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JP2018125216A - Lithium ion secondary battery - Google Patents

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JP2018125216A
JP2018125216A JP2017017801A JP2017017801A JP2018125216A JP 2018125216 A JP2018125216 A JP 2018125216A JP 2017017801 A JP2017017801 A JP 2017017801A JP 2017017801 A JP2017017801 A JP 2017017801A JP 2018125216 A JP2018125216 A JP 2018125216A
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JP
Japan
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positive electrode
active material
transition metal
electrode active
metal
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Application number
JP2017017801A
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Japanese (ja)
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鈴木 健太郎
Kentaro Suzuki
健太郎 鈴木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion secondary battery which can suppress excessive heat generation during overcharge.SOLUTION: A lithium ion secondary battery includes a lithium transition metal complex oxide containing at least one transition metal element selected from the group consisting of nickel, cobalt, and manganese as a positive electrode active material. The positive electrode includes metal-containing particles that elute at a positive electrode potential lower than the positive electrode potential at which transition metal elution of the lithium transition metal complex oxide occurs.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、リチウム遷移金属複合酸化物からなる正極活物質を備えた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 including a positive electrode active material made of a lithium transition metal composite oxide.

軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、車両搭載用高出力電源あるいはパソコンや携帯端末等の電源として好ましく用いられている。この種のリチウムイオン二次電池の一つの典型的な構成では、リチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出し得る材料(電極活物質)が導電性部材(電極集電体)に保持された構成の電極を備える。例えば、正極に用いられる電極活物質(正極活物質)の一つとして、リチウム(Li)とニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)のうちの少なくとも1種の遷移金属元素とを構成金属元素として含む酸化物(リチウム遷移金属複合酸化物)が広く用いられている。リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物からなる正極活物質に関する従来技術として、特許文献1が挙げられる。   Lithium ion secondary batteries that are lightweight and have a high energy density are preferably used as high-output power sources for mounting on vehicles or power sources for personal computers and portable terminals. In a typical configuration of this type of lithium ion secondary battery, a material (electrode active material) capable of reversibly occluding and releasing lithium ions is held in a conductive member (electrode current collector). With electrodes. For example, as one of the electrode active materials (positive electrode active materials) used for the positive electrode, lithium (Li) and at least one transition metal element of nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn) are used. Oxides (lithium transition metal composite oxides) containing constituent metal elements are widely used. Patent document 1 is mentioned as a prior art regarding the positive electrode active material which consists of lithium nickel cobalt manganese complex oxide.

特開2015―133217号公報JP2015-133217A

しかしながら、上記リチウム遷移金属複合酸化物を用いた正極では、過充電時に高電位に晒されると遷移金属が溶出するという問題がある。遷移金属が溶出すると、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶構造が崩壊する際に酸素の放出が起こり、放出した酸素と非水電解液とが反応することによって大きな発熱反応を起こす可能性がある。本発明は上記課題を解決するものである。   However, the positive electrode using the lithium transition metal composite oxide has a problem that the transition metal is eluted when exposed to a high potential during overcharge. When the transition metal is eluted, oxygen is released when the crystal structure of the lithium transition metal composite oxide collapses, and there is a possibility that a large exothermic reaction occurs due to the reaction between the released oxygen and the non-aqueous electrolyte. The present invention solves the above problems.

ここで提案されるリチウムイオン二次電池は、正極活物質として、ニッケル、コバルトおよびマンガンからなる群から選択された少なくとも1種の遷移金属元素を含むリチウム遷移金属複合酸化物を有する正極と負極とセパレータと非水電解液とを備える。前記正極は、前記リチウム遷移金属複合酸化物の遷移金属溶出が生じる正極電位よりも低い正極電位で溶出する含金属粒子を含む。かかる構成によれば、過充電時にリチウム遷移金属複合酸化物の遷移金属の溶出が生じるより先に、含金属粒子が溶出することによって、電池の電位上昇を抑えて、リチウム遷移金属複合酸化物の構造崩壊(ひいては酸素の放出)を抑制することができる。   The lithium ion secondary battery proposed here includes a positive electrode and a negative electrode having a lithium transition metal composite oxide containing at least one transition metal element selected from the group consisting of nickel, cobalt and manganese as a positive electrode active material. A separator and a non-aqueous electrolyte are provided. The positive electrode includes metal-containing particles that elute at a positive electrode potential lower than the positive electrode potential at which transition metal elution of the lithium transition metal composite oxide occurs. According to such a configuration, the elution of the metal-containing particles prior to the elution of the transition metal of the lithium transition metal composite oxide during overcharge suppresses the increase in battery potential, thereby reducing the lithium transition metal composite oxide. Structural collapse (and hence oxygen release) can be suppressed.

