有機電解液中にプロパンスルトンを含有させた場合は、負極に正極の2倍以上のS(イオウ)を存在させることができず、そのため、初回充電時におけるガス発生を充分に抑制することができなかった。
【0007】
また、有機電解液中にビニレンカーボネートを含有させることによって初回充電時におけるガス発生を抑制することも提案されている(例えば、特許文献2参照)。
【0008】
【特許文献2】
特許第3059832号公報(第1〜2頁)
【0009】
しかしながら、本発明者らが、検討したところ、有機電解液中にビニレンカーボネートを含有させるだけでは、初回充電時のガス発生を充分に抑制することができなかった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような従来の有機電解液電池における問題点を解決し、生産工程における初回充電時に要する時間を短縮でき、生産性を向上できる有機電解液電池を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために種々検討を行った結果なされたものである。本発明の第一は、負極と、正極と、有機電解液を含む有機電解液電池において、負極活物質として比表面積が1.0m/g以上のリチウム含有材料を用い、上記負極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率x(質量%)を、上記正極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率y(質量%)の2倍以上にすると、初回充電時におけるガス発生を抑制することができ、生産工程における初回充電に要する時間を短縮できることを見出したのである。
【0012】
また、本発明の第二は、負極と、正極と、有機電解液を含む有機電解液電池において、負極活物質として比表面積が1.0m/g以上のリチウム含有材料を用い、上記負極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率x(質量%)を、上記正極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率y(質量%)の2倍以上にし、かつ上記負極活物質の比表面積1.0m/gあたりγ−ブチロラクトンを上記有機電解液中の体積含有率で0.05〜3体積%含有させると、初回充電時におけるガス発生をさらに抑制することができ、生産工程における初回充電に要する時間をさらに短縮できることを見出したものである。
【0013】
また、本発明の第三は、負極と、正極と、有機電解液を含む有機電解液電池において、負極活物質として比表面積が1.0m/g以上のリチウム含有材料を用い、上記負極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100mass%としたときのS元素の含有率x(質量%)を、上記正極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率y(質量%)の2倍以上にし、かつ負極活物質の比表面積1.0m/gあたりビニレンカーボネートを上記有機電解液中の体積含有率で0.05〜2体積%含有させると、初回充電時におけるガス発生をさらに抑制することができ、生産工程における初回充電に要する時間をさらに短縮できることを見出したものである。
【0014】
また、本発明の第四は、負極と、正極と、有機電解液を含む有機電解液電池において、負極活物質として比表面積が1.0m/g以上のリチウム含有材料を用い、上記負極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率x(質量%)を、上記正極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率y(質量%)の2倍以上にし、かつ負極活物質の比表面積1.0m/gあたりγ−ブチロラクトンを上記有機電解液中の体積含有率で0.025〜2体積%含有させ、かつビニレンカーボネートを上記有機電解液中の体積含有率で0.025〜1体積%含有させると、初回充電時におけるガス発生をさらに抑制することができ、生産工程における初回充電に要する時間をさらに短縮できることを見出したものである。
【0015】
また、本発明の第五は、負極と、正極と、有機電解液を含む有機電解液電池において、負極活物質として比表面積が1.0m/g以上のリチウム含有材料を用い、上記負極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率x(質量%)を、上記正極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率y(質量%)の2倍以上にし、かつ上記負極の水分量を100ppm以下にすると、またさらに生産工程における初回充電時に要する時間をさらに短縮できることを見出したものである。
【0016】
また、本発明の第六は、電池の規格容量に対して90%充電状態での負極の表面における、X線光電子分光分析によるC−O由来の炭素原子に基づく286〜287eVのピークから求められる炭素原子の量を6.5原子%以下にし、かつPOx由来のリンに基づく133〜135eVのピークから求められるリン原子の量を1原子%以上にすることと、前記本発明の第一、第二、第三、第四、第五のそれぞれとを組み合わせたものであって、例えば、発明の第一と組み合わせたものを例示すると、本発明の第六は、負極と、正極と、有機電解液を含む有機電解液電池において、負極活物質として比表面積が1.0m/g以上のリチウム含有材料を用い、上記負極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率(質量%)を、上記正極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率(質量%)の2倍以上にし、かつ電池の規格容量に対して90%充電状態での負極の表面における、X線光電子分光分析によるC−O由来の炭素原子に基づく286〜287eVのピークから求められる炭素原子の量を6.5原子%以下にし、かつPOx由来のリンに基づく133〜135eVのピークから求められるリン原子の量を1原子%以上にすることによって、初回充電時のガス発生を抑制し、生産工程における初回充電に要する時間を短縮できるとともに、過充電時の安全性を高めることができることを見出したものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
上記本発明の第一から第六において、初回充電時におけるガス発生を抑制することができ、生産工程における初回充電に要する時間を短縮できる理由を、本発明の実施の形態とともに詳細に説明する。
【0018】
まず、本発明者は、初回充電時におけるガス発生の原因について検討を重ねた結果、初回充電時におけるガス発生は、負極から多く発生していることが判明した。そこで、鋭意検討を重ね、例えば、負極にS(イオウ)含有化合物を添加することによって、ケイ光X線分析において正極の2倍以上のS含有化合物を含ませることで初回充電時におけるガス発生を大きく抑制できることを見出した。これにより初回充電電流値を高くしても電極の反応ムラが生じにくくなり、初回充電に要する時間を短くでき、生産時間が短縮できることがわかった。これは、S含有化合物を添加した負極を用いると、初回充電時に負極活物質上にSを取り込んだ被膜が形成され、その被膜が負極活物質の溶媒分解活性点を覆うなどしてその他の電解液溶媒の分解を抑制し、ガス発生量を抑制する効果が大きくなるものと考えられる。
【0019】
有機電解液中にγ−ブチロラクトンを含有させることによって初回充電時におけるガス発生を抑制することは本出願人の出願による特願2002−324766号明細書中にも記載されている。しかしながら、本発明の第二は、それだけにとどまらず、負極に正極の2倍以上のSを存在させ、有機電解液中に一定量のγ−ブチロラクトンを含有させると、初回充電時におけるガス発生抑制効果がさらに大きくなることを見出したのである。γ−ブチロラクトンを含んだ有機電解液を用いた場合は、初回充電時に負極活物質上にγ−ブチロラクトンが還元された被膜が形成され、その被膜が負極活物質の溶媒分解活性点を覆うなどしてその他の電解液溶媒の分解を抑制し、これとS含有負極被膜の溶媒分解抑制効果とが合わさることにより、ガス発生量を抑制する効果が大きくなるものと考えられる。
【0020】
また、有機電解液中にビニレンカーボネートを含有させると初回充電時におけるガス発生を抑制できることは、前記に特許文献2として示した特許第3059832号公報にも記載されている。しかし、前記したように、有機電解液中にビニレンカーボネートを含ませるだけでは、初回充電時のガス発生抑制効果が充分でないが、本発明者らは、さらに検討を進め、本発明の第三では、ビニレンカーボネートを有機電解液中に一定量含有させることと負極に正極の2倍以上のSを存在させることとを組み合わせて、初回充電時のガス発生抑制効果を顕著にさせ、初回充電の電流値を高くしても電極の反応ムラが生じにくくしたのである。
【0021】
そして、有機電解液中にγ−ブチロラクトンとビニレンカーボネートを含ませると初回充電時におけるガス発生を抑制できることも本出願人による前記特願2002−324766号明細書に記載されている。しかしながら、本発明の第四は、それだけにとどまらず、負極に正極の2倍以上のSを存在させることと有機電解液中に一定量のγ−ブチロラクトンとビニレンカーボネートを含有させることを組み合わせて、初回充電時におけるガス発生抑制効果がさらに大きくしたのである。
【0022】
また、本発明の第五では、上記負極に正極の2倍以上のSを含み、かつ上記負極の水分量が100ppm以下であるものを用いることによって、負極中に含まれる微量の水の分解による水素ガスの発生量を少なくさせ、ガス発生抑制効果をさらに顕著にし、初回充電時におけるガス発生抑制効果をさらに顕著にしているのである。
【0023】
さらに、本発明の第六では、負極に正極の2倍以上のSを存在させることと、電池の規格容量に対して90%充電状態での負極表面における、X線光電子分光分析によるC−O由来の炭素原子に基づく286〜287eVのピークから求められる炭素原子の量およびPOx由来のリンに基づく133〜135eVのピークから求められるリン原子の量を規定することとを組み合わせることによって、初回充電時におけるガス発生を抑制して、生産工程における初回充電に要する時間を短縮できるようにするとともに、過充電時の安全性を高めているのである。
【0024】
具体的には、本発明の第一では、負極と、正極と、有機電解液を含む有機電解液電池において、負極活物質として比表面積が1.0m/g以上のリチウム含有材料を用い、上記負極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率x(質量%)を、上記正極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率y(質量%)の2倍以上にすることによって、初回充電時のガス発生を抑制し、電極に反応ムラが生じにくくさせて、充電電流値を大きくし、生産スピードを向上させたのである。
【0025】
また、上記負極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率x(質量%)を、上記正極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率y(質量%)の3倍〜10倍にすると、初回充電時のガス発生抑制効果がより大きくなり、生産スピードの向上効果がより大きくなるので、より好ましい。
【0026】
しかしながら、負極と、正極と、有機電解液を含む有機電解液電池において、負極活物質として比表面積が1.0m/g以上のリチウム含有材料を用い、上記負極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率x(質量%)が、上記正極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率y(質量%)の2倍未満であると、初回充電時のガス発生抑制効果は小さく、初回充電における充電電流値を大きくすることができないため、生産スピードはほとんど向上しない。
【0027】
また、上記負極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率x(質量%)が、上記正極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率y(質量%)の11倍以上であると、負荷特性が若干低下する傾向がある。
【0028】
次に、本発明の第二では、負極と、正極と、有機電解液を含む本発明の第一の有機電解液電池において、その第一での要件に加えて、負極活物質の比表面積1.0m/gあたりγ−ブチロラクトンを上記有機電解液中の体積含有率で0.05〜3体積%含有させて、初回充電時のガス発生抑制効果をより大きくさせ、生産スピードをさらに向上させたのである。γ−ブチロラクトンの有機電解液中の体積含有率を0.2〜3体積%にすると、初回充電時のガス発生抑制効果がより大きくなり、生産スピード向上効果がより大きくなるので、より好ましい。負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのγ−ブチロラクトンの上記有機電解液中の体積含有率が0.05体積%未満であると、初回充電時のガス発生のさらなる抑制効果が小さくなり、また、γ−ブチロラクトンの上記有機電解液中の体積含有率が3体積%を超えると、負荷特性が若干低下する傾向がある。
【0029】
次に、本発明の第三では、負極と、正極と、有機電解液を含む本発明の第一の有機電解液電池において、負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのビニレンカーボネートを上記有機電解液中の体積含有率で0.05〜2体積%含有させて、初回充電時のガス発生抑制効果をより大きくし、生産スピードをさらに向上させたのである。負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのビニレンカーボネートを上記有機電解液中の体積含有率で0.1〜2体積%含有させると、初回充電時のガス発生抑制効果がより大きくなり、生産スピード向上効果をより大きくすることができるので、より好ましい。負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのビニレンカーボネートの上記有機電解液中の体積含有率が0.05体積%未満の含有率であると、初回充電時のガス発生のさらなる抑制効果は小さくなり、また、ビニレンカーボネートの上記有機電解液中の体積含有率が2体積%を超えると、負荷特性が低下する傾向がある。
【0030】
本発明の第四では、負極と、正極と、有機電解液を含む本発明の第一の有機電解液電池において、負極活物質の比表面積1.0m/gあたりγ−ブチロラクトンを上記有機電解液中の体積含有率で0.025〜2体積%含有させ、かつ負極活物質の比表面積1.0m/gあたりビニレンカーボネートを上記有機電解液中の体積含有率で0.025〜1体積%含有させて、初回充電時のガス発生抑制効果をより一層大きくし、生産スピードをさらに向上させたのである。
【0031】
また、負極と、正極と、有機電解液を含む本発明の第四の有機電解液電池において、負極活物質として比表面積が1.0m/g以上のリチウム含有材料を用い、上記負極活物質の比表面積1.0m/gあたりγ−ブチロラクトンを上記有機電解液中の体積含有率で0.2〜2体積%含有させ、かつ負極活物質の比表面積1.0m/gあたりビニレンカーボネートを上記有機電解液中の体積含有率で0.2〜1体積%含有させると、初回充電時のガス発生抑制効果がより大きくなり、生産スピード向上効果がより大きくなるので、より好ましい。上記本発明の第四の有機電解液電池において、負極活物質の比表面積1.0m/gあたりγ−ブチロラクトンが上記有機電解液中の体積含有率で0.025体積%未満の含有率であるか、あるいは負極活物質の比表面積1.0m/gあたりビニレンカーボネートが上記有機電解液中の体積含有率で0.025体積%未満の含有率であると、初回充電時のさらなるガス発生抑制効果は小さくなり、また、上記負極活物質の比表面積1.0m/gあたりγ−ブチロラクトンが上記有機電解液中の体積含有率で2体積%より大きい含有率であるか、負極活物質の比表面積1.0m/gあたりビニレンカーボネートが上記有機電解液中の体積含有率で1体積%より大きい含有率であると、高負荷時のおける容量が低下する傾向がある。
【0032】
本発明の第五では、負極と、正極と、有機電解液を含む上記本発明の第一の有機電解液電池において、水分量が100ppm以下の負極を用いて、負極活物質表面での水分の還元分解による水素ガスの発生を抑制し、初回充電時におけるガス発生をさらに抑制したのである。その結果、初回充電時の電流値をさらに大きくすることができ、生産スピードをさらに向上させることができる。電池から取り出した負極の水分量は少ないほど好ましく、前記のように100ppm以下であることが好ましく、80ppm以下であることがより好ましく、それよりさらに少なくなるとさらに好ましい。また、負極の水分量が100ppmより多くなると、生産スピードのさらなる向上効果が小さくなる。
【0033】
本発明の第六では、負極と、正極と、有機電解液を含む上記本発明の第一〜第五のそれぞれの有機電解液電池において、電池の規格容量に対して90%充電状態での負極表面における、X線光電子分光分析によるC−O由来の炭素原子に基づく286〜287eVのピークから求められる炭素原子の量を6.5原子%以下にし、かつPOx由来のリンに基づく133〜135eVのピークから求められるリン原子の量を1原子%以上にすることによって、初回充電時におけるガス発生を抑制して、生産工程における初回充電に要する時間を短縮させ、かつ、過充電時の安全性を高めたのである。
【0034】
本発明の第六において、X線光電子分光分析は、電池を規格容量の90%に充電して、1日放置後、不活性雰囲気中で分解して負極を取り出し、24時間真空乾燥後、外気に触れない状態で、負極表面の光電子スペクトルを測定することによって行ったものである。
【0035】
また、本発明の第六において、X線光電子分光分析によって求めた炭素原子の量は、アルバックファイ社製の「PHI5500MC」にて、400WでA1−Kα線を用いて測定を行い、ピーク分割を行って、負極表面における各ピークの原子の量を、全構成原子中の割合(%)として、算出したものである。ここで、上記の「全構成原子」とは、負極の表面部を構成する全原子、つまり、SEI(Solid Electrolyle Interface)被膜を構成する全原子を意味している。
【0036】
この本発明の第六においては、POx由来のリンに基づく133〜135eVのピークから求められるリン原子の量が1原子%以上であることによっても、初回充電時のガス発生抑制効果が得られるが、この理由は、現在のところ必ずしも明確ではないものの、負極活物質表面の溶媒と反応しやすい物質をリンと反応させることによって安定化させることが、電解液の分解を抑制するものと考えられる。
【0037】
