JP2011091019A - Collector for positive electrode of secondary battery, collector for negative electrode of secondary battery, positive electrode of secondary battery, negative electrode of secondary battery, and secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ニトリル化合物が添加された電解液を用いたリチウムイオン電池やナトリウムイオン電池に好適に用いることのできる、二次電池正極用集電体、二次電池負極用集電体、二次電池用正極、二次電池用負極及び二次電池
に関する。
The present invention can be suitably used for a lithium ion battery or a sodium ion battery using an electrolytic solution to which a nitrile compound is added, a secondary battery positive electrode current collector, a secondary battery negative electrode current collector, a secondary battery The present invention relates to a positive electrode for a battery, a negative electrode for a secondary battery, and a secondary battery.
従来、リチウムイオン電池では、正極活物質に接触する集電体の材料としてアルミニウムが用いられており、また、負極活物質に接触する集電体の材料としては、銅が用いられている。そして、これらの集電体を介して充電や放電が行なわれる。集電体は過酷な腐食環境下に置かれるため、耐食性を有することが要求されるとともに、電解液や電解質を変質させないことが要求される。 Conventionally, in a lithium ion battery, aluminum is used as a current collector material in contact with the positive electrode active material, and copper is used as a current collector material in contact with the negative electrode active material. Then, charging and discharging are performed through these current collectors. Since the current collector is placed in a harsh corrosive environment, it is required to have corrosion resistance, and it is required not to alter the electrolyte or electrolyte.
発明者らは、エネルギー密度の高いリチウムイオン電池用の正極活物質として提案されているLi2NiPO4F、LiNiPO4、LiCoPO4及びLi2CoPO4Fについて、充電時の高電位に耐えうる電解液について既に出願を行なっている(特願2008−322910)。これらの電解液は、従来リチウム電池用の電解液の溶媒としての用いられていたエチレンカーボネート等の環状炭酸エステルとジメチルカーボネート等の鎖状炭酸エステルとの混合溶媒に、さらに各種ニトリルを添加した電解液であり、充電時における高い電位においても電解液が分解し難いという特徴を有する。
また、ナトリウムイオン電池についてもエネルギー密度の高い正極活物質が見出されている。例えば、特開2009−129741号公報に記載されているNaFeO2、NaNiO2、NaCoO2、NaMnO2、NaFe1−xM1 xO2、NaNi1−xM1 xO2、NaCo1−xM1 xO2、NaMn1−xM1 xO2(ただし、M1は3価金属からなる群より選ばれる1種以上の元素であり、0≦x<0.5である。)で示される化合物等である。こうした、エネルギー密度の高いナトリウムイオン電池用正極活物質を利用した二次電池において、充電時の高電位に耐えうるナトリウムイオン電池用電解液についても既に出願を行なっている(特願2009−285997)。この電解液も、エチレンカーボネート等の環状炭酸エステルとジメチルカーボネート等の鎖状炭酸エステルとの混合溶媒に、さらに各種ニトリルを添加した電解液であり、充電時における高い電位においても電解液が分解し難いという特徴を有する。
We, Li 2 NiPO 4 F which has been proposed as a positive electrode active material for high energy density lithium-ion battery, for LiNiPO 4, LiCoPO 4 and Li 2 CoPO 4 F, withstand high potential during charging electrolyte An application has already been filed for the liquid (Japanese Patent Application No. 2008-322910). These electrolytes are electrolyses obtained by adding various nitriles to a mixed solvent of a cyclic carbonate such as ethylene carbonate and a chain carbonate such as dimethyl carbonate, which has been conventionally used as a solvent for an electrolyte for a lithium battery. It is a liquid and has a feature that the electrolytic solution is hardly decomposed even at a high potential during charging.
Also, a positive electrode active material having a high energy density has been found for sodium ion batteries. For example, NaFeO 2 , NaNiO 2 , NaCoO 2 , NaMnO 2 , NaFe 1-x M 1 x O 2 , NaNi 1-x M 1 x O 2 , NaCo 1-x described in JP2009-129741A. M 1 x O 2 , NaMn 1-x M 1 x O 2 (where M 1 is one or more elements selected from the group consisting of trivalent metals, and 0 ≦ x <0.5). And the like. In such a secondary battery using a positive electrode active material for a sodium ion battery having a high energy density, an application has already been filed for an electrolyte for a sodium ion battery that can withstand a high potential during charging (Japanese Patent Application No. 2009-285997). . This electrolyte is also an electrolyte obtained by adding various nitriles to a mixed solvent of a cyclic carbonate such as ethylene carbonate and a chain carbonate such as dimethyl carbonate, and the electrolyte is decomposed even at a high potential during charging. It is difficult.
しかし、これらの高電位に耐えうるリチウムイオン電池用電解液やナトリウムイオン電池用電解液に対しては、従来の集電体材料が使えない場合もあり、これらの電解液に適した集電体がないという問題があった。 However, conventional electrolyte materials for lithium ion batteries and sodium ion batteries that can withstand these high potentials may not be used, and current collectors that are suitable for these electrolytes There was no problem.
例えば、リチウムイオン電池の正極活物質としてLi2NiPO4F、LiNiPO4、LiCoPO4、Li2CoPO4F等の正極活物質を上記電解液に用いた場合、充電時に各電極に大きな分極電圧が印加されることとなる。このため、電解質がLiTFSIやLiBETIなど、フッ化物からなる耐食性の皮膜を形成し難い塩の場合は、アルミニウムからなる集電体を用いた場合、アルミニウムが腐食してしまうという問題が生じていた。
For example, Li 2 NiPO 4 F as a cathode active material of a
また、電解質がLiBF4やLiPF6など、フッ化物からなる耐食性の皮膜を容易に形成するような塩の場合は、高電位にさらされたアルミニウムは、耐食性皮膜の厚さが増加し、電気抵抗が大きくなる。このため、電子パスを形成している集電体と導電助剤との接触域より不動態化が進み、オーミック過電圧が増加し、高出力化の妨げになるという問題があった。 In addition, when the electrolyte is a salt that easily forms a corrosion-resistant film made of fluoride, such as LiBF 4 or LiPF 6 , aluminum exposed to a high potential increases the thickness of the corrosion-resistant film and increases the electric resistance. Becomes larger. For this reason, there has been a problem that the passivation proceeds from the contact area between the current collector forming the electron path and the conductive additive, the ohmic overvoltage is increased, and high output is hindered.
さらに、上記の各種ニトリルを添加した電解液に対して、どのような負極用の集電材料が適切かということも分からなかった。 Furthermore, it was not understood what kind of current collecting material for the negative electrode was appropriate for the electrolytic solution to which the above various nitriles were added.
以上はリチウムイオン電池についての集電体に関する問題点を述べたが、ナトリウムイオン電池についても、同様の問題が存在していた。 The above has described the problems related to the current collector for lithium ion batteries, but similar problems existed for sodium ion batteries.
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、エチレンカーボネート等の環状炭酸エステルとジメチルカーボネート等の鎖状炭酸エステルとの混合溶媒に、さらに各種ニトリルを添加した電解液を用いたリチウムイオン電池において、優れた耐食性を示し、オーム損の少ない集電体を提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and an electrolytic solution in which various nitriles were further added to a mixed solvent of a cyclic carbonate such as ethylene carbonate and a chain carbonate such as dimethyl carbonate was used. An object to be solved is to provide a current collector having excellent corrosion resistance and low ohmic loss in a lithium ion battery.
上述したように、発明者らは、エネルギー密度の高いリチウムイオン電池用正極活物質として提案されているLi2NiPO4F、LiNiPO4、LiCoPO4及びLi2CoPO4Fについて、充電時の高電位に耐えうる電解液について既に出願を行なっている(特願2008−322910)。また、エネルギー密度の高いナトリウムイオン電池用正極活物質について、充電時の高電位に耐えうる電解液について既に出願を行なっている(特願2009−285997)。これらの電解液は、従来リチウム(あるいはナトリウム)イオン電池用の電解液の溶媒としての用いられていたエチレンカーボネート等の環状炭酸エステルとジメチルカーボネート等の鎖状炭酸エステルとの混合溶媒に、さらに各種ニトリルを添加した電解液である。 As described above, the inventors, Li 2 NiPO 4 F which has been proposed as a positive electrode active material for high energy density lithium-ion battery, for LiNiPO 4, LiCoPO 4 and Li 2 CoPO 4 F, a high potential during charging An application has already been filed for an electrolyte solution that can withstand (Japanese Patent Application No. 2008-322910). In addition, an application has already been filed for an electrolyte solution that can withstand a high potential during charging for a positive electrode active material for a sodium ion battery having a high energy density (Japanese Patent Application No. 2009-285997). These electrolytic solutions are mixed with a mixed solvent of a cyclic carbonate such as ethylene carbonate and a chain carbonate such as dimethyl carbonate, which has been used as a solvent for an electrolyte for a lithium (or sodium) ion battery. It is an electrolytic solution to which nitrile is added.
こうした、電位窓を広くすることのできる各種ニトリルを添加した電解液を用い、Li2NiPO4F等のエネルギー密度の高い正極活物質を用いたリチウム(ナトリウム)イオン電池では、従来のリチウム(ナトリウム)イオン電池と比べて充電電圧も高くなる。このため、従来のアルミニウムからなる集電体では、腐食したり、耐食性皮膜の厚さが増加し、電気抵抗が大きくなったりするおそれがある。このため、本発明者らは、高電位領域においても耐え、しかも電気抵抗の小さい耐食性皮膜を形成しうる正極集電材料について、鋭意研究を行なった。その結果、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルとの混合溶媒にニトリルを添加した電解液において、集電体を構成する集電基材としてオーステナイト系ステンレス、チタン、ニッケルが耐食性に優れることを見出し、本発明を完成した。 Such a lithium (sodium) ion battery using a positive electrode active material having a high energy density, such as Li 2 NiPO 4 F, using an electrolytic solution to which various nitriles capable of widening the potential window is used. ) The charging voltage is higher than that of the ion battery. For this reason, the current collector made of aluminum may be corroded, the thickness of the corrosion-resistant film may increase, and the electrical resistance may increase. For this reason, the present inventors have conducted intensive research on a positive electrode current collecting material that can withstand a high potential region and can form a corrosion-resistant film having a low electric resistance. As a result, in an electrolytic solution in which nitrile is added to a mixed solvent of a cyclic carbonate and a chain carbonate, the austenitic stainless steel, titanium, and nickel are found to have excellent corrosion resistance as a current collecting base material constituting the current collector. The present invention has been completed.
すなわち、本発明の二次電池正極用集電体は、環状炭酸エステル及び/又は鎖状炭酸エステルと、ニトリルとを含む溶媒にリチウム塩が溶解している電解液を備えたリチウム(又はナトリウム)イオン電池に用いられる正極用集電体であって、オーステナイト系ステンレス、チタン、ニッケル及びアルミニウムの少なくとも1種からなることを特徴とする。 That is, the current collector for the positive electrode of the secondary battery of the present invention is lithium (or sodium) provided with an electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in a solvent containing a cyclic carbonate and / or a chain carbonate and a nitrile. A current collector for a positive electrode used for an ion battery, comprising at least one of austenitic stainless steel, titanium, nickel and aluminum.
本発明の二次電池正極用集電体は、オーステナイト系ステンレス、チタン、ニッケル及びアルミニウムの少なくとも1種からなる。ここで「チタン、ニッケル及びアルミニウム」とは、集電体基材が純チタン、純ニッケル及び純アルミニウムからなる場合はもちろん、その他の成分が含まれていたとしても、環状炭酸エステル及び/又は鎖状炭酸エステルと、ニトリルとを含んだ混合溶媒において、充電時に耐食性皮膜が形成される集電体基材であれば、それを含む意味である。 The current collector for a secondary battery positive electrode of the present invention comprises at least one of austenitic stainless steel, titanium, nickel and aluminum. Here, “titanium, nickel, and aluminum” means that the current collector base material is made of pure titanium, pure nickel, and pure aluminum, as well as cyclic carbonates and / or chains even if other components are included. In the mixed solvent containing the carbonic acid ester and the nitrile, it is meant to include a current collector base material on which a corrosion-resistant film is formed during charging.