一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の断面図である。It is sectional drawing of the lithium ion secondary battery which concerns on one Embodiment. 一実施形態に係る捲回電極体を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the winding electrode body which concerns on one Embodiment. 従来の正極構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the conventional positive electrode structure. 一実施形態に係る正極構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the positive electrode structure which concerns on one Embodiment. 含金属粒子の含有量と含金属粒子の溶出量および容量維持率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between content of a metal-containing particle, the elution amount of a metal-containing particle, and a capacity | capacitance maintenance factor. 過充電時における電圧の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the voltage at the time of overcharge. 過充電時における電池温度の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the battery temperature at the time of overcharge.

以下、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池を説明する。ここで説明される実施形態は、当然ながら特に本発明を限定することを意図したものではない。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。また、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略または簡略化する。   Hereinafter, a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described. The embodiments described herein are, of course, not intended to limit the present invention in particular. In addition, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect actual dimensional relationships. Further, members / parts having the same action are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted or simplified.

以下では捲回タイプの電極体(以下「捲回電極体」という。)と非水電解液とを角形(ここでは、直方体の箱形状)のケースに収容した形態のリチウムイオン二次電池を例に挙げる。なお、電池構造は、図示例に限定されず、特に、角形電池に限定されない。   In the following, an example of a lithium ion secondary battery in which a wound type electrode body (hereinafter referred to as “wound electrode body”) and a non-aqueous electrolyte are accommodated in a rectangular (here, rectangular box shape) case is shown as an example. To The battery structure is not limited to the illustrated example, and is not particularly limited to a prismatic battery.

図1は、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池100を示している。このリチウムイオン二次電池100は、図1に示すように、捲回電極体20と電池ケース30とを備えている。図2は、捲回電極体20を示す図である。本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池100は、図1および図2に示すように、扁平形状の捲回電極体20が、図示しない液状電解質(電解液)とともに、扁平な角形の電池ケース(即ち外装容器)30に収容されている。   FIG. 1 shows a lithium ion secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the lithium ion secondary battery 100 includes a wound electrode body 20 and a battery case 30. FIG. 2 is a view showing the wound electrode body 20. As shown in FIGS. 1 and 2, a lithium ion secondary battery 100 according to an embodiment of the present invention includes a flat wound electrode body 20 having a flat rectangular shape together with a liquid electrolyte (electrolytic solution) (not shown). The battery case (that is, the exterior container) 30 is accommodated.

電池ケース30は、一端(電池の通常の使用状態における上端部に相当する。)に開口部を有する箱形(すなわち有底直方体状)のケース本体32と、その開口部に取り付けられて該開口部を塞ぐ矩形状プレート部材からなる封口板(蓋体)34とから構成される。電池ケース30の材質は、例えばアルミニウムが例示される。図1に示すように、封口板34には外部接続用の正極端子42および負極端子44が形成されている。封口板34の両端子42、44の間には、電池ケース30の内圧が所定レベル以上に上昇した場合に該内圧を開放するように構成された薄肉の安全弁36が形成されている。ここに開示される技術では、後述するように、過充電時に正極50の構造が保たれて酸素の放出が抑えられるので、安全弁36を適切に作動させることができる。   The battery case 30 has a box-shaped (that is, bottomed rectangular parallelepiped) case body 32 having an opening at one end (corresponding to the upper end in a normal use state of the battery), and the opening attached to the opening. It is comprised from the sealing board (lid body) 34 which consists of a rectangular-shaped plate member which plugs up a part. The material of the battery case 30 is exemplified by aluminum, for example. As shown in FIG. 1, a positive terminal 42 and a negative terminal 44 for external connection are formed on the sealing plate 34. A thin safety valve 36 is formed between the terminals 42 and 44 of the sealing plate 34 so as to release the internal pressure when the internal pressure of the battery case 30 rises above a predetermined level. In the technique disclosed herein, as will be described later, the structure of the positive electrode 50 is maintained during overcharge and oxygen release is suppressed, so that the safety valve 36 can be appropriately operated.

捲回電極体20は、図2に示すように、長尺なシート状正極(正極シート50)と、該正極シート50と同様の長尺シート状負極(負極シート60)とを計二枚の長尺シート状セパレータ(セパレータ70,72)とを備えている。正極シート50と負極シート60とセパレータ70,72とは、捲回軸WLまわりに捲回されている。   As shown in FIG. 2, the wound electrode body 20 includes a long sheet-like positive electrode (positive electrode sheet 50) and a long sheet-like negative electrode (negative electrode sheet 60) similar to the positive electrode sheet 50 in total. And a long sheet separator (separators 70 and 72). The positive electrode sheet 50, the negative electrode sheet 60, and the separators 70 and 72 are wound around the winding axis WL.

