JP3631185B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピネル型マンガン酸リチウムを正極活物質として含有する正極と、リチウムイオンを挿入・脱離可能な負極活物質を含有する負極と、これらの正極と負極を隔離するセパレータと、ゲル状電解質とを外装体内に備えた非水電解質二次電池およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、小型ビデオカメラ、携帯電話、ノートパソコン等の携帯用電子・通信機器等に用いられる電池として、リチウムイオンを挿入・脱離できる合金もしくは炭素材料などを負極活物質とし、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)等のリチウム含有複合酸化物を正極材料とするリチウムイオン電池で代表される非水電解質二次電池(リチウム二次電池)が、小型軽量でかつ高容量で充放電可能な電池として実用化され、市販もされるようになった。
【0003】
最近になって、優れた放電特性を維持しながら使用する機器での使用形態の自由度が大きいリチウム二次電池が要求されるようになった。特に、薄型化が可能で、液漏れがなく、軽量で、質量エネルギー密度に優れた小型リチウム二次電池が要望されるようになった。このような背景にあって、熱重合性のモノマー材料を加熱することにより、電解液をゲル化(硬化)させたポリマー電解質を備えたリチウム二次電池、いわゆるリチウムポリマー二次電池が実用化されるようになった。この種のリチウムポリマー二次電池は、電解液にモノマー材料を含有させて、このモノマー材料を熱硬化させた点において、従来のリチウム二次電池とは異なるのみで、電池構成や製造工程および使用する材料は従来のリチウム二次電池とほぼ類似している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、リチウム二次電池用電解液に用いられる溶媒としては、電池内で還元分解されにくくて、かつ極性が高くて、イオン導電性を確保しやすい環状カーボネートを用いることが必須となっている。しかしながら、環状カーボネートは、環状構造に由来して自由度が少なくて、分子間力が強いため、粘度が非常に強くて、電極群の内部に含液しにくいという欠点を有している。このため、分子間力が弱く、粘性が小さい鎖状(非環状)カーボネートを混合した混合溶媒を用いるようにしている。この鎖状カーボネートは、極性が環状カーボネートより高くないため、イオン導電性を確保することができないが、鎖状構造に由来して自由度が大きいため、分子間力が弱くて、粘性が小さいという長所を有する。
【0005】
ところが、リチウムポリマー二次電池においては、電解液中にポリマー材料を含有させるため、電解液の粘度が上昇して、リチウム二次電池に比較して電極群の内部に電解液が含液しにくいという問題があった。このため、電解液の構成には、粘度が低い鎖状カーボネート系の低沸点溶媒種を多く含有させる必要がある。しかしながら、鎖状カーボネート系に代表される低沸点溶媒種は、溶媒種自体が還元分解されやすくて、電池内にガスを発生しやすいという問題が生じた。
【0006】
また、リチウム二次電池は、充電初期に電池材料(主として負極材料)の不可逆効率分の副反応が生じて、ガスが発生することが知られている。この場合、発電要素を収容する外装体に鉄缶やアルミニウム缶などのハードケースが用いられるリチウム二次電池においては、電池膨れを起こすというような問題を比較的生じ難い。しかしながら、リチウムポリマー二次電池においては、アルミニウム製のラミネートフィルムなどのソフトケースが用いられるため、発生したガスの圧力により電池膨れを招来し、使用する機器に悪影響を及ぼすという問題を生じた。
【0007】
特に、マンガン酸リチウムを正極活物質として用いたリチウムポリマー二次電池においては、負極材料のみでなく、正極材料のマンガン酸リチウムも電解液の分解に関与して、ガスが非常に多く発生するという問題があった。これは、マンガン酸リチウムは酸に弱いために、電解液中にわずかに存在する水分がLiPF6等の溶質と反応して生じたHFなどの強酸と反応するためである。このため、マンガン酸リチウムの結晶中からマンガンが溶解して、溶解したマンガンが負極上で電解液と絡んで反応することにより、ガスが発生しているものと推定される。
【0008】
この場合、リチウム二次電池においては電解液に流動性があるため、電池内でガスが発生しても電極間にガスが滞留することはない。しかしながら、リチウムポリマー二次電池においては、電解液がゲル化により硬化、固化されているため、発生したガスが電極間に固定化されて、充放電不良を招くなどの重大な問題が発生した。これは、硬化前に高粘度の溶媒中で発生したガスが、電極間に存在した状態で硬化(ゲル化)する、いわゆる「ガス噛み」現象が生じたためである。このため、正極とセパレータとの間、あるいはセパレータと負極との間に電解液(この場合は、ゲル化した電解液)が存在しない部分が生じる。すると、その後に充放電を行っても、均一な電池反応を行うことができなくて、充放電不良が生じて電池特性が低下したためである。
【0009】
そこで、本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであって、マンガン酸リチウムを正極活物質として備え、かつ環状カーボネートと鎖状カーボネートを含む混合溶媒に溶質を溶解させた電解液を熱重合性のモノマー材料でゲル化(硬化)させても、熱重合の不均一性が生じない非水電解質二次電池を提供できるようにすることを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の非水電解質二次電池は、スピネル型マンガン酸リチウムを正極活物質として含有する正極と、リチウムイオンを挿入・脱離可能な負極活物質を含有する負極と、これらの正極と負極を隔離するセパレータと、ゲル状電解質とを外装体内に備えている。そして、ゲル状電解質は、環状カーボネートと鎖状カーボネートを含む混合溶媒にリチウム塩からなる溶質を溶解させた電解液を熱重合性のモノマー材料で重合しゲル化させて形成されているとともに、正極あるいは負極の少なくとも一方の表面は電解液に溶解された炭酸ガスと電解液との反応により生成された炭酸リチウムの被膜が形成されていることを特徴とするものである。
【0011】
ここで、電解液に溶存した炭酸ガスは、電解液の溶質であるリチウム塩が解離したリチウムイオンと反応して、正極や負極表面上に薄い炭酸リチウムの無機質被膜を形成する。この炭酸リチウムの被膜は、負極上の活性な官能基(−COOH,−NH,−OH等)をコーティングするため、一方の溶媒の鎖状カーボネートが活性な官能基により分解されることが防止できるようになる。この結果、モノマー材料の熱重合時に「ガス噛み」現象が生じることが防止でき、熱重合の不均一性が生じない非水電解質二次電池を得ることが可能となる。
【0012】
また、電解液に溶存した炭酸ガスは、電解液中の極性溶媒などに溶存していた酸素を追い出して熱重合するため、均一な熱重合が可能になって、均一性に優れたゲル状電解質(ポリマー電解質)が得られる。これは、電解液中の極性溶媒に配位した酸素が、酸素よりは配位力が強い炭酸ガスにより置換されたためと考えられる。そして、均一性に優れたゲル状電解質(ポリマー電解質)を備えることにより、エネルギー密度、サイクル特性、負荷特性、温度特性が向上した非水電解質二次電池が得られるとともに、安全性に優れ、かつ高温保存時においてもガスの発生が抑制された非水電解質二次電池が得られるようになる。
【0013】
この場合、LiPF6を電解液の溶質として用いると、LiPF6はHFのような強酸を発生する。すると、HFは酸に弱い鎖状カーボネートと反応して、鎖状カーボネートを分解してガスを発生するため、「ガス噛み」に起因する硬化むらが生じる。ところが、正極や負極表面上に薄い炭酸リチウムの無機質被膜が形成されていると、鎖状カーボネートが分解されることが防止できるようになる。このことから、特に、HFのような強酸を発生させる頻度が高いLiPF6を溶質として用いる電解液に炭酸ガスを溶存させると、硬化むらを防止する効果を充分に発揮させることが可能となるので好ましい。
【0014】
なお、正極活物質に用いるスピネル型マンガン酸リチウムとしては、マンガン酸リチウムの一部がマグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、コバルト(Co)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)から選択される少なくとも1種の元素で置換された、もしくは、ホウ素(B)、フッ素(F)から選択される少なくとも1種の元素で置換及び添加されたスピネル型マンガン酸リチウムを用いるのが好ましい。
【0015】
また、電解液の溶媒としては、環状カーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒を用いることが必須になる。しかしながら、環状カーボネートと鎖状カーボネートの溶媒種については、特に限定されるものではないが、環状カーボネートとしては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネートの少なくとも1種から選択して用いるのが好ましい。また、鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートの少なくとも1種から選択して用いるのが好ましい。
【0016】
さらに、熱重合性のモノマー材料としては、特に、ポリプロピレングリコールジアクリレートなどの末端基がアクリレートであるモノマー材料を用いるのが好ましい。また、熱重合性のモノマー材料を重合した高分子は、ポリエーテル系固体高分子、ポリカーボネート系固体高分子、ポリアクリロニトリル系固体高分子、あるいはこれらの2種以上からなる共重合体もしくは架橋した高分子を用いるのが望ましい。
【0017】
そして、上述した構造の非水電解質二次電池を得るため、本発明の非水電解質二次電池の製造方法は、正極と負極との間にセパレータを介在させて電極群を形成した後、この電極群を外装体内に収容する電極群収容工程と、環状カーボネートと鎖状カーボネートを含む混合溶媒に、リチウム塩からなる電解質と熱重合性のモノマー材料を溶解させて電解液を調製する電解液調製工程と、電極群が収容された外装体内に炭酸ガスの雰囲気で電解液を注液する注液工程と、外装体内に注液された電解液を減圧の雰囲気で電極群に含浸させる減圧含浸工程と、電解液に溶解された熱重合性のモノマー材料を加熱によりゲル化して重合させるゲル化工程とを備えるようにしている。