本発明の二次電池正極用集電体がチタン及び/又はニッケルからなる場合、サイクリックボルタモグラフの測定において、リチウム(あるいはナトリウム)イオン電池用の電解液中で電位掃引を繰り返すと、正方向の電位において電流が小さくなることから、耐食皮膜が形成されていると考えられ、優れた耐食性を示し、電位窓も広がることとなる。
また、二次電池正極用集電体がオーステナイト系ステンレスからなる場合も、優れた耐食性を示す。特に好ましいのはモリブデンを添加したオーステナイト系ステンレスである。モリブデンを含有するオーステナイト系ステンレスとしてはSUS316、SUS316L及びSUS317が挙げられる。
When the current collector for the positive electrode of the secondary battery of the present invention is composed of titanium and / or nickel, the positive voltage repeats in the cyclic voltammographic measurement when the potential sweep is repeated in the electrolyte for the lithium (or sodium) ion battery. Since the current becomes smaller at the potential in the direction, it is considered that a corrosion-resistant film is formed, so that excellent corrosion resistance is exhibited and the potential window is widened.
Moreover, also when the collector for secondary battery positive electrodes consists of austenitic stainless steel, the outstanding corrosion resistance is shown. Particularly preferred is austenitic stainless steel to which molybdenum is added. Examples of the austenitic stainless steel containing molybdenum include SUS316, SUS316L, and SUS317.
一方、電解質がLiBF4やLiPF6など、アルミニウムからなる集電体ではフッ化物からなる耐食性皮膜を容易に形成するような塩の場合においても、従来から使用されているアルミニウムでも使用が可能である。 On the other hand, a current collector made of aluminum such as LiBF 4 or LiPF 6 can be used with a conventionally used aluminum even in the case of a salt that easily forms a corrosion-resistant film made of fluoride. .
上記のごとく、本発明の二次電池正極用集電体は極めて耐食性に優れ、電子伝導性にも優れると推定され、広い電位窓を有するため、充電電圧の高いリチウムイオン電池やナトリウムイオン電池の集電体として好適に用いることができる。 As described above, the current collector for the positive electrode of the secondary battery according to the present invention is extremely excellent in corrosion resistance and electronic conductivity, and has a wide potential window, so that the lithium ion battery or sodium ion battery having a high charging voltage is used. It can be suitably used as a current collector.
本発明のリチウムイオン電池正極用集電体は、リチウムイオン電池の電解液中において、充電時に高電位領域にさらされることによって、フッ素化合物、酸素化合物、窒素化合物、炭素化合物、リン化合物及びホウ素化合物からなる不動態皮膜が形成される。このため、きわめて耐食性に優れた集電体となる。なお、本発明のリチウムイオン電池正極用集電体は、電池に組み込まれる前にリチウムイオン電池用電解液やナトリウムイオン電池用電解液中で4.5V(V.S.Li/Li+)以上(好ましくは5V(V.S.Li/Li+)以上、さらに好ましくは6V(V.S.Li/Li+)以上)の高電位とする前処理を行うことが好ましい。こうであれば、フッ素化合物、酸素化合物、窒素化合物、炭素化合物、リン化合物及びホウ素化合物からなる不動態皮膜が電池に組み込まれた時点で既に形成されることから、最初から耐食性の優れた集電体となる。 The current collector for a positive electrode of a lithium ion battery according to the present invention is exposed to a high potential region during charging in an electrolyte solution of a lithium ion battery, whereby a fluorine compound, an oxygen compound, a nitrogen compound, a carbon compound, a phosphorus compound, and a boron compound. A passive film consisting of is formed. For this reason, the current collector is extremely excellent in corrosion resistance. The lithium ion battery positive electrode current collector of the present invention is 4.5 V (VSLi / Li + ) or more (preferably 5 V) in the lithium ion battery electrolyte or sodium ion battery electrolyte before being incorporated in the battery. It is preferable to perform a pretreatment at a high potential of (VSLi / Li + ) or higher, more preferably 6 V (VSLi / Li + ) or higher). In this case, a passive film made of a fluorine compound, an oxygen compound, a nitrogen compound, a carbon compound, a phosphorus compound and a boron compound is already formed when the battery is incorporated into the battery, so that current collection with excellent corrosion resistance is provided from the beginning. Become a body.
一方、本発明の二次電池負極用集電体としては、負極活物質の充放電が行われる低い電位において、安定であり、かつ、電解液の分解や変質をさせない集電体であるという要請がある。本発明者らは、環状炭酸エステル及び/又は鎖状炭酸エステルと、ニトリルとを含む溶媒にリチウム塩が溶解している電解液を備えたリチウムイオン電池に用いることのできる集電体材料について、鋭意研究を重ねた結果、チタン、ニッケル、アルミニウム及びオーステナイト系ステンレスが好適であり、従来から負極用集電体として用いられている銅は電解液―電解質―負極活物質の組み合わせによって使用できる場合もある。例えば、電解質としてLiPF6を用い、負極活物質としてチタン酸リチウムやFe2O3系の材料を用いた場合、使用可能である。 On the other hand, the current collector for the negative electrode of the secondary battery of the present invention is required to be a current collector that is stable at a low potential where the negative electrode active material is charged and discharged and that does not decompose or alter the electrolyte. There is. For the current collector material that can be used in a lithium ion battery including an electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in a solvent containing a cyclic carbonate and / or a chain carbonate and a nitrile, As a result of extensive research, titanium, nickel, aluminum, and austenitic stainless steel are suitable, and copper that has been used as a current collector for negative electrodes can be used depending on the combination of electrolyte, electrolyte, and negative electrode active material. is there. For example, when LiPF 6 is used as the electrolyte and lithium titanate or Fe 2 O 3 based material is used as the negative electrode active material, it can be used.
すなわち、本発明の二次電池負極用集電体は、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルとニトリルとを含む溶媒にリチウム塩が溶解している電解液を備えたリチウム(又はナトリウム)イオン電池に用いられる負極用集電体であって、チタン、ニッケル、アルミニウム、銅及びオーステナイト系ステンレスの少なくとも1種からなることを特徴とする。
このリチウムイオン電池負極用集電体も、高電位領域にさらされることによって、フッ素化合物、酸素化合物、窒素化合物、炭素化合物、リン化合物及びホウ素化合物からなる不動態皮膜が形成される。このため、きわめて耐食性に優れた集電体となる。なお、本発明の集電体は、電池に組み込まれる前にリチウムイオン電池用電解液やナトリウムイオン電池用電解液中で4.5V(V.S.Li/Li+)以上(好ましくは5V(V.S.Li/Li+)以上、さらに好ましくは6V(V.S.Li/Li+)以上)の高電位とする前処理を行うことが好ましい。こうであれば、フッ素化合物、酸素化合物、窒素化合物、炭素化合物、リン化合物及びホウ素化合物からなる不動態皮膜が電池に組み込まれた時点で既に形成されることから、最初から耐食性の優れた集電体となる。
That is, the current collector for a secondary battery negative electrode of the present invention is a lithium (or sodium) ion battery including an electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in a solvent containing a cyclic carbonate, a chain carbonate, and a nitrile. A negative electrode current collector to be used, comprising at least one of titanium, nickel, aluminum, copper, and austenitic stainless steel.
The lithium ion battery negative electrode current collector is also exposed to a high potential region to form a passive film composed of a fluorine compound, an oxygen compound, a nitrogen compound, a carbon compound, a phosphorus compound, and a boron compound. For this reason, the current collector is extremely excellent in corrosion resistance. Incidentally, the current collector of the present invention is a lithium-ion battery electrolyte solution and a sodium ion battery electrolyte solution 4.5V (VSLi / Li +) or more before it is incorporated into the cell (preferably 5V (VSLi / Li + ) Or more, and more preferably, pre-treatment for setting a high potential of 6 V (VSLi / Li + ) or more) is performed. In this case, a passive film made of a fluorine compound, an oxygen compound, a nitrogen compound, a carbon compound, a phosphorus compound and a boron compound is already formed when the battery is incorporated into the battery, so that current collection with excellent corrosion resistance is provided from the beginning. Become a body.
本発明の二次電池正極(負極)用集電体に正極(負極)活物質を担持させることにより、本発明の二次電池用正極(負極)となる。
また、本発明の二次電池は、本発明の二次電池用正極(負極)を備えたことを特徴とする。
本発明の二次電池の正極用集電体がニッケル、アルミニウム及びチタンの少なくとも1種からなる場合、電解液にはLiPF6及び/又はLiBF4に加えて、LiTFSI及び/又はLiBETIとが含まれていることが好ましい。ニッケルやアルミニウムやチタンに対して、LiTFSIやLiBETIは、単独では耐食性の皮膜形成がされ難いが、LiPF6及び/又はLiBF4と共存させることにより、優れた耐食性皮膜が形成されるからである。また、LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)は特に分解温度が高く耐熱特性が向上する上、溶解度が高く、比伝導度を大きくすることができるという効果を奏することができる。
By supporting the positive electrode (negative electrode) active material on the current collector for the secondary battery positive electrode (negative electrode) of the present invention, the positive electrode (negative electrode) for the secondary battery of the present invention is obtained.
In addition, the secondary battery of the present invention includes the positive electrode (negative electrode) for the secondary battery of the present invention.
When the current collector for the positive electrode of the secondary battery of the present invention is made of at least one of nickel, aluminum, and titanium, the electrolyte contains LiTFSI and / or LiBETI in addition to LiPF 6 and / or LiBF 4. It is preferable. This is because LiTFSI and LiBETI alone are unlikely to form a corrosion-resistant film on nickel, aluminum, and titanium, but an excellent corrosion-resistant film is formed by coexisting with LiPF 6 and / or LiBF 4 . In addition, LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) has an effect that the decomposition temperature is particularly high and the heat resistance is improved, the solubility is high, and the specific conductivity can be increased.
<実験例>
以下本発明の集電体の発明の効果についての立証となる実験例について述べる。
(実験例1)
実験例1では、純チタンからなる電極をリチウムイオン電池用電解液中で電位走査し、サイクリックボルタモグラムを測定した。電解液の溶媒は、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(体積比)、又は、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=50:50(体積比)とし、さらにLiPF6を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とし、三極式電解セル容器に入れた。
<Experimental example>
An experimental example which proves the effect of the current collector of the present invention will be described below.
(Experimental example 1)
In Experimental Example 1, an electrode made of pure titanium was subjected to potential scanning in an electrolyte for a lithium ion battery, and a cyclic voltammogram was measured. The solvent of the electrolytic solution is ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sevacononitrile = 25: 25: 50 (volume ratio) or ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 50: 50 (volume ratio), and LiPF 6 is 1 mol / L. The so-dissolved solution was used as an electrolytic solution and placed in a three-electrode electrolytic cell container.
サイクリックボルタモグラムの測定は、作用極としてチタン電極、対極として白金網、参照電極としてLi金属を用いた。測定は、参照極に対し3V〜8Vの間を3回スキャンさせ、電位−電流曲線を測定した。掃引速度は5mV/secとした。 The cyclic voltammogram was measured using a titanium electrode as a working electrode, a platinum net as a counter electrode, and Li metal as a reference electrode. The measurement was performed by scanning the reference electrode three times between 3V and 8V, and measuring the potential-current curve. The sweep speed was 5 mV / sec.