正極シート50は、帯状の正極集電体52と正極活物質層54とを備えている。正極集電体52には、例えば、帯状のアルミニウム箔が用いられている。正極集電体52の幅方向片側の縁部に沿って未塗工部52aが設定されている。図示例では、正極活物質層54は、正極集電体52に設定された未塗工部52aを除いて、正極集電体52の両面に保持されている。正極活物質層54には、正極活物質、含金属粒子、導電材およびバインダが含まれている。   The positive electrode sheet 50 includes a strip-shaped positive electrode current collector 52 and a positive electrode active material layer 54. For example, a strip-shaped aluminum foil is used for the positive electrode current collector 52. An uncoated portion 52 a is set along the edge on one side in the width direction of the positive electrode current collector 52. In the illustrated example, the positive electrode active material layer 54 is held on both surfaces of the positive electrode current collector 52 except for an uncoated portion 52 a set on the positive electrode current collector 52. The positive electrode active material layer 54 includes a positive electrode active material, metal-containing particles, a conductive material, and a binder.

正極活物質(典型的には粒子状)には、ニッケル、コバルトおよびマンガンからなる群から選択された少なくとも1種の遷移金属元素を含むリチウム遷移金属複合酸化物が用いられている。例えば、リチウムと上記遷移金属元素とを構成金属元素として含む層状構造やスピネル構造等のリチウム遷移金属複合酸化物を用いることができる。好適例としては、LiNiO等の層状構造リチウムニッケル複合酸化物、LiCoO等の層状構造リチウムコバルト複合酸化物、LiNi1/3Co1/3Mn1/3等の層状構造リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物、LiMn等のスピネル構造リチウムマンガン複合酸化物、LiNi0.5Mn1.5等のスピネル構造リチウムニッケルマンガン複合酸化物が挙げられる。 As the positive electrode active material (typically in particulate form), a lithium transition metal composite oxide containing at least one transition metal element selected from the group consisting of nickel, cobalt, and manganese is used. For example, a lithium transition metal composite oxide having a layered structure or a spinel structure including lithium and the transition metal element as constituent metal elements can be used. Preferred examples include layered structure lithium nickel composite oxide such as LiNiO 2 , layered structure lithium cobalt composite oxide such as LiCoO 2 , and layered structure lithium nickel cobalt such as LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2. Examples include manganese composite oxides, spinel structure lithium manganese composite oxides such as LiMn 2 O 4 , and spinel structure lithium nickel manganese composite oxides such as LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 .

ここで開示される正極活物質層54は、正極活物質の他に、含金属粒子を含有する。含金属粒子は、リチウム遷移金属複合酸化物において遷移金属(Ni,Co,Mn)の溶出が生じる正極電位よりも低い正極電位で溶出するものであり得る。例えば、含金属粒子は、金属リチウム基準で4.8V以下(典型的には4.2V〜4.8V)、好ましくは4.6V以下の電極電位を有する金属単体または金属化合物であることが好ましい。そのような含金属粒子としては、二クロム酸(HCr)粒子、金(Au)粒子、セリウム(Ce)粒子、二酸化鉛(PbO)粒子等が挙げられる。金属リチウム基準における各金属種の電極電位は、二クロム酸が約4.3V、金が約4.5V、セリウムが約4.6V、二酸化鉛が約4.6Vである。 The positive electrode active material layer 54 disclosed here contains metal-containing particles in addition to the positive electrode active material. The metal-containing particles can be eluted at a positive electrode potential lower than the positive electrode potential at which the transition metal (Ni, Co, Mn) is eluted in the lithium transition metal composite oxide. For example, the metal-containing particles are preferably a simple metal or a metal compound having an electrode potential of 4.8 V or less (typically 4.2 V to 4.8 V), preferably 4.6 V or less on the basis of metallic lithium. . Examples of such metal-containing particles include dichromic acid (H 2 Cr 2 O 7 ) particles, gold (Au) particles, cerium (Ce) particles, and lead dioxide (PbO 2 ) particles. The electrode potential of each metal species on the metal lithium basis is about 4.3V for dichromic acid, about 4.5V for gold, about 4.6V for cerium, and about 4.6V for lead dioxide.