【0018】
このように、炭酸ガスの雰囲気で電解液を注液する注液工程を備えると、炭酸ガスは電解液中に溶存されるようになる。これにより、減圧含浸工程において、電解液を減圧の雰囲気で電極群に含浸させると、正極の表面あるいは負極の表面もしくはこれらの両極の表面に炭酸リチウムの被膜が形成されることとなる。このため、後の硬化工程において、熱重合性のモノマー材料を加熱、硬化させても、「ガス噛み」に起因する硬化むらが生じることが防止できるようになる。
【0019】
この場合、注液工程を炭酸ガスの雰囲気で行うことに代えて、減圧含浸工程を炭酸ガスの雰囲気で行うようにしても、炭酸リチウムの被膜を両極の少なくとも一方に形成できるようになって、同様な効果を奏することができる。また、予め、炭酸ガスをバブリングなどにより電解液中に溶存させるようにした後、この電解液を注液、含浸させるようにしても、炭酸リチウムの被膜を両極の少なくとも一方に形成できるようになって、同様な効果を奏することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
ついで、本発明の実施の形態を図1に基づいて以下に説明するが、本発明はこの実施の形態に何ら限定されるものでなく、本発明の目的を変更しない範囲で適宜実施が可能である。なお、図1は本発明の非水電解質電池の一例を模式的に示す図であり、図1(a)は外形形状を模式的に示す斜視図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A断面を示す断面図である。
【0021】
1.非水電解質二次電池
本発明の非水電解質二次電池10は、図1に示すように、スピネル型マンガン酸リチウムを正極活物質とする正極11と、黒鉛を負極活物質とする負極12と、これらの両極の間にポリエチレン製の微多孔膜からなるセパレータ13を介在させた電極群を備えている。そして、扁平状に押しつぶした電極群をアルミニウムラミネートフィルムからなる外装体14内に収容するようにしている。また、正極11から延出した正極リード(図示せず)は正極端子15に接続されており、負極12から延出した負極リード(図示せず)は負極端子16に接続されており、外装体14の上部開口部は液密に封止されている。
【0022】
この外装体14内にはゲル化された電解液が充填されている。電解液としては、エチレンカーボネート(EC:環状カーボネート)とジエチルカーボネート(DEC:鎖状カーボネート)を3:7の容積比で混合した混合溶媒に、溶質としてLiPF6を1mol/lの割合で溶解させたものを使用している。また、電解液中には、熱重合性モノマー材料としてのポリプロピレングリコールジアクリレート(分子量が300程度のもの)と、重合開始剤としてのt−ヘキシルパーオキシピバレートが添加(添加量は5000ppm)されている。そして、この電解液を外装体14内に充填した後、50℃で3時間加熱し、ポリプロピレングリコールジアクリレートを熱重合して、ゲル化(硬化)するようにしている。
【0023】
ここで、本発明の重要な特徴は、負極12の表面あるいは正極11の表面もしくはこれら両極11,12の表面に、後述するように上記電解液に溶存した炭酸ガスと電解液との反応により生成された炭酸リチウムの被膜が形成されていることにある。電極の表面に炭酸リチウムの被膜が形成されていると、この被膜は負極上の活性な官能基(−COOH,−NH,−OH等)をコーティングする。このため、活性な官能基により電解液の溶媒が分解されることが防止できるようになって、ガスの発生を防止できるようになる。この結果、モノマー材料の熱重合時に「ガス噛み」現象が生じることが防止でき、均一に熱重合されるようになる。
【0024】
なお、正極活物質と用いるスピネル型マンガン酸リチウムとしては、マンガン酸リチウムの一部がマグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、コバルト(Co)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)から選択される少なくとも1種の元素で置換された、もしくは、ホウ素(B)、フッ素(F)から選択される少なくとも1種の元素で置換及び添加されたスピネル型マンガン酸リチウムを用いるのが望ましい。また、負極活物質としては、上述した黒鉛以外に、グラファイト、コークス、酸化スズ、金属リチウム、珪素、およびこれらの混合物が使用でき、リチウムイオンを挿入・脱離可能な物質であれば、特に制限はない。
【0025】
また、電解液の溶媒としては、環状カーボネートと鎖状カーボネートが混合された混合溶媒を用いる必要がある。そして、環状カーボネートとしては、上述したエチレンカーボネート(EC)以外に、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)の少なくとも1種から選択して用いればよい。また、鎖状カーボネートとしては、上述したジエチルカーボネート(DEC)以外に、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネートの少なくとも1種から選択して用いればよい。
【0026】
また、電解液の溶質としては、上述したLiPF6以外に、LiClO4,LiBF4,LiN(SO2CF3)2,LiN(SO2C2F5)2,LiPF6−x(CnF2n+1)x(但し、1≦x≦6,n=1または2)等から選択して用い、これらの1種あるいは2種以上を混合して使用できる。なお、リチウム塩の添加量としては電解液1リットル当たり0.2〜1.5モル(0.2〜1.5モル/l)が望ましい。
【0027】
さらに、熱重合性のモノマー材料としては、特に、ポリプロピレングリコールジアクリレートなどの末端基がアクリレートであるモノマー材料を用いるのが好ましい。また、熱重合性のモノマー材料を重合した高分子は、ポリエーテル系固体高分子、ポリカーボネート系固体高分子、ポリアクリロニトリル系固体高分子、あるいはこれらの2種以上からなる共重合体もしくは架橋した高分子を用いるのが望ましい。なお、熱重合性高分子材料と電解液の質量比は、イオン伝導性や電解液の保液性を考慮すると、1:6〜1:25の範囲になるようにするのが望ましい。また、電池の形状は上述した薄型以外に、角形であっても、円筒型であってもどのような形状でも良いし、そのサイズについても特に制限はない。
【0028】
2.非水電解液二次電池の作製
このように構成される非水電解質二次電池10の作製手順について、以下に詳細に説明する。なお、図2は、本発明の非水電解質二次電池10を作製するための工程手順の概略を示している。図2において、本発明の非水電解質二次電池10は、まず、正極11及び負極12を作製する電極作製工程を行った後、これらの両極11,12間にセパレータ13を介在させて巻回して電極群にする巻取工程を行った後、電極群を乾燥させる乾燥工程を行う。ついで、電極群を収容した外装体をドライボックス内に配置する。この後、ドライボックス内で、外装体内に電解液を注液する注液工程と、注液した電解液を減圧の雰囲気で電極群内に含浸させる含浸工程と、外装体の開口部を仮封止する仮封止工程を行う。
【0029】
ついで、仮封止された外装体を加熱して電解液中に存在する熱重合性モノマー材料をゲル化して熱硬化させた後、エージングする熱硬化・エージング工程を行う。最後に、外装体を本封止する本封止工程を経て完成電池となる。なお、本発明においては、電解液中に炭酸ガスを溶存させる手段として、注液工程を炭酸ガスの雰囲気中で行う方法や、含浸工程を炭酸ガスの雰囲気中で行う方法や、予めバブリングなどにより電解液中に溶存させる方法を採用している。以下においては、本発明の非水電解質電池の具体的ないくつかの実施例について説明するが、本発明の効果を明らかにするため、種々の比較例についても併せて説明する。
【0030】
(1)実施例1
正極活物質としてのマンガンの一部がマグネシウム(Mg)で置換され、かつ硼素(B)が添加されたスピネル型マンガン酸リチウム(Li1.06Mn1.88Mg0.04O4B0.01)と、炭素導電剤としてのグラファイト粉末を混合(例えば、質量比で92:5)して正極合剤粉末とした。ついで、得られた正極合剤粉末を混合装置(例えば、ホソカワミクロン製メカノフュージョン装置(AM−15F))内に充填した。これを、毎分1500回の回転数(1500rpm)で10分間作動させて、圧縮・衝撃・剪断作用を起こさせて混合した。
【0031】
この後、フッ素樹脂系結着剤を一定の割合(例えば、質量比で97:3)で混合して正極合剤とした。ついで、この正極合剤をアルミ箔からなる正極集電体の両面に塗着し、乾燥した後、所定の厚みに圧延し、所定の形状に切断して正極11を作製した。なお、正極合剤粉末を混合するに際して、メカノフュージョン装置を用いることなく、正極合剤粉末をそのまま用いてスラリー状態で混合してもよい。また、他の方法で混合するようにしてもよい。
【0032】
一方、負極活物質として(002)面の面間隔(d002)が0.336nmで、c軸方向の結晶子の大きさ(Lc)が200nmで平均粒径が20μmの塊状黒鉛(2950℃で焼成した人造黒鉛)の粉末を用いた。この黒鉛粉末と、スチレン系結着剤とを一定の割合(例えば、質量比で98:2)で混合し、これに水を添加、混合して負極合剤とした。この後、この負極合剤を銅箔からなる負極集電体の両面に塗着し、乾燥した後、所定の厚みに圧延し、所定の形状に切断して負極12を作製した。
【0033】
また、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)を3:7の容積比で混合した混合溶媒に、1モル/lの六フッ化燐酸リチウム(LiPF6)を溶解させて電解液(LiPF6/EC:DEC=3:7)を調製した。ついで、この電解液に熱重合性のモノマー材料としてのポリプロピレングリコールジアクリレート(分子量が300程度のもの)を、電解液との質量比が15:1となるように添加するとともに、重合開始剤としてt−ヘキシルパーオキシピバレートを5000ppm添加して、混合電解液を作製した。なお、電解液に添加するモノマー材料の添加量は、イオン伝導性や液保持性の点を考慮すると、電解液に対する質量比が6:1〜25:1の範囲になるように添加するのが望ましい。