その結果、図1に示すように、どちらの電解液であっても、2サイクル目以降の電位掃引では、1サイクル目よりも電流が小さくなることから、電位掃引によってチタン電極上に皮膜が形成される。実際、後述するように、XPSによる表面分析から、皮膜の形成が確認された。
また、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(体積比)の電解液においては、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=50:50(体積比)の電解液よりも電位窓が広くなるとともに、2サイクル目の電流が極めて小さくなり、電位窓も大幅に広がることが分かった。
As a result, as shown in FIG. 1, in any electrolyte solution, the potential sweep after the second cycle has a smaller current than the first cycle, so a film is formed on the titanium electrode by the potential sweep. Is done. In fact, as will be described later, the formation of a film was confirmed from the surface analysis by XPS.
Further, in the electrolyte solution of ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebacononitrile = 25: 25: 50 (volume ratio), the potential window becomes wider than the electrolyte solution of ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 50: 50 (volume ratio), It was found that the current at the second cycle was extremely small and the potential window was greatly expanded.
(実験例2)
実験例2では、純ニッケルからなる電極をリチウムイオン電池用電解液中で電位走査し、サイクリックボルタモグラムを測定した。測定条件については実験例1と同様であり、詳細な説明を省略する。
(Experimental example 2)
In Experimental Example 2, an electrode made of pure nickel was subjected to potential scanning in an electrolyte for a lithium ion battery, and a cyclic voltammogram was measured. The measurement conditions are the same as in Experimental Example 1, and detailed description thereof is omitted.
その結果、図2に示すように、どちらの電解液であっても、2サイクル目以降の電位掃引では、1サイクル目よりも電流が小さくなり、電位掃引によってニッケル電極上に皮膜が形成されることが示唆された。また、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(体積比)の電解液のほうが、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=50:50(体積比)の電解液よりも電位窓が広がることが分かった。 As a result, as shown in FIG. 2, in any electrolyte solution, the potential sweep after the second cycle has a smaller current than the first cycle, and a film is formed on the nickel electrode by the potential sweep. It has been suggested. In addition, the electrolyte window of ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebaconitrile = 25: 25: 50 (volume ratio) is found to have a wider potential window than the electrolyte solution of ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 50: 50 (volume ratio). It was.
(実験例3)
実験例3では、純アルミニウムからなる電極をリチウムイオン電池用電解液中で電位走査し、サイクリックボルタモグラムを測定した。測定条件については実験例1と同様であり、詳細な説明を省略する。
(Experimental example 3)
In Experimental Example 3, an electrode made of pure aluminum was subjected to potential scanning in an electrolyte for a lithium ion battery, and a cyclic voltammogram was measured. The measurement conditions are the same as in Experimental Example 1, and detailed description thereof is omitted.
その結果、図3に示すように、どちらの電解液であっても、2サイクル目以降の電位掃引では、1サイクル目よりも電流が小さくなり、電位掃引によってアルミニウム電極上に皮膜が形成されることが示唆された。また、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(体積比)の電解液においては、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート=50:50(体積比)の電解液よりもはるかに電流が小さくなり、電位窓が広がることが分かった。この結果、従来電解液で使用できるアルミニウムも問題なく使用できる。但し絶縁性の皮膜の形成により、オーム損が大きいと考えられる。 As a result, as shown in FIG. 3, in any electrolyte solution, the potential sweep after the second cycle has a smaller current than the first cycle, and a film is formed on the aluminum electrode by the potential sweep. It has been suggested. In addition, in the electrolyte of ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebacononitrile = 25: 25: 50 (volume ratio), the current is much smaller than the electrolyte of ethylene carbonate: dimethyl carbonate = 50: 50 (volume ratio), It was found that the potential window widened. As a result, aluminum that can be used in conventional electrolytes can also be used without problems. However, it is considered that the ohmic loss is large due to the formation of an insulating film.
以上の結果から、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルとニトリルとを含む溶媒にリチウム塩が溶解している電解液を備えたリチウムイオン電池に用いられる正極用集電体として、チタン又はニッケルを構成成分とする集電体基材からなる正極用集電体を用いれば、優れた耐食性を示し、オーム損も少なく、オーミック過電圧の増加による低出力化を防止できることが分かった。 Based on the above results, titanium or nickel is configured as a current collector for a positive electrode used in a lithium ion battery including an electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in a solvent containing a cyclic carbonate, a chain carbonate, and a nitrile. It was found that if a positive electrode current collector made of a current collector base material as a component was used, excellent corrosion resistance was exhibited, ohmic loss was small, and low output due to an increase in ohmic overvoltage could be prevented.
(実験例4)
実験例4では、SUS304、SUS316、SUS316L、純ニッケル、純チタン及び純アルミニウムについて正電位側への電位掃印を行い、電位電流曲線を測定した。また、SUS304、SUS316、SUS316L、純ニッケル、純チタン、純アルミニウム及び純銅について負電位側への電位掃印を行い、電位電流曲線を測定した。
電解液の溶媒は、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(体積比)とし、さらにLiBF4を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とし、三極式電解セル容器に入れた。
(Experimental example 4)
In Experimental Example 4, SUS304, SUS316, SUS316L, pure nickel, pure titanium, and pure aluminum were subjected to a potential sweep to the positive potential side, and a potential-current curve was measured. Further, potential sweeping was performed on SUS304, SUS316, SUS316L, pure nickel, pure titanium, pure aluminum, and pure copper to the negative potential side, and a potential-current curve was measured.
The solvent of the electrolytic solution is ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebaconitrile = 25: 25: 50 (volume ratio), and a solution obtained by dissolving LiBF 4 so as to be 1 mol / L is used as the electrolytic solution. Put in.
電位電流曲線の測定は、作用極として上記各種電極を用い、対極として白金網、参照電極としてLi金属を用いた。掃引速度は5mV/secとした。 In measuring the potential-current curve, the above-mentioned various electrodes were used as the working electrode, a platinum net as the counter electrode, and Li metal as the reference electrode. The sweep speed was 5 mV / sec.
その結果、図4に示すように、高電位側への電位掃印においては、酸化電流が50μA/cm2(電極面積は0.5cm2)を超える電位はSUS304<SUS316<ニッケル<SUS316<アルミ<チタンの順となり、チタンにおいては測定範囲上限の8.6V(v..s. Li/Li+でも、酸化電流が5μA/cm2程度であった。
高電位側での酸化電流は、電極や電解液の酸化を示すものである。したがって、以上の結果から、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(体積比)とし、さらにLiBF4を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とした場合には、正極用集電体の材料としてチタン、アルミニウム、SUS304、SUS316L、ニッケル及びSUS316が適用可能(正極活物質の電位によってはSUS304も使用可能)であり、好ましいのはチタン、アルミニウム、SUS316L及びニッケルであり、さらに好ましいのはチタン、アルミニウム及びSUS316Lであることが分かった。
As a result, as shown in FIG. 4, in the potential sweep to the high potential side, the potential at which the oxidation current exceeds 50 μA / cm 2 (electrode area is 0.5 cm 2 ) is SUS304 <SUS316 <nickel <SUS316 <aluminum. <Titanium in order, and in titanium, the oxidation current was about 5 μA / cm 2 even at the upper limit of the measurement range of 8.6 V (v..s. Li / Li + ).
The oxidation current on the high potential side indicates the oxidation of the electrode and the electrolytic solution. Therefore, from the above results, when the electrolyte solution is ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebaconitrile = 25: 25: 50 (volume ratio) and LiBF 4 is dissolved to 1 mol / L, the positive electrode Titanium, aluminum, SUS304, SUS316L, nickel and SUS316 can be applied as the material of the current collector for use (SUS304 can also be used depending on the potential of the positive electrode active material), preferably titanium, aluminum, SUS316L and nickel. Further preferred were titanium, aluminum and SUS316L.
一方、低電位側への電位掃印においては、還元電流が−50μA/cm2(電極面積は0.5cm2)を超える電位は、Li/Li+に対してCuが1.7V、Alが0.8V、SUS316が0.2V、SUS304が0.15V、SUS316Lが0.15Vとなり、ニッケル及びチタンについては超えることがなかった。
低電位側での還元電流は、電解液の還元を示すと考えられ、還元電流が小さい方が、電解液の変質が少ないと考えられる。したがって、以上の結果から、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(体積比)とし、さらにLiBF4を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とした場合には、負極用集電体の材料として好ましいのはニッケル、チタン、SUS316L、SUS304、SUS316、及びアルミニウム、であり、特に好ましいのはニッケル、チタン及びSUS316Lであることが分かった。なお、従来から負極用集電体としてよく用いられているCuは好ましくなく、アルミニウムもそれほど好ましくはないことが分かった。
On the other hand, in the potential sweep to the low potential side, the potential at which the reduction current exceeds −50 μA / cm 2 (electrode area is 0.5 cm 2 ) is 1.7V for Cu and Li for Li / Li + . 0.8V, SUS316 was 0.2V, SUS304 was 0.15V, and SUS316L was 0.15V, and nickel and titanium were not exceeded.
The reduction current on the low potential side is considered to indicate the reduction of the electrolytic solution, and the smaller the reduction current, the less the alteration of the electrolytic solution. Therefore, from the above results, when the electrolyte solution is ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebaconitrile = 25: 25: 50 (volume ratio) and LiBF 4 is dissolved to 1 mol / L, the negative electrode It was found that nickel, titanium, SUS316L, SUS304, SUS316, and aluminum are preferable as a material for the current collector, and nickel, titanium, and SUS316L are particularly preferable. It has been found that Cu, which has been conventionally used as a negative electrode current collector, is not preferable, and aluminum is not so preferable.
(実験例5)
実験例5では、電解質としてLiPF6を用い、これを1mol/Lとなるように溶解し、その他は実験例4と同様にして電位電流曲線を測定した。
(Experimental example 5)
In Experimental Example 5, LiPF 6 was used as an electrolyte, and this was dissolved so as to be 1 mol / L. Otherwise, the potential-current curve was measured in the same manner as in Experimental Example 4.
その結果、図5に示すように、高電位側への電位掃印においては、7.5V(v..s. Li/Li+)まではいずれの金属も酸化電流が50μA/cm2を超えることはなく、SUS304、SUS316、SUS316L、純ニッケル、純チタン及び純アルミニウムのいずれの金属も正極用集電体として充分使用可能であることが分かった。 As a result, as shown in FIG. 5, in the potential sweep to the high potential side, the oxidation current of any metal exceeds 50 μA / cm 2 up to 7.5 V (v..s. Li / Li + ). However, it was found that any of SUS304, SUS316, SUS316L, pure nickel, pure titanium, and pure aluminum can be sufficiently used as the positive electrode current collector.
一方、低電位側への電位掃印においては、還元電流が−50μA/cm2を超える電位は、Li/Li+に対してCuが1.2V、SUS316が1.1V、SUS316Lが0.1V、Alが0.2V、SUS304が0.1Vとなり、ニッケル及びチタンについては超えることがなかった。
低電位側での還元電流は、電解液の還元を示すと考えられ、還元電流が小さい方が、電解液の変質が少ないと考えられる。したがって、以上の結果から、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(体積比)とし、さらにLiPF6を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とした場合には、負極用集電体の材料として好ましいのはニッケル、チタン、アルミニウム及びSUS304であり、特に好ましいのはニッケル、チタンであることが分かった。
ただし、負極活物質の動作する電位は種類によって異なっており、チタン酸リチウム系やFe2O3系の負極活物質を用いた場合には、酸化還元電位が1.5V程度であり、リチウムの析出電位よりも高くなる。このため、そのような高い酸化還元電位を有する負極活物質を用いたリチウムイオン電池においては、銅やSUS316やSUS316Lを負極用集電体の材料として用いることもできる。
On the other hand, in the potential sweep to the low potential side, the potential where the reduction current exceeds −50 μA / cm 2 is 1.2V for Cu, 1.1V for SUS316, and 0.1V for SUS316L with respect to Li / Li + . Al was 0.2V, SUS304 was 0.1V, and nickel and titanium were not exceeded.
