JP2018198131A - Lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery.
従来、有機溶媒にリチウム塩を溶解した非水系電解液を用いるリチウムイオン二次電池が知られている。ところが、前記非水系電解液を用いるリチウムイオン二次電池は、有機溶媒の保管に際し保管量や取り扱い環境の整備等の制限が多いという問題がある。 Conventionally, a lithium ion secondary battery using a nonaqueous electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent is known. However, the lithium ion secondary battery using the non-aqueous electrolyte has a problem in that there are many restrictions on the storage amount and the handling environment when storing the organic solvent.
そこで、水溶液にリチウム塩を溶解した水系電解液を用いるリチウムイオン二次電池が種々検討されている。しかし、水系電解液を用いるリチウムイオン二次電池では、前記電解液の溶媒である水が約1.3Vで電気分解するために、1.3V以上の高起電力を得ることができないという問題がある。 Therefore, various lithium ion secondary batteries using an aqueous electrolyte solution in which a lithium salt is dissolved in an aqueous solution have been studied. However, in a lithium ion secondary battery using an aqueous electrolyte, water as the solvent of the electrolyte is electrolyzed at about 1.3 V, so that a high electromotive force of 1.3 V or more cannot be obtained. is there.
前記問題を解決し、水系電解液を用いて高起電力を得ることができるリチウムイオン二次電池として、正極及び負極をリチウムイオン伝導性高分子固体電解質で被覆したリチウムイオン二次電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。 As a lithium ion secondary battery that solves the above problems and can obtain a high electromotive force using an aqueous electrolyte, a lithium ion secondary battery in which a positive electrode and a negative electrode are coated with a lithium ion conductive polymer solid electrolyte is known. (For example, refer to Patent Document 1).
特許文献1記載のリチウムイオン二次電池によれば、正極及び負極をリチウムイオン伝導性高分子固体電解質膜で被覆することにより、電極上での水の電気分解を防止することができ、3V以上の起電力を得ることができるとされている。 According to the lithium ion secondary battery described in Patent Literature 1, by covering the positive electrode and the negative electrode with a lithium ion conductive polymer solid electrolyte membrane, electrolysis of water on the electrode can be prevented, and 3 V or more It is said that the electromotive force can be obtained.
しかしながら、特許文献1記載のリチウムイオン二次電池では、水系電解液に含まれる水の電気分解を抑制することができず、或いは十分なサイクル特性を得ることができないという不都合がある。 However, the lithium ion secondary battery described in Patent Document 1 has a disadvantage that electrolysis of water contained in the aqueous electrolyte cannot be suppressed or sufficient cycle characteristics cannot be obtained.
本発明は、かかる不都合を解消して、水系電解液を用いるリチウムイオン二次電池において、水の電気分解を抑制することができ、優れたサイクル性能を得ることができるリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 The present invention provides a lithium ion secondary battery that can eliminate such inconvenience and can suppress electrolysis of water in a lithium ion secondary battery using an aqueous electrolyte, and can obtain excellent cycle performance. The purpose is to do.
かかる目的を達成するために、本発明のリチウムイオン二次電池は、負極活物質を含む負極と、正極活物質を含む正極と、該負極と該正極との間に配設された微多孔性セパレータと、水を溶媒とする水系電解液とを含むリチウムイオン二次電池であって、微多孔性セパレータが該負極の少なくとも該正極に対向する面を被覆する一方、該負極中の空隙及び微多孔性セパレータ中の空隙がリチウムイオン伝導性高分子固体電解質で充填されていることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the lithium ion secondary battery of the present invention includes a negative electrode including a negative electrode active material, a positive electrode including a positive electrode active material, and a microporous material disposed between the negative electrode and the positive electrode. A lithium ion secondary battery comprising a separator and an aqueous electrolyte solution containing water as a solvent, wherein the microporous separator covers at least the surface of the negative electrode facing the positive electrode, while the voids and fine particles in the negative electrode are covered. The voids in the porous separator are filled with a lithium ion conductive polymer solid electrolyte.
本発明のリチウムイオン二次電池では、前記微多孔性セパレータ中の空隙がリチウムイオン伝導性高分子固体電解質で充填されているので、該リチウムイオン伝導性高分子固体電解質により優れたリチウムイオン伝導性を確保することができる。また、本発明のリチウムイオン二次電池では、前記微多孔性セパレータが、前記負極の少なくとも前記正極に対向する面を被覆する一方、該負極中の空隙及び該微多孔性セパレータ中の空隙がリチウムイオン伝導性高分子固体電解質で充填されている。従って、前記水系電解液が負極に侵入することがなく、負極上における水の電気分解を抑制することができる。 In the lithium ion secondary battery of the present invention, since the voids in the microporous separator are filled with the lithium ion conductive polymer solid electrolyte, the lithium ion conductive polymer solid electrolyte is superior in lithium ion conductivity. Can be secured. In the lithium ion secondary battery of the present invention, the microporous separator covers at least the surface of the negative electrode facing the positive electrode, and the void in the negative electrode and the void in the microporous separator are lithium. It is filled with an ion conductive polymer solid electrolyte. Therefore, the aqueous electrolyte does not enter the negative electrode and water electrolysis on the negative electrode can be suppressed.
この結果、本発明のリチウムイオン二次電池によれば、前記水系電解液に含まれる水の電気分解を抑制することができ、優れたサイクル性能を得ることができる。 As a result, according to the lithium ion secondary battery of the present invention, electrolysis of water contained in the aqueous electrolyte solution can be suppressed, and excellent cycle performance can be obtained.
本発明のリチウムイオン二次電池において、前記リチウムイオン伝導性高分子固体電解質は、リチウムイオン伝導性を備えるものであればどのようなものであってもよいが、例えば、撥水性に優れることから、高分子中にフッ素を含有するものを好適に用いることができる。 In the lithium ion secondary battery of the present invention, the lithium ion conductive polymer solid electrolyte may be anything as long as it has lithium ion conductivity. For example, it is excellent in water repellency. Those containing fluorine in the polymer can be suitably used.