【0034】
ついで、上述のようにして作製した正極11と負極12を用い、これらの間にポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータ13を介在させて重ね合わせて渦巻状に巻回した。ついで、これを扁平になるように押しつぶして扁平状の電極群を作製し後、この電極群を所定時間乾燥させた。ついで、電極群をアルミニウムラミネートフィルムよりなる外装体14内に収容した後、これをドライボックス内に配置した。この後、ドライボックス内を炭酸ガスの雰囲気にして、上述のように作製した電解液を外装体14内に注液した。これにより、炭酸ガスは電解液中に溶存することとなる。
【0035】
ついで、ドライボックス内を窒素ガスあるいはアルゴンガスに置換して、ドライボックス内を窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気にするととに、ドライボックス内を真空ポンプで吸引して、減圧の雰囲気にした。これにより、外装体14内に注液された電解液は電極群内に含浸され、正極11の表面あるいは負極12の表面もしくはこれらの両極11,12の表面に炭酸リチウムの被膜が形成されることとなる。この後、外装体14の開口部を仮封止して、ドライボックスから取り出した。ついで、これを加熱装置内に配置した後、加熱装置内を50℃の温度に保持して3時間加熱した。これにより、熱重合性のモノマー材料であるポリプロピレングリコールジアクリレートは重合して、電解液はゲル化することにより硬化することとなる。ついで、外装体14の開口部を本封止することにより、設計容量が600mAhの実施例1の非水電解質電池Aを作製した。
【0036】
(2)実施例2
エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)を3:7の容積比で混合した混合溶媒に、1モル/lのリチウムイミド塩(LiN(SO2C2F5)2)を溶解させて電解液(LiN(SO2C2F5)2/EC:DEC=3:7)を調製した以外は、上述した実施例1と同様に非水電解質電池を作製して、これを実施例2の非水電解質電池Bとした。
【0037】
(3)実施例3
エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)を3:7の容積比で混合した混合溶媒に、0.5モル/lの六フッ化燐酸リチウム(LiPF6)と0.5モル/lのリチウムイミド塩(LiN(SO2C2F5)2)を溶解させて電解液(LiPF6+LiN(SO2C2F5)2/EC:DEC=3:7)を調製した以外は、上述した実施例1と同様に非水電解質電池を作製して、これを実施例3の非水電解質電池Cとした。
【0038】
(4)実施例4
正極活物質としてスピネル型マンガン酸リチウム(Li1.06Mn1.88Mg0.04O4B0.01)とコバルト酸リチウムとを混合(質量比で1:1)した混合正極活物質を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様に電解液(LiPF6/EC:DEC=3:7)を調製した後、上述した実施例1と同様に非水電解質電池を作製して、これを実施例4の非水電解質電池Dとした。
【0039】
(5)実施例5
実施例1と同様に作製した電極群を外装体14内に収容し、ドライボックス内に配置した後、ドライボックス内を窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気にして、上述した実施例1と同様の電解液(LiPF6/EC:DEC=3:7)を外装体14内に注液した。ついで、ドライボックス内を炭酸ガスと置換して、ドライボックス内を炭酸ガスの雰囲気にするととに、ドライボックス内を真空ポンプで吸引して、減圧の雰囲気にした。これにより、外装体14内に注液された電解液は電極群内に含浸され、炭酸ガスは電解液中に溶存して、正極11の表面あるいは負極12の表面もしくはこれらの両極11,12の表面に炭酸リチウムの被膜が形成されることとなる。ついで、上述した実施例1と同様に非水電解質電池を作製して、これを実施例5の非水電解質電池Eとした。
【0040】
(6)実施例6
上述した実施例1と同様に電解液(LiPF6/EC:DEC=3:7)を調製した後、上述した実施例1と同様にポリマー材料と重合開始剤を添加して混合電解液とした。これに室温常圧下で炭酸ガスを吹き込む(バブリング)ことにより、電解液中に炭酸ガスが飽和するまで溶存させた。ついで、実施例1と同様に作製した電極群を外装体14内収容して、これをドライボックス内に配置した後、ドライボックス内を窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気にして、この炭酸ガスが溶存した電解液を外装体14内に注液した。
これにより、正極11の表面あるいは負極12の表面もしくはこれらの両極11,12の表面に炭酸リチウムの被膜が形成されることとなる。ついで、窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気のドライボックス内を減圧にして、外装体14内に注液された電解液は電極群内に含浸した後、上述した実施例1と同様に非水電解質電池を作製して、これを実施例6の非水電解質電池Fとした。
【0041】
(7)比較例1
正極活物質としてコバルト酸リチウムを用い、かつ上述した実施例1と同様に調製した電解液(LiPF6/EC:DEC=3:7)の注液工程および含浸工程を窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気で行って、電解液に炭酸ガスを溶存させなかったこと以外は、上述した実施例1と同様に非水電解質電池を作製して、これを比較例1の非水電解質電池Rとした。
【0042】
(8)比較例2
正極活物質としてコバルト酸リチウムを用いたこと以外は、上述した実施例1と同様に電解液(LiPF6/EC:DEC=3:7)を調製した後、上述した実施例1と同様に非水電解質電池を作製して、これを比較例2の非水電解質電池Sとした。
【0043】
(9)比較例3
正極活物質としてコバルト酸リチウムを用い、かつエチレンカーボネート(EC:環状カーボネート)とプロピレンカーボネート(PC:環状カーボネート)を3:7の容積比で混合した混合溶媒に、1モル/lの六フッ化燐酸リチウム(LiPF6)を溶解させて電解液(LiPF6/EC:PC=3:7)を調製したこと、およびこの電解液の注液工程および含浸工程を窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気で行って、電解液に炭酸ガスを溶存させなかったこと以外は、上述した実施例1と同様に非水電解質電池を作製して、これを比較例3の非水電解質電池Tとした。
【0044】
(10)比較例4
実施例1と同様に調製した電解液(LiPF6/EC:DEC=3:7)の注液工程および含浸工程を窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気で行って、電解液に炭酸ガスを溶存させなかったこと以外は、上述した実施例1と同様に非水電解質電池を作製して、これを比較例4の非水電解質電池Uとした。
【0045】
(11)比較例5
比較例3と同様に調製した電解液(LiPF6/EC+PC)を用い、かつこの電解液β4の注液工程および含浸工程を窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気で行って、電解液β4に炭酸ガスを溶存させなかったこと以外は、上述した実施例1と同様に非水電解質電池を作製して、これを比較例5の非水電解質電池Vとした。
【0046】
(12)比較例6
実施例2と同様に調製した電解液(LiN(SO2C2F5)2/EC:DEC=3:7)を用い、かつこの電解液の注液工程および含浸工程を窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気で行って、電解液に炭酸ガスを溶存させなかったこと以外は、上述した実施例1と同様に非水電解質電池を作製して、これを比較例6の非水電解質電池Wとした。
【0047】
(13)比較例7
ポリマー材料としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用い、かつ実施例1と同様に調製した電解液(LiPF6/EC:DEC=3:7)の注液工程および含浸工程を窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気で行って、電解液に炭酸ガスを溶存させなかったこと以外は、上述した実施例1と同様に非水電解質電池を作製して、これを比較例7の非水電解質電池Xとした。なお、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)は、既に高分子化しているが、これが液を吸収して膨潤することでゲル化するタイプと、高温で電解液と溶融して、冷却することにより、ポリマーネットワーク中に電解液を取り込むタイプの2種類があるが、この例においては後者のものを使用している。
【0048】
(14)比較例8
ポリマー材料としてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用いたこと以外は、上述した実施例1と同様に調製した電解液(LiPF6/EC:DEC=3:7)を用い、かつ実施例1と同様に非水電解質電池を作製して、これを比較例8の非水電解質電池Yとした。なお、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)については、上述と同様な高温で電解液と溶融して、冷却することにより、ポリマーネットワーク中に電解液を取り込むタイプのものを使用している。
【0049】
(15)比較例9
実施例4と同様の正極活物質(Li1.06Mn1.88Mg0.04O4B0.01+コバルト酸リチウム)を用い、実施例1と同様に調製した電解液(LiPF6/EC:DEC=3:7)の注液工程および含浸工程を窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気で行って、電解液に炭酸ガスを溶存させなかったこと以外は、上述した実施例1と同様に非水電解質電池を作製して、これを比較例9の非水電解質電池Zとした。