The reduction current on the low potential side is considered to indicate the reduction of the electrolytic solution, and the smaller the reduction current, the less the alteration of the electrolytic solution. Therefore, from the above results, when the electrolyte solution is ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebaconitrile = 25: 25: 50 (volume ratio) and further LiPF 6 is dissolved to 1 mol / L, the negative electrode It has been found that nickel, titanium, aluminum and SUS304 are preferable as the current collector material, and nickel and titanium are particularly preferable.
However, the operating potential of the negative electrode active material varies depending on the type. When a lithium titanate or Fe 2 O 3 negative electrode active material is used, the oxidation-reduction potential is about 1.5 V, It becomes higher than the deposition potential. For this reason, in a lithium ion battery using a negative electrode active material having such a high oxidation-reduction potential, copper, SUS316, or SUS316L can be used as a material for the current collector for the negative electrode.
(実験例6)
実験例6では、リチウム塩としてLiTFSIとLiPF6とを1:0〜1:1の割合で含む電解液を用いた。すなわち、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとセバコニトリルとを質量比で25:25:50となるように混合し、ここへLiTFSI(1mol/L)とLiPF6(0〜1mol/L)とを溶解した液を電解液とし、三極式電解セル容器に入れた。そして、ニッケル板について正電位側への電位掃印を行い、電位電流曲線を測定した。測定条件は実験例1〜5と同様とした。
(Experimental example 6)
In Experimental Example 6, an electrolytic solution containing LiTFSI and LiPF 6 in a ratio of 1: 0 to 1: 1 as a lithium salt was used. That is, ethylene carbonate, dimethyl carbonate and sebaconitrile are mixed so that the mass ratio is 25:25:50, and a solution in which LiTFSI (1 mol / L) and LiPF 6 (0 to 1 mol / L) are dissolved is mixed here. It was made into electrolyte solution and put into the tripolar electrolytic cell container. And the potential sweep to the positive electric potential side was performed about the nickel plate, and the electric potential current curve was measured. The measurement conditions were the same as in Experimental Examples 1-5.
(実験例7)
実験例7では、実験例6と同様の電解液を用い、アルミニウムについて正電位側への電位掃印を行い、電位電流曲線を測定した。測定条件は実験例1〜5と同様とした。
(Experimental example 7)
In Experimental Example 7, the same electrolytic solution as in Experimental Example 6 was used, and potential sweeping of aluminum to the positive potential side was performed to measure a potential-current curve. The measurement conditions were the same as in Experimental Examples 1-5.
(実験例8)
実験例8では、LiTFSIとLiPF6とを1:0〜1:0.5の割合で含む電解液を用いた。すなわち、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとセバコニトリルとを質量比で25:25:50となるように混合し、ここへLiTFSI(1mol/L)とLiPF6(0〜0.5mol/L)とを溶解した液を電解液を用い、チタンについて正電位側への電位掃印を行い、電位電流曲線を測定した。測定条件は実験例1〜5と同様とした。
(Experimental example 8)
In Experimental Example 8, an electrolytic solution containing LiTFSI and LiPF 6 at a ratio of 1: 0 to 1: 0.5 was used. That is, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and sebaconitrile were mixed at a mass ratio of 25:25:50, and LiTFSI (1 mol / L) and LiPF 6 (0 to 0.5 mol / L) were dissolved therein. Using an electrolytic solution as the solution, potential sweeping of titanium toward the positive potential side was performed, and a potential-current curve was measured. The measurement conditions were the same as in Experimental Examples 1-5.
<結 果>
ニッケル板を用いた実験例6では、図6に示すように、リチウム塩がLITFSI単独の場合、及びLITFSIの濃度が1mol/Lに対してLiPF6がその1/10の0.1mol/Lと少ない場合には電位窓がそれほどは広くならないのに対し、LiPF6を0.5mol/L以上添加した場合には、電位窓が大きく貴の方向に広がり、耐食性に優れた不動態皮膜が形成されることが分かった。
また、アルミニウム板を用いた実験例7でも、図7に示すように、LiTFSIをLiPF6と共存させることにより、電位窓が飛躍的に広がることが分かった。同様に、チタン板を用いた実験例8でも、図8に示すように、LiTFSIをLiPF6と共存させることにより、電位窓が飛躍的に広がることが分かった。
<Result>
In Experimental Example 6 using a nickel plate, as shown in FIG. 6, when the lithium salt is LITFSI alone, and the concentration of LITFSI is 1 mol / L, LiPF 6 is 0.1 mol / L, which is 1/10 of that. When the amount is small, the potential window is not so wide. However, when LiPF 6 is added at 0.5 mol / L or more, the potential window is large and spreads in the noble direction, and a passive film having excellent corrosion resistance is formed. I found out.
Also in Experimental Example 7 using an aluminum plate, as shown in FIG. 7, it was found that the potential window widens dramatically by making LiTFSI coexist with LiPF 6 . Similarly, in Experimental Example 8 using a titanium plate, as shown in FIG. 8, it was found that LiTFSI coexists with LiPF 6 so that the potential window is dramatically expanded.
以上の実験例6、実験例7及び実験例8の電位電流曲線の測定結果から、ニッケル及びアルミニウム、チタンにおいて、LiTFSIをLiPF6と共存させることにより、電位窓が飛躍的に広がることが分かった。なお、LiBETIはLITFSIと同様の化学構造を有すること、及びLiBF4はLiPF6と同様の化学構造を有することから、LiBETIの替わりにLiBETIを用いたり、LiPF6の替わりにLiBF4を用いたりしても、同様の耐食性皮膜を形成できることは当然である。 From the measurement results of the potential current curves of Experimental Example 6, Experimental Example 7, and Experimental Example 8 above, it was found that the potential window was dramatically expanded by coexisting LiTFSI with LiPF 6 in nickel, aluminum, and titanium. . Since LiBETI has the same chemical structure as LITFSI and LiBF 4 has the same chemical structure as LiPF 6 , LiBETI may be used instead of LiBETI, or LiBF 4 may be used instead of LiPF 6. However, it is natural that a similar corrosion-resistant film can be formed.
(XPSの測定)
・試験例1〜試験例4
試験例1〜試験例4では、集電体を電解液中で正電位を付与した場合の、表面の皮膜形成を確認するために、XPSによる表面分析を行った。
すなわち、有機溶媒としてセバコニトリルと、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを容量比で50:25:25の割合で混合した溶媒を用い、これにリチウム塩としてLiPF6(六フッ化リン酸リチウム)を1mol/Lとなるように溶解させた電解液を用意する。そして、この電解液を電気化学測定用のガラスセルに入れ、電極として各種集電体材料(試験例1ではニッケル、試験例2ではチタン、試験例3ではアルミニウム、試験例4ではグラッシーカーボン)を浸漬し、対極として白金線を用い、参照電極としてLi/Li+を用いて、自然電位から7Vまで電位操作(スキャン速度5mV/sec)を行なった。その後、集電体材料を引き上げ、DMCで洗浄し、XPSによる測定を行った。
(Measurement of XPS)
Test example 1 to test example 4
In Test Examples 1 to 4, a surface analysis by XPS was performed in order to confirm the surface film formation when a positive potential was applied to the current collector in the electrolyte.
That is, a solvent obtained by mixing sebacononitrile, ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC) at a volume ratio of 50:25:25 as an organic solvent, and LiPF 6 (hexafluoride) as a lithium salt. An electrolytic solution in which lithium phosphate) is dissolved to 1 mol / L is prepared. Then, this electrolytic solution is put into a glass cell for electrochemical measurement, and various current collector materials (nickel in Test Example 1, titanium in Test Example 2, aluminum in Test Example 3, and glassy carbon in Test Example 4) are used as electrodes. Immersion was performed, and a potential operation (scanning speed: 5 mV / sec) was performed from a natural potential to 7 V using a platinum wire as a counter electrode and Li / Li + as a reference electrode. Thereafter, the current collector material was pulled up, washed with DMC, and measured by XPS.
XPSは試料表面に軟X線を照射し、表面から放出される光電子のエネルギーを測定することにより、表面に存在する元素の種類、価数、結合状態に関する情報を得るという測定法である。光電子の平均自由工程は数nmであることから、XPSによる表面分析の深さ方向の検出領域は数nmとなり、このため極表面での分析を行なうことができる。測定条件は以下のとおりである。
測定装置:Quantera SXI(PHI社製)
励起X線:monochromatic AlKα1,2線
X線径:200μm
光電子脱出角度:45°(試料表面に対する検出器の傾き)
前処理方法:サンプリング及び装置への試料の搬送はアルゴン雰囲気で行なった。
データ処理:スムージングは9ポイントスムージングで行い、横軸補正はC1Sメインピークを284.6eVとして行なった。
XPS is a measurement method in which information on the type, valence, and bonding state of elements existing on the surface is obtained by irradiating the surface of the sample with soft X-rays and measuring the energy of photoelectrons emitted from the surface. Since the mean free path of photoelectrons is several nm, the detection region in the depth direction of the surface analysis by XPS is several nm, so that analysis on the extreme surface can be performed. The measurement conditions are as follows.
Measuring device: Quantera SXI (PHI)
Excitation X-ray: monochromatic AlKα 1,2 line
X-ray diameter: 200 μm
Photoelectron escape angle: 45 ° (inclination of detector with respect to sample surface)
Pretreatment method: Sampling and transport of the sample to the apparatus were performed in an argon atmosphere.
Data processing: Smoothing was performed by 9-point smoothing, and horizontal axis correction was performed with the C1 S main peak at 284.6 eV.
・試験例5
試験例5では、リチウム塩としてLiBF4(四フッ化リチウム)を1mol/Lとなるように溶解させた電解液を用い、電極をグラッシーカーボンとし、その他は試験例1〜4と同様にしてXPS測定を行った。
Test example 5
In Test Example 5, an electrolyte solution in which LiBF 4 (lithium tetrafluoride) was dissolved as a lithium salt to a concentration of 1 mol / L was used, the electrode was glassy carbon, and the others were XPS in the same manner as in Test Examples 1 to 4. Measurements were made.
<結果>
・表面に存在する元素の存在割合について
XPSワイドスキャンの結果から求めた、集電体表面に存在する元素の存在割合を表1及び図9に示す。表1及び図9から、試験例1〜4では窒素、リン及びフッ素が多く存在しており、その他酸素及び炭素も存在することが分かった。窒素は電解液に含まれているニトリルに起因するものであり、リンは電解質として添加したLiPF6に起因するものである。すなわちニトリル及びLiPF6は高電位において電極反応を起こし、電極表面にフッ素化合物、酸素化合物、窒素化合物、炭素化合物及びリン化合物からなる耐食性の不動態皮膜が形成されることが分かった。
また、電解質としてLiBF4を添加した試験例5では、LiBF4に起因するホウ素が検出され、電極表面にホウ素化合物からなる耐食性の不動態皮膜が形成されることが分かった。
<Result>
-About the presence rate of the element which exists in the surface Table 1 and the presence rate of the element which exists on the collector surface calculated | required from the result of the XPS wide scan are shown in FIG. From Table 1 and FIG. 9, it was found that in Test Examples 1 to 4, a large amount of nitrogen, phosphorus and fluorine were present, and other oxygen and carbon were also present. Nitrogen is attributed to the nitrile contained in the electrolytic solution, and phosphorus is attributed to LiPF 6 added as the electrolyte. That is, it was found that nitrile and LiPF 6 cause an electrode reaction at a high potential, and a corrosion-resistant passive film composed of a fluorine compound, an oxygen compound, a nitrogen compound, a carbon compound, and a phosphorus compound is formed on the electrode surface.
Further, in Test Example 5 in which LiBF 4 was added as an electrolyte, boron attributed to LiBF 4 was detected, and it was found that a corrosion-resistant passive film made of a boron compound was formed on the electrode surface.