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
図1に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池1は、負極板2と、負極板2上に形成された負極合剤層3とからなる負極4が微多孔性セパレータ5に被覆されている。また、微多孔性セパレータ5上には、正極板6と、正極板6上に形成された正極合剤層7とからなる正極8が、正極合剤層7を微多孔性セパレータ5に対向させて積層されており、負極4と正極8とがアルミラミネートフィルム9に被覆されている。また、負極板2及び正極板6はそれぞれその端部にタブ状のリード電極2a及びリード電極6aを備え、リード電極2a及びリード電極6aはアルミラミネートフィルム9を貫通して設けられている。 As shown in FIG. 1, the lithium ion secondary battery 1 of the present embodiment has a negative electrode 4 composed of a negative electrode plate 2 and a negative electrode mixture layer 3 formed on the negative electrode plate 2 covered with a microporous separator 5. Has been. Further, on the microporous separator 5, a positive electrode 8 including a positive electrode plate 6 and a positive electrode mixture layer 7 formed on the positive electrode plate 6 makes the positive electrode mixture layer 7 face the microporous separator 5. The negative electrode 4 and the positive electrode 8 are covered with an aluminum laminate film 9. Moreover, the negative electrode plate 2 and the positive electrode plate 6 are each provided with a tab-like lead electrode 2a and a lead electrode 6a at the ends thereof, and the lead electrode 2a and the lead electrode 6a are provided through the aluminum laminate film 9.
リチウムイオン二次電池1では、負極4中の空隙及び微多孔性セパレータ5中の空隙がリチウムイオン伝導性高分子固体電解質(図示せず)で充填されており、正極8には水系電解液(図示せず)が浸潤されている。 In the lithium ion secondary battery 1, the voids in the negative electrode 4 and the voids in the microporous separator 5 are filled with a lithium ion conductive polymer solid electrolyte (not shown), and the positive electrode 8 has an aqueous electrolyte ( (Not shown) is infiltrated.
負極板2は、導電性を備える材料からなるものであればよく、該材料として、例えば、アルミニウム、銅、SUS等のステンレス鋼、チタン等を用いることができる。負極板2は、例えば、5〜50μmの範囲の厚さを備えることが好ましい。負極板2は、リチウムイオン二次電池1のエネルギー密度を向上させるためには、その厚さが薄い方が好ましいが5μm未満になると取り扱いが困難になり、生産性が低くなることがある。また、負極板2は、その厚さが50μmを超えるとリチウムイオン二次電池1のエネルギー密度が不十分になることがある。 The negative electrode plate 2 only needs to be made of a material having conductivity, and as the material, for example, stainless steel such as aluminum, copper, SUS, titanium, or the like can be used. The negative electrode plate 2 preferably has a thickness in the range of 5 to 50 μm, for example. In order to improve the energy density of the lithium ion secondary battery 1, the negative electrode plate 2 is preferably thin, but if it is less than 5 μm, handling becomes difficult and productivity may be lowered. Further, when the thickness of the negative electrode plate 2 exceeds 50 μm, the energy density of the lithium ion secondary battery 1 may become insufficient.
負極合剤層3は、負極活物質と、導電助剤と、バインダーとを分散媒としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)又は水に分散させた負極合剤層用スラリーを負極板2に塗工又は塗布することにより形成することができる。前記負極活物質としては、人造黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンナノチューブ、活性炭等の炭素材料、チタン酸リチウム、酸化バナジウム、酸化チタン等の酸化物、シリコン、酸化シリコン、亜鉛、アルミニウム、アンチモン、ゲルマニウム、スズ、鉛、銀、リン等を含む合金等を挙げることができる。負極合剤層3は、エネルギー密度の向上のために、前記負極活物質を負極合剤層3全体の80質量%以上、前記導電助剤を負極合剤層3全体の10質量%以下、前記バインダーを負極合剤層3全体の10質量%以下の範囲で含むことが好ましい。 The negative electrode mixture layer 3 is composed of a negative electrode mixture layer slurry obtained by dispersing a negative electrode active material, a conductive additive, and a binder in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or water as a dispersion medium. It can be formed by coating or coating. Examples of the negative electrode active material include carbon materials such as artificial graphite, natural graphite, hard carbon, soft carbon, carbon nanotube, activated carbon, oxides such as lithium titanate, vanadium oxide, and titanium oxide, silicon, silicon oxide, zinc, and aluminum. And alloys containing antimony, germanium, tin, lead, silver, phosphorus, and the like. In order to improve the energy density of the negative electrode mixture layer 3, the negative electrode active material is 80% by mass or more of the whole negative electrode mixture layer 3, and the conductive auxiliary agent is 10% by mass or less of the whole negative electrode mixture layer 3, It is preferable that the binder is contained within a range of 10% by mass or less of the entire negative electrode mixture layer 3.
微多孔セパレータ5は、微細な孔を有する膜であり、その孔をリチウムイオンが透過するが、電子伝導性がなく(絶縁性であり)、負極4と正極8との間に存在することで、短絡を防止する膜である。孔径は、特に限定されないが、大きすぎると負極4と正極8とが短絡しやすくなるため、1mm以下であることが望ましく、小さすぎるとリチウムイオンが透過しにくくなるため、10nm以上であることが望ましい。また、膜全体の空隙率が、10〜80容積%であるように均一に孔が空いていることが望ましい。微多孔性セパレータ5としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、ポリアミドイミド等を材料とするものを挙げることができる。微多孔性セパレータ5を用いることにより、リチウムイオン二次電池1のエネルギー密度を向上させることができ、薄膜化したときにも短絡を防止することができる。 The microporous separator 5 is a film having fine pores, through which lithium ions permeate, but has no electronic conductivity (is insulative) and exists between the negative electrode 4 and the positive electrode 8. It is a film that prevents short circuit. The pore diameter is not particularly limited, but if it is too large, the negative electrode 4 and the positive electrode 8 are likely to be short-circuited. Therefore, it is preferably 1 mm or less, and if it is too small, lithium ions are difficult to permeate. desirable. Further, it is desirable that the pores are uniformly formed so that the porosity of the entire membrane is 10 to 80% by volume. Examples of the microporous separator 5 include polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, polyimide, polyamideimide and the like. By using the microporous separator 5, the energy density of the lithium ion secondary battery 1 can be improved, and a short circuit can be prevented even when the film is thinned.