上記含金属粒子は、過充電時にリチウム遷移金属複合酸化物よりも先に溶出することで、リチウム遷移金属複合酸化物からの酸素の放出を抑制し得る。すなわち、図3に示すように、前述したリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極50が過充電時に高電位に晒されると、リチウム遷移金属複合酸化物から遷移金属(Ni,Co,Mn)が溶出することがあり得る。遷移金属が溶出すると、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶構造が崩壊する際に酸素の放出が起こり、放出した酸素と非水電解液とが反応することによって大きな発熱反応を起こす可能性がある。しかしながら、ここに開示される技術によれば、図4に示すように、正極50に上記含金属粒子(図示した例ではAu粒子)を含有させることで、過充電時にリチウム遷移金属複合酸化物の遷移金属の溶出が生じるより先に、含金属粒子が溶出する。このことによって、電池の電位上昇が抑えられ、正極の構造崩壊ひいては酸素の放出が抑制される。その結果、放出された酸素と電解液との反応に起因する過度な発熱が抑制された信頼性の高いリチウムイオン二次電池が実現され得る。   The metal-containing particles can suppress the release of oxygen from the lithium transition metal composite oxide by eluting before the lithium transition metal composite oxide during overcharge. That is, as shown in FIG. 3, when the positive electrode 50 including the above-described lithium transition metal composite oxide is exposed to a high potential during overcharge, the transition metal (Ni, Co, Mn) is eluted from the lithium transition metal composite oxide. Can be. When the transition metal is eluted, oxygen is released when the crystal structure of the lithium transition metal composite oxide collapses, and there is a possibility that a large exothermic reaction occurs due to the reaction between the released oxygen and the non-aqueous electrolyte. However, according to the technique disclosed herein, as shown in FIG. 4, by containing the metal-containing particles (Au particles in the illustrated example) in the positive electrode 50, the lithium transition metal composite oxide is overcharged. The metal-containing particles are eluted before the transition metal is eluted. As a result, the potential increase of the battery is suppressed, and the structure collapse of the positive electrode and thus the release of oxygen is suppressed. As a result, a highly reliable lithium ion secondary battery in which excessive heat generation due to the reaction between the released oxygen and the electrolytic solution is suppressed can be realized.

正極活物質層54に含まれる含金属粒子の含有量は、過充電時の過度な発熱を抑制する等の観点から、該含金属粒子と正極活物質との合計を100質量%として、概ね0.1質量%以上とすることが適当であり、好ましくは0.5質量%以上、より好ましくは1質量%、さらに好ましくは1.5質量%以上、特に好ましくは2質量%以上である。含金属粒子の上限は特に限定されないが、概ね10質量%以下とすることが適当であり、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下、さらに好ましくは2.5質量%以下である。上記含金属粒子の含有量が多すぎる電池は、過充電時の電池発熱抑制効果が鈍化することに加えて、含金属粒子の含有量が増えた分、正極活物質の量が相対的に減るため好ましくない。ここに開示される技術は、例えば、含金属粒子と正極活物質との合計を100質量%として、含金属粒子の含有量が1.5質量%以上3質量%以下である態様で好ましく実施され得る。   The content of the metal-containing particles contained in the positive electrode active material layer 54 is approximately 0, with the total of the metal-containing particles and the positive electrode active material being 100% by mass from the viewpoint of suppressing excessive heat generation during overcharge. The content is suitably 1% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more, more preferably 1% by mass, still more preferably 1.5% by mass or more, and particularly preferably 2% by mass or more. Although the upper limit of the metal-containing particles is not particularly limited, it is appropriate that the upper limit is approximately 10% by mass or less, preferably 5% by mass or less, more preferably 3% by mass or less, and further preferably 2.5% by mass or less. . In the case of a battery having too much metal-containing particles, the effect of suppressing battery heat generation during overcharging is slowed, and the amount of the positive electrode active material is relatively reduced as the content of the metal-containing particles is increased. Therefore, it is not preferable. The technique disclosed herein is preferably implemented in an embodiment in which the total content of the metal-containing particles and the positive electrode active material is 100% by mass, and the content of the metal-containing particles is 1.5% by mass or more and 3% by mass or less. obtain.

正極活物質層54は、正極活物質、含金属粒子の他に、必要に応じて導電材、バインダ(結着材)などの添加材を含有し得る。導電材としては、カーボン粉末やカーボンファイバーなどの導電性粉末材料が好ましく用いられる。カーボン粉末としては、種々のカーボンブラック、例えばアセチレンブラックが好ましい。バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンラバー(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が好ましく用いられる。正極活物質、含金属粒子、導電材およびバインダを適当な分散媒体に分散させて混練することによって、正極活物質層用組成物(ペースト)を調製することができる。正極活物質層54は、この正極活物質層用組成物を正極集電体52に塗布し、乾燥させ、予め定められた厚さに圧延(プレス)することによって形成されている。   In addition to the positive electrode active material and the metal-containing particles, the positive electrode active material layer 54 can contain additives such as a conductive material and a binder (binder) as necessary. As the conductive material, a conductive powder material such as carbon powder or carbon fiber is preferably used. As the carbon powder, various carbon blacks such as acetylene black are preferable. As the binder, polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene (PTFE) or the like is preferably used. A positive electrode active material layer composition (paste) can be prepared by dispersing and kneading a positive electrode active material, metal-containing particles, a conductive material and a binder in a suitable dispersion medium. The positive electrode active material layer 54 is formed by applying the composition for positive electrode active material layer to the positive electrode current collector 52, drying it, and rolling (pressing) it to a predetermined thickness.