【0050】
3.充放電試験
ついで、上述のようにして作製した設計容量が600mAhの実施例1〜6の電池A〜F、および比較例1〜9の電池R〜Zを用いて、これらの各電池を室温(約25℃)で、600mAの充電電流で電池電圧が4.2Vになるまで定電流で充電した後、4.2Vに到達した後は電流値が30mA以下になるまで定電圧で充電を行った。ついで、室温(約25℃)で10分休止した後、今度は、室温(約25℃)で、600mAの放電電流で電池電圧が2.75Vになるまで放電させ、放電時間から初期の放電容量を求めると、下記の表1に示すような結果が得られた。
【0051】
また、充電後に、これらの各電池を解体して負極12の表面状態を観察して、負極表面の硬化むらを目視により確認すると、下記の表1に示すような結果が得られた。さらに、実施例1の電池Aと比較例4の電池Uを用いて、上述の充放電を1サイクルとする充電サイクルを繰り返して行った。そして、各サイクル毎の放電容量を求めて、求めた放電容量と初期放電容量との比率を求めると、図4に示すような結果が得られた。なお、表1の負極硬化むらにおいて、「有り」に*印を付したものは硬化むらが多量に発生していたことを示している。
【0052】
【表1】
【0053】
4.試験結果の検討
(1)コバルト酸リチウムを正極活物質として用いた場合の炭酸ガス溶存の効果コバルト酸リチウムを正極活物質として用い、電解液中に炭酸ガスを溶存しない比較例1の電池Rと、電解液中に炭酸ガスを溶存した比較例2の電池Sを比較すると、いずれの電池も600mAhの設計容量に対して、電池作製上の誤差(例えば、合剤塗布時の質量誤差等)程度しか差異が生じていないことが分かる。このことは、電解液中の炭酸ガスの溶存の有無に関わらず、即ち、電極表面に炭酸リチウムの皮膜が形成されているか否かに関わらず、電池性能を充分に引き出していることを示している。解体した負極においては、ポリマーも均一に硬化されていて、均一に充電されていることが分かった。
【0054】
これは、電解液中にわずかに存在する水分がLiPF6等のリチウム塩と反応してHFなどの酸を発生し、これが正極活物質と反応して電解液の分解を促進するが、コバルト酸リチウムは酸に対してそれほど敏感ではないため、電解液の分解を促進しないためと考えられる。これらのことから、コバルト酸リチウムを正極活物質として用いた場合には、電解液中に炭酸ガスを溶存させても、電極表面に炭酸リチウムの皮膜を形成させる効果を発揮することはないということができる。
【0055】
(2)低沸点溶媒種(鎖状カーボネート系溶媒)の必要性
コバルト酸リチウムを正極活物質として用い、環状カーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒(EC+DEC)を用いた比較例1の電池Rと、環状カーボネート同士の混合溶媒(EC+PC)を用いた比較例3の電池Tを比較すると、初期の放電容量が電池Tの方が、電池Rより47mAh低くなっていることが分かる。また、マンガン酸リチウムを正極活物質として用い、環状カーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒(EC+DEC)を用いた比較例4の電池Uと、環状カーボネート同士の混合溶媒(EC+PC)を用いた比較例5の電池Vを比較すると、初期の放電容量が電池Vの方が、電池Uより44mAh低くなっていることが分かる。
【0056】
これは、環状カーボネートは極性が強いためにイオン伝導性が優れているが、環状という構造上、自由度が少ないために分子間力が高くなる傾向が強く、粘度が非常に高い。このため、環状カーボネート同士の混合溶媒(EC+PC)を用いた比較例3の電池Tおよび比較例5の電池Vにおいては、高充填された電極(正極11及び負極12)内に電解液を充分に浸透させることが難しく、初期放電容量が低下した結果になったと考えられる。なお、電解液を電極内に浸透させやすくするために、電池内に界面活性剤を添加することが有効であるが、電池性能に悪影響を与えたり、界面活性剤自体が環境上好ましくないため、有効な手段であるとはいえない。
【0057】
一方、鎖状カーボネートは、極性が環状カーボネートほど高くないため、導電性の補助的効果は少ないが、鎖状という構造上、自由度が大きいために分子間力が小さく、粘度が低い。このため、環状カーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒(EC+DEC)を用いた比較例1の電池Rおよび比較例4の電池Uにおいては、高充填された電極(正極11及び負極12)内に電解液を充分に浸透させることができるようになって、初期放電容量の低下を抑制できたと考えられる。しかしながら、電解液注液直後の電池内部は非常に還元性が高いため、還元されやすい鎖状カーボネートは容易に分解されてガスを発生する。
【0058】
このことは、コバルト酸リチウムを正極活物質とした場合には、上述したようにガス発生を生じないが、マンガン酸リチウムを正極活物質とした場合には、ガスを発生するため重大な問題なる。これは、電解液中にわずかに存在する水分がLiPF6等のリチウム塩と反応してHFなどの酸を発生し、これが正極活物質のマンガン酸リチウムと反応して電解液の分解を促進するためである。このため、マンガン酸リチウムを正極活物質として用い、環状カーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒(EC+DEC)を用いた比較例4の電池Uにおいては、初期放電容量が設計容量よりも29mAhだけ低下した結果になったと考えられる。
【0059】
これらのことから、以下の事項が明らかになる。即ち、電池内で熱重合させて電解液をゲル化した非水電解質電池においては、環状カーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒を用いることが必須になる。しかしながら、マンガン酸リチウムを正極活物質に用いた場合には、鎖状カーボネートが分解されてガスを発生し、放電容量が低下する。このため、鎖状カーボネートの分解を抑制することが必要になる。そこで、本発明の効果を以下において、詳細に検討する。
【0060】
(3)マンガン酸リチウムを正極活物質として用いた場合の炭酸ガス溶存の効果まず、窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気中で電解液の注液を行って、電解液中に炭酸ガスが溶存していない比較例4の電池Uと、炭酸ガスの雰囲気中で電解液の注液を行って、電解液中に炭酸ガスを溶存させた実施例1の電池Aとを比較する。窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気中で電解液の注液を行った比較例4の電池Uにおいては、設計容量に対して29mAhだけ初期放電容量が低下していることが分かる。また、比較例4の電池Uにおいては、図3に示すように、負極12の至る所に「ガス噛み」に起因する硬化むら12aが発生していることが分かった。
【0061】
これは、溶質として用いたLiPF6が電解液中にわずかに存在する水分と反応してHFなどの強酸を発生させる。すると、酸に特に敏感なマンガン酸リチウムが、発生した酸と反応してマンガンイオンを電解液中に溶出させる。この溶出したマンガンイオンが、負極表面上に点在する−COOH,−NH,−OHなどの活性官能基と電解液を絡めて反応して多量のガスを発生する。そして、電解液中には熱重合性のモノマー材料が存在しているので、粘度が高い状態にある。このため、発生したガスが電極間に滞留して、この状態でモノマーが熱重合して電解液はゲル化することとなる。この結果、正極11−セパレータ13−負極12間に充分に電解液が充填されない状態となって、初期放電容量が低下したと考えられる。
【0062】
一方、炭酸ガスの雰囲気中で電解液の注液を行って、電解液中に炭酸ガスを溶存させた実施例1の電池Aにおいては、ほぼ設計容量通りの初期放電容量が得られた。また、図3に示すような「ガス噛み」に起因する硬化むら12aの発生も認められなく、均一に充電されたものとなった。このような結果になった理由は、今のところ、充分には把握できていないが、以下のように推測できる。即ち、電解液中に溶存した炭酸ガスは、溶質であるLiPF6のリチウム塩が解離したリチウムイオン(Li+)と反応して、正極11の表面や負極12の表面に薄い炭酸リチウムの無機質皮膜を形成する。すると、この皮膜は負極表面上に点在する−COOH,−NH,−OHなどの活性官能基をコーティングするように包み込み、炭酸ガスを溶存させなかった場合のような副反応の進行を阻害し、「ガス噛み」に起因する硬化むら12aの発生を抑制できたと考えられる。
【0063】
ここで、図3に示すように、「ガス噛み」に起因する硬化むら12aが形成されると、硬化むら12aの部分は電解液が存在しにくい状態にあるため、この硬化むら12aの周辺にリチウムが析出しやすくなる。そして、析出したリチウムは電解液と副反応してガスを発生させ、正規の充放電反応を阻害して充放電不良が発生する。そして、この状態で充放電サイクルを繰り返すと、充放電不良の箇所が拡大して、充放電サイクル中に急激な劣化が引き起こされる。また、析出したリチウムは100℃付近の温度で異常発熱を引き起こすため、内部燃焼などの異常を引き起こす場合もある。
【0064】
このことは、図4の結果が明瞭に示しているということができる。即ち、ポリマーの硬化不良が認められる比較例4の電池Uにおいては、充放電サイクルの経過に伴い、充放電不良の箇所が拡大して急激にサイクル特性が劣化している。これに対して、硬化不良が認められない実施例1の電池Aにおいては、均一に重合されているために異常な反応が生じず、単調なサイクル特性劣化の挙動をしている。このことから、マンガン酸リチウムを正極活物質として用いた場合には、電解液中に炭酸ガスを溶存させることは、ポリマーの均一な重合性を確保する上で非常に有効な手段になるということができる。
【0065】
(4)LiPF6をリチウム塩として用いた場合の炭酸ガス溶存の効果