また、微多孔性セパレータ5に代えて、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、ポリアミドイミド等を材料とする繊維、ガラス繊維、パルプ繊維、セルロース繊維等の繊維からなる不織布セパレータを用いることもできる。 Moreover, it can replace with the microporous separator 5 and can also use the nonwoven fabric separator which consists of fibers, such as a fiber, glass fiber, a pulp fiber, a cellulose fiber, etc. which use polyethylene, a polypropylene, a polyvinylidene fluoride, a polyimide, a polyamideimide etc. as a material. .
正極板6は、導電性を備える材料からなるものであればよく、該材料として、例えば、アルミニウム、銅、SUS等のステンレス鋼、チタン等を用いることができる。正極板6は、例えば、5〜50μmの範囲の厚さを備えることが好ましい。正極板6は、リチウムイオン二次電池1のエネルギー密度を向上させるためには、その厚さが薄い方が好ましいが、5μm未満になると取り扱いが困難になり生産性が低くなることがある。また、正極板6は、その厚さが50μmを超えるとリチウムイオン二次電池1のエネルギー密度が不十分になることがある。 The positive electrode plate 6 may be made of a material having conductivity, and as the material, for example, stainless steel such as aluminum, copper, SUS, titanium, or the like can be used. The positive electrode plate 6 preferably has a thickness in the range of 5 to 50 μm, for example. In order to improve the energy density of the lithium ion secondary battery 1, the positive electrode plate 6 is preferably thinner. However, if the thickness is less than 5 μm, handling may become difficult and productivity may be reduced. Further, if the thickness of the positive electrode plate 6 exceeds 50 μm, the energy density of the lithium ion secondary battery 1 may become insufficient.
正極合剤層7は、正極活物質と、バインダー(結着剤)としてのポリフッ化ビニリデンとを分散媒としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散させた正極合剤層用スラリーを正極板6に塗工又は塗布することにより形成することができる。また、正極合剤層7は、正極活物質と、バインダーとしてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とを分散媒としての水に分散させた正極合剤層用スラリーを正極板6に塗工又は塗布することにより形成することもできる。 The positive electrode mixture layer 7 is a positive electrode mixture layer slurry in which a positive electrode active material and polyvinylidene fluoride as a binder (binder) are dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a dispersion medium. It can be formed by coating or applying to the positive electrode plate 6. The positive electrode mixture layer 7 is applied to or coated on the positive electrode plate 6 with a positive electrode mixture layer slurry in which a positive electrode active material and polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder are dispersed in water as a dispersion medium. It can also be formed.
前記正極活物質としては、LiMnO2、LixMn2O4(0<x<2)、Li2MnO3、LixMn1.5Ni0.5O4(0<x<2)等の層状構造又はスピネル構造を備えるマンガン酸リチウム、LiCoO2、LiNiO2又はこれらの遷移金属原子の一部を他の金属原子で置換したもの、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等の特定の遷移金属原子数が全金属原子数の半数を超えないリチウム遷移金属酸化物、これらのリチウム遷移金属酸化物において化学量論組成よりもLi原子数を過剰にしたリチウム遷移金属酸化物、LiFePO4等のオリビン構造を備えるリン酸鉄リチウム等を挙げることができる。また、前記正極活物質としては、前記金属酸化物の金属原子の一部を、Al、Fe、P、Ti、Si、Pb、Sn、In、Bi、Ag、Ba、Ca、Hg、Pd、Pt、Te、Zn、La等の金属原子により置換した材料を挙げることもできる。また、前記正極活物質としては、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンナノチューブ、活性炭等の炭素材料や、硫黄、鉛単体を挙げることもできる。 Examples of the positive electrode active material include LiMnO 2 , Li x Mn 2 O 4 (0 <x <2), Li 2 MnO 3 , Li x Mn 1.5 Ni 0.5 O 4 (0 <x <2), and the like. Lithium manganate having a layered structure or a spinel structure, LiCoO 2 , LiNiO 2 or those obtained by substituting some of these transition metal atoms with other metal atoms, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2, etc. Lithium transition metal oxides in which the number of specific transition metal atoms does not exceed half of the total number of metal atoms, lithium transition metal oxides in which the number of Li atoms in excess of the stoichiometric composition in these lithium transition metal oxides, Examples thereof include lithium iron phosphate having an olivine structure such as LiFePO 4 . Further, as the positive electrode active material, a part of metal atoms of the metal oxide may be Al, Fe, P, Ti, Si, Pb, Sn, In, Bi, Ag, Ba, Ca, Hg, Pd, Pt. A material substituted with a metal atom such as Te, Zn, La, etc. can also be mentioned. Examples of the positive electrode active material include carbon materials such as graphite, hard carbon, soft carbon, carbon nanotube, and activated carbon, and sulfur and lead alone.
前記正極活物質は、特に、LiαNiβCoγAlδO2(1≦α≦2、β+γ+δ=1、β≧0.7、γ≦0.2)又はLiαNiβCoγMnδO2(1≦α≦1.2、β+γ+δ=1、β≧0.6、γ≦0.2)で表される金属酸化物であることが好ましい。 In particular, the positive electrode active material is Li α Ni β Co γ Al δ O 2 (1 ≦ α ≦ 2, β + γ + δ = 1, β ≧ 0.7, γ ≦ 0.2) or Li α Ni β Co γ Mn δ. A metal oxide represented by O 2 (1 ≦ α ≦ 1.2, β + γ + δ = 1, β ≧ 0.6, γ ≦ 0.2) is preferable.