正極活物質層全体に占める正極活物質の割合は凡そ50質量%を超え、凡そ70〜97質量%(例えば75〜95質量%)であることが好ましい。また、正極活物質層全体に占める導電材の割合は、凡そ2〜20質量%(例えば3〜10質量%)であることが好ましい。また、正極活物質層全体に占めるバインダの割合は、凡そ0.5〜10質量%(例えば1〜5質量%)であることが好ましい。   The ratio of the positive electrode active material to the entire positive electrode active material layer is preferably more than about 50% by mass, and preferably about 70 to 97% by mass (for example, 75 to 95% by mass). Moreover, it is preferable that the ratio of the electrically conductive material to the whole positive electrode active material layer is about 2-20 mass% (for example, 3-10 mass%). Moreover, it is preferable that the ratio of the binder to the whole positive electrode active material layer is about 0.5-10 mass% (for example, 1-5 mass%).

負極シート60は、図2に示すように、帯状の負極集電体62と負極活物質層64とを備えている。負極集電体62には、例えば、帯状の銅箔が用いられている。負極集電体62の幅方向片側には、縁部に沿って未塗工部62aが設定されている。負極活物質層64は、負極集電体62に設定された未塗工部62aを除いて、負極集電体62の両面に保持されている。負極活物質層64には、負極活物質や増粘剤やバインダなどが含まれている。バインダとしては、スチレンブタジエンラバー(SBR)が用いられている。また、増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)が例示される。   As shown in FIG. 2, the negative electrode sheet 60 includes a strip-shaped negative electrode current collector 62 and a negative electrode active material layer 64. For the negative electrode current collector 62, for example, a strip-shaped copper foil is used. On one side in the width direction of the negative electrode current collector 62, an uncoated portion 62a is set along the edge. The negative electrode active material layer 64 is held on both surfaces of the negative electrode current collector 62 except for the uncoated portion 62 a set on the negative electrode current collector 62. The negative electrode active material layer 64 includes a negative electrode active material, a thickener, a binder, and the like. As the binder, styrene butadiene rubber (SBR) is used. An example of the thickener is carboxymethyl cellulose (CMC).

上記負極活物質層64に含まれる負極活物質としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。負極活物質の一例として、グラファイト(黒鉛)、ハードカーボン(難黒鉛化炭素)、ソフトカーボン(易黒鉛化炭素)などの炭素材料;酸化ケイ素、酸化チタン、酸化バナジウム、リチウムチタン複合酸化物(Lithium Titanium Composite Oxide:LTO)、などの金属酸化物材料;窒化リチウム、リチウムコバルト複合窒化物、リチウムニッケル複合窒化物などの金属窒化物材料;等が挙げられる。なかでも黒鉛系の炭素材料を好適に採用し得る。   As the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer 64, one or more of materials conventionally used in lithium ion secondary batteries can be used without particular limitation. Examples of negative electrode active materials include carbon materials such as graphite (graphite), hard carbon (non-graphitizable carbon), and soft carbon (graphitizable carbon); silicon oxide, titanium oxide, vanadium oxide, lithium titanium composite oxide (Lithium Metal oxide materials such as Titanium Composite Oxide (LTO); metal nitride materials such as lithium nitride, lithium cobalt composite nitride, and lithium nickel composite nitride; and the like. Among these, a graphite-based carbon material can be preferably used.

負極活物質層64は、負極活物質の他に、必要に応じてバインダ(結着材)、増粘剤などの添加材を含有し得る。負極活物質層64に用いられるバインダおよび増粘剤としては、正極活物質層54について説明したバインダと同様のものを用いることができる。   The negative electrode active material layer 64 may contain additives such as a binder (binder) and a thickener as necessary in addition to the negative electrode active material. As the binder and the thickener used for the negative electrode active material layer 64, the same binder as described for the positive electrode active material layer 54 can be used.

負極活物質層全体に占める負極活物質の割合は凡そ50質量%を超え、凡そ80〜99.5質量%(例えば90〜99質量%)であることが好ましい。また、負極活物質層全体に占めるバインダの割合は、凡そ0.5〜5質量%(例えば1〜2質量%)であることが好ましい。また、負極活物質層全体に占める増粘剤の割合は、凡そ0.5〜5質量%(例えば1〜2質量%)であることが好ましい。   The ratio of the negative electrode active material to the whole negative electrode active material layer is preferably more than about 50% by mass, and preferably about 80 to 99.5% by mass (for example, 90 to 99% by mass). Moreover, it is preferable that the ratio of the binder to the whole negative electrode active material layer is about 0.5-5 mass% (for example, 1-2 mass%). Moreover, it is preferable that the ratio of the thickener to the whole negative electrode active material layer is about 0.5-5 mass% (for example, 1-2 mass%).