また、試験例1では集電体の基材であるニッケルがほとんど検出されなかったのに対し、実施例2、3では基材であるTiやAlがかなり検出された。このことから、ニッケルを基材とした集電体では、特に緻密な耐食性皮膜が形成されることが示唆された。 Further, in Test Example 1, nickel as a base material of the current collector was hardly detected, whereas in Examples 2 and 3, Ti and Al as base materials were considerably detected. From this, it was suggested that a particularly dense corrosion-resistant film is formed on the nickel-based current collector.
・窒素の表面存在割合及び結合状態について
ワイドスキャン及び窒素のナロースキャンから、窒素の表面存在割合及び結合状態の割合を求めた。結果を図10に示す。この図から分かるように、試験例1〜5の電極表面には窒素の存在割合が多く、その結合状態はCN三重結合あるいはCN単結合及びアンモニウム塩、−NOであった。また、Ti基板を用いた試験例3ではTi上に窒化物も確認された。
-Nitrogen surface abundance ratio and bonding state The nitrogen surface abundance ratio and bonding state ratio were determined from a wide scan and a nitrogen narrow scan. The results are shown in FIG. As can be seen from this figure, the presence of nitrogen was large on the electrode surfaces of Test Examples 1 to 5, and the bonding state was CN triple bond or CN single bond and ammonium salt, -NO. In Test Example 3 using a Ti substrate, nitrides were also confirmed on Ti.
・リンの表面存在割合及び結合状態について
ワイドスキャン及びリンのナロースキャンから、リンの表面存在割合及び結合状態の割合を求めた。結果を図11に示す。この図から分かるように、試験例1〜5の電極表面に存在するリンは、P−F結合(ただし試験例5ではB−F結合)に係るリン化合物に起因するものであった。
-Phosphorus surface abundance ratio and binding state Phosphorus surface abundance ratio and binding state ratio were determined from wide scan and phosphorous narrow scan. The results are shown in FIG. As can be seen from this figure, the phosphorus existing on the electrode surfaces of Test Examples 1 to 5 was attributed to the phosphorus compound related to the PF bond (B-F bond in Test Example 5).
・フッ素の表面存在割合及び結合状態について
ワイドスキャン及びフッ素のナロースキャンから、フッ素の表面存在割合及び結合状態の割合を求めた。結果を図12に示す。この図から分かるように、試験例1〜5の電極表面に存在するフッ素は、C−F結合あるいはP−F結合(ただし試験例5ではB−F結合)に帰属されるフッ素が多かった。
-Fluorine surface abundance ratio and bonding state Fluorine surface abundance ratio and bonding state ratio were determined from wide scan and fluorine narrow scan. The results are shown in FIG. As can be seen from this figure, the fluorine present on the electrode surfaces of Test Examples 1 to 5 was mostly fluorine attributed to C—F bonds or PF bonds (B—F bonds in Test Example 5).
以上のXPSによる表面分析の結果から、試験例1〜4の集電体に形成されている表面皮膜は以下の性質を有するものであることが分かった。
(1)電極表面に窒素及びフッ素を成分として含む皮膜が形成される。
(2)電極表面には窒素が多く存在し、窒素の結合状態はCN三重結合あるいはCN単結合及びアンモニウム塩、−NOである。また、チタンを基板を用いた場合には窒化物も存在する。
(3)電解質としてLiPF6を用いた場合、皮膜中にP−F結合に係るリン化合物が検出される。
(4)フッ素はC−F結合あるいはP−F結合に帰属されるフッ素が多い。
(5)電解質としてLiBF4を用いた場合、皮膜中にホウ素化合物が検出される。
From the result of the surface analysis by XPS as described above, it was found that the surface film formed on the current collectors of Test Examples 1 to 4 had the following properties.
(1) A film containing nitrogen and fluorine as components is formed on the electrode surface.
(2) A large amount of nitrogen is present on the electrode surface, and the bonding state of nitrogen is a CN triple bond, a CN single bond, an ammonium salt, or -NO. Further, when titanium is used as the substrate, nitrides are also present.
(3) When LiPF 6 is used as the electrolyte, a phosphorus compound related to the PF bond is detected in the film.
(4) Fluorine is mostly fluorine attributed to C—F bonds or PF bonds.
(5) When LiBF 4 is used as the electrolyte, a boron compound is detected in the film.
(実験例9)
実験例9では、純チタンからなる電極をナトリウムイオン電池用電解液中で電位走査し、サイクリックボルタモグラムを測定した。電解液の溶媒は、エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(体積比)とし、さらにNaPF6を0.5mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とし、三極式電解セル容器に入れた。
(Experimental example 9)
In Experimental Example 9, an electrode made of pure titanium was subjected to potential scanning in an electrolyte for sodium ion batteries, and a cyclic voltammogram was measured. The solvent of the electrolytic solution was ethylene carbonate: dimethyl carbonate: sebaconitrile = 25: 25: 50 (volume ratio), and a solution in which NaPF 6 was dissolved to a concentration of 0.5 mol / L was used as the electrolytic solution. Placed in cell container.
サイクリックボルタモグラムの測定は、作用極としてチタン電極、対極として白金網、参照電極としてLi金属を用いた。測定は、参照極に対し正方向及び負方向にスキャンさせ、電位−電流曲線を測定した。掃引速度は5mV/secとした。 The cyclic voltammogram was measured using a titanium electrode as a working electrode, a platinum net as a counter electrode, and Li metal as a reference electrode. The measurement was performed by scanning in the positive and negative directions with respect to the reference electrode, and the potential-current curve was measured. The sweep speed was 5 mV / sec.
(実験例10)
実験例10では、電極として純ニッケル板を用いた。その他は実験例9と同じであり、詳細な説明を省略する。
(Experimental example 10)
In Experimental Example 10, a pure nickel plate was used as the electrode. Others are the same as those of Experimental Example 9, and detailed description thereof is omitted.
(実験例11)
実験例11では、電極として純アルミニウム板を用いた。その他は実験例9と同じであり、詳細な説明を省略する。
(Experimental example 11)
In Experimental Example 11, a pure aluminum plate was used as the electrode. Others are the same as those of Experimental Example 9, and detailed description thereof is omitted.
(実験例12)
実験例12では、電極としてSUS316Lからなる板を用いた。その他は実験例9と同じであり、詳細な説明を省略する。
(Experimental example 12)
In Experimental Example 12, a plate made of SUS316L was used as the electrode. Others are the same as those of Experimental Example 9, and detailed description thereof is omitted.
<結 果>
その結果、チタンを用いた実験例9では、図13に示すように、1サイクル目において5V(v..s. Li/Li+)より高い電位で、大きな電流が流れたが、2サイクル目以降においてはほとんど電流は流れなかった。
また、ニッケルを用いた実験例10においても、図14に示すように、1サイクル目において4.5V(v..s. Li/Li+)より高い電位で、大きな電流が流れたが、2サイクル目以降においては7V(v..s. Li/Li+)ほとんど電流は流れなかった。
さらには、アルミニウムを用いた実験例11及びSUS316Lを用いた実験例12においても、図15及び図16に示すように、2サイクル目以降の電位掃引では、1サイクル目よりも電流が小さくなった。
以上の結果から、チタンやニッケルやアルミニウムやSUS316Lからなる集電体は、ナトリウムイオン電池に用いた場合、充電によって高電位とされることにより、耐食性に優れた不動態皮膜皮膜が形成されることが分かった。
<Result>
As a result, in Experimental Example 9 using titanium, a large current flowed at a potential higher than 5 V (v..s. Li / Li + ) in the first cycle as shown in FIG. After that, almost no current flowed.
In Experimental Example 10 using nickel, as shown in FIG. 14, a large current flowed at a potential higher than 4.5 V (v..s. Li / Li + ) in the first cycle. After the cycle, 7V (v..s. Li / Li + ) almost no current flowed.
Furthermore, also in Experimental Example 11 using aluminum and Experimental Example 12 using SUS316L, as shown in FIGS. 15 and 16, in the potential sweep after the second cycle, the current was smaller than in the first cycle. .
From the above results, when a current collector made of titanium, nickel, aluminum, or SUS316L is used for a sodium ion battery, a passive film having excellent corrosion resistance is formed by being charged to a high potential. I understood.
<リチウムイオン電池の作製>
本発明の集電体を用いて、本発明のリチウムイオン電池を以下のように製造することができる。
まず、正極活物質の粉末を用意し、これにカーボン等の導電性助剤と、結合剤としてのポリテトラエチレン(PTFE)やポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素樹脂粉末とを加え、ホットプレスによって所望の形状に成形し、正極材ペレットを得る。正極活物質としては、例えばLi2NiPO4F、LiNiPO4、LiCoPO4、Li2CoPO4F等のいずれか、あるいはこれらの混合物を用いることができる。これらの混合割合は、正極として必要とされる電子伝導性や、結合剤としての機能を奏するために必要なフッ素樹脂の添加量等を勘案して、適宜決定すればよい。
<Production of lithium ion battery>
Using the current collector of the present invention, the lithium ion battery of the present invention can be produced as follows.
First, a positive electrode active material powder is prepared, and a conductive auxiliary agent such as carbon and a fluororesin powder such as polytetraethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder are added to the hot press. To form a desired shape to obtain positive electrode material pellets. As the positive electrode active material, for example, Li 2 NiPO 4 F, LiNiPO 4 ,
また、負極活物質の粉末を用意し、正極の作製と同様、これにカーボン等の導電性助剤と、結合剤としてのポリテトラエチレン(PTFE)やポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素樹脂粉末とを加え、ホットプレスによって所望の形状に成形し、負極材ペレットを得る。負極活物質としては、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン等の種々の炭素材料やチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、H2Ti12O25、H2Ti6O13、Fe2O3などが挙げられる。また、これらを適宜混合した複合体も挙げることができる。さらには、Si微粒子やSi薄膜、これらのSiがSi−Ni、Si−Cu、Si−Nb、Si−Zn、Si−Sn等のSi系合金となった微粒子や薄膜が挙げられる。さらには、SiO酸化物、Si−SiO2複合体、Si−SiO2−カーボンなどの複合体等を挙げることができる。 Also, a negative electrode active material powder is prepared, and in the same manner as the production of the positive electrode, a conductive auxiliary agent such as carbon and a fluororesin powder such as polytetraethylene (PTFE) or polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder. And is molded into a desired shape by hot pressing to obtain negative electrode material pellets. Examples of the negative electrode active material include various carbon materials such as artificial graphite, natural graphite, and hard carbon, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), H 2 Ti 12 O 25 , H 2 Ti 6 O 13 , Fe 2 O 3 etc. are mentioned. Moreover, the composite material which mixed these suitably can also be mentioned. Further, there are Si fine particles and Si thin films, and fine particles and thin films in which these Si are Si-based alloys such as Si—Ni, Si—Cu, Si—Nb, Si—Zn, Si—Sn, and the like. Further, SiO oxide, Si-SiO 2 composite, Si-SiO 2 - can be given complex, etc., such as carbon.
図17に示すように、電解液が浸透可能なセパレータ1を正極材ペレット2と負極材ペレット3とで挟み、電解液4の入った、ポリプロピレンでコーティングされたラミネート袋5に収容する。そして、さらに負極集電体6及び正極集電体7を両側から配設し、封入する。こうして、実施形態のリチウムイオン電池8を製造することができる。
As shown in FIG. 17, a
負極集電体6の材質及び正極集電体7の材料については、電解液の組成及び正極活物質に応じ、適宜選択する。たとえば、リチウム塩にLiBF4を用いた場合には、正極用集電体の材料としてはチタン、アルミニウム、SUS304、SUS316L、ニッケル及びSUS316が適用可能であり、好ましいのはチタン、アルミニウム、SUS316L及びニッケルであり、さらに好ましいのはチタン、アルミニウム及びSUS316Lである。
また、負極用集電体の材料としては、ニッケル、チタン、SUS316L、SUS304、SUS316及びアルミニウムを用いることができ、特に好ましいのはニッケル、チタン及びSUS316Lである。
The material of the negative electrode
Moreover, as a material of the collector for negative electrodes, nickel, titanium, SUS316L, SUS304, SUS316, and aluminum can be used, and nickel, titanium, and SUS316L are particularly preferable.