前記正極活物質は、前記化合物のいずれか1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。 As the positive electrode active material, any one of the above compounds may be used alone, or two or more may be used in combination.
正極合剤層7は、前記正極活物質を正極合剤層7全体の85質量%以上の範囲で含むことが好ましい。また、正極合剤層7は、前記正極活物質と前記バインダーとの他に導電助剤を含むものであってもよい。 The positive electrode mixture layer 7 preferably contains the positive electrode active material in a range of 85 mass% or more of the entire positive electrode mixture layer 7. Moreover, the positive mix layer 7 may contain a conductive support agent in addition to the positive electrode active material and the binder.
アルミラミネートフィルム9としては、アルミ箔上に、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)等のフィルムのコーティング層が形成された、ガスバリア性のあるフィルムを挙げることができ、50〜500μmの範囲の厚さを備えることが望ましい。 Examples of the aluminum laminate film 9 include a film having a gas barrier property in which a coating layer of a film of polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET) or the like is formed on an aluminum foil. It is desirable to have a thickness in the range of ˜500 μm.
前記リチウムイオン伝導性高分子固体電解質としては、リチウム塩を溶解した溶媒に、高分子材料を混合又は溶解させ、熱重合又は熱架橋させたものを用いることができる。前記高分子材料としては、ポリフッ化ビニリデン−六フッ化プロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンオキシド、ポリメタクリル酸メチル等を挙げることができる。また、モノマーであるアクリロニトリル、アクリル酸を混合させ熱重合させて高分子化させたものを前記高分子材料として用いることもできる。 As the lithium ion conductive polymer solid electrolyte, a polymer material mixed or dissolved in a solvent in which a lithium salt is dissolved and thermally polymerized or thermally crosslinked can be used. Examples of the polymer material include polyvinylidene fluoride-hexafluoride propylene, polytetrafluoroethylene, polyethylene oxide, polymethyl methacrylate, and the like. In addition, a polymer obtained by mixing monomers acrylonitrile and acrylic acid and polymerizing them by heat polymerization can also be used as the polymer material.
また、前記水系電解液としては、水道水よりも高純度とされた精製水に、支持塩としてのリチウム塩を、例えば、0.1〜3.0モル/リットルの範囲の濃度で、好ましくは0.6〜1.5モル/リットルの範囲の濃度で溶解したものを挙げることができる。前記支持塩のリチウム塩としては、LiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、Li2SO4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、Li3PO4、Li2HPO4、LiH2PO4、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、イミドアニオンを含むLiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)(C2F5SO2)、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、5員環構造を含むLiN(CF2SO2)2(CF2)、6員環構造を含むLiN(CF2SO2)2(CF2)2を挙げることができるが、特に、Li2SO4、LiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2が、水と反応しにくい点で望ましい。 In addition, as the aqueous electrolyte solution, a purified salt having a higher purity than tap water, a lithium salt as a supporting salt, for example, at a concentration in the range of 0.1 to 3.0 mol / liter, preferably What melt | dissolved by the density | concentration of the range of 0.6-1.5 mol / liter can be mentioned. Examples of the lithium salt of the supporting salt include LiPF 6 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , Li 2 SO 4 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiSbF 6 , Li 3 PO 4 , Li 2 HPO 4 , LiH 2 PO 4 , LiCF 3 SO. 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (FSO 2 ) 2 containing imide anion, LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 2 F 5 SO 2), LiN ( CF 3 SO 2) (C 4 F 9 SO 2), LiN containing 5-membered ring structure (CF 2 SO 2) 2 ( CF 2), LiN containing 6-membered ring structure (CF 2 SO 2) 2 (CF 2) but 2 can be cited, in particular, Li 2 SO 4, LiN ( FSO 2) 2, LiN (CF 3 SO 2) 2, LiN C 2 F 5 SO 2) 2 is preferable in that hardly reacts with water.
次に、図2を参照して、図1に示すリチウムイオン二次電池1の製造方法について説明する。 Next, with reference to FIG. 2, the manufacturing method of the lithium ion secondary battery 1 shown in FIG. 1 is demonstrated.
リチウムイオン二次電池1を製造する際には、まず、図2Aに示すように、負極板2と負極合剤層3とを備える負極4を微多孔性セパレータ袋体5aに収容する。負極板2は四角形状の一辺の端部にタブ状のリード電極2aを備えている。また、負極合剤層3は、前記負極活物質と前記導電助剤と前記バインダーとを分散媒としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)又は水に分散させた負極合剤層用スラリーを、負極板2の一方の面のリード電極2aを除く部分に、塗工又は塗布して形成されている。 When manufacturing the lithium ion secondary battery 1, first, as shown to FIG. 2A, the negative electrode 4 provided with the negative electrode plate 2 and the negative mix layer 3 is accommodated in the microporous separator bag 5a. The negative electrode plate 2 includes a tab-like lead electrode 2a at one end of a square shape. The negative electrode mixture layer 3 is a negative electrode mixture layer slurry in which the negative electrode active material, the conductive auxiliary agent, and the binder are dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or water as a dispersion medium. The negative electrode plate 2 is formed by coating or coating on a portion excluding the lead electrode 2a on one surface.