また、この本発明の第六において、過充電時の安全性が向上する理由については、現在のところ必ずしも明確ではないが、以下のように考えられる。従来構成の電池を分解し、負極表面をX線光電子分光分析により観察すると、286〜287eVの範囲に炭素原子に基づくピークが確認される。充電状態の負極表面は、LiO、LiF、LiCO、アルコキシド、アルキルカーボネートなどで構成されたSEI(Solid Electrolyle Interface)被膜で覆われ、これにより電解液と負極との過剰な副反応が防がれていることが知られている。上記ピークは、このSEI被膜の構成成分であるアルコキシドに由来する、つまりC−O由来の炭素原子に基づくピークと考えられる。本発明者らは、上記ピークの由来となるアルコキシド、特に低分子量のアルコキシドに着目し、これが高温下では電解液に対する安定性が劣るため、過充電時などの安全性試験時に電池の温度上昇が起こった場合、SEI被膜が劣化し、特に比表面積の大きい負極活物質を用いた場合では、電解液と負極との新たな反応による発熱が大きくなり、電池の安全性を低下させることを見出した。そこで、本発明者らは、この問題を解決するため、負極活物質やこれを用いた負極をリン酸やリン酸塩で処理するなどして、アルコキシドのリチウムをリンで置換し、SEI被膜中にリン(POx)由来のリン原子を一定量結合させたところ、高温時のSEI被膜の劣化を抑制し、過充電時の安全性を向上できることを見出したのである。
【0038】
本発明の第六において、電池の規格容量に対して90%充電状態での負極表面において、POx由来のリンに基づく133〜135eVのピークから求められるリン原子の量を1原子%以上にするには、リン酸やリン酸塩の溶液に負極活物質または負極を一定時間浸漬乾燥する方法、リン酸やリン酸塩の溶液を負極作製時に負極活物質、バインダーなどを含む塗料中に混ぜ込む方法、電解液中に添加する方法などが挙げられる。
【0039】
また、本発明の第六において、電池の規格容量は以下のようにして求められる。20℃で、充電開始時の電池の電圧を3.5Vとして一定電流で充電を行う際に、電池の電圧が4.2Vに達するまでにかかる時間が1.5〜2時間の範囲となるように前記電流値を設定し、その電流値で4.2Vまで充電した後、4.2Vの定電圧で3時間充電を行う。次に、前記電流値で放電を行い、電池電圧が3.0Vに低下するまでの放電容量を規格容量とする。そして、90%充電状態は、規格容量を1Cとしたときに、20℃で、充電開始時の電池の電圧を3.5Vとして1Cの電流値で0.9時間充電を行ったときの状態をいう。また、本発明の第六において、電池の規格容量に対して、100%充電状態ではなく、90%充電状態にしているのは、充放電サイクルを繰り返した後や高温貯蔵した後には規格容量までの充電ができない場合があるという理由によるものである。
【0040】
本発明の第六においては、上記のような構成にすることにより、生産性が高く、過充電時の安全性が高い有機電解液電池を得ることができるが、上記C−O由来の炭素原子の量が6.5原子%より多かったり、上記POx由来のリン原子の量が1原子%より少なくなると、負極表面のSEI被膜の高温での安定性が低下し、過充電時の安全性が低下する。
【0041】
そして、この本発明の第六において、過充電時の安全性をより高めるためには、電池の規格容量に対して90%の充電状態での負極が、X線光電子分光分析によるC−O由来の炭素原子に基づく286〜287eVのピークから求められる炭素原子の量を6.0原子%以下にし、POx由来のリンに基づく133〜135eVのピークから求められるリン原子の量を1.5原子%以上にすることが好ましく、特に2原子%以上にすることが好ましい。このPOx由来のリン原子の量は多くなってもよいが、ペースト中に添加する場合は、多すぎると活物質比率が下がり、容量が低下する傾向があるので、3原子%以下にすることが好ましい。
【0042】
本発明において、負極活物質としては、比表面積が1.0m/g以上のリチウム含有材料を用いるが、そのリチウム含有材料としては、例えば、乱層構造を有する炭素材料、天然黒鉛、人造黒鉛、ガラス状炭素などの炭素質材料が挙げられる。これらは製造時にはリチウムを含んでいないものもあるが、負極活物質として作用するときには、化学的手段、電気化学的手段によりリチウムを含有した状態になる。また、その他、負極活物質としてのリチウム含有材料としては、例えば、リチウム金属またはリチウム含有化合物が用いられるが、そのリチウム含有化合物としてはリチウム合金とそれ以外のものがあり、上記リチウム合金としては、例えば、リチウム−アルミニウム、リチウム−鉛、リチウム−ビスマス、リチウム−インジウム、リチウム−ガリウム、リチウム−インジウム−ガリウムなどのリチウムと他の金属との合金が挙げられる。
【0043】
本発明においては、負極活物質の比表面積が1.0m/g以上であることを要するが、これは、電池のエネルギー密度を向上させるためである。そして、この負極活物質の比表面積は大きいほど好ましく、通常、10m/g程度のものまでが使用に適している。
【0044】
本発明において、負極に含有させるS含有化合物としては、例えば、ベンゼンスルホン酸リチウム、硫酸リチウム、CFSOLi、CHSOLi、LiS、P、P10、(CHSO、(CO)SO、スルホランなどが用いられる。このS含有化合物は、前記のように、負極のS元素の含有率x(質量%)が正極のS元素の含有量y(質量%)の2倍以上になるように、負極に含有させればよいが、通常、その含有量としては、負極の塗膜を構成する負極合剤中に0.1〜5質量%程度含有させればよい。
【0045】
負極は、例えば、上記負極活物質に、上記のS含有化合物や、必要に応じて、例えば鱗片状黒鉛、カーボンブラックなどの電子伝導助剤を添加し、さらにバインダーと溶剤を加え、混合して塗料を調製し、その塗料を負極集電体としての作用を兼ねる導電性基体に塗布し、乾燥して、塗膜を形成する工程を経て作製される。上記塗料の調製に当たって、バインダーはあらかじめ有機溶剤、水、水溶液などに溶解させた溶液として用い、上記負極活物質などの固体粒子と混合して塗料を調製することが好ましい。
【0046】
本発明において、正極活物質としては、例えば、リチウムニッケル酸化物、リチウムコバルト酸化物、リチウムマンガン酸化物(これらは、通常、LiNiO、LiCoO、LiMnで表されるが、LiとNiの比、LiとCoの比、LiとMnとの比は化学量論組成から多少ずれている場合が多いが、そのようにずれていてもよい)などのリチウム含有複合酸化物を単独でまたは2種以上の混合物として、あるいはそれらの固溶体として用いることができる。
【0047】
正極は、例えば、上記正極活物質を含み、必要に応じて鱗片状黒鉛、カーボンブラックなどの電子伝導助剤を含み、さらにバインダーを含む塗料を正極集電体としての導電性基体上に塗布し、乾燥して塗膜を形成する工程を経由することによって作製される。
【0048】
バインダーとしては、例えば、ポリビニリデンフルオライド系ポリマー(主成分モノマーであるビニリデンフルオライドを80質量%以上含有する含フッ素モノマー群の重合体)、ゴム系ポリマー、あるいはセルロース系ポリマーが好ましい。上記ポリマーは、混合して用いてもよい。
【0049】
上記の主成分モノマーであるビニリデンフルオライドを80質量%以上含有する含フッ素系モノマー群としては、ビニリデンフルオライド単独、あるいはビニリデンフルオライドと他のモノマー少なくとも1種との混合物が挙げられる。この他のモノマーとしては、ビニリデンフルオライド、トリフルオロエチレン、トリフルオロクロロエチレン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、フルオロアルキルビニルエーテルなどを挙げることができる。
【0050】
また、上記のゴム系ポリマーとしては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースなどが挙げられる。
【0051】
本発明において、バインダーは塗膜中において0.2〜20質量%であることが好ましく、特に0.5〜10質量%であることが好ましい。バインダーの含有量が上記範囲より少ない場合は、塗膜の機械的強度が不足して、塗膜が導電性基体から剥離するおそれがあり、また、バインダーの含有量が上記範囲より多い場合は、塗膜中の活物質が減少して電池容量が低下するおそれがある。
【0052】
本発明において、上記塗料を正極や負極の導電性基体に塗布する際の塗布方法としては、例えば、押出しコーター、リバースローラー、ドクターブレード、アプリケーターなどをはじめ、各種の塗布方法を採用することができる。
【0053】
また、正極や負極の導電性基体としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、銅などの金属性導電材料を網、パンチドメタル、フォームメタルや、板状に加工した箔などが用いられる。
【0054】
有機電解液は、有機溶媒に電解質を溶解させることによって調製されるが、その有機溶媒としては、主溶媒として、例えば、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、ジメトキシプロパン、1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル類、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどのエステル類、さらにはスルフォランなどの単独または2種以上の混合溶媒などを用いることができる。それらの中でも、エステル類は高電圧下においても正極活物質との反応性が少なく貯蔵特性を向上させる効果が大きいため好ましい。このエステル類は全有機溶媒中30体積%以上であることが好ましい。本発明においては、上記主溶媒に対し、前記のように、必要に応じて、さらに、γ−ブチロラクトンおよび/またはビニレンカーボネートを含有させる。
【0055】
上記有機溶媒に溶解させる電解質としては、例えば、一般式LiMF(式中、MはP、As、SbまたはBであり、nはMがP、As、Sbのときは6で、MがBのときは4である)で表される無機リチウム塩、含フッ素有機リチウムイミド塩などが挙げられ、これらはそれぞれ単独で用いることができるし、また、2種以上併用することができる。そして、上記電解質濃度としては、異なる2種類以上の電解質を含んでいても、全体として0.4〜1.6mol/lであることが好ましいが、特に0.6〜1.4mol/lであることが好ましい。
【0056】
セパレータとしては、例えば、厚さ10〜50μmで、開孔率30〜70%の微多孔性ポリエチレンフィルム、微多孔性ポリプロピレンフィルム、微多孔性エチレン−プロピレンコポリマーフィルムなどが好適に用いられる。
【0057】
電池は、例えば、上記のようにして作製されるシート状正極と、シート状負極との間にセパレータを介在させて渦巻状に巻回作製した渦巻状電極体や積層した積層電極体を、ニッケルメッキを施した鉄やステンレス鋼製の電池ケース内に挿入し、電解液を注入し、封口する工程を経て作製される。また、上記電池には、通常、電池内部に発生したガスをある一定圧力まで上昇した段階で電池外部に排出して、電池の高圧下での破裂を防止するための防爆機構が取り入れられる。
【0058】
【実施例】
次に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定されるものではない。
【0059】
実施例1
負極を以下のとおり作製した。
まず、負極活物質として比表面積3.0m/gの黒鉛を97質量部用い、また、S含有化合物としてベンゼンスルホン酸リチウムを1質量部用い、バインダーとしてスチレンブタジエンゴム1質量部とカルボキシメチルセルロース1質量部を水に溶解させたものを用い、上記全てを混合して負極塗膜形成用塗料を調製した。
【0060】
得られた塗料を厚さ10μmの銅箔からなる導電性基体上にアプリケーターを用いて塗布し、100℃で乾燥して塗膜を形成した。上記銅箔からなる導電性基体の裏面側にも上記塗料を塗布し乾燥して電極体を作製した。その後、この電極体を100℃で10時間真空乾燥後、ロールプレスして、シート状の負極を得た。この負極の塗膜密度は1.5g/cmであった。また、上記負極のカールフィッシャー法で測定した水分量は120ppmであった。上記負極中の水分量は負極を2cm×5cmの試験片に切断し、170℃に加熱して出てきた水蒸気をカールフィッシャー装置に導入することによって測定したものである。上記の水分量は、塗膜の質量に対する負極中の水分の質量として表示した。
【0061】
正極を以下のとおり作製した。
リチウムコバルト酸化物を95質量部と、電子伝導助剤としてのカーボンブラックを1質量部と鱗片状黒鉛を1質量部、バインダーとしてのポリビニリデンフルオライドの3質量部をN−メチル−2−ピロリドンに溶解させたものとを用い、正極塗膜系形成用塗料を調製した。上記塗料の調製は次に示すように行った。まず、N−メチル−2−ピロリドンにポリビニリデンフルオライドを溶解したバインダー溶液を調製した。つぎに、このバインダー溶液に正極活物質のリチウムコバルト酸化物と電子伝導助剤としてのカーボンブラックと鱗片状黒鉛を加え、混合することによって塗料を調製した。
【0062】
そして、得られた塗料を厚さ15μmのアルミニウム箔からなる導電性基体上にアプリケーターを用いて塗布し、100〜120℃で乾燥して塗膜を形成した。上記アルミニウム箔からなる導電性基体の裏面側にも同様に、上記塗料を塗布乾燥し電極体を形成した。この電極体を、100℃で10時間真空乾燥後、ロールプレスしてシート状の正極を得た。この正極の塗膜密度は3.30g/cmであった。
【0063】
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に溶解させたものを用いた。
【0064】
筒形有機電解液電池の組み立ては以下のとおり行った。
最初に、上記のシート状正極を幅28mm×長さ220mmの帯状に切断し、また上記のシート状負極を幅30mm×長さ260mmの帯状に切断した。それぞれの電極端部の塗膜の一部を剥がし、金属箔を露出した部分に、アルミニウム製のリード体を抵抗溶接した。厚さ20μmで開孔率50%の微多孔性ポリプロピレンフィルムからなる帯状セパレータを上記シート状正極とシート状負極との間に介在させ、渦巻状に巻回して渦巻状電極体を作製した。
【0065】
つぎに、このように作製した渦巻状電極体を、有底円筒状の電池ケース内に挿入し、正極リード体および負極リード体の溶接を行った。ついで、乾燥雰囲気中で有機電解液2mlを注入した後、封口して、図1に示す筒形のR5型有機電解液電池(外径:14.95mm、高さ:39.7mm)を作製した。
【0066】
図1に示す電池について説明すると、1は前記の正極で、2は負極である。ただし、図1においては、煩雑化を避けるため、正極1や負極2の作製にあたり使用した導電性基体としての金属箔などは図示していない。3はセパレータであり、この正極1と負極2はこのセパレータ3を介して渦巻状に巻回され、渦巻状電極体として上記特定の有機電解液4と共に電池ケース5内に収容されている。
【0067】
電池ケース5は鉄製で表面にニッケルメッキが施されていて、その底部には上記渦巻状電極体の挿入に先立って、ポリプロピレンからなる絶縁体6が配置されている。封口板7は、アルミニウム製で円板状をしていて、その中央部に薄肉部7aを設け、かつ上記薄肉部7aの周囲に電池内圧を防爆弁9に作用させるための圧力導入口7bとしての孔が設けられている。そして、この薄肉部7aの上面に防爆弁9の突出部9aが溶接され、溶接部分11を構成している。なお、上記の封口板7に設けた薄肉部7aや防爆弁9の突出部9aなどは、図面上での理解がしやすいように、切断面のみを図示しており、切断面後方の輪郭線は図示を省略している。また、封口板7の薄肉部7aと防爆弁9の突出部9aとの溶接部分11も、図面上での理解が容易なように、実際よりは誇張した状態に図示している。
【0068】
端子板8は、圧延鋼製で表面にニッケルメッキが施され、周縁部が鍔状になった帽子状をしており、この端子板8にはガス排出口8aが設けられる。防爆弁9は、アルミニウム製で円板状をしており、その中央部には発電要素側(図1では、下側)に先端部を有する突出部9aが設けられ、かつ薄肉部9bが設けられ、上記突出部9aの下面が、前記したように、封口板7の薄肉部7aの上面に溶接され、溶接部分11を構成している。絶縁パッキング10は、ポリプロピレン製で環状をしており、封口板7の周縁部の上部に配置され、その上部に防爆弁9が配置していて、封口板7と防爆弁9とを絶縁するとともに、両者の間から有機電解液が漏れないように両者に間隙を封止している。環状ガスケット12はポリプロピレン製で、リード体13はアルミニウム製で、前記封口板7と正極1とを接続し、渦巻状電極体の上部には絶縁体14が配置され、負極2と電池ケース5の底部とはニッケル製のリード体15で接続されている。
【0069】
この電池においては、封口板7の薄肉部7aと防爆弁9の突出部9aとが溶接部分11で接触し、防爆弁9の周縁部と端子板8の周縁部とが接触し、正極1と封口板7とは正極側のリード体13で接続されているので、通常の状態では、正極1と端子板8とはリード体13、封口板7、防爆弁9およびそれらの溶接部分11によって電気的接続が得られ、電路として正常に機能する。
【0070】
そして、電池が高温にさらされたり、過充電によって発熱するなど、電池に異常事態が起こり、電池内部にガスが発生して電池の内圧が上昇した場合には、その内圧上昇により、防爆弁9の中央部が内圧方向(図1では、上側の方向)に変形し、それに伴って溶接部分11で一体化されてなる封口板7の薄肉部7aに剪断力が働いて該薄肉部7aが破断するか、または防爆弁9の突出部9aと封口板7の薄肉部7aとの溶接部分11が剥離した後、この防爆弁9に設けられている薄肉部9bが開裂してガスを端子板8のガス排出口8aから電池外部に排出させて電池の破裂を防止することができるように設計されている。
【0071】
実施例2
負極活物質として比表面積3.0m/gの黒鉛を98.5質量部用い、また、S含有化合物としてベンゼンスルホン酸リチウムを0.5質量部用い、バインダーとしてスチレンブタジエンゴム1質量部とカルボキシメチルセルロース1質量部を水に溶解させたものを用い、それ以外は実施例1と同様に負極を作製した。上記負極の水分量は128ppmであった。また、その負極を用いた以外は、実施例1と同様に筒形有機電解液電池を作製した。
【0072】
実施例3
負極活物質として比表面積3.0m/gの黒鉛を95質量部用い、また、S含有化合物としてベンゼンスルホン酸リチウムを3質量部用い、バインダーとしてスチレンブタジエンゴム1質量部とカルボキシメチルセルロース1質量部を水に溶解させたものを用い、それ以外は実施例1と同様に負極を作製した。上記負極の水分量は124ppmであった。また、その負極を用いた以外は、実施例1と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。
【0073】
実施例4
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、γ−ブチロラクトンを体積含有率で3体積%加えて調製したものを用い、それ以外は実施例1と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。
【0074】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのγ−ブチロラクトンの有機電解液中の体積含有率は1.0体積%であった。