一方、リチウム塩にLiPF6を用いた場合には、正極用集電体の材料としてはSUS304、SUS316、SUS316L、純ニッケル、純チタン及び純アルミニウムのいずれの金属も正極用集電体として充分使用可能である。
また、負極用集電体の材料としては、ニッケル、チタン、アルミニウム及びSUS304を用いることができ、特に好ましいのはニッケル、チタンである。ただし、負極活物質の電位によってはSUS316、316L及びCuも使用可能である。
また、リチウムイオン電池の正極用集電体がニッケル及び/又はアルミニウム及び/又はチタンからなる場合、電解液にはLiPF6及び/又はLiBF4に加えて、LiTFSI及び/又はLiBETIとが含まれていることが好ましい。ニッケルやアルミニウムに対して、LiTFSIやLiBETIは、単独では耐食性の皮膜形成がされ難いが、LiPF6及び/又はLiBF4と共存させることにより、優れた耐食性皮膜が形成されるからである。また、LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)は特に分解温度が高く耐熱特性が向上する上、溶解度が高く、比伝導度を大きくすることができるという効果を奏することができる。
On the other hand, when LiPF 6 is used for the lithium salt, any of SUS304, SUS316, SUS316L, pure nickel, pure titanium, and pure aluminum can be used as the positive electrode current collector. Is possible.
Moreover, nickel, titanium, aluminum, and SUS304 can be used as a material for the negative electrode current collector, and nickel and titanium are particularly preferable. However, SUS316, 316L, and Cu can also be used depending on the potential of the negative electrode active material.
When the current collector for the positive electrode of the lithium ion battery is made of nickel and / or aluminum and / or titanium, the electrolyte contains LiTFSI and / or LiBETI in addition to LiPF 6 and / or LiBF 4. Preferably it is. This is because LiTFSI and LiBETI alone are unlikely to form a corrosion-resistant film on nickel or aluminum, but an excellent corrosion-resistant film is formed by coexisting with LiPF 6 and / or LiBF 4 . In addition, LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide) has an effect that the decomposition temperature is particularly high and the heat resistance is improved, the solubility is high, and the specific conductivity can be increased.
この発明はリチウムイオン電池やナトリウムイオン電池等の二次電池に適用される。
ここに、リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池等の二次電池は電解液、正極、負極、セパレータ及びケースを備えてなる。
The present invention is applied to a secondary battery such as a lithium ion battery or a sodium ion battery.
Here, a secondary battery such as a lithium ion battery or a sodium ion battery includes an electrolytic solution, a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a case.
(リチウムイオン電池用電解液)
リチウムイオン電池用電解液はLi塩(電解質)と有機溶媒とを含んでいる。
Li塩には、Liイオン電池用の一般的なLi塩を用いることができる。例えば、LiPF6(六フッ化リン酸リチウム)、LiBF4(四フッ化ホウ酸リチウム)、LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)、LiTFS(トリフルオロメタンスルホン酸リチウム)、LiBETI(リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド)又はこれらの2種以上を用いることができる。
なかでも、正極の酸化還元電位が4.5V以上のものについては、LiPF6、及び/又はLiBF4を使用することが好ましい。また、LiTFSIやLiTFSやLiBETIを用いる場合、LiPF6又はLiBF4を添加することが好ましい。
(Electrolytic solution for lithium ion battery)
The electrolytic solution for a lithium ion battery contains a Li salt (electrolyte) and an organic solvent.
As the Li salt, a general Li salt for a Li ion battery can be used. For example, LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate), LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide), LiTFS (lithium trifluoromethanesulfonate), LiBETI (lithium bis ( Pentafluoroethanesulfonyl) imide) or two or more thereof can be used.
Among them, for those redox potential of the positive electrode is more than 4.5V, it is preferable to use LiPF 6, and / or LiBF 4. In the case of using a LiTFSI and LiTFS and LiBETI, it is preferable to add LiPF 6 or LiBF 4.
有機溶媒もLiイオン電池に用いられる一般的なものを採用できる。かかる有機溶媒としては環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルの中から選ばれる1種、又は2種以上が好ましい。更に好ましくは、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルとを併用する。具体的には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを併用することが特に好ましい。両者の配合割合は特に限定されない。環状カルボン酸エステルとしてはγ−ブチロラクトンを用いることができる。
更にはニトリル化合物を有機溶媒として用いることができる。ここで、ニトリル化合物としては、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物を挙げることができる。
As the organic solvent, a general solvent used for a Li ion battery can be adopted. Such an organic solvent is preferably one or more selected from cyclic carbonates, cyclic carboxylic acid esters and chain carbonates. More preferably, a cyclic carbonate and a chain carbonate are used in combination. Specifically, it is particularly preferable to use ethylene carbonate and dimethyl carbonate in combination. The blending ratio of both is not particularly limited. As the cyclic carboxylic acid ester, γ-butyrolactone can be used.
Furthermore, a nitrile compound can be used as an organic solvent. Here, as the nitrile compound, a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of a chain saturated hydrocarbon compound, a chain ether in which a nitrile group is bonded to at least one terminal of a chain ether compound. Mention may be made of at least one nitrile compound among nitrile compounds and cyanoacetic acid esters.
鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物としては、例えば、スクシノニトリルNC(CH2)2CN、グルタロニトリルNC(CH2)3CN、アジポニトリルNC(CH2)4CN、セバコニトリルNC(CH2)8CN、ドデカンジニトリルNC(CH2)10CNなどのような直鎖状のジニトリル化合物の他、2−メチルグルタロニトリルNCCH(CH3)CH2CH2CN等のように分枝を有していても良い。これらの鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが20以下であることが好ましい。更に好ましくは7〜12である。 Examples of the chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which nitrile groups are bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound include succinonitrile NC (CH 2 ) 2 CN, glutaronitrile NC (CH 2 ) 3 CN, adiponitrile In addition to linear dinitrile compounds such as NC (CH 2 ) 4 CN, sebaconitrile NC (CH 2 ) 8 CN, dodecanedinitrile NC (CH 2 ) 10 CN, 2-methylglutaronitrile NCCH (CH 3 ) CH 2 CH 2 CN may have a branched as such. These chain saturated hydrocarbon dinitrile compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less. More preferably, it is 7-12.
鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物としては、オキシジプロピオニトリルNCCH2CH2−O−CH2CH2CNや、3−メトキシプロピオニトリルCH3−O−CH2CH2CN等が挙げられる。これらの鎖式エーテルニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
シアノ酢酸エステルとしてはシアノ酢酸メチル、シアノ酢酸エチル、シアノ酢酸プロピル、シアノ酢酸ブチル等が挙げられる。これらのシアノ酢酸エステルは、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
Examples of the chain ether nitrile compound in which a nitrile group is bonded to at least one end of the chain ether compound include oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN and 3-
Examples of the cyanoacetate include methyl cyanoacetate, ethyl cyanoacetate, propyl cyanoacetate, and butyl cyanoacetate. These cyanoacetic acid esters are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.
これらニトリル化合物は電解液において電位窓を特に正方向に広げる作用を奏する。
電位窓を広げる作用の観点からジニトリル化合物が好ましい。中でも、セバコニトリルの採用が更に好ましい。
ただし、ニトリル化合物は粘度が高いので、上述の鎖状炭酸エステル、環状炭酸エステル及び/又は環状カルボン酸エステルと併用することが好ましい。更に好ましくはニトリル化合物と鎖状炭酸エステル及び環状炭酸エステルとを併用する。鎖状炭酸エステルとしてはジメチルカーボネートを採用することができ、環状炭酸エステルとしてはエチレンカーボネートを採用することができる。
この場合、有機溶媒全体に占めるニトリル化合物の配合割合は1〜90容量%とすることが好ましい。更に好ましくは5〜70容量%であり、更に更に好ましくは、10〜50容量%である。
These nitrile compounds have the effect of expanding the potential window particularly in the positive direction in the electrolytic solution.
A dinitrile compound is preferable from the viewpoint of the action of expanding the potential window. Of these, the use of sebacononitrile is more preferable.
However, since a nitrile compound has high viscosity, it is preferable to use together with the above-mentioned chain carbonate ester, cyclic carbonate ester, and / or cyclic carboxylic acid ester. More preferably, a nitrile compound, a chain carbonate ester and a cyclic carbonate ester are used in combination. Dimethyl carbonate can be employed as the chain carbonate, and ethylene carbonate can be employed as the cyclic carbonate.
In this case, the blending ratio of the nitrile compound in the whole organic solvent is preferably 1 to 90% by volume. More preferably, it is 5-70 volume%, More preferably, it is 10-50 volume%.
Li塩の濃度は0.01mol/L以上であって、飽和状態よりも低い濃度とする。Li塩の濃度が0.01mol/L未満であると、Liイオンによるイオン伝導が小さくなり、電解液の電気抵抗が高くなるので好ましくない。他方、飽和状態を超えると、温度等の環境変化によって溶解しているLi塩が析出するので好ましくない。 The concentration of the Li salt is 0.01 mol / L or more and is lower than the saturated state. When the concentration of the Li salt is less than 0.01 mol / L, ion conduction by Li ions is reduced, and the electric resistance of the electrolytic solution is increased, which is not preferable. On the other hand, exceeding the saturation state is not preferable because the dissolved Li salt precipitates due to environmental changes such as temperature.
(ナトリウムイオン電池用電解液)
ナトリウムイオン電池用電解液はNa塩(電解質)と有機溶媒とを含んでいる。
Na塩には、従来からNaイオン電池用のNa塩として知られているものを用いることができる。例えば、例えば、NaClO4、NaPF6、NaBF4、NaCF3SO3、NaN(CF3SO2)2、NaN(FSO2)2、NaN(C2F5SO2)2、NaC(CF3SO2)3等が挙げられる。溶媒及び溶質の混合比は特に限定されず、目的に応じて適宜設定される。
また、各種添加剤(例えば、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、エチレンサルファイト)を0.1−3%程度入れることも好ましい。これにより、負極側で耐食性皮膜がで形成され、耐食性が向上する。
(Sodium ion battery electrolyte)
The electrolyte for sodium ion batteries contains Na salt (electrolyte) and an organic solvent.
As the Na salt, those conventionally known as Na salts for Na ion batteries can be used. For example, for example, NaClO 4 , NaPF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 , NaN (CF 3 SO 2 ) 2 , NaN (FSO 2 ) 2 , NaN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , NaC (CF 3 SO 2 ) 3 etc. are mentioned. The mixing ratio of the solvent and the solute is not particularly limited and is appropriately set according to the purpose.
Moreover, it is also preferable to add about 0.1 to 3% of various additives (for example, vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, ethylene sulfite). Thereby, a corrosion-resistant film is formed on the negative electrode side, and the corrosion resistance is improved.
有機溶媒もNaイオン電池に用いられる一般的なものを採用できる。かかる有機溶媒とし環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルの中から選ばれる1種、又は2種以上が好ましい。更に好ましくは、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルとを併用する。具体的には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを併用することが特に好ましい。両者の配合割合は特に限定されない。環状カルボン酸エステルとしはγ−ブチロラクトンやプロピレンカーボネートを用いることができる。
鎖状カーボネートは、ジメチルカーボネートのほかに、ジエチルカーボネートやエチルメチルカーボネートを使用することができる。
更にはニトリル化合物を有機溶媒として用いることができる。ここで、ニトリル化合物としては、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物を挙げることができる。
As the organic solvent, a general one used for a Na ion battery can be adopted. As such an organic solvent, one kind or two or more kinds selected from cyclic carbonates, cyclic carboxylic acid esters and chain carbonates are preferable. More preferably, a cyclic carbonate and a chain carbonate are used in combination. Specifically, it is particularly preferable to use ethylene carbonate and dimethyl carbonate in combination. The blending ratio of both is not particularly limited. As the cyclic carboxylic acid ester, γ-butyrolactone or propylene carbonate can be used.