微多孔性セパレータ袋体5aは、四角形状の2枚の微多孔性セパレータ5を重ね合わせ、負極板2のリード電極2aが形成されている辺を除く3辺に対応する3辺を熱封止することにより形成されている。そして、微多孔性セパレータ袋体5aは、リード電極2aが形成されている辺に対応する側に開口部5bを備えている。 The microporous separator bag body 5a is formed by superposing two rectangular microporous separators 5 and heat-sealing three sides corresponding to the three sides excluding the side where the lead electrode 2a of the negative electrode plate 2 is formed. It is formed by doing. The microporous separator bag body 5a includes an opening 5b on the side corresponding to the side where the lead electrode 2a is formed.
次に、負極4が収容された微多孔性セパレータ袋体5aの開口部5bから、所定量のリチウムイオン伝導性高分子固体電解質液(図示せず)を注入し、負極4中の空隙及び微多孔性セパレータ5中の空隙に充填する。このとき、前記空隙に前記リチウムイオン伝導性高分子固体電解質液を充填しやすくするため、負極4が収容された微多孔性セパレータ袋体5aを密閉容器に入れ、該密閉容器内を真空にして該空隙部分の空気を取り除くことが望ましい。そして、開口部5bを熱封止し、前記リチウムイオン伝導性高分子固体電解質液を加熱してリチウムイオン伝導性高分子固体電解質とすることにより、図2Bに示すように、リード電極2aを除く部分が微多孔性セパレータ5により被覆されている負極4を得る。このとき、リード電極2aは微多孔性セパレータ5を貫通して露出した形状となっている。 Next, a predetermined amount of lithium ion conductive polymer solid electrolyte solution (not shown) is injected from the opening 5b of the microporous separator bag body 5a in which the negative electrode 4 is accommodated, and the voids and fine particles in the negative electrode 4 are injected. The voids in the porous separator 5 are filled. At this time, in order to make it easy to fill the void with the lithium ion conductive polymer solid electrolyte solution, the microporous separator bag body 5a containing the negative electrode 4 is put in a sealed container, and the inside of the sealed container is evacuated. It is desirable to remove air from the gap. Then, the opening 5b is heat sealed, and the lithium ion conductive polymer solid electrolyte solution is heated to form a lithium ion conductive polymer solid electrolyte, thereby removing the lead electrode 2a as shown in FIG. 2B. The negative electrode 4 whose part is covered with the microporous separator 5 is obtained. At this time, the lead electrode 2 a has a shape exposed through the microporous separator 5.
次に、図2Cに示すように、リード電極2aを除く部分が微多孔性セパレータ5により被覆されている負極4と、正極板6と正極合剤層7とを備える正極8とをアルミラミネートフィルム袋体9aに収容する。このとき、正極8は、正極合剤層7が微多孔性セパレータ5を介して負極合剤層3に対向するようにされている。 Next, as shown in FIG. 2C, an aluminum laminate film is formed by combining a negative electrode 4 whose portion excluding the lead electrode 2 a is covered with a microporous separator 5, and a positive electrode 8 including a positive electrode plate 6 and a positive electrode mixture layer 7. It accommodates in the bag body 9a. At this time, the positive electrode 8 is configured such that the positive electrode mixture layer 7 faces the negative electrode mixture layer 3 with the microporous separator 5 interposed therebetween.
正極板6は四角形状の一辺の端部にタブ状のリード電極6aを備えている。また、正極合剤層7は、前記正極活物質と前記バインダー(結着剤)としてのポリフッ化ビニリデン又はポリテトラフルオロエチレンとを、分散媒としてのN−メチル−2−ピロリドン(NMP)又は水に分散させた正極合剤層用スラリーを、正極板6の一方の面のリード電極6aを除く部分に、塗工又は塗布して形成されている。 The positive electrode plate 6 is provided with a tab-like lead electrode 6a at an end portion of one side of a square shape. Further, the positive electrode mixture layer 7 includes the positive electrode active material and polyvinylidene fluoride or polytetrafluoroethylene as the binder (binder), and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or water as a dispersion medium. The slurry for the positive electrode mixture layer dispersed in is applied or applied to a portion of one surface of the positive electrode plate 6 excluding the lead electrode 6a.
アルミラミネートフィルム袋体9aは、四角形状の2枚のアルミラミネートフィルム9を重ね合わせ、正極板6のリード電極6aが形成されている辺を除く3辺に対応する3辺を熱封止することにより形成されている。このとき、リード電極2aを除く部分が微多孔性セパレータ5により被覆されている負極4は、リード電極2aが形成されている辺が、正極8のリード電極6aが形成されている辺の対辺となるように配置されている。また、リード電極2aはアルミラミネートフィルム袋体9aを貫通した形状となっている。そして、アルミラミネートフィルム袋体9aは、リード電極6aが形成されている辺に対応する側に開口部9bを備えている。 The aluminum laminate film bag 9a is formed by superposing two rectangular aluminum laminate films 9 and heat-sealing three sides corresponding to the three sides excluding the side where the lead electrode 6a of the positive electrode plate 6 is formed. It is formed by. At this time, in the negative electrode 4 where the portion excluding the lead electrode 2a is covered with the microporous separator 5, the side where the lead electrode 2a is formed is opposite to the side opposite to the side where the lead electrode 6a of the positive electrode 8 is formed. It is arranged to be. The lead electrode 2a has a shape penetrating the aluminum laminated film bag 9a. The aluminum laminated film bag body 9a includes an opening 9b on the side corresponding to the side where the lead electrode 6a is formed.
次に、リード電極2aを除く部分が微多孔性セパレータ5により被覆されている負極4と、正極8とが収容されたアルミラミネートフィルム袋体9aの開口部9bから、所定量の水系電解液(図示せず)を注入する。そして、開口部9bを熱封止して、図2Dに示すように、リード電極2a及びリード電極6aを除く部分がアルミラミネートフィルム9により被覆されているリチウムイオン二次電池1を得る。このとき、リード電極2aは微多孔性セパレータ5及びアルミラミネートフィルム9を貫通して露出した形状となっており、リード電極6aはアルミラミネートフィルム9を貫通して露出した形状となっている。 Next, a predetermined amount of an aqueous electrolyte (from the opening 9b of the aluminum laminated film bag 9a in which the negative electrode 4 whose portion excluding the lead electrode 2a is covered with the microporous separator 5 and the positive electrode 8 is accommodated ( Inject (not shown). Then, the opening 9b is heat-sealed to obtain the lithium ion secondary battery 1 in which the portions excluding the lead electrode 2a and the lead electrode 6a are covered with the aluminum laminate film 9, as shown in FIG. 2D. At this time, the lead electrode 2a has a shape exposed through the microporous separator 5 and the aluminum laminate film 9, and the lead electrode 6a has a shape exposed through the aluminum laminate film 9.