【0075】
実施例5
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、γ−ブチロラクトンを体積含有率で0.2体積%加えて調製したものを用い、それ以外は実施例1と同様に筒形有機電解液電池を作製した。
【0076】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのγ−ブチロラクトンの有機電解液中の体積含有率は0.067体積%であった。
【0077】
実施例6
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、γ−ブチロラクトンを体積含有率で7体積%加えて調製したものを用い、それ以外は実施例1と同様に筒形有機電解液電池を作製した。
【0078】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのγ−ブチロラクトンの有機電解液中の体積含有率は2.3体積%であった。
【0079】
実施例7
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、ビニレンカーボネートを体積含有率で2体積%加えて調製したものを用い、それ以外は実施例1と同様に筒形有機電解液電池を作製した。
【0080】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのビニレンカーボネートの有機電解液中の体積含有率は0.67体積%であった。
【0081】
実施例8
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、ビニレンカーボネートを体積含有率で0.2体積%加えて調製したものを用い、それ以外は実施例1と同様に筒形有機電解液電池を作製した。
【0082】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのビニレンカーボネートの有機電解液中の体積含有率は0.067体積%であった。
【0083】
実施例9
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、ビニレンカーボネートを体積含有率で4体積%加えて調製したものを用い、それ以外は実施例1と同様に筒形有機電解液電池を作製した。
【0084】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのビニレンカーボネートの有機電解液中の体積含有率は1.3体積%であった。
【0085】
実施例10
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、γ−ブチロラクトンを体積含有率で3体積%とビニレンカーボネートを体積含有率で2体積%加えて調製したものを用い、それ以外は実施例1と同様に筒形有機電解液電池を作製した。
【0086】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのビニレンカーボネートの有機電解液中の体積含有率は1.0体積%であり、ビニレンカーボネートの有機電解液中の体積含有率は0.67体積%であった。
【0087】
実施例11
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、γ−ブチロラクトンを体積含有率で0.2体積%とビニレンカーボネートを体積含有率で0.2体積%加えて調製したものを用い、それ以外は実施例1と同様に筒形有機電解液電池を作製した。
【0088】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのγ−ブチロラクトンの有機電解液中の体積含有率は0.033体積%であり、ビニレンカーボネートの有機電解液中の体積含有率は0.033体積%であった。
【0089】
実施例12
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、γ−ブチロラクトンを体積含有率で7体積%とビニレンカーボネートを体積含有率で4体積%加えて調製したものを用い、それ以外は実施例1と同様に筒形有機電解液電池を作製した。
【0090】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのγ−ブチロラクトンの有機電解液中の体積含有率は2.3体積%であり、ビニレンカーボネートの有機電解液中の体積含有率は1.3体積%であった。
【0091】
実施例13
カールフィッシャー法で測定した水分量が75ppmで負極を用いた以外は、実施例1と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。
【0092】
比較例1
負極活物質として比表面積3.0m/gの黒鉛を98質量部用い、S含有化合物としてのベンゼンスルホン酸リチウムを用いることなく、バインダーとしてスチレンブタジエンゴム1質量部とカルボキシメチルセルロース1質量部を水に溶解させたものを用いた以外は実施例1と同様に負極を作製し、その負極を用いた以外は実施例1と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。
【0093】
比較例2
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、プロパンスルトンを体積含有率で2体積%加えて調製したものを用い、それ以外は比較例1と同様に筒形有機電解液電池を作製した。
【0094】
比較例3
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートの体積比が1:2の混合溶媒に、γ−ブチロラクトンを体積含有率で3体積%加えて調製したものを用い、それ以外は比較例1と同様に筒形有機電解液電池を作製した。
【0095】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのγ−ブチロラクトンの有機電解液中の体積含有率は1.0体積%であった。
【0096】
比較例4
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、ビニレンカーボネートを体積含有率で2体積%加えて調製したものを用い、それ以外は比較例1と同様に筒形有機電解液電池を作製した。
【0097】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのビニレンカーボネートの有機電解液中の体積含有率は0.67体積%であった。
【0098】
比較例5
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、γ−ブチロラクトンを体積含有率で3体積%とビニレンカーボネートを体積比で2体積%加えて調製したものを用い、それ以外は比較例1と同様に筒形有機電解液電池を作製した。
【0099】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのビニレンカーボネートの有機電解液中の体積含有率は1.0体積%であり、ビニレンカーボネートの有機電解液中の体積含有率は0.67体積%であった。
【0100】
上記のようにして作製した実施例1〜13および比較例1〜5の電池について、充放電電流をCで表示した場合、R5形で650mAを1Cとして1Cの電流制限回路を設けて4.2Vの定電圧で初回充電を行い、その後、3.0Vまで放電した。その電池をアルゴン雰囲気のグローブボックス内で分解し、取り出した正極と負極をそれぞれメチルエチルケトンで15時間浸漬洗浄し、5時間真空乾燥後、蛍光X線においてC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率x(質量%)およびy(質量%)をそれぞれ測定した。その時の(x/y=負極のS含有率/正極のS含有率)の計算結果を表1および表2に示す。また、上記と同様の実施例1〜13および比較例1〜5の電池を650mAを1Cとして0.1C、0.3C、0.4C、0.5C、0.6Cの電流制限回路を設けて4.2Vの定電圧で初回充電を行った。その電池をアルゴン雰囲気のグローブボックス内で分解し、負極表面の反応ムラを観察した。表1および表2にその結果を示す。
【0101】
また、上記実施例1〜13および比較例1〜5の電池について、0.5Cの電流制限回路を設けて4.2Vの定電圧で初回充電した後、電池の電極間電圧が3.0Vに低下するまで放電を行った。その電池を1Cの電流制限回路を設けて4.2Vの定電圧で再び充電し、電池の電極間電圧が3.0Vに低下するまで放電する充放電を繰り返した。
【0102】
そして、このときの電池の充放電の繰り返しにおいて、100サイクル目に2Cの放電を行い、101サイクル目から再び1Cの放電を行った。この100サイクル目の2Cの放電容量を、101サイクル目の1Cの放電容量で割った値に100をかけたものを負荷特性(%)とした。その結果を表1および表2に負荷特性〔2C/1C(%)〕として示す。
【0103】
【表1】

Figure 2004296420
【0104】
【表2】
Figure 2004296420
【0105】
表1に示す実施例1〜13の電池の電池特性と、表2に示す比較例1〜5の電池の電池特性の対比から明らかなように、実施例1〜13の電池は、比較例1〜5の電池に比べて、初回充電電流値を大きくしても反応ムラが生じにくいため電流値を大きくすることができ、その結果、初回充電時間を短くすることができる。また、実施例1〜13の電池は、負荷特性も優れたものであった。
【0106】
実施例14
負極を以下のとおり作製した。
まず、負極活物質として比表面積3.0m/gの黒鉛を96質量部用い、S含有化合物としてベンゼンスルホン酸リチウムを1質量部用い、P含有化合物としてリン酸リチウムを1質量部用い、バインダーとしてスチレンブタジエンゴム1質量部とカルボキシメチルセルロース1質量部を水に溶解させたものを用い、上記全てを混合して負極塗膜形成用塗料を調製した。
【0107】
得られた塗料を厚さ10μmの銅箔からなる導電性基体上にアプリケーターを用いて塗布し、100℃で乾燥して塗膜を形成した。上記銅箔からなる導電性基体の裏面側にも上記塗料を塗布乾燥し電極体を作製した。その後、この電極体を100℃で10時間真空乾燥後、ロールプレスして、シート状の負極を得た。この負極の塗膜密度は1.5g/cmであった。また、上記負極のカールフィッシャー法で測定した水分量は118ppmであった。上記負極中の水分量は負極を2cm×5cmの試験片に切断し、170℃に加熱して出てきた水蒸気をカールフィッシャー装置に導入することにより測定したものである。上記の水分量は、塗膜の質量に対する負極中の水分の質量として表示した。
【0108】
正極を以下のとおり作製した。
リチウムコバルト酸化物を95質量部と、電子伝導助剤としてのカーボンブラックを1質量部と鱗片状黒鉛を1質量部、バインダーとしてのポリビニリデンフルオライドの3質量部をN−メチル−2−ピロリドンに溶解させたものを用い、正極塗膜系形成用塗料を調製した。上記塗料の調製は次に示すように行った。まず、N−メチル−2−ピロリドンにポリビニリデンフルオライドを溶解したバインダー溶液を調製した。つぎに、このバインダー溶液に正極活物質のリチウムコバルト酸化物と電子伝導助剤としてのカーボンブラックと鱗片状黒鉛を加え、混合することによって塗料を調製した。
【0109】
そして、得られた塗料を厚さ15μmのアルミニウム箔からなる導電性基体上にアプリケーターを用いて塗布し、100〜120℃で乾燥して塗膜を形成した。上記アルミニウム箔の裏面側にも同様に、上記塗料を塗布乾燥し電極体を形成した。この電極体を、100℃で10時間真空乾燥後、ロールプレスしてシート状正極を得た。この電極の塗膜密度は3.30g/cmであった。
【0110】
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に溶解させたものを用いた。
【0111】
筒形有機電解液電池の組み立ては以下のとおり行った。
まず、上記のシート状正極を幅28mm×長さ220mmの帯状に切断し、シート状負極を幅30mm×長さ260mmの帯状に切断した。そして、それぞれの電極端部の塗膜の一部を剥がし、金属箔を露出させた部分に、アルミニウム製のリード体を抵抗溶接し、厚み20μmで開孔率50%の微多孔性ポリプロピレンフィルムからなる帯状セパレータを上記シート状正極とシート状負極との間に介在させ、渦巻状に巻回して渦巻状電極体を作製し、その渦巻状電極体を実施例1と同様の電池ケース内に挿入した。そして、負極側のリード体の先端を絶縁体を貫通させて電池ケース内の底部に溶接し、さらに、電池ケースの開口部に絶縁体を挿入し、溝を形成した後、封口板と正極側のリード体を溶接した。そして、このような工程を経て作製された缶体を60℃で10時間真空乾燥した後、乾燥雰囲気中で電解液2mlを注入した後、封口して、図1に示す構造で筒形のR5型有機電解液電池(外径:14.95mm、高さ:39.7mm)を作製した。
【0112】
実施例15
負極活物質として比表面積3.0m/gの黒鉛を97質量部用い、S含有化合物としてベンゼンスルホン酸リチウムを0.5質量部用い、P含有化合物としてリン酸リチウムを0.5質量部用い、バインダーとしてスチレンブタジエンゴム1質量部とカルボキシメチルセルロース1質量部を水に溶解させたものを用い、それ以外は実施例14と同様に負極を作製した。上記負極の水分量は125ppmであった。また、その負極を用いた以外は、実施例14と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。
【0113】
実施例16
負極活物質として比表面積3.0m/gの黒鉛を92質量部用い、S含有化合物としてベンゼンスルホン酸リチウムを3質量部用い、P含有化合物としてリン酸リチウムを3質量部用い、バインダーとしてスチレンブタジエンゴム1質量部とカルボキシメチルセルロース1質量部を水に溶解させたものを用い、それ以外は実施例1と同様に負極を作製した。上記負極の水分量は107ppmであった。また、その負極を用いた以外は、実施例14と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。
【0114】
実施例17
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、γ−ブチロラクトンを体積含有率で3体積%加えて調製したものを用い、それ以外は実施例14と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。
【0115】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのγ−ブチロラクトンの有機電解液中の体積含有率は1.0体積%であった。また、この電池の負極の水分量は125ppmであった。
【0116】
実施例18
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、γ−ブチロラクトンを体積含有率で2体積%加えて調製したものを用い、それ以外は実施例15と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。
【0117】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのγ−ブチロラクトンの有機電解液中の体積含有率は0.67体積%であった。また、この電池の負極の水分量は125ppmであった。
【0118】
実施例19
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、γ−ブチロラクトンを体積含有率で3体積%とビニレンカーボネートを体積含有率で2体積%加えて調製したものを用い、それ以外は実施例15と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。
【0119】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのγ−ブチロラクトンの有機電解液中の体積含有率は1.0体積%であり、負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのビニレンカーボネートの有機電解液中の体積含有率は0.67体積%であった。また、この電池の負極の水分量は125ppmであった。
【0120】
実施例20
カールフィッシャー法で測定した水分量が75ppmで負極を用いた以外は、実施例15と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。
【0121】
実施例21
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとの体積比が1:2の混合溶媒に、γ−ブチロラクトンを体積含有率で7体積%加えて調製したものを用い、それ以外は実施例15と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。
【0122】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのγ−ブチロラクトンの有機電解液中の体積含有率は2.3体積%であった。また、この電池の負極の水分量は125ppmであった。
【0123】
実施例22
電解液として、1.2mol/lのLiPFをエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートの体積比が1:2の混合溶媒に、ビニレンカーボネートを体積含有率で4体積%加えて調製したものを用い、それ以外は実施例15と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。
【0124】
なお、負極活物質の比表面積は3.0m/gであり、この負極活物質の比表面積1.0m/gあたりのビニレンカーボネートの有機電解液中の体積含有率は1.3体積%であった。また、この電池の負極の水分量は125ppmであった。
【0125】
比較例6
負極活物質として比表面積3.0m/gの黒鉛を98質量部用い、S含有化合物としてのベンゼンスルホン酸リチウムやP含有化合物としてのリン酸リチウムを用いることなく、バインダーとしてスチレンブタジエンゴム1質量部とカルボキシメチルセルロース1質量部を水に溶解させたものを用いた以外は実施例14と同様に負極を作製し、その負極を用いた以外は実施例14と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。なお、この電池の負極の水分量は126ppmであった。
【0126】
比較例7
負極活物質として比表面積3.0m/gの黒鉛を97質量部用い、P含有化合物としてリン酸リチウム1質量部を用い、S含有化合物としてのベンゼンスルホン酸リチウムを用いることなく、バインダーとしてスチレンブタジエンゴム1質量部とカルボキシメチルセルロース1質量部を水に溶解させたものを用い、それ以外は比較例6と同様に負極を作製し、その負極を用いた以外は実施例14と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。この電池の負極の水分量は112ppmであった。
【0127】
比較例8