As the chain carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate can be used in addition to dimethyl carbonate.
Furthermore, a nitrile compound can be used as an organic solvent. Here, as the nitrile compound, a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of a chain saturated hydrocarbon compound, a chain ether in which a nitrile group is bonded to at least one terminal of a chain ether compound. Mention may be made of at least one nitrile compound among nitrile compounds and cyanoacetic acid esters.
鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物としては、例えば、スクシノニトリルNC(CH2)2CN、グルタロニトリルNC(CH2)3CN、アジポニトリルNC(CH2)4CN、セバコニトリルNC(CH2)8CN、ドデカンジニトリルNC(CH2)10CNなどのような直鎖状のジニトリル化合物の他、2−メチルグルタロニトリルNCCH(CH3)CH2CH2CN等のように分枝を有していても良い。これらの鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが、7〜20であることが好ましい。更に好ましくは10〜12である。 Examples of the chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which nitrile groups are bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound include succinonitrile NC (CH 2 ) 2 CN, glutaronitrile NC (CH 2 ) 3 CN, adiponitrile In addition to linear dinitrile compounds such as NC (CH 2 ) 4 CN, sebaconitrile NC (CH 2 ) 8 CN, dodecanedinitrile NC (CH 2 ) 10 CN, 2-methylglutaronitrile NCCH (CH 3 ) CH 2 CH 2 CN may have a branched as such. These chain saturated hydrocarbon dinitrile compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 7 to 20. More preferably, it is 10-12.
鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物としては、オキシジプロピオニトリルNCCH2CH2−O−CH2CH2CNや、3−メトキシプロピオニトリルCH3−O−CH2CH2CN等が挙げられる。これらの鎖式エーテルニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
シアノ酢酸エステルとしてはシアノ酢酸メチル、シアノ酢酸エチル、シアノ酢酸プロピル、シアノ酢酸ブチル等が挙げられる。これらのシアノ酢酸エステルは、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
Examples of the chain ether nitrile compound in which a nitrile group is bonded to at least one end of the chain ether compound include oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN and 3-
Examples of the cyanoacetate include methyl cyanoacetate, ethyl cyanoacetate, propyl cyanoacetate, and butyl cyanoacetate. These cyanoacetic acid esters are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.
これらニトリル化合物は電解液において電位窓を特に正方向に広げる作用を奏する。電位窓を広げる作用の観点からジニトリル化合物が好ましい。中でも、セバコニトリルの採用が更に好ましい。
ただし、ニトリル化合物は粘度が高いので、上述の鎖状炭酸エステル、環状炭酸エステル及び/又は環状カルボン酸エステルと併用することが好ましい。更に好ましくはニトリル化合物と鎖状炭酸エステル及び環状炭酸エステルとを併用する。鎖状炭酸エステルとしてはジメチルカーボネートを採用することができ、環状炭酸エステルとしてはエチレンカーボネートを採用することができる。
この場合、有機溶媒全体に占めるニトリル化合物の配合割合は1〜90容量%とすることが好ましい。更に好ましくは15〜70容量%であり、更に更に好ましくは、30〜50容量%である。
These nitrile compounds have the effect of expanding the potential window particularly in the positive direction in the electrolytic solution. A dinitrile compound is preferable from the viewpoint of the action of expanding the potential window. Of these, the use of sebacononitrile is more preferable.
However, since a nitrile compound has high viscosity, it is preferable to use together with the above-mentioned chain carbonate ester, cyclic carbonate ester, and / or cyclic carboxylic acid ester. More preferably, a nitrile compound, a chain carbonate ester and a cyclic carbonate ester are used in combination. Dimethyl carbonate can be employed as the chain carbonate, and ethylene carbonate can be employed as the cyclic carbonate.
In this case, the blending ratio of the nitrile compound in the whole organic solvent is preferably 1 to 90% by volume. More preferably, it is 15-70 volume%, More preferably, it is 30-50 volume%.
Na塩の濃度は0.01mol/L以上であって、飽和状態よりも低い濃度とする。Na塩の濃度が0.01mol/L未満であると、Naイオンによるイオン伝導が小さくなり、電解液の電気抵抗が高くなるので好ましくない。他方、飽和状態を超えると、温度等の環境変化によって溶解しているNa塩が析出するので好ましくない。 The concentration of Na salt is 0.01 mol / L or more, which is lower than the saturated state. If the concentration of Na salt is less than 0.01 mol / L, ion conduction due to Na ions is reduced, and the electric resistance of the electrolytic solution is increased, which is not preferable. On the other hand, exceeding the saturated state is not preferable because a dissolved Na salt is precipitated due to environmental changes such as temperature.
(正極)
正極は正極活物質と集電体とを備える。
(リチウムイオン電池用正極活物質)
リチウムイオン電池用正極活物質とは「負極よりも高い電位で結晶構造内にリチウムが挿入/離脱され、それに伴って酸化/還元が行われる物質」をいう。
正極活物質としては(1)酸化物系、(2)オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系、及び(3)オリビンフッ化物系を挙げることができる。
(Positive electrode)
The positive electrode includes a positive electrode active material and a current collector.
(Positive electrode active material for lithium ion battery)
The positive electrode active material for a lithium ion battery refers to “a material in which lithium is inserted / extracted in the crystal structure at a higher potential than that of the negative electrode, and oxidation / reduction is performed accordingly”.
Examples of the positive electrode active material include (1) an oxide system, (2) a phosphate system having an olivine type crystal structure, and (3) an olivine fluoride system.
(1)酸化物系
1−1具体的物質
酸化物系としては、Li1−xCoO2(x=0〜1:層状構造)、Li1−xNiO2(x=0〜1:層状構造)、Li1−xMn2O4(x=0〜1:スピネル構造)、Li2−yMnO3系(y=0〜2)及びこれらの固溶体(ここで固溶体とは、上記酸化物系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)を挙げることができる。また、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Li、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又はそれ以上を用いることができる。
1−2 特性
この正極活物質の一般的な放電電位は5V(v..s. Li/Li+)未満である。但し、LiMn2O4系でNiに一部置換した、LiNi0.5Mn1.5O4は、放電電位が4.7Vであり、急速充電をおこなう際には過電圧分を加味し、5Vを超える充電電圧を必要とする場合がある。また、LiCoMnO4は放電電圧が5.2V程度から始まるため、これも充電電圧は5Vを超える。また、酸化物系は一般に300℃未満で分解し、酸素発生とともに比較的大きな発熱反応がある。このため、過充電が起こらないような制御回路が必要とされる。
(1) Oxide-based 1-1 specific substances As oxide-based materials, Li 1-x CoO 2 (x = 0 to 1: layered structure), Li 1-x NiO 2 (x = 0 to 1 : layered structure) ), Li 1-x Mn 2 O 4 (x = 0 to 1: spinel structure), Li 2−y MnO 3 system (y = 0 to 2) and solid solutions thereof (here, the solid solution is the above oxide system) In which the metal atoms are mixed in a free ratio.). Moreover, what doped the metal atom of these with the other metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Li, Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used.
1-2 Characteristics The general discharge potential of this positive electrode active material is less than 5 V (v..s. Li / Li + ). However, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 partially substituted with Ni in the LiMn 2 O 4 system has a discharge potential of 4.7 V, and takes into account overvoltage when performing rapid charging, and 5 V May require a charging voltage exceeding. Further, since LiCoMnO 4 starts with a discharge voltage of about 5.2V, the charge voltage also exceeds 5V. In addition, oxide systems generally decompose at less than 300 ° C., and have a relatively large exothermic reaction as oxygen is generated. Therefore, a control circuit that does not cause overcharging is required.
(2)オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系
2−1具体的物質
オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系としては、Li1−xNiPO4 (x=0〜1)、Li1−xCoPO4 (x=0〜1)、Li1−xMnPO4 (x=0〜1)、Li1−xFePO4 (x=0〜1)及びこれらの固溶体(ここで固溶体とは、上記リン酸塩系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)を挙げることができる。また、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又は2種以上を用いることができる(特開2008−130525号参照)。
2−2 特性
この正極活物質の酸化還元電位は、上記酸化物系とは異なり300℃未満では発熱反応が小さい上、酸素は発生せず、安全性が高いことから注目されている。また、リン酸塩系のうち、LiCoPO4系は放電電位が4.8V程度であり、急速充電に際しては5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。LiNiPO4の放電電位は5.2V(v..s. Li/Li+)が示唆されている。
(2) Phosphate-based 2-1 specific substance having olivine-type crystal structure As phosphate-based substances having olivine-type crystal structure, Li 1-x NiPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x CoPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x MnPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x FePO 4 (x = 0 to 1) and their solid solutions (herein the solid solution is the above-mentioned phosphorus In the acid salt positive electrode active material, it refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio. Moreover, what doped the metal atom of these with the other metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used (see JP 2008-130525 A).
2-2 Characteristics The oxidation-reduction potential of this positive electrode active material is attracting attention because, unlike the above oxide system, if it is less than 300 ° C., the exothermic reaction is small, oxygen is not generated, and safety is high. Of the phosphate systems, the LiCoPO 4 system has a discharge potential of about 4.8 V, and an electrolyte having a withstand voltage of 5 V or more is required for rapid charging. It is suggested that the discharge potential of LiNiPO 4 is 5.2 V (v..s. Li / Li + ).
(3)オリビンフッ化物系
3−1 具体的物質
Li2−xNiPO4F (x=0〜2)、Li2−xCoPO4F (x=0〜2)が知られており、その他Li2−xMnPO4F (x=0〜2)、Li2−xFePO4F (x=0〜2)が考えられる。
また、これらの固溶体(ここで固溶体とは、上記オリビンフッ化物系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)も挙げることができる。さらに、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又はそれ以上を用いることができる。
3−2 特性
この正極活物質の酸化還元電位はオリビン系と同様に、上記酸化物系とは異なり、300℃未満の分解では、発熱反応が小さい上、酸素発生がないため、正極活物質由来の電池発火の影響は小さいと考えられ安全性の面で注目されている。また、電池の電気容量密度(mAh/g)を上記リン酸塩系よりも高くできる(特開2003−229126号公報参照)。しかし、例えばLi2CoPO4F系は、平均放電電位が4.8V程度であり、急速充電に際しては5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。また、Li2NiPO4F系の放電電位は5.2V(v..s. Li/Li+)程度であり、5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。
(3) Olivine fluoride system 3-1 Specific substances Li 2-x NiPO 4 F (x = 0-2), Li 2-x CoPO 4 F (x = 0-2) are known, and other Li 2 -x MnPO 4 F (x = 0~2 ), Li 2-x FePO 4 F (x = 0~2) are considered.
Further, these solid solutions (herein, the solid solution refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio in the olivine fluoride-based positive electrode active material) can also be mentioned. Furthermore, the thing which doped the metal atom of these with another metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used.
3-2 Characteristics Similar to the olivine system, the redox potential of this positive electrode active material is different from that of the above oxide system. The effect of battery ignition is considered to be small, and is attracting attention in terms of safety. Moreover, the electric capacity density (mAh / g) of a battery can be made higher than the said phosphate system (refer Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-229126). However, for example, the Li 2 CoPO 4 F system has an average discharge potential of about 4.8 V, and an electrolytic solution having a withstand voltage of 5 V or more is required for rapid charging. Further, the discharge potential of the Li 2 NiPO 4 F system is about 5.2 V (v..s. Li / Li + ), and an electrolytic solution having a withstand voltage of 5 V or more is required.