次に、本発明の実施例及び比較例を示す。 Next, examples and comparative examples of the present invention are shown.
〔実施例〕
本実施例では、まず、負極活物質としてのチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)85質量部と、導電助剤としてのアセチレンブラック5質量部と、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン10質量部とを混合し、溶媒としてのN−メチル−2−ピロリドンに溶解して負極合剤層用スラリーを調製した。次に、厚さ15μmのアルミニウム箔からなる負極板2に、ドクターブレードを用いて前記負極合剤層用スラリーを塗工し、負極合剤層3を形成し、負極4とした。
〔Example〕
In this example, first, 85 parts by mass of lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ) as a negative electrode active material, 5 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, 10 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder, Were dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to prepare a slurry for a negative electrode mixture layer. Next, the negative electrode mixture layer slurry was applied to the negative electrode plate 2 made of an aluminum foil having a thickness of 15 μm using a doctor blade to form the negative electrode mixture layer 3.
次に、LiN(CF3SO2)2を、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とをEC:DEC=1:2の容積比で混合した混合溶媒に、1モル/リットルの濃度で溶解して、電解液を調製した。そして、前記電解液に、ポリフッ化ビニリデン−六フッ化プロピレンを10質量%の濃度で溶解して、リチウムイオン伝導性高分子固体電解質溶液を調製した。 Next, LiN (CF 3 SO 2 ) 2 was mixed with a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a volume ratio of EC: DEC = 1: 2 at a concentration of 1 mol / liter. It melt | dissolved and electrolyte solution was prepared. Then, polyvinylidene fluoride-propylene hexafluoride was dissolved in the electrolytic solution at a concentration of 10% by mass to prepare a lithium ion conductive polymer solid electrolyte solution.
次に、図2Aに示すように、四角形状の2枚の微多孔性セパレータ5の3辺が熱封止された微多孔性セパレータ袋体5aに負極4を収容し、開口部5bから前記リチウムイオン伝導性高分子固体電解質溶液を注入して、負極4中の空隙及び微多孔性セパレータ5中の空隙に充填した。微多孔性セパレータ5としては、ポリエチレンを基材とする厚さ15μmの単層のものを用いた。 Next, as shown in FIG. 2A, the negative electrode 4 is accommodated in a microporous separator bag 5a in which three sides of two rectangular microporous separators 5 are heat-sealed, and the lithium 5 is opened from the opening 5b. An ion conductive polymer solid electrolyte solution was injected to fill the voids in the negative electrode 4 and the voids in the microporous separator 5. As the microporous separator 5, a single layer having a thickness of 15 μm based on polyethylene was used.
次に、開口部5bを熱封止し、60℃の環境下で1時間熱処理することにより、前記リチウムイオン伝導性高分子固体電解質溶液をリチウムイオン伝導性高分子固体電解質とし、図2Bに示すように、リード電極2aを除く部分が微多孔性セパレータ5に被覆され、リード電極2aのみが微多孔性セパレータ5から露出した形状となっている負極4を得た。 Next, the opening 5b is heat-sealed and heat-treated in an environment of 60 ° C. for 1 hour to make the lithium ion conductive polymer solid electrolyte solution a lithium ion conductive polymer solid electrolyte, as shown in FIG. 2B. As described above, the negative electrode 4 having a shape in which the portion excluding the lead electrode 2 a was covered with the microporous separator 5 and only the lead electrode 2 a was exposed from the microporous separator 5 was obtained.
次に、正極活物質としてのマンガン酸リチウム(LiMn2O4)85質量部と、導電助剤としてのアセチレンブラック9質量部と、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン6質量部とを混合し、溶媒としてのN−メチル−2−ピロリドンに溶解して正極合剤層用スラリーを調製した。次に、厚さ15μmのチタン箔からなる正極板6に、ドクターブレードを用いて前記正極合剤層用スラリーを塗工し、正極合剤層7を形成し、正極8とした。 Next, 85 parts by mass of lithium manganate (LiMn 2 O 4 ) as a positive electrode active material, 9 parts by mass of acetylene black as a conductive additive, and 6 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder are mixed and used as a solvent. The slurry for positive electrode mixture layer was prepared by dissolving in N-methyl-2-pyrrolidone. Next, the positive electrode mixture layer slurry was applied to the positive electrode plate 6 made of a titanium foil having a thickness of 15 μm using a doctor blade to form the positive electrode mixture layer 7.
次に、Li2SO4を精製水に0.8モル/リットルの濃度で溶解して水系電解液を調製した。 Next, Li 2 SO 4 was dissolved in purified water at a concentration of 0.8 mol / liter to prepare an aqueous electrolyte.
次に、図2Cに示すように、四角形状の2枚のアルミラミネートフィルム9の3辺が熱封止されたアルミラミネートフィルム袋体9aに、リード電極2aを除く部分が微多孔性セパレータ5により被覆されている負極4と、正極8とを収容し、開口部9bから前記水系電解液を注入した。 Next, as shown in FIG. 2C, an aluminum laminate film bag 9a in which three sides of two rectangular aluminum laminate films 9 are heat-sealed, and a portion excluding the lead electrode 2a is formed by a microporous separator 5. The coated negative electrode 4 and positive electrode 8 were accommodated, and the aqueous electrolyte solution was injected from the opening 9b.