セパレータ70、72は、図2に示すように、正極シート50と負極シート60とを隔てる部材である。この例では、セパレータ70、72は、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材で構成されている。セパレータ70、72には、例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のセパレータ或いは積層構造のセパレータを用いることができる。この例では、図2に示すように、負極活物質層64の幅b1は、正極活物質層54の幅a1よりも広い(b1>a1)。また、セパレータ70、72の幅c1、c2は、負極活物質層64の幅b1よりも広い(c1、c2>b1>a1)。ここに開示される技術では、過充電時に正極50の構造が保たれたまま電池の温度が上がるので、適切な温度(例えば130℃前後)に達すると、セパレータ70、72の細孔が融解して閉じるシャットダウン機能が適切に発揮され得る。   As illustrated in FIG. 2, the separators 70 and 72 are members that separate the positive electrode sheet 50 and the negative electrode sheet 60. In this example, the separators 70 and 72 are made of a strip-shaped sheet material having a predetermined width and having a plurality of minute holes. As the separators 70 and 72, for example, a single layer structure separator or a multilayer structure separator made of a porous polyolefin resin can be used. In this example, as shown in FIG. 2, the width b1 of the negative electrode active material layer 64 is wider than the width a1 of the positive electrode active material layer 54 (b1> a1). Further, the widths c1 and c2 of the separators 70 and 72 are wider than the width b1 of the negative electrode active material layer 64 (c1, c2> b1> a1). In the technique disclosed here, the temperature of the battery rises while the structure of the positive electrode 50 is maintained during overcharging, so that when the temperature reaches an appropriate temperature (for example, around 130 ° C.), the pores of the separators 70 and 72 are melted. A shut-down function that closes can be properly performed.

電解液(非水電解液)としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる非水電解液は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、等を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、LiPF等のリチウム塩を用いることができる。 As the electrolytic solution (non-aqueous electrolytic solution), the same non-aqueous electrolytic solution conventionally used for lithium ion secondary batteries can be used without any particular limitation. Such a nonaqueous electrolytic solution typically has a composition in which a supporting salt is contained in a suitable nonaqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), and the like. Moreover, as said support salt, lithium salts, such as LiPF 6 , can be used, for example.

以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。   Several examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.

<試験例1>
本例では、含金属粒子として金粒子を用いてリチウムイオン二次電池を構築し、過充電試験を実施した。以下、具体的な方法を示す。
<Test Example 1>
In this example, a lithium ion secondary battery was constructed using gold particles as metal-containing particles, and an overcharge test was performed. A specific method will be described below.

<評価用セルの構築>
評価用セルの正極は、次のようにして作製した。まず、正極活物質としてのリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)粉末と、含金属粒子として金粉末と、導電材としてのABと、バインダとしてのPVdFとをNMP中で混合して、正極活物質層用組成物を調製した。この正極活物質層用組成物を長尺シート状のアルミニウム箔(正極集電体)に塗布して乾燥することにより、正極集電体上に正極活物質層が設けられた正極を作製した。
<Construction of evaluation cell>
The positive electrode of the evaluation cell was produced as follows. First, lithium nickel cobalt manganese composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) powder as a positive electrode active material, gold powder as metal-containing particles, AB as a conductive material, and binder Of PVdF was mixed in NMP to prepare a positive electrode active material layer composition. This positive electrode active material layer composition was applied to a long sheet-like aluminum foil (positive electrode current collector) and dried to prepare a positive electrode in which a positive electrode active material layer was provided on the positive electrode current collector.

評価用セルの負極は、次のようにして作製した。まず、負極活物質としてのグラファイトと、バインダとしてのSBRと、増粘剤としてのCMCとを、水に分散させて負極活物質層用組成物を調製した。この負極活物質層用組成物を長尺シート状の銅箔(負極集電体)に塗布し、負極集電体上に負極活物質層が設けられた負極を作製した。   The negative electrode of the evaluation cell was produced as follows. First, a negative electrode active material layer composition was prepared by dispersing graphite as a negative electrode active material, SBR as a binder, and CMC as a thickener in water. This negative electrode active material layer composition was applied to a long sheet-like copper foil (negative electrode current collector) to produce a negative electrode in which a negative electrode active material layer was provided on the negative electrode current collector.

評価用セルのセパレータとしては、ポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレンの三層構造の微多孔質フィルム(PP/PE/PPフィルム)の基材からなるセパレータを用意した。   As a separator for the evaluation cell, a separator made of a base material of a microporous film (PP / PE / PP film) having a three-layer structure of polypropylene / polyethylene / polypropylene was prepared.

上記で用意した正極、負極およびセパレータを用いて、評価用セルを構築した。すなわち、セパレータを間に介して、上記で作製した正極と負極とを、両電極の互いの活物質層が対向するように積層して電極体を作製した。次いで、この電極体を非水電解液とともに電池容器に収容し、封口した。その後、所定のコンディショニング工程を行うことにより評価用セルを構築した。評価用セルの非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを含む混合溶媒に、支持塩としてのLiPFを約1mol/リットルの濃度で含有させたものを用いた。 An evaluation cell was constructed using the positive electrode, negative electrode and separator prepared above. That is, the positive electrode and the negative electrode prepared above were laminated with a separator in between so that the active material layers of both electrodes were opposed to each other to produce an electrode body. Next, this electrode body was housed in a battery container together with a non-aqueous electrolyte and sealed. Thereafter, an evaluation cell was constructed by performing a predetermined conditioning process. As a non-aqueous electrolyte solution for the evaluation cell, a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) and LiPF 6 as a supporting salt at a concentration of about 1 mol / liter. What was contained was used.