LiPF6を電解液の溶質とする比較例4の電池Uと、LiN(SO2C2F5)2を電解液の溶質とする比較例6の電池Wとを比較すると、初期放電容量が電池Wの方が高いことが分かる。これは、LiN(SO2C2F5)2はLiPF6のようにHFのような強酸を発生しないために、比較例4の電池Uのような「ガス噛み」に起因する硬化むら12aの発生を緩和できたためと考えられる。しかしながら、LiN(SO2C2F5)2を電解液の溶質を用いて電解液に炭酸ガスを溶存させた実施例2の電池B、およびLiPF6とLiN(SO2C2F5)2の混合溶質を用いて電解液に炭酸ガスを溶存させた実施例3の電池Cと、比較例6の電池Wとを比較すると、電池B,Cの方が初期放電容量が高いことが分かる。
【0066】
これは、LiN(SO2C2F5)2はLiPF6のようにHFのような強酸を発生しないが、HFよりも弱い酸を発生することが知られており、この弱い酸により鎖状カーボネートの分解が起こってガスを発生する。このため、電池Wにおいては、「ガス噛み」に起因する硬化むら12aを発生して、初期放電容量が低下したと考えられる。一方、電池B,Cにおいては、上述した理由により「ガス噛み」に起因する硬化むら12aの発生が防止されて、初期放電容量が低下しなかったと考えられる。
このことから、特に、HFのような強酸を発生させる頻度が高いLiPF6を溶質として用いる電解液に炭酸ガスを溶存させると、硬化むらを防止する効果を充分に発揮させることが可能となって、有効であるということができる。
【0067】
(5)熱重合性高分子材料の必要性
ポリマー材料としてPVdFを用いた、比較例7の電池Xと比較例8の電池Yにおいては、いずれの電池も600mAhの設計容量に対して、電池作製上の誤差程度しか差異が生じていないことが分かる。このことは、電解液中に炭酸ガスが溶存してるか否に関わらず、即ち、電極表面に炭酸リチウムの皮膜が形成されているか否かに関わらず、電池性能を充分に引き出していることを示している。解体した負極においては、ポリマーも均一に硬化されていて、均一に充電されていることが分った。
【0068】
これは、PVdFは熱重合性の高分子材料でないため、電解液中にPVdFを添加すると電解液の粘度が上昇する。しかしながら、粘度が上昇しても流動性を維持しているため、ゲル化の過程でガスが発生しても、発生したガスは電極間に留まることなく、完全にゲル化するまでには電極間から抜け出るようになる。このため、電解液中に炭酸ガスが溶存していなくても、溶存しても同じような結果になったと考えられる。このことから、電解液中に炭酸ガスを溶存させる効果を発揮させるためには、熱重合性のモノマー材料を用いた場合において、有効であるということができる。なお、熱重合性のモノマー材料としては、末端基がアクリレートであるものが好ましい。
【0069】
(6)マンガン酸リチウムにコバルト酸リチウムを混合した混合正極活物質を用いた場合の炭酸ガス溶存の効果
マンガン酸リチウムにコバルト酸リチウムを混合した混合正極活物質(質量比で1:1)を用いた、実施例4の電池Dと比較例9の電池Zとを比較すると、初期放電容量は電池Dの方が電池Zよりも16mAhだけ向上していることが分かる。このことは、正極中に酸分に対して敏感に反応するマンガン酸リチウムが含有されていると、このマンガン酸リチウムが電解液の分解に関与するため、電解液中に炭酸ガスを溶存させる効果を発揮したためと考えられる。なお、マンガン酸リチウムの含有量が少なすぎると、炭酸ガスを溶存させる効果を発揮させることができないため、マンガン酸リチウムの含有量は、混合正極活物質の質量に対して10質量%以上、好ましくは30質量%以上とするのが望ましい。
【0070】
(7)炭酸ガスの電解液中への溶存方法の差異
さらに、炭酸ガスの雰囲気で注液した後、窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気で含浸した実施例1の電池Aと、窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気で注液した後、炭酸ガスの雰囲気で含浸した実施例5の電池Eと、予め炭酸ガスを溶存させた電解液を窒素ガスあるいはアルゴンガスの雰囲気で注液、含浸した実施例6の電池Fとを比較すると、いずれの電池も600mAhの設計容量に対して、電池作製上の誤差程度しか差異が生じていないことが分かる。このことは、炭酸ガスを注液時あるい含浸時もしくは予め電解液中に溶存させても、どのような方法によっても、炭酸ガスの導入効果を奏することができるようになる。
【0071】
【発明の効果】
上述したように、本発明においては、スピネル型マンガン酸リチウムを正極活物質として含む正極と、環状カーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒と溶質からなる電解液と、熱重合性モノマーとの組み合わせで懸案となっていた発生ガスによる重合の不均一性を、炭酸ガスを電解液に溶存させることで改善している。この結果、優れた電池性能を有する非水電解質電池を提供できるようになる。
【0072】
また、本発明においては、電解液に溶存した炭酸ガスは、電解液中の極性溶媒になどに溶存していた酸素を追い出して熱重合するため、均一な熱重合が可能になって、均一性に優れたポリマー電解質が得られる。これは、電解液中の極性溶媒に配位した酸素が、酸素よりは配位力が強い炭酸ガスにより置換されたためと考えられる。そして、均一性に優れたポリマー電解質を備えることにより、エネルギー密度、サイクル特性、負荷特性、温度特性が向上した非水電解質二次電池が得られるとともに、安全性に優れ、かつ高温保存時においてもガス発生が減少した非水電解質二次電池が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の非水電解質電池の一例を模式的に示す図であり、図1(a)は外形形状を模式的に示す斜視図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A断面を示す断面図である。
【図2】本発明の非水電解質二次電池を作製するための工程手順の概略を示す工程図である。
【図3】負極の表面に形成された重合むらを模式的に示す図である。
【図4】実施例の電池と比較例の電池の充放電サイクルと放電容量の関係を示す図である。
【符号の説明】
10…非水電解質二次電池、11…正極、12…負極、13…セパレータ、14…外装体、15…正極端子、16…負極端子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a positive electrode containing spinel type lithium manganate as a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material capable of inserting and removing lithium ions, a separator separating these positive electrode and negative electrode, The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery including an electrolyte in an exterior body and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, lithium cobalt oxide (LiCoO) has been used as a negative electrode active material for alloys used in portable electronic / communication equipment such as small video cameras, mobile phones, laptop computers, etc. 2 ), Lithium nickelate (LiNiO) 2 ), Lithium manganate (LiMn) 2 O 4 Non-aqueous electrolyte secondary batteries (lithium secondary batteries) represented by lithium-ion batteries using lithium-containing composite oxides as positive electrode materials have been put into practical use as batteries that are small, lightweight, and capable of charging and discharging with high capacity. It is also marketed.
[0003]