また、負極4は、リード電極2aが形成されている辺が、正極8のリード電極6aが形成されている辺の対辺となるように配置されており、リード電極2aはアルミラミネートフィルム袋体9aを貫通して露出している。 The negative electrode 4 is arranged so that the side on which the lead electrode 2a is formed is opposite to the side on which the lead electrode 6a of the positive electrode 8 is formed, and the lead electrode 2a is an aluminum laminated film bag body 9a. It is exposed through.
次に、開口部9bを熱封止して、図1及び図2Dに示すように、リード電極2a及びリード電極6aを除く部分がアルミラミネートフィルム9に被覆されたリチウムイオン二次電池1を得た。このとき、リード電極2aは微多孔性セパレータ5及びアルミラミネートフィルム9を貫通して露出した形状となっており、リード電極6aはアルミラミネートフィルム9を貫通して露出した形状となっている。 Next, the opening 9b is heat-sealed to obtain a lithium ion secondary battery 1 in which a portion excluding the lead electrode 2a and the lead electrode 6a is covered with an aluminum laminate film 9 as shown in FIGS. 1 and 2D. It was. At this time, the lead electrode 2a has a shape exposed through the microporous separator 5 and the aluminum laminate film 9, and the lead electrode 6a has a shape exposed through the aluminum laminate film 9.
次に、本実施例で得られたリチウムイオン二次電池1を、25℃の環境下、0.1Cにて2.8Vまで充電し、2.8Vで5分間定電圧充電を行った後、2.0Vまで放電させた。このときの充放電曲線を図3に示す。 Next, the lithium ion secondary battery 1 obtained in this example was charged to 2.8 V at 0.1 C in an environment of 25 ° C., and then charged at a constant voltage of 2.8 V for 5 minutes. It was discharged to 2.0V. The charge / discharge curve at this time is shown in FIG.
次に、本実施例で得られたリチウムイオン二次電池1を、12Cで2.8Vまで充電し、5分間定電圧充電を行った後、12Cで2.0Vまで放電させることによりサイクル試験を行った。結果を図4に示す。 Next, the lithium ion secondary battery 1 obtained in this example was charged to 2.8 V at 12 C, charged at a constant voltage for 5 minutes, and then discharged to 2.0 V at 12 C to perform a cycle test. went. The results are shown in FIG.
〔比較例〕
本比較例のリチウムイオン二次電池11は、図5に示すように、リチウムイオン伝導性高分子固体電解質(図示せず)で被覆された負極板12と、負極板12上に形成された負極合剤層13とからなる負極14と、シート状の微多孔性セパレータ15と、リチウムイオン伝導性高分子固体電解質(図示せず)で被覆された正極板16と、正極板16上に形成された正極合剤層17とからなる正極18とが、アルミラミネートフィルム19に被覆された構成を備えている。リチウムイオン二次電池11において、負極14と正極18とは、シート状の微多孔性セパレータ15を介して負極合剤層13と正極合剤層17とが対向するように配置されている。また、負極板12及び正極板16はそれぞれその端部にタブ状のリード電極12a及びリード電極16aを備え、リード電極12a及びリード電極16aはアルミラミネートフィルム19を貫通して設けられている。
[Comparative example]
As shown in FIG. 5, the lithium ion secondary battery 11 of this comparative example includes a negative electrode plate 12 covered with a lithium ion conductive polymer solid electrolyte (not shown), and a negative electrode formed on the negative electrode plate 12. A negative electrode 14 composed of a mixture layer 13, a sheet-like microporous separator 15, a positive electrode plate 16 covered with a lithium ion conductive polymer solid electrolyte (not shown), and a positive electrode plate 16. The positive electrode 18 composed of the positive electrode mixture layer 17 is covered with an aluminum laminate film 19. In the lithium ion secondary battery 11, the negative electrode 14 and the positive electrode 18 are arranged so that the negative electrode mixture layer 13 and the positive electrode mixture layer 17 face each other with a sheet-like microporous separator 15 interposed therebetween. The negative electrode plate 12 and the positive electrode plate 16 are each provided with a tab-like lead electrode 12a and a lead electrode 16a at their ends, and the lead electrode 12a and the lead electrode 16a are provided through the aluminum laminate film 19.
本比較例では、図5に示す構成を備えるリチウムイオン二次電池11を次のようにして作成した。 In this comparative example, a lithium ion secondary battery 11 having the configuration shown in FIG. 5 was prepared as follows.
まず、前記実施例と全く同一にして調製したリチウムイオン伝導性高分子固体電解質溶液を負極板12の表面に塗工して、60℃の環境下で1時間熱処理することにより、該リチウムイオン伝導性高分子固体電解質溶液をリチウムイオン伝導性高分子固体電解質とし、該リチウムイオン伝導性高分子固体電解質で被覆された負極板12を得た。 First, a lithium ion conductive polymer solid electrolyte solution prepared in exactly the same manner as in the above example was applied to the surface of the negative electrode plate 12 and heat-treated in an environment of 60 ° C. for 1 hour, whereby the lithium ion conduction The negative electrode plate 12 coated with the lithium ion conductive polymer solid electrolyte was obtained using the conductive polymer solid electrolyte solution as a lithium ion conductive polymer solid electrolyte.
次に、前記リチウムイオン伝導性高分子固体電解質で被覆された負極板12を用いた以外は、前記実施例の負極4と全く同一にして負極14を得た。 Next, a negative electrode 14 was obtained in exactly the same manner as the negative electrode 4 of the above example except that the negative electrode plate 12 covered with the lithium ion conductive polymer solid electrolyte was used.