例1〜例8では、含金属粒子の含有量が異なる。具体的には、含金属粒子と正極活物質との合計質量(100質量%)に対して、含金属粒子の含有量が、例1では0質量%、例2では0.5質量%、例3では1質量%、例4では1.5質量%、例5では2質量%、例6では2.5質量%、例7では3質量%、例8では3.5質量%とそれぞれ異なる計8つの評価用セルを作製した。   In Examples 1 to 8, the content of the metal-containing particles is different. Specifically, the content of the metal-containing particles is 0% by mass in Example 1 and 0.5% by mass in Example 2 with respect to the total mass (100% by mass) of the metal-containing particles and the positive electrode active material. 3 is 1% by mass, Example 4 is 1.5% by mass, Example 5 is 2% by mass, Example 6 is 2.5% by mass, Example 7 is 3% by mass, and Example 8 is 3.5% by mass. Eight evaluation cells were produced.

<初期容量の測定>
初期容量は、コンディショニング工程の後、評価用セルについて、温度25℃、3Vから4.1Vの電圧範囲で、次の手順1〜3によって測定した。
手順1:1Cの定電流によって充電し、4.1Vに到達後、4.1Vで定電圧となるように電流を暫時下げながら充電を継続し、電流が0.02Cとなったときに充電を終了する。この充電後、20分間休止する。
手順2:手順1の後、1Cの定電流放電によって3Vに到達するまで放電する。
ここでは、手順2における定電流放電における放電容量を初期容量(電池定格容量)とした。結果を図5に示す。ここでは例1(含金属粒子の含有量が0質量%)の評価用セルの初期容量を100%としたときの相対値(容量維持率)に換算して示してある。
<Measurement of initial capacity>
The initial capacity was measured by the following procedures 1 to 3 at a temperature of 25 ° C. and a voltage range of 3 V to 4.1 V for the evaluation cell after the conditioning process.
Procedure 1: Charge with a constant current of 1C, and after reaching 4.1V, continue charging while lowering the current for a while to reach a constant voltage of 4.1V, and charge when the current reaches 0.02C finish. After this charge, pause for 20 minutes.
Procedure 2: After Procedure 1, discharge until constant voltage of 1C is reached until 3V is reached.
Here, the discharge capacity in the constant current discharge in the procedure 2 was defined as the initial capacity (battery rated capacity). The results are shown in FIG. Here, it is shown in terms of a relative value (capacity maintenance ratio) when the initial capacity of the evaluation cell of Example 1 (the content of the metal-containing particles is 0% by mass) is 100%.

<過充電試験>
各例の評価用セルについて、25℃の試験槽中で、定電流定電圧方式にて1Cで4.1V(SOC100%)まで充電し、さらに1Cの定電流で5Vまで充電して過充電状態とした。その後、1Cの定電流で3Vまで放電処理を行った。そして、負極への含金属粒子の溶出量を測定した。負極への含金属粒子の溶出量は、上記過充電試験前後における正極活物質層中の含金属粒子の減少量より把握した。なお、電解液中に溶出した含金属粒子は、プラス電荷をもつため負極に移動する。結果を図5に示す。
<Overcharge test>
The evaluation cell of each example was charged to 4.1V (SOC 100%) at 1C with a constant current and constant voltage method in a 25 ° C test tank, and further charged to 5V with a constant current of 1C and overcharged. It was. Thereafter, discharge treatment was performed up to 3 V with a constant current of 1 C. And the elution amount of the metal-containing particle | grains to a negative electrode was measured. The amount of the metal-containing particles eluted to the negative electrode was determined from the amount of metal-containing particles in the positive electrode active material layer before and after the overcharge test. The metal-containing particles eluted in the electrolyte have a positive charge and move to the negative electrode. The results are shown in FIG.

図5に示すように、含金属粒子の溶出量は、含金属粒子の含有量が増えるにつれて増大傾向を示した。ただし、含金属粒子の含有量が2質量%を超えると、溶出量は殆ど変化を示さなかった。過充電時に含金属粒子を適切に溶出する観点からは、含金属粒子の含有量は1.5質量%以上にすることが好ましい。また、含金属粒子の含有量が増えるほど、初期容量は低下傾向を示した。初期容量の観点からは、含金属粒子の含有量は3質量%以下にすることが好ましい。   As shown in FIG. 5, the elution amount of the metal-containing particles showed an increasing tendency as the content of the metal-containing particles increased. However, when the content of metal-containing particles exceeded 2% by mass, the amount of elution hardly changed. From the viewpoint of appropriately eluting the metal-containing particles during overcharge, the content of the metal-containing particles is preferably 1.5% by mass or more. Further, the initial capacity tended to decrease as the content of the metal-containing particles increased. From the viewpoint of the initial capacity, the content of the metal-containing particles is preferably 3% by mass or less.