負極活物質として比表面積3.0m/gの黒鉛を97.8質量部用い、S含有化合物としてベンゼンスルホン酸リチウムを0.1質量部用い、P含有化合物としてリン酸リチウムを0.1質量部用い、バインダーとしてスチレンブタジエンゴム1質量部とカルボキシメチルセルロース1質量部を水に溶解させたものを用い、それ以外は比較例6と同様に負極を作製し、その負極を用いた以外は実施例14と同様に筒形の有機電解液電池を作製した。この電池の負極の水分量は128ppmであった。
【0128】
上記のようにして作製した実施例14〜22および比較例6〜8の電池について、充放電電流をCで表示した場合、R5形で650mAを1Cとして1Cの電流制限回路を設けて4.2Vの定電圧で初回充電を行い、その後、3.0Vまで放電した。その電池をアルゴン雰囲気のグローブボックス内で分解し、取り出した正極と負極をそれぞれメチルエチルカーボネートで15時間浸漬洗浄し、5時間真空乾燥後、蛍光X線においてC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率x(質量%)およびy(質量%)をそれぞれ測定した。その時の(x/y=負極のS含有率/正極のS含有率)の計算結果を表3に示す。
【0129】
また、上記と同様の実施例14〜22および比較例6〜8の電池を650mAを1Cとして0.1C、0.3C、0.4C、0.5C、0.6C、0.7Cの電流制限回路を設けて4.2Vの定電圧で初回充電を行った。その電池をアルゴン雰囲気のグローブボックス内で分解し、負極表面の反応ムラを観察した。表4にその結果を示す。
【0130】
また、上記実施例14〜22および比較例6〜8の電池について、0.5Cの電流制限回路を設けて、4.2Vの定電圧で初回充電した後、1Cの電流値で電池の電極間電圧が3.0Vに低下するまで放電を行った。その電池を1Cの電流制限回路を設けて4.2Vの定電圧で再び充電し、電池の電極間電圧が3.0Vに低下する放電する充放電を繰り返し行った。
【0131】
このときの電池の充放電の繰り返しにおいて、10サイクル目に前述した条件で90%充電を行った後、電池を室温で1日放置し、不活性雰囲気中で分解して、負極を取り出した。これを外気に触れない状態で24時間真空乾燥後、X線光電子分光分析を行った。X線光電子分光分析は、アルバックファイ社製の「PHI5500MC」により、400WでAl−Kα線を用いて測定し、ピーク分割を行い、負極表面の各ピークの原子の量を算出した。その結果を表3に示す。
【0132】
【表3】
Figure 2004296420
【0133】
また、実施例14〜22および比較例6〜8の電池について、0.5Cの電流制限回路を設けて4.2Vの定電圧で初回充電した後、電池の電極間電圧が3.0Vに低下するまで放電した。その電池を1Cの電流制限回路を設けて4.2Vの定電圧で再び充電し、電池の電極間電圧が3.0Vに低下するまで放電する充放電を繰り返した。
【0134】
そして、このときの電池の充放電の繰り返しにおいて、100サイクル目に2Cの放電を行い、101サイクル目から再び1Cの放電を行った。この100サイクル目の2Cの放電容量を、101サイクル目の1Cの放電容量で割った値に100をかけたものを負荷特性(%)とした。表4には、その結果を負荷特性〔2C/1C(%)〕として示す。
【0135】
また、実施例14〜22および比較例6〜8の電池について、上記と同様の充放電の繰り返しにおいて、10サイクル目に4.2Vの充電状態で試験を止め、その後に、12Vを上限電圧として0.5A、1A、2A、4Aで過充電し、過充電安全電流値を測定した。その結果を表4に示す。なお、過充電安全電流値とは、電池を4.2V満充電後、12Vを上限電圧として0.5A、1A、2A、3A、4Aで過充電し、電池表面温度が135℃以下であった最大電流とをいう。
【0136】
【表4】
Figure 2004296420
※ ○:反応ムラ無し、△:反応ムラ少し有り、 ×:反応ムラ有り
【0137】
表4に示す結果から明らかなように、実施例14〜22の電池は、比較例6〜8の電池に比べて、初回充電電流値を大きくしても反応ムラが生じにくいため電流値を大きくすることができ、その結果、初回充電時間を短くすることができる。また、実施例14〜22の電池は、貯蔵特性が優れていて、しかも、過充電安全電流が高く、過充電時の安全性も優れていた。
【0138】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、その第一〜第六のいずれにおても、初回充電に要する時間を短縮でき、生産性を向上させることができる有機電解液電池を提供することができる。
【0139】
また、本発明において、その第六のように、電池の規格容量に対して90%充電状態での負極表面において、X線光電子分光分析によるC−O由来の炭素原子に基づく286〜287eVのピークから求められる炭素原子の量を6.5原子%以下にし、かつPOx由来のリンに基づく133〜135eVのピークから求められるリン原子の量を1原子%以上にすることによって、前記のように、初回充電に要する時間の短縮に加えて、過充電時の安全性の高い高容量の有機電解液電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の有機電解液電池の一例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 電解液
5 電池ケース[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an organic electrolyte battery, and more particularly, to an organic electrolyte battery that can reduce the time required for initial charging and improve productivity.
[0002]
[Prior art]
Organic electrolyte batteries represented by lithium ion batteries have been increasingly demanded due to their high voltage and high energy density. Conventionally, an organic electrolyte battery of this type uses a carbon material, such as graphite, provided on a metal foil together with a binder on the negative electrode. 6 And the like are dissolved in an organic solvent. However, this battery has a problem that the energy density is low.
[0003]
Then, in order to improve it, an attempt has been made to use a carbon material having a large specific surface area as a negative electrode active material. However, when a negative electrode active material having a large specific surface area is used as described above, a decomposition reaction of an organic electrolyte solution and water present in a trace amount at the time of initial charging on the negative electrode active material becomes large, and a large amount of gas is generated. . Therefore, there is a problem that gas accumulates between the electrodes and the gas hinders the reaction, resulting in uneven reaction of the electrodes. Further, the gas generation becomes more intense as the current value at the time of the first charge becomes larger, and therefore, the reaction unevenness becomes larger. Therefore, it is necessary to reduce the current value at the time of the first charge and to minimize the non-uniform reaction of the electrode due to gas generation. However, in such a case, there is a problem that a long production time is required and productivity is low.
[0004]
Therefore, an attempt has been made to suppress the generation of gas at the time of initial charging by including propane sultone in an organic electrolytic solution (for example, see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-170576 (page 2)
[0006]
However, when propane sultone is contained in the organic electrolytic solution, S (sulfur) more than twice as large as that of the positive electrode cannot be present in the negative electrode. Could not.
[0007]
It has also been proposed to suppress the generation of gas at the time of initial charging by including vinylene carbonate in an organic electrolyte (for example, see Patent Document 2).
[0008]
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 3059832 (pages 1-2)
[0009]
However, the present inventors have studied and found that gas generation during the initial charge could not be sufficiently suppressed only by adding vinylene carbonate to the organic electrolyte.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve the problems of the conventional organic electrolyte battery as described above, and to provide an organic electrolyte battery that can reduce the time required for initial charging in a production process and improve productivity. .
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made as a result of various studies to solve the above-mentioned problems. The first aspect of the present invention is an organic electrolyte battery including a negative electrode, a positive electrode, and an organic electrolyte, in which the specific surface area is 1.0 m as a negative electrode active material. 2 / G or more of the lithium-containing material, and the total of the contents of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr by fluorescent X-ray analysis of the negative electrode is 100 mass %, The content x (mass%) of the S element is determined by the X-ray fluorescence analysis of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr of the positive electrode. When the total content is 100% by mass or more and is twice or more the content y (% by mass) of the S element, gas generation at the time of the first charge can be suppressed, and the time required for the first charge in the production process Was found to be shorter.
[0012]
The second aspect of the present invention relates to an organic electrolyte battery including a negative electrode, a positive electrode, and an organic electrolyte. 2 / G or more of the lithium-containing material, and the total of the contents of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr by fluorescent X-ray analysis of the negative electrode is 100 mass %, The content x (mass%) of the S element is determined by the X-ray fluorescence analysis of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr of the positive electrode. More than twice the content y (% by mass) of the S element when the total content is 100% by mass, and the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 When γ-butyrolactone is contained in an amount of 0.05 to 3% by volume in the organic electrolyte solution per g / g, gas generation at the time of initial charging can be further suppressed, and the time required for initial charging in the production process Can be further shortened.
[0013]
The third aspect of the present invention relates to an organic electrolyte battery including a negative electrode, a positive electrode, and an organic electrolyte, wherein the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 / G or more of a lithium-containing material, and the total of the contents of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr by fluorescent X-ray analysis of the negative electrode is 100 mass%. The content x (mass%) of the S element when the content of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr was determined by fluorescent X-ray analysis of the positive electrode. More than twice the content y (% by mass) of the S element when the total amount is 100% by mass, and the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 When the volume content of vinylene carbonate per 0.05 g / g is 0.05 to 2% by volume in the organic electrolyte solution, gas generation at the time of the first charge can be further suppressed, and the time required for the first charge in the production process can be reduced. They have found that they can be further shortened.