次に、前記実施例と全く同一にして調製したリチウムイオン伝導性高分子固体電解質溶液を正極板16の表面に塗工して、60℃の環境下で1時間熱処理することにより、該リチウムイオン伝導性高分子固体電解質溶液をリチウムイオン伝導性高分子固体電解質とし、該リチウムイオン伝導性高分子固体電解質で被覆された正極板16を得た。 Next, a lithium ion conductive polymer solid electrolyte solution prepared in exactly the same manner as in the above example was applied to the surface of the positive electrode plate 16 and heat treated in an environment of 60 ° C. for 1 hour, whereby the lithium ion The conductive polymer solid electrolyte solution was used as a lithium ion conductive polymer solid electrolyte, and a positive electrode plate 16 coated with the lithium ion conductive polymer solid electrolyte was obtained.
次に、前記リチウムイオン伝導性高分子固体電解質で被覆された正極板16を用いた以外は、前記実施例の正極8と全く同一にして正極18を得た。 Next, a positive electrode 18 was obtained in exactly the same manner as the positive electrode 8 of the above example except that the positive electrode plate 16 coated with the lithium ion conductive polymer solid electrolyte was used.
次に、負極14と正極18とを、シート状の微多孔性セパレータ15を介して負極合剤層13と正極合剤層17とが対向するように積層した以外は、前記実施例と全く同一にして、図2Cのアルミラミネートフィルム袋体9aに収容した。このとき、微多孔性セパレータ15はシート状であって、負極14の負極合剤層13の表面のみを被覆している。また、負極14は、リード電極12aが形成されている辺が、正極18のリード電極16aが形成されている辺の対辺となるように配置されており、リード電極12aはアルミラミネートフィルム袋体9aを貫通して露出し、リード電極16aは開口部9bから露出している。 Next, the negative electrode 14 and the positive electrode 18 were exactly the same as in the above example except that the negative electrode mixture layer 13 and the positive electrode mixture layer 17 were laminated with the sheet-like microporous separator 15 therebetween. Thus, the aluminum laminated film bag body 9a of FIG. 2C was accommodated. At this time, the microporous separator 15 has a sheet shape and covers only the surface of the negative electrode mixture layer 13 of the negative electrode 14. The negative electrode 14 is disposed so that the side on which the lead electrode 12a is formed is opposite to the side on which the lead electrode 16a of the positive electrode 18 is formed, and the lead electrode 12a is formed of the aluminum laminated film bag 9a. The lead electrode 16a is exposed from the opening 9b.
次に、開口部9bから前記実施例と全く同一にして調製された電解液を注入し、開口部9bを熱封止して、図5に示すリチウムイオン二次電池11を得た。 Next, an electrolyte prepared in exactly the same way as in the above example was injected from the opening 9b, and the opening 9b was heat-sealed to obtain the lithium ion secondary battery 11 shown in FIG.
次に、本比較例で得られたリチウムイオン二次電池11を、25℃の環境下、0.1Cにて2.8Vまで充電し、2.8Vで5分間定電圧充電を行った後、2.0Vまで放電させた。このときの充放電曲線を図6に示す。 Next, the lithium ion secondary battery 11 obtained in this comparative example was charged to 2.8 V at 0.1 C under an environment of 25 ° C., and after performing constant voltage charging at 2.8 V for 5 minutes, It was discharged to 2.0V. The charge / discharge curve at this time is shown in FIG.
次に、本比較例で得られたリチウムイオン二次電池11を、12Cで2.8Vまで充電し、5分間定電圧充電を行った後、12Cで2.0Vまで放電させることによりサイクル試験を行った。結果を図4に示す。 Next, the lithium ion secondary battery 11 obtained in this comparative example was charged to 2.8 V at 12 C, charged at a constant voltage for 5 minutes, and then discharged to 2.0 V at 12 C to perform a cycle test. went. The results are shown in FIG.
図3及び図6から、前記実施例で得られたリチウムイオン二次電池1によれば充電容量に対する放電容量の損失が19%程度であるのに対し、前記比較例で得られたリチウムイオン二次電池11では70%に達していることがわかる。このことから、前記実施例で得られたリチウムイオン二次電池1によれば、水系電解液に含まれる水の電気分解を抑制することができることが明らかである。 3 and 6, the lithium ion secondary battery 1 obtained in the above example has a discharge capacity loss of about 19% with respect to the charge capacity, whereas the lithium ion secondary battery obtained in the comparative example is about 19%. It can be seen that the secondary battery 11 reaches 70%. From this, according to the lithium ion secondary battery 1 obtained in the said Example, it is clear that the electrolysis of the water contained in aqueous electrolyte solution can be suppressed.
また、図4から前記実施例で得られたリチウムイオン二次電池1によれば、前記比較例で得られたリチウムイオン二次電池11に比較して、優れたサイクル性能を備えていることが明らかである。 Moreover, according to the lithium ion secondary battery 1 obtained in the above embodiment from FIG. 4, it has excellent cycle performance as compared with the lithium ion secondary battery 11 obtained in the comparative example. it is obvious.
1…リチウムイオン二次電池、 3…負極活物質、 4…負極、 5…微多孔性セパレータ、 7…正極活物質、 8…正極。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Lithium ion secondary battery, 3 ... Negative electrode active material, 4 ... Negative electrode, 5 ... Microporous separator, 7 ... Positive electrode active material, 8 ... Positive electrode.
Claims (2)
微多孔性セパレータが該負極の少なくとも該正極に対向する面を被覆する一方、該負極中の空隙及び微多孔性セパレータ中の空隙がリチウムイオン伝導性高分子固体電解質で充填されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。 Lithium ion secondary comprising a negative electrode containing a negative electrode active material, a positive electrode containing a positive electrode active material, a microporous separator disposed between the negative electrode and the positive electrode, and an aqueous electrolyte containing water as a solvent A battery,
The microporous separator covers at least the surface of the negative electrode facing the positive electrode, and the voids in the negative electrode and the voids in the microporous separator are filled with a lithium ion conductive polymer solid electrolyte. Lithium ion secondary battery.
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