<試験例2>
本例では、例1および例5の評価用セルを用いて過充電時における電圧の推移を調べた。具体的には、各評価用セルを5.2Vを超えるまで充電したときの電圧の変化を横軸の時間に対してプロットした。結果を図6に示す。
<Test Example 2>
In this example, the voltage transition during overcharge was examined using the evaluation cells of Examples 1 and 5. Specifically, the change in voltage when each evaluation cell was charged to exceed 5.2 V was plotted against the time on the horizontal axis. The results are shown in FIG.

図6に示すように、含金属粒子を含有していない正極を用いた例1の評価用セルは、4.8V付近で急激な電圧の上昇があり、これ以降、遷移金属の溶出が活発になっていることが判る。これに対し、含金属粒子を含有する正極を用いた例5の評価用セルは、例1に比べて4.5V〜4.8Vの領域での電圧の上昇が緩やかである。この4.5V〜4.8Vの領域で含金属粒子が溶出し、電圧の上昇を抑制していると推測される。   As shown in FIG. 6, the evaluation cell of Example 1 using the positive electrode containing no metal-containing particles has a rapid voltage increase near 4.8 V, and thereafter, the transition metal is actively eluted. You can see that On the other hand, in the evaluation cell of Example 5 using the positive electrode containing metal-containing particles, the voltage increase in the region of 4.5 V to 4.8 V is moderate compared to Example 1. It is presumed that the metal-containing particles are eluted in the region of 4.5V to 4.8V, and the voltage rise is suppressed.

<試験例3>
本例では、例1および例5の評価用セルを用いて過充電時における電池温度の推移を調べた。具体的には、各評価用セルを5.2Vを超えるまで充電したときの電池温度の変化を横軸の時間に対してプロットした。結果を図7に示す。
<Test Example 3>
In this example, the transition of the battery temperature during overcharge was examined using the evaluation cells of Examples 1 and 5. Specifically, the change in battery temperature when each evaluation cell was charged to exceed 5.2V was plotted against the time on the horizontal axis. The results are shown in FIG.

図7に示すように、含金属粒子を含有していない正極を用いた例1の評価用セルは、130℃を超えた後も電池温度は上昇した。これに対し、含金属粒子を含有する正極を用いた例5の評価用セルは、130℃に到達した後、電池温度は減衰傾向を示した。含金属粒子を含有する正極を用いた例5の評価用セルでは、含金属粒子が正極活物質の遷移金属よりも先に溶出してセパレータの融解によるシャットダウン機能が働くまで正極の構造が維持されていた(ひいては酸素の放出が抑えられていた)ため、電池の過度な発熱が抑制されたものと推測される。   As shown in FIG. 7, in the evaluation cell of Example 1 using the positive electrode containing no metal-containing particles, the battery temperature increased even after exceeding 130 ° C. In contrast, in the evaluation cell of Example 5 using the positive electrode containing metal-containing particles, the battery temperature showed a tendency to decay after reaching 130 ° C. In the evaluation cell of Example 5 using the positive electrode containing metal-containing particles, the structure of the positive electrode was maintained until the metal-containing particles eluted before the transition metal of the positive electrode active material and the shutdown function due to melting of the separator worked. Therefore, it is presumed that excessive heat generation of the battery was suppressed because the release of oxygen was suppressed.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。ここに開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれ得る。   Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The invention disclosed herein may include various modifications and alterations of the specific examples described above.

20 捲回電極体
30 電池ケース
50 正極
60 負極
70,72 セパレータ
100 リチウムイオン二次電池
20 Winding electrode body 30 Battery case 50 Positive electrode 60 Negative electrode 70, 72 Separator 100 Lithium ion secondary battery

Claims (1)

正極活物質として、ニッケル、コバルトおよびマンガンからなる群から選択された少なくとも1種の遷移金属元素を含むリチウム遷移金属複合酸化物を有する正極と、負極と、セパレータと、非水電解液と、を備えたリチウムイオン二次電池であって、
前記正極は、前記リチウム遷移金属複合酸化物の遷移金属溶出が生じる正極電位よりも低い正極電位で溶出する含金属粒子を含む、リチウムイオン二次電池。
A positive electrode having a lithium transition metal composite oxide containing at least one transition metal element selected from the group consisting of nickel, cobalt and manganese as a positive electrode active material, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte A lithium ion secondary battery provided,
The lithium ion secondary battery, wherein the positive electrode includes metal-containing particles that elute at a positive electrode potential lower than a positive electrode potential at which transition metal elution of the lithium transition metal composite oxide occurs.
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