[0014]
In a fourth aspect of the present invention, in an organic electrolyte battery including a negative electrode, a positive electrode, and an organic electrolyte, a specific surface area as a negative electrode active material is 1.0 m. 2 / G or more of the lithium-containing material, and the total of the contents of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr by fluorescent X-ray analysis of the negative electrode is 100 mass %, The content x (mass%) of the S element is determined by the X-ray fluorescence analysis of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr of the positive electrode. More than twice the content y (% by mass) of the S element when the total content is 100% by mass, and the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 Per gram / g of γ-butyrolactone in the above-mentioned organic electrolyte at a volume content of 0.025 to 2% by volume, and vinylene carbonate in the above-mentioned organic electrolyte at a volume content of 0.025 to 1% by volume. It has been found that gas generation during initial charging can be further suppressed, and the time required for initial charging in the production process can be further reduced.
[0015]
In a fifth aspect of the present invention, in the organic electrolyte battery including the negative electrode, the positive electrode, and the organic electrolyte, the specific surface area as the negative electrode active material is 1.0 m. 2 / G or more of the lithium-containing material, and the total of the contents of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr by fluorescent X-ray analysis of the negative electrode is 100 mass %, The content x (mass%) of the S element is determined by the X-ray fluorescence analysis of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr of the positive electrode. When the total amount of the content is set to at least twice the content y (% by mass) of the S element when the total content is set to 100% by mass, and when the water content of the negative electrode is set to 100 ppm or less, the time required for the first charge in the production process is further required. Can be further shortened.
[0016]
A sixth aspect of the present invention is obtained from the peak of 286 to 287 eV based on carbon atoms derived from CO by X-ray photoelectron spectroscopy on the surface of the negative electrode in a state where the battery is 90% charged with respect to the standard capacity of the battery. The first and second aspects of the present invention, in which the amount of carbon atoms is 6.5 atomic% or less, and the amount of phosphorus atoms determined from a peak of 133 to 135 eV based on POx-derived phosphorus is 1 atomic% or more. The second, third, fourth, and fifth are combined with each other, for example, when combined with the first of the invention, the sixth of the present invention is a negative electrode, a positive electrode, and an organic electrolyte. In the organic electrolyte battery containing the liquid, the specific surface area is 1.0 m as a negative electrode active material. 2 / G or more of the lithium-containing material, and the total of the contents of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr by fluorescent X-ray analysis of the negative electrode is 100 mass %, The content (% by mass) of the S element is determined by the content of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr by fluorescent X-ray analysis of the positive electrode. X-ray photoelectron spectroscopy on the surface of the negative electrode at least twice the content (% by mass) of the S element when the total amount is 100% by mass and charged to 90% of the standard capacity of the battery The amount of carbon atoms determined from the peak at 286 to 287 eV based on carbon atoms derived from C—O by 6.5% by atom or less, and the amount of phosphorus atoms determined from the peak at 133 to 135 eV based on phosphorus derived from POx To 1 atomic% or more By Rukoto, suppressing gas generation during the initial charge, it is possible to shorten the time required for initial charging in the production process, it has been found that it is possible to enhance the safety during overcharge.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the first to sixth aspects of the present invention, the reason why gas generation during initial charging can be suppressed and the time required for initial charging in the production process can be reduced will be described in detail together with the embodiments of the present invention.
[0018]
First, the present inventor has repeatedly studied the causes of gas generation at the time of initial charging, and as a result, it has been found that gas generation at the time of initial charging is frequently generated from the negative electrode. Therefore, the present inventors have conducted intensive studies, and for example, by adding an S (sulfur) -containing compound to the negative electrode, by including an S-containing compound twice or more of the positive electrode in the fluorescent X-ray analysis, gas generation at the time of the first charge is reduced. It has been found that it can be greatly suppressed. As a result, it has been found that even if the initial charge current value is increased, the reaction unevenness of the electrodes hardly occurs, the time required for the initial charge can be shortened, and the production time can be shortened. This is because, when a negative electrode to which an S-containing compound is added is used, a film incorporating S is formed on the negative electrode active material at the time of the first charge, and the film covers the active site for solvent decomposition of the negative electrode active material, and the like. It is considered that the effect of suppressing the decomposition of the liquid solvent and suppressing the amount of generated gas is increased.
[0019]
The suppression of gas generation at the time of initial charging by including γ-butyrolactone in the organic electrolyte is also described in Japanese Patent Application No. 2002-324766 filed by the present applicant. However, the second aspect of the present invention is not limited to this. When S is present in the negative electrode more than twice as much as the positive electrode, and when a certain amount of γ-butyrolactone is contained in the organic electrolyte, the gas generation suppressing effect at the time of the first charge is obtained. Was found to be even larger. When an organic electrolyte solution containing γ-butyrolactone is used, a film in which γ-butyrolactone is reduced is formed on the negative electrode active material at the time of the first charge, and the film covers the solvent decomposition active site of the negative electrode active material. It is considered that the effect of suppressing the decomposition of the other electrolyte solution solvent and the effect of suppressing the solvent decomposition of the S-containing negative electrode coating together with the electrolyte solution solvent increase the amount of gas generated.
[0020]
In addition, it is described in Japanese Patent No. 3059832 shown as Patent Document 2 that the generation of gas at the time of the first charge can be suppressed when vinylene carbonate is contained in the organic electrolytic solution. However, as described above, simply including vinylene carbonate in the organic electrolytic solution is not sufficient in suppressing the gas generation at the time of the first charge.However, the present inventors have further studied, and in the third aspect of the present invention, The combination of a certain amount of vinylene carbonate in the organic electrolyte and the presence of more than twice the amount of S in the negative electrode as in the positive electrode makes the effect of suppressing gas generation during the first charge remarkable, Even if the value is increased, the reaction unevenness of the electrode is hardly generated.
[0021]
It is also described in Japanese Patent Application No. 2002-324766 filed by the present applicant that generation of gas at the time of initial charging can be suppressed by including γ-butyrolactone and vinylene carbonate in the organic electrolyte. However, the fourth aspect of the present invention is not limited to this, and the combination of the presence of S in the negative electrode at least twice that of the positive electrode and the inclusion of a certain amount of γ-butyrolactone and vinylene carbonate in the organic electrolyte solution, The effect of suppressing gas generation during charging was further increased.
[0022]
In the fifth aspect of the present invention, the negative electrode contains S at least twice as much as the positive electrode, and the negative electrode has a water content of 100 ppm or less, thereby decomposing a small amount of water contained in the negative electrode. The amount of hydrogen gas generated is reduced, the effect of suppressing gas generation is made more remarkable, and the effect of suppressing gas generation at the time of initial charging is made more remarkable.
[0023]
Further, in the sixth aspect of the present invention, the presence of S in the negative electrode more than twice that of the positive electrode, and the C-O by X-ray photoelectron spectroscopy on the negative electrode surface in a state of being charged 90% with respect to the standard capacity of the battery. By combining the amount of carbon atoms determined from the peak at 286 to 287 eV based on the carbon atoms derived from PO and the amount of phosphorus atoms determined from the peak at 133 to 135 eV based on phosphorus derived from POx, Thus, the time required for the first charge in the production process can be reduced by suppressing the generation of gas at the time of, and the safety at the time of overcharge is enhanced.
[0024]
Specifically, in the first aspect of the present invention, in an organic electrolyte battery including a negative electrode, a positive electrode, and an organic electrolyte, a specific surface area as a negative electrode active material is 1.0 m 2 / G or more of the lithium-containing material, and the total of the contents of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr by fluorescent X-ray analysis of the negative electrode is 100 mass %, The content x (mass%) of the S element is determined by the X-ray fluorescence analysis of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr of the positive electrode. By making it twice or more the S element content y (% by mass) when the total content is 100% by mass, it is possible to suppress gas generation at the time of the first charge, and to suppress the occurrence of reaction unevenness in the electrode. Therefore, the charging current value was increased, and the production speed was improved.
[0025]
Further, when the total content of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr by fluorescent X-ray analysis of the negative electrode is 100% by mass, The content x (mass%) is defined as 100 mass% of the sum of the contents of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr by fluorescent X-ray analysis of the positive electrode. It is more preferable to set the content of the element S to 3 to 10 times the content y (mass%) of the above, since the effect of suppressing gas generation at the time of the first charge is further increased and the effect of improving the production speed is further increased.
[0026]
However, in an organic electrolyte battery including a negative electrode, a positive electrode, and an organic electrolyte, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 / G or more of the lithium-containing material, and the total of the contents of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr by fluorescent X-ray analysis of the negative electrode is 100 mass %, The content x (mass%) of the S element is determined by the fluorescence X-ray analysis of the positive electrode of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr. If the total amount of the content is less than twice the content y (% by mass) of the S element when the total content is 100% by mass, the gas generation suppression effect at the time of the first charge is small, and the charge current value at the first charge is increased. Production speed is hardly improved.
[0027]
Further, when the total content of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr by fluorescent X-ray analysis of the negative electrode is 100% by mass, The content x (mass%) is 100 mass% of the sum of the contents of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr by fluorescent X-ray analysis of the positive electrode. If the content is 11 times or more of the content y (mass%) of the S element at the time, the load characteristics tend to slightly decrease.
[0028]
Next, in a second embodiment of the present invention, in the first organic electrolyte battery of the present invention including the negative electrode, the positive electrode, and the organic electrolyte, in addition to the first requirement, the specific surface area of the negative electrode active material is 1 .0m 2 The content of γ-butyrolactone in the organic electrolyte solution was 0.05 to 3% by volume per g / g to further enhance the gas generation suppression effect at the time of the first charge, thereby further improving the production speed. . It is more preferable that the volume content of γ-butyrolactone in the organic electrolyte be 0.2 to 3% by volume, because the effect of suppressing gas generation at the time of the first charge is further increased and the effect of improving the production speed is further increased. 1.0m specific surface area of negative electrode active material 2 When the volume content of γ-butyrolactone in the organic electrolyte solution per g / g is less than 0.05% by volume, the effect of further suppressing the generation of gas at the time of first charge is reduced, and the organic content of γ-butyrolactone is reduced. When the volume content in the electrolytic solution exceeds 3% by volume, the load characteristics tend to slightly decrease.
[0029]
Next, in a third aspect of the present invention, in the first organic electrolyte battery of the present invention including the negative electrode, the positive electrode, and the organic electrolyte, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 The content of vinylene carbonate per 0.05 g / g was contained in the organic electrolyte solution in a volume content of 0.05 to 2% by volume, whereby the effect of suppressing gas generation at the time of the first charge was further increased, and the production speed was further improved. . 1.0m specific surface area of negative electrode active material 2 When the volume content of vinylene carbonate per 0.1 g / g is 0.1 to 2% by volume in the organic electrolyte, the effect of suppressing gas generation at the time of the first charge is increased, and the effect of improving the production speed is further increased. Is more preferable. 1.0m specific surface area of negative electrode active material 2 If the volume content of vinylene carbonate in the organic electrolyte per g / g is less than 0.05% by volume, the effect of further suppressing the generation of gas at the time of the first charge is reduced, and the content of vinylene carbonate is reduced. When the volume content in the organic electrolyte exceeds 2% by volume, the load characteristics tend to decrease.
[0030]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first organic electrolyte battery of the present invention including the negative electrode, the positive electrode, and the organic electrolyte, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 / G per volume of γ-butyrolactone in the organic electrolyte solution per 0.025 to 2% by volume, and a specific surface area of the negative electrode active material of 1.0 m 2 The content of vinylene carbonate in the organic electrolyte solution was 0.025 to 1% by volume per 1 g / g to further suppress the gas generation at the time of the first charge, thereby further improving the production speed. .
[0031]
In the fourth organic electrolyte battery of the present invention including the negative electrode, the positive electrode, and the organic electrolyte, the specific surface area is 1.0 m as the negative electrode active material. 2 / G or more of the lithium-containing material, and the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 / G per volume of γ-butyrolactone in the organic electrolytic solution, and a specific surface area of 1.0 m of the negative electrode active material. 2 When vinylene carbonate is contained in an amount of 0.2 to 1% by volume in the organic electrolyte solution per 1 g / g, the effect of suppressing gas generation at the time of the first charge is increased, and the effect of improving the production speed is increased. More preferred. In the fourth organic electrolyte battery according to the present invention, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m. 2 The content of γ-butyrolactone per g / g is less than 0.025% by volume in the organic electrolytic solution, or the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 When the volume content of vinylene carbonate per g / g is less than 0.025% by volume in the organic electrolyte, the gas generation suppressing effect at the time of the first charge is further reduced, and the ratio of the negative electrode active material is reduced. Surface area 1.0m 2 / G of γ-butyrolactone in the organic electrolyte is greater than 2% by volume, or the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 If the volume content of vinylene carbonate per 1 g / g is more than 1% by volume in the organic electrolyte solution, the capacity under a high load tends to decrease.
[0032]
In the fifth aspect of the present invention, the negative electrode, the positive electrode, and the first organic electrolyte battery of the present invention containing an organic electrolyte, the negative electrode having a water content of 100 ppm or less, the water content of the negative electrode active material surface The generation of hydrogen gas due to reductive decomposition was suppressed, and the gas generation during the first charge was further suppressed. As a result, the current value at the time of the first charge can be further increased, and the production speed can be further improved. The water content of the negative electrode taken out of the battery is preferably as small as possible, as described above, preferably 100 ppm or less, more preferably 80 ppm or less, and even more preferably less than 80 ppm. Further, when the water content of the negative electrode is more than 100 ppm, the effect of further improving the production speed is reduced.
[0033]
According to a sixth aspect of the present invention, in each of the first to fifth organic electrolyte batteries of the present invention including the negative electrode, the positive electrode, and the organic electrolyte, the negative electrode in a 90% charged state with respect to the standard capacity of the battery. On the surface, the amount of carbon atoms determined from the peak of 286 to 287 eV based on carbon atoms derived from CO by X-ray photoelectron spectroscopy is reduced to 6.5 atom% or less, and the amount of 133 to 135 eV based on phosphorus derived from POx is reduced. By setting the amount of phosphorus atoms obtained from the peak to 1 atomic% or more, gas generation during initial charging is suppressed, the time required for initial charging in the production process is reduced, and safety during overcharging is reduced. It was raised.
[0034]
In the sixth aspect of the present invention, the X-ray photoelectron spectroscopy analysis is performed by charging the battery to 90% of the standard capacity, leaving it for one day, decomposing it in an inert atmosphere, taking out the negative electrode, vacuum drying for 24 hours, The measurement was performed by measuring the photoelectron spectrum of the surface of the negative electrode without touching the surface.