Recently, there has been a demand for a lithium secondary battery having a large degree of freedom in the form of use in equipment used while maintaining excellent discharge characteristics. In particular, there has been a demand for a compact lithium secondary battery that can be thinned, does not leak, is lightweight, and has an excellent mass energy density. Against this background, a lithium secondary battery equipped with a polymer electrolyte in which an electrolytic solution is gelled (cured) by heating a thermopolymerizable monomer material, a so-called lithium polymer secondary battery has been put into practical use. It became so. This type of lithium polymer secondary battery is different from conventional lithium secondary batteries only in that the monomer material is contained in the electrolyte and the monomer material is thermally cured. The material to be used is almost similar to a conventional lithium secondary battery.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Generally, it is essential to use a cyclic carbonate that is difficult to be reductively decomposed in the battery, has a high polarity, and easily ensures ionic conductivity as a solvent used in the electrolyte solution for a lithium secondary battery. Yes. However, the cyclic carbonate has a drawback that it has a low degree of freedom due to the cyclic structure and has a strong intermolecular force, and therefore has a very high viscosity and is difficult to contain liquid inside the electrode group. For this reason, a mixed solvent in which chain (acyclic) carbonate having low intermolecular force and low viscosity is mixed is used. Since this chain carbonate is not higher in polarity than the cyclic carbonate, ionic conductivity cannot be ensured, but since the degree of freedom is large due to the chain structure, the intermolecular force is weak and the viscosity is small. Has advantages.
[0005]
However, in a lithium polymer secondary battery, since the polymer material is contained in the electrolytic solution, the viscosity of the electrolytic solution increases, so that the electrolytic solution is less likely to be contained in the electrode group compared to the lithium secondary battery. There was a problem. For this reason, it is necessary to contain many chain carbonate type low boiling-point solvent species with a low viscosity in the structure of electrolyte solution. However, the low boiling point solvent species represented by the chain carbonate system has a problem that the solvent species itself is easily reductively decomposed and gas is easily generated in the battery.
[0006]
Further, it is known that a lithium secondary battery generates a gas due to a side reaction corresponding to the irreversible efficiency of a battery material (mainly a negative electrode material) at the initial stage of charging. In this case, in a lithium secondary battery in which a hard case such as an iron can or an aluminum can is used for the exterior body that houses the power generation element, it is relatively difficult to cause a problem that the battery swells. However, in a lithium polymer secondary battery, since a soft case such as an aluminum laminate film is used, the pressure of the generated gas causes the battery to swell, causing a problem of adversely affecting the equipment used.
[0007]
In particular, in a lithium polymer secondary battery using lithium manganate as a positive electrode active material, not only the negative electrode material, but also the lithium manganate of the positive electrode material is involved in the decomposition of the electrolytic solution, and a large amount of gas is generated. There was a problem. This is because, since lithium manganate is vulnerable to acid, the moisture present in the electrolyte is slightly LiPF. 6 This is because it reacts with a strong acid such as HF generated by reacting with a solute such as HF. For this reason, it is presumed that gas is generated by dissolving manganese from the lithium manganate crystal and reacting with the dissolved manganese entangled with the electrolytic solution on the negative electrode.
[0008]
In this case, in the lithium secondary battery, since the electrolytic solution has fluidity, even if gas is generated in the battery, the gas does not stay between the electrodes. However, in the lithium polymer secondary battery, since the electrolytic solution is cured and solidified by gelation, the generated gas is fixed between the electrodes, which causes a serious problem such as causing a charge / discharge failure. This is because a so-called “gas biting” phenomenon occurs in which a gas generated in a high-viscosity solvent before curing cures (gels) in a state where it exists between the electrodes. For this reason, a portion where no electrolytic solution (in this case, a gelled electrolytic solution) exists between the positive electrode and the separator or between the separator and the negative electrode is generated. Then, even if it charges / discharges after that, it is because a uniform battery reaction cannot be performed, charging / discharging defect produced, and the battery characteristic fell.