(4)その他
その他、リチウム非含有のFeF3、有機導電性物質を用いた共役系ポリマー、シェブレル相化合物等を用いることもできる。また、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物およびそのリチウム塩、ニオブ酸化物およびそのリチウム塩、さらには、複数の異なった正極活物質を混合して用いることも可能である。
正極活物質粒子の平均粒径は、特に限定はされないが、10nm〜30μmであることが好ましい。
(4) Others In addition, lithium-free FeF 3 , a conjugated polymer using an organic conductive material, a chevrel phase compound, or the like can also be used. In addition, transition metal chalcogenides, vanadium oxides and lithium salts thereof, niobium oxides and lithium salts thereof, and a plurality of different positive electrode active materials may be used in combination.
The average particle diameter of the positive electrode active material particles is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 30 μm.
(ナトリウムイオン電池用正極活物質)
ナトリウムイオン電池用正極活物質は、充放電によって可逆的に酸化−還元を繰り返すことのできる物質であって、ナトリウムイオンを可逆的にインターカレート−デインターカレートできる物質であることが要求される。
このような正極活物質としては、特開2009−129741号公報に記載されているNaFeO2、NaNiO2、NaCoO2、NaMnO2、NaFe1−xM1 xO2、NaNi1−xM1 xO2、NaCo1−xM1 xO2、NaMn1−xM1 xO2(ただし、M1は3価金属からなる群より選ばれる1種以上の元素であり、0≦x<0.5である。)で示される化合物等が挙げられる。これらのなかでも、主に鉄とナトリウムとを含有する複合酸化物であって、六方晶の結晶構造からなる複合酸化物を正極活物質として用いることにより、高い放電電圧を得ることができ、エネルギー密度の高い二次電池を得ることができる。
(Positive electrode active material for sodium ion batteries)
The positive electrode active material for a sodium ion battery is a material that can be reversibly oxidized and reduced by charge and discharge, and is required to be a material that can reversibly intercalate and deintercalate sodium ions. The
Examples of such a positive electrode active material include NaFeO 2 , NaNiO 2 , NaCoO 2 , NaMnO 2 , NaFe 1-x M 1 x O 2 , and NaNi 1-x M 1 x described in JP2009-129741A. O 2 , NaCo 1-x M 1 x O 2 , NaMn 1-x M 1 x O 2 (where M 1 is one or more elements selected from the group consisting of trivalent metals, and 0 ≦ x <0 .5)) and the like. Among these, a composite oxide mainly containing iron and sodium, and using a composite oxide having a hexagonal crystal structure as a positive electrode active material, a high discharge voltage can be obtained. A secondary battery having a high density can be obtained.
上記正極活物質として、さらに好ましくは、主に鉄とナトリウムとを含有する複合酸化物であって、六方晶の結晶構造を有し、かつ該複合酸化物のX線回折分析において、面間隔2.20オングストロームのピークの強度を面間隔5.36オングストロームのピークの強度で除した値が2以下である複合酸化物である。またナトリウム化合物と鉄化合物とを含有する金属化合物混合物を、400℃以上900℃以下の温度範囲で加熱するにあたり、温度上昇中の100℃未満の温度範囲においては雰囲気を不活性雰囲気として加熱することが好ましい。
また、これらの化合物うちの遷移金属原子を他の金属原子でドープしたものでもよい。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。
More preferably, the positive electrode active material is a composite oxide mainly containing iron and sodium, has a hexagonal crystal structure, and has an interplanar spacing of 2 in the X-ray diffraction analysis of the composite oxide. A composite oxide having a value obtained by dividing the intensity of a peak of 20 angstroms by the intensity of a peak of 5.36 angstroms in plane spacing is 2 or less. In heating a metal compound mixture containing a sodium compound and an iron compound in a temperature range of 400 ° C. or more and 900 ° C. or less, the atmosphere is heated as an inert atmosphere in a temperature range of less than 100 ° C. during the temperature increase. Is preferred.
Moreover, what doped the transition metal atom of these compounds with the other metal atom may be used. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction.
(正極の前処理)
リチウムイオン電池用正極やナトリウムイオン電池用正極は、電池に組み込む前に、ニトリル化合物を1容量%以上含む有機溶媒中にリチウム塩やナトリウム塩が溶解した前処理用電解液中に正電極を浸漬する浸漬処理工程を行い、さらに電極に正電圧を付与する正電圧処理工程を行なう。こうして前処理された電極は、ニトリル化合物を全く含まない電解液や、ニトリル化合物の添加量の少ない電解液を用いたリチウムイオン電池に用いても、電位窓が広く、高い電位においても電解液を分解し難くなる(特願2009−180007号参照)。このような広い電位窓の電極となる理由は、電極上に窒素を成分として含む耐食性の皮膜が形成されるためであると推測される。
(Pretreatment of positive electrode)
Before the lithium ion battery positive electrode or sodium ion battery positive electrode is incorporated in the battery, the positive electrode is immersed in a pretreatment electrolyte in which a lithium salt or sodium salt is dissolved in an organic solvent containing 1% by volume or more of a nitrile compound. An immersion treatment step is performed, and a positive voltage treatment step for applying a positive voltage to the electrode is further performed. The electrode thus pretreated has a wide potential window even when used in an electrolyte solution containing no nitrile compound or in a lithium ion battery using an electrolyte solution with a small amount of nitrile compound added. It becomes difficult to disassemble (see Japanese Patent Application No. 2009-180007). The reason why the electrode has such a wide potential window is presumed to be that a corrosion-resistant film containing nitrogen as a component is formed on the electrode.
(負極)
負極は負極活物質と集電体とを備える。
(負極活物質)
負極活物質とは「正極よりも低い電位で結晶構造内にリチウムが挿入/離脱され、それに伴って酸化/還元が行われる物質」をいう。
負極活物質としては、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン等の種々の炭素材料やチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、H2Ti12O25、H2Ti6O13、Fe2O3などが挙げられる。また、これらを適宜混合した複合体も挙げることができる。さらには、Si微粒子やSi薄膜、これらのSiがSi−Ni、Si−Cu、Si−Nb、Si−Zn、Si−Sn等のSi系合金となった微粒子や薄膜が挙げられる。さらには、SiO酸化物、Si−SiO2複合体、Si−SiO2−カーボンなどの複合体等を挙げることができる。
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode active material and a current collector.
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material refers to “a material in which lithium is inserted / extracted in the crystal structure at a lower potential than the positive electrode, and oxidation / reduction is performed accordingly”.
Examples of the negative electrode active material include various carbon materials such as artificial graphite, natural graphite, and hard carbon, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), H 2 Ti 12 O 25 , H 2 Ti 6 O 13 , Fe 2 O 3 etc. are mentioned. Moreover, the composite material which mixed these suitably can also be mentioned. Further, there are Si fine particles and Si thin films, and fine particles and thin films in which these Si are Si-based alloys such as Si—Ni, Si—Cu, Si—Nb, Si—Zn, Si—Sn, and the like. Further, SiO oxide, Si-SiO 2 composite, Si-SiO 2 - can be given complex, etc., such as carbon.
(正極用電子伝導部材)
正極活物質には導電性の小さいものがある。従って、正極活物質と集電体との間に導電性の電子伝導部材を介在させて、両者の間に十分な電子伝導パスを確保することが好ましい。
ここで電子伝導部材は正極活物質と集電体との間に電子伝導パスを形成できればその形態は特に限定されるものではなく、例えばアセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト粉、ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン等の導電性粉体(導電助剤)を用いることができる。ダイヤモンドライクカーボン及びグラッシーカーボンは、カーボンブラックやグラファイトよりもはるかに広い電位窓を有しており、高電位を付与した場合の耐食性に優れているため、好適に用いることができる。また、これらの導電助剤に金属微粒子が担持されていることも好ましい。金属微粒子としては、例えばPt、Au、Ni等が挙げられる。これらは、単独で用いても良いし、これらの合金であっても良い。
電子伝導材料として、正極活物質を被覆する導電性皮膜(DLC膜等)、正極活物質を埋入させた導電性薄膜(金の薄膜等)を用いることができる。
特に、Li2NiPO4F系の正極活物質はそれ自身の及び/又はその表面皮膜の導電性が小さいので、これを集電体へ単に担持させてなるものではリチウムイオン電池の正極として機能しない場合がある。Li2NiPO4F系の正極活物質の性能評価のために、これを金等の導電薄膜へハンマー等で物理的に打ち込み、電池の正極を形成することができる。
ここにLi2NiPO4F系正極活物質とはLi2NiPO4F及びこれへ適宜ドーパントをドープしたものを指す。
(Electroconductive member for positive electrode)
Some positive electrode active materials have low electrical conductivity. Therefore, it is preferable to provide a sufficient electron conduction path between the positive electrode active material and the current collector by interposing a conductive electron conduction member.
Here, the form of the electron conducting member is not particularly limited as long as an electron conducting path can be formed between the positive electrode active material and the current collector. For example, carbon black such as acetylene black, graphite powder, diamond-like carbon, glassy Conductive powder (conductive aid) such as carbon can be used. Diamond-like carbon and glassy carbon have a much wider potential window than carbon black and graphite, and are excellent in corrosion resistance when a high potential is applied, and therefore can be suitably used. Moreover, it is also preferable that metal fine particles are supported on these conductive assistants. Examples of the metal fine particles include Pt, Au, Ni and the like. These may be used alone or an alloy thereof.
As the electron conductive material, a conductive film (such as a DLC film) covering the positive electrode active material or a conductive thin film (such as a gold thin film) in which the positive electrode active material is embedded can be used.
In particular, since the Li 2 NiPO 4 F-based positive electrode active material has low conductivity of its own and / or its surface coating, it does not function as a positive electrode of a lithium ion battery if it is simply supported on a current collector. There is a case. In order to evaluate the performance of the Li 2 NiPO 4 F-based positive electrode active material, it can be physically driven into a conductive thin film such as gold with a hammer or the like to form the positive electrode of the battery.
Here, the Li 2 NiPO 4 F-based positive electrode active material refers to Li 2 NiPO 4 F and a material appropriately doped with dopant.
(負極用電子伝導部材)
正極用電子伝導部材と同様な物を用いることができる。
(Electroconductive member for negative electrode)
The thing similar to the electron conductive member for positive electrodes can be used.
(セパレータ)
セパレータは電解液中へ浸漬され、正極と負極とを分離し両者の短絡を防ぐとともに、Liイオンの通過を許容する。
かかるセパレータには、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂から成る多孔質フィルムが挙げられる。
(Separator)
The separator is immersed in the electrolytic solution, separates the positive electrode and the negative electrode, prevents a short circuit therebetween, and allows the passage of Li ions.
Examples of such separators include porous films made of polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene.
(ケース)
ケースは電解液に対する耐食性を有する材質で形成される。その形状は、電池の目的用途に応じて任意に設計できる。
リチウム塩が溶解している電解液を使用する場合には、オーステナイト系ステンレスからなる基材、Ti、Ni及び/又はAlからなるケースを用いることができる。但し使用する正極、負極活物質の動作電位により適宜選択しなければならない場合もある。
ケースが集電体を兼ねる場合や集電体に電気的に結合される場合は、各電極の集電体形成材料と同一若しくは同種の材料で形成される。
(Case)
The case is formed of a material having corrosion resistance against the electrolytic solution. The shape can be arbitrarily designed according to the intended use of the battery.
When using an electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved, a base material made of austenitic stainless steel, a case made of Ti, Ni and / or Al can be used. However, there are cases where it is necessary to select appropriately depending on the operating potential of the positive electrode and negative electrode active material to be used.
When the case also serves as a current collector or is electrically coupled to the current collector, the case is formed of the same or the same material as the current collector forming material of each electrode.
この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。 The present invention is not limited to the description of the embodiment of the invention. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.
1…セパレータ
2…正極材ペレット
3…負極材ペレット
4…電解液
6…負極用集電体
7…正極用集電体
8…リチウムイオン電池
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