[0035]
In the sixth aspect of the present invention, the amount of carbon atoms determined by X-ray photoelectron spectroscopy was measured using a PHI5500MC manufactured by ULVAC-PHI, Inc. at 400 W using A1-Kα radiation, and peak splitting was performed. Then, the amount of atoms at each peak on the negative electrode surface was calculated as a ratio (%) of all constituent atoms. Here, the “all constituent atoms” means all the atoms forming the surface portion of the negative electrode, that is, all the atoms forming the SEI (Solid Electrolyle Interface) coating.
[0036]
In the sixth aspect of the present invention, although the amount of phosphorus atoms determined from the peak of 133 to 135 eV based on phosphorus derived from POx is 1 atomic% or more, the effect of suppressing gas generation during the first charge can be obtained. Although the reason for this is not always clear at present, it is considered that stabilizing a substance which easily reacts with the solvent on the surface of the negative electrode active material by reacting with phosphorus suppresses decomposition of the electrolytic solution.
[0037]
In the sixth aspect of the present invention, the reason why the safety at the time of overcharging is improved is not always clear at present, but is considered as follows. When the conventional battery is disassembled and the surface of the negative electrode is observed by X-ray photoelectron spectroscopy, a peak based on carbon atoms is confirmed in the range of 286 to 287 eV. The negative electrode surface in the charged state is Li 2 O, LiF, Li 2 CO 3 , An alkoxide, an alkyl carbonate, or the like, which is known to be covered with an SEI (Solid Electrolyle Interface) film, thereby preventing an excessive side reaction between the electrolyte and the negative electrode. The peak is considered to be a peak derived from alkoxide which is a constituent component of the SEI coating, that is, a peak based on carbon atoms derived from CO. The present inventors have focused on alkoxides, particularly low-molecular-weight alkoxides, from which the above-mentioned peaks are derived, and this is inferior in stability to an electrolytic solution at a high temperature, so that the temperature of the battery increases during a safety test such as overcharging. If this occurs, the SEI coating is degraded, and in particular, when a negative electrode active material having a large specific surface area is used, heat generated by a new reaction between the electrolyte and the negative electrode is increased, and the safety of the battery is reduced. . In order to solve this problem, the present inventors treated the negative electrode active material and the negative electrode using the same with phosphoric acid or phosphate to replace the lithium in the alkoxide with phosphorus, thereby reducing the amount of the SEI film. It has been found that, when a certain amount of phosphorus atoms derived from phosphorus (POx) are bonded, deterioration of the SEI film at high temperatures can be suppressed, and safety during overcharge can be improved.
[0038]
In the sixth aspect of the present invention, the amount of phosphorus atoms determined from a peak of 133 to 135 eV based on phosphorus derived from POx on the negative electrode surface in a 90% charged state with respect to the standard capacity of the battery is set to 1 atomic% or more. Is a method in which the negative electrode active material or the negative electrode is immersed and dried in a solution of phosphoric acid or phosphate for a certain period of time, and a method in which the solution of phosphoric acid or phosphate is mixed into a paint containing the negative electrode active material, a binder, and the like when preparing the negative electrode And a method of adding it to the electrolytic solution.
[0039]
In the sixth aspect of the present invention, the standard capacity of the battery is determined as follows. When charging at a constant current at 20 ° C. with the battery voltage at the start of charging being 3.5 V, the time required for the battery voltage to reach 4.2 V is in the range of 1.5 to 2 hours. The battery is charged to 4.2 V at the current value, and then charged at a constant voltage of 4.2 V for 3 hours. Next, discharging is performed at the above current value, and the discharge capacity until the battery voltage decreases to 3.0 V is defined as a standard capacity. The 90% charge state is defined as the state when the battery is charged at 20 ° C., the voltage of the battery at the start of charging is 3.5 V, and the battery is charged at a current value of 1 C for 0.9 hours when the standard capacity is 1 C. Say. In the sixth aspect of the present invention, the battery is set to a 90% charge state instead of a 100% charge state with respect to the standard capacity of the battery, because the battery does not reach the standard capacity after repeated charge / discharge cycles or after high-temperature storage. Charging may not be possible.
[0040]
In the sixth aspect of the present invention, by adopting the above configuration, an organic electrolyte battery having high productivity and high safety during overcharge can be obtained. If the amount of Pt is more than 6.5 atomic% or the amount of the above-mentioned POx-derived phosphorus atoms is less than 1 atomic%, the stability of the SEI coating on the negative electrode surface at high temperature is reduced, and the safety at the time of overcharge is reduced descend.
[0041]
In the sixth aspect of the present invention, in order to further enhance the safety at the time of overcharging, the negative electrode in a charged state of 90% of the standard capacity of the battery is derived from CO by X-ray photoelectron spectroscopy. The amount of carbon atoms determined from the peak of 286 to 287 eV based on the carbon atom of the above is set to 6.0 atomic% or less, and the amount of phosphorus atoms determined from the peak of 133 to 135 eV based on the phosphorus derived from POx is reduced to 1.5 atomic%. More preferably, it is more preferably at least 2 atomic%. Although the amount of the phosphorus atoms derived from POx may be large, when it is added to the paste, if it is too large, the active material ratio tends to decrease and the capacity tends to decrease. preferable.
[0042]
In the present invention, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m. 2 / G or more of a lithium-containing material. Examples of the lithium-containing material include carbon materials having a turbostratic structure, natural graphite, artificial graphite, and glassy carbon. Some of them do not contain lithium at the time of manufacture, but when they act as a negative electrode active material, they become lithium-containing by chemical means or electrochemical means. In addition, as the lithium-containing material as the negative electrode active material, for example, lithium metal or a lithium-containing compound is used, and as the lithium-containing compound, there are a lithium alloy and others, and as the lithium alloy, For example, alloys of lithium and other metals such as lithium-aluminum, lithium-lead, lithium-bismuth, lithium-indium, lithium-gallium, lithium-indium-gallium, and the like can be given.
[0043]
In the present invention, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 / G or more, in order to improve the energy density of the battery. The specific surface area of the negative electrode active material is preferably as large as possible. 2 / G is suitable for use.
[0044]
In the present invention, as the S-containing compound to be contained in the negative electrode, for example, lithium benzenesulfonate, lithium sulfate, CF 3 SO 3 Li, CH 3 SO 3 Li, Li 2 S, P 2 S 3 , P 4 S 10 , (CH 3 ) 2 SO 2 , (C 2 H 5 O) 2 SO 2 , Sulfolane and the like are used. As described above, this S-containing compound is contained in the negative electrode such that the content x (% by mass) of the S element in the negative electrode is twice or more the content y (% by mass) of the S element in the positive electrode. Usually, the content may be about 0.1 to 5% by mass in the negative electrode mixture constituting the coating film of the negative electrode.
[0045]
The negative electrode, for example, to the negative electrode active material, the above-mentioned S-containing compound, and, if necessary, for example, flaky graphite, an electron conduction aid such as carbon black, and a binder and a solvent are added and mixed. It is prepared through a process of preparing a paint, applying the paint to a conductive substrate also serving as a negative electrode current collector, and drying and forming a coating film. In preparing the paint, it is preferable to use the binder as a solution previously dissolved in an organic solvent, water, an aqueous solution, or the like, and to mix it with solid particles such as the negative electrode active material to prepare the paint.
[0046]
In the present invention, as the positive electrode active material, for example, lithium nickel oxide, lithium cobalt oxide, lithium manganese oxide (these are usually LiNiO 2 , LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 Where the ratio of Li to Ni, the ratio of Li to Co, and the ratio of Li to Mn often deviate somewhat from the stoichiometric composition, but may deviate as such). The lithium-containing composite oxide can be used alone or as a mixture of two or more thereof, or as a solid solution thereof.
[0047]
The positive electrode includes, for example, the above-described positive electrode active material, optionally includes flaky graphite, an electron conduction aid such as carbon black, and further applies a coating material containing a binder on a conductive substrate as a positive electrode current collector. , And dried to form a coating film.
[0048]
As the binder, for example, a polyvinylidene fluoride-based polymer (a polymer of a fluorine-containing monomer group containing at least 80% by mass of vinylidene fluoride as a main component monomer), a rubber-based polymer, or a cellulose-based polymer is preferable. The above polymers may be used as a mixture.
[0049]
Examples of the fluorine-containing monomer group containing at least 80% by mass of vinylidene fluoride as the main component monomer include vinylidene fluoride alone or a mixture of vinylidene fluoride and at least one other monomer. Examples of the other monomers include vinylidene fluoride, trifluoroethylene, trifluorochloroethylene, tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and fluoroalkyl vinyl ether.
[0050]
Examples of the rubber-based polymer include carboxymethylcellulose, methylcellulose, ethylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxyethylmethylcellulose, and hydroxypropylmethylcellulose.
[0051]
In the present invention, the content of the binder in the coating film is preferably 0.2 to 20% by mass, and particularly preferably 0.5 to 10% by mass. When the content of the binder is less than the above range, the mechanical strength of the coating film is insufficient, the coating film may be peeled off from the conductive substrate, and when the content of the binder is more than the above range, There is a possibility that the active material in the coating film decreases and the battery capacity decreases.
[0052]
In the present invention, as a coating method for applying the coating material to the conductive substrate of the positive electrode or the negative electrode, for example, an extrusion coater, a reverse roller, a doctor blade, an applicator, and the like, various application methods can be adopted. .
[0053]
As the conductive substrate of the positive electrode or the negative electrode, for example, a net, punched metal, foam metal, or a plate-shaped foil of a metal conductive material such as aluminum, stainless steel, titanium, or copper is used.
[0054]
The organic electrolyte solution is prepared by dissolving an electrolyte in an organic solvent. As the organic solvent, for example, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, dimethoxypropane, Ethers such as 1,3-dioxolane, tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran; esters such as propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate and ethylmethyl carbonate; and single or mixed solvents such as sulfolane Can be used. Among them, esters are preferable because they have little reactivity with the positive electrode active material even under a high voltage and have a large effect of improving storage characteristics. It is preferable that this ester accounts for 30% by volume or more of the total organic solvent. In the present invention, γ-butyrolactone and / or vinylene carbonate are further contained in the main solvent, if necessary, as described above.
[0055]
As the electrolyte to be dissolved in the organic solvent, for example, a general formula LiMF n Wherein M is P, As, Sb or B, and n is 6 when M is P, As or Sb, and 4 when M is B. Fluoroorganic lithium imide salts and the like can be used, each of which can be used alone or in combination of two or more. The electrolyte concentration is preferably from 0.4 to 1.6 mol / l as a whole, especially from 0.6 to 1.4 mol / l, even if two or more different electrolytes are contained. Is preferred.
[0056]
As the separator, for example, a microporous polyethylene film, a microporous polypropylene film, a microporous ethylene-propylene copolymer film having a thickness of 10 to 50 μm and a porosity of 30 to 70% is preferably used.
[0057]
The battery is, for example, a sheet-shaped positive electrode manufactured as described above, and a spirally wound electrode body or a laminated electrode body that is manufactured by spirally winding with a separator interposed between the sheet-shaped negative electrode, and nickel. It is inserted into a battery case made of plated iron or stainless steel, injected with an electrolyte, and sealed. Further, the battery usually incorporates an explosion-proof mechanism for discharging gas generated inside the battery to the outside of the battery at a stage when the pressure has risen to a certain constant pressure, thereby preventing the battery from bursting under high pressure.
[0058]
【Example】
Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to only these examples.
[0059]
Example 1
A negative electrode was prepared as follows.
First, the specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G of graphite, 97 parts by mass of graphite, 1 part by mass of lithium benzenesulfonate as the S-containing compound, and 1 part by mass of styrene-butadiene rubber and 1 part by mass of carboxymethylcellulose dissolved in water as a binder. All of the above were mixed to prepare a negative electrode coating film forming paint.
[0060]
The obtained paint was applied on a conductive substrate made of a copper foil having a thickness of 10 μm using an applicator, and dried at 100 ° C. to form a coating film. The paint was also applied to the back side of the conductive substrate made of the copper foil and dried to prepare an electrode body. Thereafter, the electrode body was vacuum-dried at 100 ° C. for 10 hours and roll-pressed to obtain a sheet-shaped negative electrode. The coating density of this negative electrode is 1.5 g / cm 3 Met. The water content of the negative electrode measured by the Karl Fischer method was 120 ppm. The amount of water in the negative electrode was measured by cutting the negative electrode into test pieces of 2 cm × 5 cm, heating the mixture to 170 ° C., and introducing the water vapor discharged into a Karl Fischer apparatus. The above water content was expressed as the mass of water in the negative electrode with respect to the mass of the coating film.
[0061]
A positive electrode was prepared as follows.
95 parts by mass of lithium cobalt oxide, 1 part by mass of carbon black as an electron conduction aid, 1 part by mass of flake graphite, and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder were N-methyl-2-pyrrolidone. Was used to prepare a coating for forming a positive electrode coating system. The preparation of the paint was performed as follows. First, a binder solution was prepared by dissolving polyvinylidene fluoride in N-methyl-2-pyrrolidone. Next, lithium cobalt oxide as a positive electrode active material, carbon black and flaky graphite as electron conduction aids were added to the binder solution, and mixed to prepare a coating material.
[0062]
And the obtained paint was apply | coated using the applicator on the conductive base which consists of a 15-micrometer-thick aluminum foil, and it dried at 100-120 degreeC, and formed the coating film. Similarly, the paint was applied and dried on the back side of the conductive substrate made of the aluminum foil to form an electrode body. The electrode body was vacuum-dried at 100 ° C. for 10 hours and roll-pressed to obtain a sheet-shaped positive electrode. The coating density of this positive electrode is 3.30 g / cm. 3 Met.
[0063]
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Was dissolved in a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2.
[0064]
The assembly of the cylindrical organic electrolyte battery was performed as follows.
First, the above-mentioned sheet-like negative electrode was cut into a strip having a width of 28 mm × length of 220 mm, and the above-mentioned sheet-like negative electrode was cut into a strip having a width of 30 mm × length of 260 mm. A part of the coating film at each electrode end was peeled off, and an aluminum lead body was resistance-welded to a portion where the metal foil was exposed. A strip-shaped separator made of a microporous polypropylene film having a thickness of 20 μm and a porosity of 50% was interposed between the sheet-shaped positive electrode and the sheet-shaped negative electrode, and spirally wound to produce a spirally wound electrode body.