[0009]
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and includes an electrolytic solution that includes lithium manganate as a positive electrode active material and has a solute dissolved in a mixed solvent containing a cyclic carbonate and a chain carbonate. It is an object of the present invention to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery in which non-uniformity of thermal polymerization does not occur even when gelled (cured) with a thermopolymerizable monomer material.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes a positive electrode containing spinel type lithium manganate as a positive electrode active material, and a negative electrode containing a negative electrode active material capable of inserting and removing lithium ions. A separator that separates the positive electrode and the negative electrode and a gel electrolyte are provided in the outer package. The gel electrolyte is formed by polymerizing an electrolyte solution in which a solute composed of a lithium salt is dissolved in a mixed solvent containing a cyclic carbonate and a chain carbonate with a heat-polymerizable monomer material to form a gel. Alternatively, at least one surface of the negative electrode is formed with a lithium carbonate film formed by a reaction between a carbon dioxide gas dissolved in the electrolytic solution and the electrolytic solution.
[0011]
Here, the carbon dioxide gas dissolved in the electrolytic solution reacts with lithium ions from which the lithium salt that is the solute of the electrolytic solution is dissociated to form a thin lithium carbonate inorganic coating on the surface of the positive electrode or the negative electrode. Since this lithium carbonate coating coats active functional groups (-COOH, -NH, -OH, etc.) on the negative electrode, the chain carbonate of one solvent can be prevented from being decomposed by the active functional groups. It becomes like this. As a result, it is possible to prevent a “gas biting” phenomenon from occurring during the thermal polymerization of the monomer material, and it is possible to obtain a nonaqueous electrolyte secondary battery in which nonuniformity of thermal polymerization does not occur.
[0012]
In addition, carbon dioxide dissolved in the electrolyte solution is thermally polymerized by expelling oxygen dissolved in the polar solvent in the electrolyte solution, enabling uniform thermal polymerization and a gel electrolyte with excellent uniformity. (Polymer electrolyte) is obtained. This is presumably because oxygen coordinated with the polar solvent in the electrolyte was replaced by carbon dioxide gas having higher coordinating power than oxygen. By providing a gel electrolyte (polymer electrolyte) with excellent uniformity, a non-aqueous electrolyte secondary battery with improved energy density, cycle characteristics, load characteristics, and temperature characteristics can be obtained, and safety is excellent. A nonaqueous electrolyte secondary battery in which gas generation is suppressed even during high temperature storage can be obtained.
[0013]
In this case, LiPF 6 LiPF as an electrolyte solute, LiPF 6 Generates a strong acid such as HF. Then, HF reacts with a chain carbonate that is weak against acid, and decomposes the chain carbonate to generate gas, resulting in uneven curing due to “gas biting”. However, when a thin lithium carbonate inorganic coating is formed on the surface of the positive electrode or the negative electrode, the chain carbonate can be prevented from being decomposed. Therefore, in particular, LiPF, which has a high frequency of generating a strong acid such as HF, is used. 6 It is preferable to dissolve carbon dioxide gas in the electrolytic solution using as a solute because the effect of preventing unevenness of curing can be sufficiently exhibited.
[0014]
In addition, as spinel type lithium manganate used for the positive electrode active material, A part of lithium manganate was substituted with at least one element selected from magnesium (Mg), aluminum (Al), cobalt (Co), zirconium (Zr), titanium (Ti), nickel (Ni), Alternatively, it is substituted and added with at least one element selected from boron (B) and fluorine (F) It is preferable to use spinel type lithium manganate.
[0015]
Further, it is essential to use a mixed solvent of a cyclic carbonate and a chain carbonate as a solvent for the electrolytic solution. However, the solvent species of the cyclic carbonate and the chain carbonate are not particularly limited, but the cyclic carbonate is preferably selected from at least one of propylene carbonate, ethylene carbonate, and butylene carbonate. The chain carbonate is preferably selected from at least one of dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate.
[0016]
Furthermore, as the thermopolymerizable monomer material, it is particularly preferable to use a monomer material such as polypropylene glycol diacrylate whose terminal group is an acrylate. Polymers obtained by polymerizing thermopolymerizable monomer materials are polyether solid polymers, polycarbonate solid polymers, polyacrylonitrile solid polymers, copolymers of these two or more, or crosslinked high polymers. It is desirable to use molecules.
[0017]
And in order to obtain the nonaqueous electrolyte secondary battery of the structure mentioned above, the manufacturing method of the nonaqueous electrolyte secondary battery of this invention is, after forming an electrode group by interposing a separator between a positive electrode and a negative electrode, Electrode group housing step for housing the electrode group in the exterior body, and electrolyte solution preparation by dissolving an electrolyte composed of lithium salt and a thermopolymerizable monomer material in a mixed solvent containing cyclic carbonate and chain carbonate A step of injecting an electrolyte solution in an atmosphere of carbon dioxide gas into an exterior body in which the electrode group is housed, and a pressure reduction impregnation step of impregnating the electrode group in a reduced pressure atmosphere with the electrolyte solution injected into the exterior body And a gelling step of gelling and polymerizing the thermopolymerizable monomer material dissolved in the electrolytic solution by heating.
[0018]
Thus, when the liquid injection process of injecting the electrolytic solution in an atmosphere of carbon dioxide gas is provided, the carbon dioxide gas is dissolved in the electrolytic solution. Thus, when the electrode group is impregnated in the reduced pressure impregnation step in an atmosphere of reduced pressure, a lithium carbonate film is formed on the surface of the positive electrode, the surface of the negative electrode, or the surfaces of both electrodes. For this reason, even if the thermopolymerizable monomer material is heated and cured in the subsequent curing step, it is possible to prevent uneven curing due to “gas biting”.
[0019]
In this case, instead of performing the liquid injection process in an atmosphere of carbon dioxide gas, even if the vacuum impregnation process is performed in an atmosphere of carbon dioxide gas, a lithium carbonate film can be formed on at least one of both electrodes, Similar effects can be achieved. In addition, a film of lithium carbonate can be formed on at least one of both electrodes even if carbon dioxide gas is dissolved in the electrolyte solution by bubbling in advance and then the electrolyte solution is injected and impregnated. The same effect can be achieved.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. 1. However, the present invention is not limited to this embodiment, and can be appropriately implemented without changing the object of the present invention. is there. 1 is a diagram schematically showing an example of the nonaqueous electrolyte battery of the present invention, FIG. 1 (a) is a perspective view schematically showing an outer shape, and FIG. 1 (b) is a diagram in FIG. It is sectional drawing which shows the AA cross section of (a).
[0021]
1. Nonaqueous electrolyte secondary battery
As shown in FIG. 1, a nonaqueous electrolyte
[0022]
The
[0023]
Here, an important feature of the present invention is that it is generated on the surface of the negative electrode 12, the surface of the positive electrode 11, or the surfaces of these two electrodes 11, 12 by the reaction of carbon dioxide dissolved in the electrolytic solution and the electrolytic solution as will be described later. That is, the formed lithium carbonate film is formed. When a lithium carbonate film is formed on the surface of the electrode, this film coats active functional groups (—COOH, —NH, —OH, etc.) on the negative electrode. For this reason, it becomes possible to prevent the solvent of the electrolytic solution from being decomposed by the active functional group, thereby preventing the generation of gas. As a result, it is possible to prevent the “gas biting” phenomenon from occurring during the thermal polymerization of the monomer material, and the thermal polymerization is performed uniformly.
[0024]
In addition, as a spinel type lithium manganate used with a positive electrode active material, A part of lithium manganate was substituted with at least one element selected from magnesium (Mg), aluminum (Al), cobalt (Co), zirconium (Zr), titanium (Ti), nickel (Ni), Alternatively, it is substituted and added with at least one element selected from boron (B) and fluorine (F) It is desirable to use spinel type lithium manganate. As the negative electrode active material, graphite, coke, tin oxide, metallic lithium, silicon, and a mixture thereof can be used in addition to the above-described graphite, and any material that can insert and desorb lithium ions is particularly limited. There is no.