[0065]
Next, the spirally wound electrode body thus manufactured was inserted into a bottomed cylindrical battery case, and the positive electrode lead body and the negative electrode lead body were welded. Then, after injecting 2 ml of the organic electrolyte in a dry atmosphere, the container was sealed, and a cylindrical R5 type organic electrolyte battery (outer diameter: 14.95 mm, height: 39.7 mm) shown in FIG. 1 was produced. .
[0066]
Referring to the battery shown in FIG. 1, 1 is the positive electrode and 2 is the negative electrode. However, FIG. 1 does not show a metal foil or the like as a conductive substrate used in manufacturing the positive electrode 1 or the negative electrode 2 in order to avoid complication. Reference numeral 3 denotes a separator. The positive electrode 1 and the negative electrode 2 are spirally wound through the separator 3 and are housed in a battery case 5 together with the above-mentioned specific organic electrolyte solution 4 as a spiral electrode body.
[0067]
The battery case 5 is made of iron and nickel-plated on the surface, and an insulator 6 made of polypropylene is arranged on the bottom of the battery case 5 before the spiral electrode body is inserted. The sealing plate 7 is made of aluminum and has a disk shape, provided with a thin portion 7a at the center thereof, and as a pressure introduction port 7b around the thin portion 7a for allowing the battery internal pressure to act on the explosion-proof valve 9. Holes are provided. The projection 9a of the explosion-proof valve 9 is welded to the upper surface of the thin portion 7a to form a welded portion 11. Note that the thin portion 7a provided on the sealing plate 7 and the protruding portion 9a of the explosion-proof valve 9 and the like only show the cut surface for easy understanding in the drawings. Is not shown. Also, the welded portion 11 between the thin portion 7a of the sealing plate 7 and the protruding portion 9a of the explosion-proof valve 9 is shown in an exaggerated state in order to facilitate understanding in the drawings.
[0068]
The terminal plate 8 is made of a rolled steel, nickel-plated on its surface, and has a hat-like shape with a peripheral edge formed in a flange shape. The terminal plate 8 is provided with a gas outlet 8a. The explosion-proof valve 9 is made of aluminum and has a disk shape. A projection 9a having a tip portion is provided at a center portion of the explosion-proof valve 9 on the power generation element side (the lower side in FIG. 1), and a thin portion 9b is provided. As described above, the lower surface of the projecting portion 9a is welded to the upper surface of the thin portion 7a of the sealing plate 7 to form a welded portion 11. The insulating packing 10 is made of polypropylene and has an annular shape. The insulating packing 10 is disposed above the peripheral edge of the sealing plate 7, and the explosion-proof valve 9 is disposed above the insulating packing 10. The insulating packing 10 insulates the sealing plate 7 from the explosion-proof valve 9. A gap is sealed between the two so that the organic electrolyte does not leak from between the two. The annular gasket 12 is made of polypropylene, the lead body 13 is made of aluminum, connects the sealing plate 7 and the positive electrode 1, an insulator 14 is disposed on the spiral electrode body, and the negative electrode 2 and the battery case 5 The bottom is connected by a lead body 15 made of nickel.
[0069]
In this battery, the thin portion 7a of the sealing plate 7 and the protruding portion 9a of the explosion-proof valve 9 make contact at the welded portion 11, the peripheral portion of the explosion-proof valve 9 contacts the peripheral portion of the terminal plate 8, and the positive electrode 1 Since the positive electrode 1 and the terminal plate 8 are electrically connected to the sealing plate 7 by the lead 13, the sealing plate 7, the explosion-proof valve 9, and their welded portions 11 in a normal state, the lead 1 is connected to the sealing plate 7. The electrical connection is obtained and functions normally as an electric circuit.
[0070]
When an abnormal situation occurs in the battery, such as when the battery is exposed to high temperature or generates heat due to overcharging, and gas is generated inside the battery to increase the internal pressure of the battery, the internal pressure rises to cause an explosion-proof valve 9. Is deformed in the direction of the internal pressure (upward direction in FIG. 1), and along with this, a shearing force acts on the thin portion 7a of the sealing plate 7 integrated by the welding portion 11, and the thin portion 7a is broken. Alternatively, after the welding portion 11 between the projection 9a of the explosion-proof valve 9 and the thin portion 7a of the sealing plate 7 is peeled off, the thin portion 9b provided on the explosion-proof valve 9 is torn and gas is released from the terminal plate 8. The battery is designed to be able to be discharged to the outside of the battery from the gas discharge port 8a to prevent the battery from bursting.
[0071]
Example 2
3.0 m specific surface area as negative electrode active material 2 / G of graphite was used in an amount of 98.5 parts by mass, lithium benzenesulfonate was used as an S-containing compound in an amount of 0.5 part by mass, and 1 part by mass of styrene butadiene rubber and 1 part by mass of carboxymethyl cellulose were dissolved in water as a binder. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 except for the above. The water content of the negative electrode was 128 ppm. A cylindrical organic electrolyte battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was used.
[0072]
Example 3
3.0 m specific surface area as negative electrode active material 2 / G of graphite, 95 parts by mass of graphite, 3 parts by mass of lithium benzenesulfonate as the S-containing compound, and a binder obtained by dissolving 1 part by mass of styrene butadiene rubber and 1 part by mass of carboxymethyl cellulose in water, Otherwise, a negative electrode was produced in the same manner as in Example 1. The water content of the negative electrode was 124 ppm. A cylindrical organic electrolyte battery was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was used.
[0073]
Example 4
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Was prepared by adding γ-butyrolactone at a volume content of 3% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2. Was manufactured.
[0074]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 / G of γ-butyrolactone in the organic electrolyte was 1.0% by volume.
[0075]
Example 5
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Prepared by adding γ-butyrolactone at a volume content of 0.2% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2, except that the same as in Example 1 A cylindrical organic electrolyte battery was manufactured.
[0076]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 The volume content of γ-butyrolactone in the organic electrolyte per g / g was 0.067% by volume.
[0077]
Example 6
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Prepared by adding γ-butyrolactone at a volume content of 7% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2. An organic electrolyte battery was manufactured.
[0078]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 The volume content of γ-butyrolactone in the organic electrolyte per g / g was 2.3% by volume.
[0079]
Example 7
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Prepared by adding vinylene carbonate at a volume content of 2% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2. An electrolyte battery was manufactured.
[0080]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 Per volume / g of vinylene carbonate in the organic electrolyte was 0.67% by volume.
[0081]
Example 8
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Prepared by adding vinylene carbonate at a volume content of 0.2% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2. An organic electrolyte battery was manufactured.
[0082]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 Per volume / g of vinylene carbonate in the organic electrolyte was 0.067% by volume.
[0083]
Example 9
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Prepared by adding vinylene carbonate at a volume content of 4% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2. An electrolyte battery was manufactured.
[0084]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 Per volume / g of vinylene carbonate in the organic electrolyte was 1.3% by volume.
[0085]
Example 10
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Was prepared by adding γ-butyrolactone at a volume content of 3% by volume and vinylene carbonate at a volume content of 2% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2, Otherwise, a tubular organic electrolyte battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
[0086]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 The volume content of vinylene carbonate in the organic electrolyte per 1 g / g was 1.0 volume%, and the volume content of vinylene carbonate in the organic electrolyte was 0.67 volume%.
[0087]
Example 11
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Was prepared by adding 0.2% by volume of γ-butyrolactone and 0.2% by volume of vinylene carbonate to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2. A cylindrical organic electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 except for the above.
[0088]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 The volume content of γ-butyrolactone in the organic electrolyte solution per g / g was 0.033% by volume, and the volume content of vinylene carbonate in the organic electrolyte solution was 0.033% by volume.
[0089]
Example 12
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Was prepared by adding γ-butyrolactone at a volume content of 7% by volume and vinylene carbonate at a volume content of 4% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2, Otherwise, a tubular organic electrolyte battery was manufactured in the same manner as in Example 1.
[0090]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 The volume content of γ-butyrolactone in the organic electrolyte per 2 g / g was 2.3% by volume, and the volume content of vinylene carbonate in the organic electrolyte was 1.3% by volume.
[0091]
Example 13
A cylindrical organic electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the negative electrode was used at a water content of 75 ppm measured by the Karl Fischer method.
[0092]
Comparative Example 1
3.0 m specific surface area as negative electrode active material 2 / G of graphite was used in an amount of 98 parts by mass, and without using lithium benzenesulfonate as an S-containing compound, a binder prepared by dissolving 1 part by mass of styrene-butadiene rubber and 1 part by mass of carboxymethyl cellulose in water was used as a binder. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1, and a cylindrical organic electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the negative electrode was used.
[0093]
Comparative Example 2
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Was prepared by adding propane sultone at a volume content of 2% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2. An electrolyte battery was manufactured.
[0094]
Comparative Example 3
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Was prepared by adding γ-butyrolactone at a volume content of 3% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2. An electrolyte battery was manufactured.
[0095]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 / G of γ-butyrolactone in the organic electrolyte was 1.0% by volume.
[0096]
Comparative Example 4
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Prepared by adding vinylene carbonate at a volume content of 2% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2. An electrolyte battery was manufactured.
[0097]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 Per volume / g of vinylene carbonate in the organic electrolyte was 0.67% by volume.
[0098]
Comparative Example 5
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Prepared by adding γ-butyrolactone at a volume content of 3% by volume and vinylene carbonate at a volume ratio of 2% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2. A cylindrical organic electrolyte battery was manufactured in the same manner as in Comparative Example 1 except for the above.
[0099]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 The volume content of vinylene carbonate in the organic electrolyte per 1 g / g was 1.0 volume%, and the volume content of vinylene carbonate in the organic electrolyte was 0.67 volume%.
[0100]
For the batteries of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 5 produced as described above, when the charge / discharge current is indicated by C, a current limiting circuit of 1 C is provided for the R5 type with 650 mA as 1 C and 4.2 V. , And then discharged to 3.0V. The battery was disassembled in a glove box under an argon atmosphere, and the positive electrode and the negative electrode taken out were immersed and washed in methyl ethyl ketone for 15 hours, dried in vacuum for 5 hours, and then subjected to fluorescent X-ray C, O, Na, Mg, Al, Si, When the total content of S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr was 100% by mass, the content x (% by mass) and y (% by mass) of the S element were measured. Tables 1 and 2 show the calculation results of (x / y = S content of negative electrode / S content of positive electrode) at that time. Further, the batteries of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 5 were provided with current limiting circuits of 0.1 C, 0.3 C, 0.4 C, 0.5 C, and 0.6 C with 650 mA as 1 C. Initial charging was performed at a constant voltage of 4.2V. The battery was disassembled in a glove box in an argon atmosphere, and the reaction unevenness on the negative electrode surface was observed. Tables 1 and 2 show the results.
[0101]
Further, the batteries of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 5 were provided with a current limiting circuit of 0.5 C and initially charged at a constant voltage of 4.2 V, and then the voltage between the electrodes of the batteries was reduced to 3.0 V. Discharge was carried out until it decreased. The battery was recharged at a constant voltage of 4.2 V with a 1 C current limiting circuit, and the battery was repeatedly charged and discharged until the inter-electrode voltage of the battery dropped to 3.0 V.
[0102]
Then, in the repetition of charging and discharging of the battery at this time, 2C was discharged at the 100th cycle, and 1C was discharged again at the 101st cycle. The load characteristic (%) was obtained by multiplying 100 by the value obtained by dividing the 2C discharge capacity at the 100th cycle by the 1C discharge capacity at the 101st cycle. The results are shown in Tables 1 and 2 as load characteristics [2C / 1C (%)].
[0103]
[Table 1]
Figure 2004296420
[0104]
[Table 2]
Figure 2004296420
[0105]
As is clear from the comparison between the battery characteristics of the batteries of Examples 1 to 13 shown in Table 1 and the battery characteristics of the batteries of Comparative Examples 1 to 5 shown in Table 2, the batteries of Examples 1 to 13 Compared to the batteries of Nos. To 5, even if the initial charge current value is increased, the reaction unevenness is less likely to occur, so that the current value can be increased, and as a result, the initial charge time can be shortened. Further, the batteries of Examples 1 to 13 also had excellent load characteristics.
[0106]
Example 14
A negative electrode was prepared as follows.
First, the specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G of graphite, 96 parts by mass of graphite, 1 part by mass of lithium benzenesulfonate as an S-containing compound, 1 part by mass of lithium phosphate as a P-containing compound, 1 part by mass of styrene-butadiene rubber and 1 part by mass of carboxymethyl cellulose as a binder A part thereof was dissolved in water, and all of the above were mixed to prepare a coating for forming a negative electrode coating film.
[0107]
The obtained paint was applied on a conductive substrate made of a copper foil having a thickness of 10 μm using an applicator, and dried at 100 ° C. to form a coating film. The paint was also applied to the back side of the conductive substrate made of the copper foil and dried to prepare an electrode body. Thereafter, the electrode body was vacuum-dried at 100 ° C. for 10 hours and roll-pressed to obtain a sheet-shaped negative electrode. The coating density of this negative electrode is 1.5 g / cm 3 Met. The water content of the negative electrode measured by the Karl Fischer method was 118 ppm. The amount of water in the negative electrode was measured by cutting the negative electrode into a test piece of 2 cm × 5 cm, heating the sample to 170 ° C., and introducing steam that came out into a Karl Fischer device. The above water content was expressed as the mass of water in the negative electrode with respect to the mass of the coating film.
[0108]
A positive electrode was prepared as follows.
95 parts by mass of lithium cobalt oxide, 1 part by mass of carbon black as an electron conduction aid, 1 part by mass of flake graphite, and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder were N-methyl-2-pyrrolidone. Was used to prepare a coating for forming a positive electrode coating system. The preparation of the paint was performed as follows. First, a binder solution was prepared by dissolving polyvinylidene fluoride in N-methyl-2-pyrrolidone. Next, lithium cobalt oxide as a positive electrode active material, carbon black and flaky graphite as electron conduction aids were added to the binder solution, and mixed to prepare a coating material.
[0109]
And the obtained paint was apply | coated using the applicator on the conductive base which consists of a 15-micrometer-thick aluminum foil, and it dried at 100-120 degreeC, and formed the coating film. Similarly, the paint was applied and dried on the back side of the aluminum foil to form an electrode body. The electrode body was vacuum-dried at 100 ° C. for 10 hours and roll-pressed to obtain a sheet-shaped positive electrode. The coating density of this electrode is 3.30 g / cm. 3 Met.
[0110]
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Was dissolved in a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2.
[0111]
The assembly of the cylindrical organic electrolyte battery was performed as follows.
First, the sheet-shaped positive electrode was cut into a band shape having a width of 28 mm × length 220 mm, and the sheet-shaped negative electrode was cut into a band shape having a width of 30 mm × length 260 mm. Then, a part of the coating film at the end of each electrode was peeled off, and an aluminum lead body was resistance-welded to a portion where the metal foil was exposed, from a microporous polypropylene film having a thickness of 20 μm and a porosity of 50%. A strip separator is interposed between the sheet-shaped positive electrode and the sheet-shaped negative electrode, spirally wound to produce a spiral electrode body, and the spiral electrode body is inserted into the same battery case as in Example 1. did. Then, the leading end of the lead body on the negative electrode side is welded to the bottom in the battery case by penetrating the insulator, and further, the insulator is inserted into the opening of the battery case to form a groove. Was welded. Then, after the can body manufactured through such a process is vacuum-dried at 60 ° C. for 10 hours, 2 ml of an electrolytic solution is injected in a dry atmosphere, and the container is sealed. A type organic electrolyte battery (outer diameter: 14.95 mm, height: 39.7 mm) was produced.
[0112]
Example 15
3.0 m specific surface area as negative electrode active material 2 / G of graphite, 97 parts by mass of lithium benzenesulfonate as an S-containing compound, 0.5 parts by mass of lithium phosphate as a P-containing compound, and 1 part by mass of styrene-butadiene rubber as a binder. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 14, except that 1 part by mass of carboxymethyl cellulose was dissolved in water. The water content of the negative electrode was 125 ppm. A cylindrical organic electrolyte battery was manufactured in the same manner as in Example 14, except that the negative electrode was used.
[0113]
Example 16
3.0 m specific surface area as negative electrode active material 2 / G of graphite, 92 parts by mass of lithium, 3 parts by mass of lithium benzenesulfonate as an S-containing compound, 3 parts by mass of lithium phosphate as a P-containing compound, 1 part by mass of styrene-butadiene rubber and 1 part by mass of carboxymethyl cellulose as binders. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1 except that a part thereof was dissolved in water. The water content of the negative electrode was 107 ppm. A cylindrical organic electrolyte battery was manufactured in the same manner as in Example 14, except that the negative electrode was used.
[0114]
Example 17
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Prepared by adding γ-butyrolactone at a volume content of 3% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2. Was manufactured.
[0115]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 / G of γ-butyrolactone in the organic electrolyte was 1.0% by volume. The water content of the negative electrode of this battery was 125 ppm.
[0116]
Example 18
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Was prepared by adding γ-butyrolactone at a volume content of 2% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2. Was manufactured.
[0117]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 / G of γ-butyrolactone in the organic electrolyte was 0.67% by volume. The water content of the negative electrode of this battery was 125 ppm.
[0118]
Example 19
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Was prepared by adding γ-butyrolactone at a volume content of 3% by volume and vinylene carbonate at a volume content of 2% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2, Otherwise, a cylindrical organic electrolyte battery was manufactured in the same manner as in Example 15.
[0119]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 / G of γ-butyrolactone in the organic electrolyte per volume was 1.0% by volume, and the specific surface area of the negative electrode active material was 1.0 m 2 Per volume / g of vinylene carbonate in the organic electrolyte was 0.67% by volume. The water content of the negative electrode of this battery was 125 ppm.
[0120]
Example 20
A cylindrical organic electrolyte battery was manufactured in the same manner as in Example 15 except that the negative electrode was used at a moisture content of 75 ppm measured by the Karl Fischer method.
[0121]
Example 21
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Prepared by adding γ-butyrolactone at a volume content of 7% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2. Was manufactured.
[0122]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 The volume content of γ-butyrolactone in the organic electrolyte per g / g was 2.3% by volume. The water content of the negative electrode of this battery was 125 ppm.
[0123]
Example 22
1.2 mol / l LiPF as electrolyte 6 Prepared by adding vinylene carbonate at a volume content of 4% by volume to a mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate of 1: 2. An electrolyte battery was manufactured.
[0124]
The specific surface area of the negative electrode active material was 3.0 m. 2 / G, the specific surface area of the negative electrode active material is 1.0 m 2 Per volume / g of vinylene carbonate in the organic electrolyte was 1.3% by volume. The water content of the negative electrode of this battery was 125 ppm.
[0125]
Comparative Example 6
3.0 m specific surface area as negative electrode active material 2 / G of graphite and 98 parts by mass of styrene-butadiene rubber and 1 part by mass of carboxymethylcellulose in water without using lithium benzenesulfonate as an S-containing compound or lithium phosphate as a P-containing compound. A negative electrode was produced in the same manner as in Example 14 except that the dissolved one was used, and a cylindrical organic electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 14 except that the negative electrode was used. The water content of the negative electrode of this battery was 126 ppm.
[0126]
Comparative Example 7
3.0 m specific surface area as negative electrode active material 2 / G of graphite / 97 parts by mass, 1 part by mass of lithium phosphate as a P-containing compound, 1 part by mass of styrene-butadiene rubber and 1 part by mass of carboxymethyl cellulose as binders without using lithium benzenesulfonate as an S-containing compound A negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 6 except that a part thereof was dissolved in water, and a cylindrical organic electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 14 except that the negative electrode was used. The water content of the negative electrode of this battery was 112 ppm.
[0127]
Comparative Example 8
3.0 m specific surface area as negative electrode active material 2 / G of graphite, 97.8 parts by mass of graphite, 0.1 part by mass of lithium benzenesulfonate as an S-containing compound, 0.1 part by mass of lithium phosphate as a P-containing compound, and 1 part by mass of styrene-butadiene rubber as a binder. Part and 1 part by weight of carboxymethylcellulose were dissolved in water, and a negative electrode was produced in the same manner as in Comparative Example 6 except that the negative electrode was used. A battery was manufactured. The water content of the negative electrode of this battery was 128 ppm.
[0128]
When the charge and discharge currents of the batteries of Examples 14 to 22 and Comparative Examples 6 to 8 prepared as described above are indicated by C, a current limiting circuit of 1 C is provided for the R5 type with 650 mA as 1 C and 4.2 V. , And then discharged to 3.0V. The battery was disassembled in a glove box in an argon atmosphere, and the positive electrode and the negative electrode taken out were each immersed and washed in methyl ethyl carbonate for 15 hours, dried in vacuum for 5 hours, and then subjected to C, O, Na, Mg, Al, X-ray fluorescence analysis. When the total content of Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr was 100% by mass, the contents x (% by mass) and y (% by mass) of the S element were measured. Table 3 shows the calculation results of (x / y = S content of negative electrode / S content of positive electrode) at that time.
[0129]
Further, the batteries of Examples 14 to 22 and Comparative Examples 6 to 8 having the same current as described above were subjected to current limiting of 0.1 C, 0.3 C, 0.4 C, 0.5 C, 0.6 C, and 0.7 C with 650 mA as 1 C. The circuit was provided and the first charge was performed at a constant voltage of 4.2V. The battery was disassembled in a glove box in an argon atmosphere, and the reaction unevenness on the negative electrode surface was observed. Table 4 shows the results.
[0130]
Further, the batteries of Examples 14 to 22 and Comparative Examples 6 to 8 were provided with a current limiting circuit of 0.5 C, initially charged at a constant voltage of 4.2 V, and then charged at a current value of 1 C between the electrodes of the batteries. The discharge was performed until the voltage dropped to 3.0V. The battery was charged again with a constant voltage of 4.2 V provided with a current limiting circuit of 1 C, and the battery was repeatedly charged / discharged so that the voltage between the electrodes dropped to 3.0 V.
[0131]
In the repetition of charging and discharging of the battery at this time, the battery was charged at 90% under the above-described conditions at the 10th cycle, then left at room temperature for 1 day, decomposed in an inert atmosphere, and the negative electrode was taken out. This was vacuum-dried for 24 hours without being exposed to outside air, and then subjected to X-ray photoelectron spectroscopy. The X-ray photoelectron spectroscopy analysis was carried out using “PHI5500MC” manufactured by ULVAC-PHI, Inc. at 400 W using Al-Kα radiation, split the peaks, and calculated the amount of atoms at each peak on the negative electrode surface. Table 3 shows the results.
[0132]
[Table 3]
Figure 2004296420
[0133]
In addition, the batteries of Examples 14 to 22 and Comparative Examples 6 to 8 were provided with a current limiting circuit of 0.5 C and initially charged at a constant voltage of 4.2 V, and then the voltage between the electrodes of the batteries was reduced to 3.0 V. Discharged until The battery was recharged at a constant voltage of 4.2 V with a 1 C current limiting circuit, and the battery was repeatedly charged and discharged until the inter-electrode voltage of the battery dropped to 3.0 V.
[0134]
Then, in the repetition of charging and discharging of the battery at this time, 2C was discharged at the 100th cycle, and 1C was discharged again at the 101st cycle. The load characteristic (%) was obtained by multiplying 100 by the value obtained by dividing the 2C discharge capacity at the 100th cycle by the 1C discharge capacity at the 101st cycle. Table 4 shows the results as load characteristics [2C / 1C (%)].
[0135]
Further, for the batteries of Examples 14 to 22 and Comparative Examples 6 to 8, the test was stopped at the charge state of 4.2 V at the tenth cycle in the repetition of charge / discharge similar to the above, and thereafter, 12 V was set as the upper limit voltage. The battery was overcharged at 0.5 A, 1 A, 2 A, and 4 A, and an overcharge safe current value was measured. Table 4 shows the results. Note that the overcharge safe current value is that the battery was overcharged at 0.5 A, 1 A, 2 A, 3 A, and 4 A with a maximum voltage of 12 V after the battery was fully charged at 4.2 V, and the battery surface temperature was 135 ° C. or less. It is called the maximum current.
[0136]
[Table 4]
Figure 2004296420
* ○: no reaction unevenness, Δ: slight reaction unevenness, ×: reaction unevenness
[0137]
As is evident from the results shown in Table 4, the batteries of Examples 14 to 22 have a larger current value than the batteries of Comparative Examples 6 to 8 even when the initial charging current value is larger, because reaction unevenness is less likely to occur. As a result, the initial charging time can be shortened. Further, the batteries of Examples 14 to 22 had excellent storage characteristics, high overcharge safety current, and excellent safety during overcharge.
[0138]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in any of the first to sixth aspects, it is possible to provide an organic electrolyte battery that can reduce the time required for initial charging and improve productivity. Can be.
[0139]
In the present invention, as in the sixth aspect, a peak of 286 to 287 eV based on carbon atoms derived from CO by X-ray photoelectron spectroscopy on the negative electrode surface in a state of 90% charge with respect to the standard capacity of the battery. And the amount of phosphorus atoms determined from the peak of 133 to 135 eV based on phosphorus derived from POx to 1 atomic% or more, as described above, In addition to shortening the time required for the first charge, it is possible to provide a high-capacity organic electrolyte battery with high safety at the time of overcharge.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing one example of an organic electrolyte battery of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 positive electrode
2 Negative electrode
3 separator
4 Electrolyte
5 Battery case

Claims (6)

負極と、正極と、有機電解液を含む有機電解液電池において、負極活物質として比表面積が1.0m/g以上のリチウム含有材料を用い、上記負極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率x(質量%)が、上記正極のケイ光X線分析によるC、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、Fe、Ni、CuおよびZrの含有量の総和を100質量%としたときのS元素の含有率y(質量%)の2倍以上であることを特徴とする有機電解液電池。In an organic electrolyte battery including a negative electrode, a positive electrode, and an organic electrolyte, a lithium-containing material having a specific surface area of 1.0 m 2 / g or more was used as a negative electrode active material, and C and O of the negative electrode were determined by fluorescent X-ray analysis. , Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr, the content x (mass%) of the S element when the total content is 100 mass%, Content of S element y (% by mass) when the total content of C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Ca, Fe, Ni, Cu and Zr by X-ray analysis is 100% by mass. An organic electrolyte battery characterized by being at least twice as large as the above. 負極活物質の比表面積1.0m/gあたりγ−ブチロラクトンを上記有機電解液中の体積含有率で0.05〜3体積%含有することを特徴とする請求項1記載の有機電解液電池。 2. The organic electrolyte battery according to claim 1, wherein the negative electrode active material contains 0.05 to 3% by volume of γ-butyrolactone in a volume content of the organic electrolyte per 1.0 m 2 / g of the specific surface area of the negative electrode active material. . 負極活物質の比表面積1.0m/gあたりビニレンカーボネートを上記有機電解液中の体積含有率で0.05〜2体積%含有することを特徴とする請求項1記載の有機電解液電池。 2. The organic electrolyte battery according to claim 1, wherein vinylene carbonate is contained in an amount of 0.05 to 2% by volume in the organic electrolyte based on a specific surface area of 1.0 m 2 / g of the negative electrode active material. 負極活物質の比表面積1.0m/gあたりγ−ブチロラクトンを上記有機電解液中の体積含有率で0.025〜2体積%含有し、かつビニレンカーボネートを上記有機電解液中の体積含有率で0.025〜1体積%含有することを特徴とする請求項1記載の有機電解液電池。The negative electrode active material contains 0.025 to 2% by volume of γ-butyrolactone per 1.0 m 2 / g in terms of volume content in the organic electrolyte solution, and vinylene carbonate in the organic electrolyte solution. The organic electrolyte battery according to claim 1, wherein the content is 0.025 to 1% by volume. 負極の水分量が100ppm以下であることを特徴とする請求項1記載の有機電解液電池。2. The organic electrolyte battery according to claim 1, wherein the water content of the negative electrode is 100 ppm or less. 電池の規格容量に対して90%充電状態での負極表面において、X線光電子分光分析によるC−O由来の炭素原子に基づく286〜287eVのピークから求められる炭素原子の量が6.5原子%以下であり、かつPOx由来のリンに基づく133〜135eVのピークから求められるリン原子の量が1原子%以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の有機電解液電池。The amount of carbon atoms determined from the peak of 286 to 287 eV based on carbon atoms derived from CO by X-ray photoelectron spectroscopy on the negative electrode surface in a charged state of 90% with respect to the standard capacity of the battery is 6.5 atomic%. 6. The organic electrolyte battery according to claim 1, wherein the amount of phosphorus atoms determined from a peak of 133 to 135 eV based on phosphorus derived from POx is 1 atomic% or more. 7. .
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