[0025]
Moreover, as a solvent of electrolyte solution, it is necessary to use the mixed solvent with which the cyclic carbonate and the chain carbonate were mixed. The cyclic carbonate may be selected from at least one of propylene carbonate (PC) and butylene carbonate (BC) in addition to the above-described ethylene carbonate (EC). The chain carbonate may be selected from at least one of dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate in addition to the above-described diethyl carbonate (DEC).
[0026]
Further, as the solute of the electrolytic solution, the above-mentioned LiPF 6 In addition, LiClO 4 , LiBF 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiPF 6-x (C n F 2n + 1 ) x (However, 1 ≦ x ≦ 6, n = 1 or 2) and the like can be used, and one or more of these can be used in combination. In addition, as addition amount of lithium salt, 0.2-1.5 mol (0.2-1.5 mol / l) per liter of electrolyte solution is desirable.
[0027]
Furthermore, as the thermopolymerizable monomer material, it is particularly preferable to use a monomer material whose terminal group is an acrylate, such as polypropylene glycol diacrylate. Polymers obtained by polymerizing thermopolymerizable monomer materials are polyether solid polymers, polycarbonate solid polymers, polyacrylonitrile solid polymers, copolymers of these two or more, or crosslinked high polymers. It is desirable to use molecules. Note that the mass ratio of the thermopolymerizable polymer material and the electrolytic solution is desirably in the range of 1: 6 to 1:25 in view of ion conductivity and liquid retention of the electrolytic solution. In addition to the thin shape described above, the shape of the battery may be any shape, such as a square shape or a cylindrical shape, and the size is not particularly limited.
[0028]
2. Preparation of non-aqueous electrolyte secondary battery
The production procedure of the nonaqueous electrolyte
[0029]
Next, a heat-curing / aging process is performed in which the temporarily sealed outer package is heated to gel the thermopolymerizable monomer material present in the electrolytic solution and thermoset, followed by aging. Finally, a completed battery is obtained through a main sealing step of main sealing the exterior body. In the present invention, as means for dissolving carbon dioxide gas in the electrolytic solution, a method of performing the liquid injection step in a carbon dioxide atmosphere, a method of performing the impregnation step in a carbon dioxide atmosphere, or bubbling in advance. The method of dissolving in the electrolyte is adopted. In the following, some specific examples of the nonaqueous electrolyte battery of the present invention will be described, but various comparative examples will also be described in order to clarify the effects of the present invention.
[0030]
(1) Example 1
Spinel type lithium manganate (Li) in which a part of manganese as a positive electrode active material is substituted with magnesium (Mg) and boron (B) is added 1.06 Mn 1.88 Mg 0.04 O 4 B 0.01 ) And graphite powder as a carbon conductive agent were mixed (for example, 92: 5 by mass ratio) to obtain a positive electrode mixture powder. Subsequently, the obtained positive electrode mixture powder was filled into a mixing apparatus (for example, a meso-fusion apparatus (AM-15F) manufactured by Hosokawa Micron Corporation). This was operated for 10 minutes at 1500 revolutions per minute (1500 rpm) to cause compression, impact and shearing action and mixing.
[0031]
Thereafter, the fluororesin binder was mixed at a constant ratio (for example, 97: 3 by mass ratio) to obtain a positive electrode mixture. Next, this positive electrode mixture was applied to both surfaces of a positive electrode current collector made of aluminum foil, dried, rolled to a predetermined thickness, cut into a predetermined shape, and the positive electrode 11 was produced. In mixing the positive electrode mixture powder, the positive electrode mixture powder may be used as it is and mixed in a slurry state without using a mechanofusion device. Moreover, you may make it mix by another method.
[0032]
On the other hand, the negative electrode active material (002) plane spacing (d 002 ) Is 0.336 nm, the crystallite size (Lc) in the c-axis direction is 200 nm, and the average particle size is 20 μm. The powder of massive graphite (artificial graphite fired at 2950 ° C.) is used. This graphite powder and a styrene-based binder were mixed at a constant ratio (for example, 98: 2 in terms of mass ratio), and water was added and mixed to obtain a negative electrode mixture. Thereafter, this negative electrode mixture was applied to both surfaces of a negative electrode current collector made of copper foil, dried, rolled to a predetermined thickness, cut into a predetermined shape, and negative electrode 12 was produced.
[0033]
In addition, 1 mol / l lithium hexafluorophosphate (LiPF) was added to a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a volume ratio of 3: 7. 6 ) To dissolve the electrolyte (LiPF 6 / EC: DEC = 3: 7). Next, polypropylene glycol diacrylate (having a molecular weight of about 300) as a thermopolymerizable monomer material is added to the electrolytic solution so that the mass ratio with respect to the electrolytic solution is 15: 1, and as a polymerization initiator. A mixed electrolyte was prepared by adding 5000 ppm of t-hexylperoxypivalate. In addition, the addition amount of the monomer material added to the electrolytic solution should be added so that the mass ratio with respect to the electrolytic solution is in the range of 6: 1 to 25: 1 in consideration of ion conductivity and liquid retention. desirable.
[0034]
Subsequently, the positive electrode 11 and the negative electrode 12 produced as described above were used, and a
[0035]
Next, the inside of the dry box was replaced with nitrogen gas or argon gas, the inside of the dry box was made into an atmosphere of nitrogen gas or argon gas, and the inside of the dry box was sucked with a vacuum pump to make a reduced pressure atmosphere. As a result, the electrolyte injected into the
[0036]
(2) Example 2
To a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a volume ratio of 3: 7, 1 mol / l lithium imide salt (LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 ) Is dissolved in an electrolyte solution (LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 / EC: DEC = 3: 7) A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 described above except that it was prepared as nonaqueous electrolyte battery B in Example 2.
[0037]
(3) Example 3
To a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a volume ratio of 3: 7, 0.5 mol / l lithium hexafluorophosphate (LiPF) was added. 6 ) And 0.5 mol / l lithium imide salt (LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 ) To dissolve the electrolyte (LiPF 6 + LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 / EC: DEC = 3: 7) A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 described above except that the nonaqueous electrolyte battery C of Example 3 was prepared.
[0038]
(4) Example 4
Spinel type lithium manganate (Li 1.06 Mn 1.88 Mg 0.04 O 4 B 0.01 ) And lithium cobaltate (1: 1 by mass ratio), except that a mixed positive electrode active material was used, as in Example 1 described above. 6 / EC: DEC = 3: 7), a nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 described above, and this was designated as nonaqueous electrolyte battery D in Example 4.
[0039]
(5) Example 5
The electrode group produced in the same manner as in Example 1 was accommodated in the
[0040]
(6) Example 6
As in Example 1 described above, the electrolyte (LiPF 6 / EC: DEC = 3: 7), a polymer material and a polymerization initiator were added in the same manner as in Example 1 to obtain a mixed electrolyte. Carbon dioxide gas was blown into this under normal pressure at room temperature (bubbling), so that the carbon dioxide gas was dissolved in the electrolyte until it was saturated. Next, after the electrode group produced in the same manner as in Example 1 was accommodated in the
As a result, a lithium carbonate film is formed on the surface of the positive electrode 11, the surface of the negative electrode 12, or the surfaces of both the electrodes 11 and 12. Next, after reducing the pressure in the dry box in an atmosphere of nitrogen gas or argon gas and impregnating the electrolyte solution injected into the
[0041]
(7) Comparative Example 1
Electrolytic solution (LiPF) prepared in the same manner as in Example 1 above, using lithium cobaltate as the positive electrode active material 6 / EC: DEC = 3: 7) In the same manner as in Example 1 described above, except that the pouring step and the impregnation step were performed in an atmosphere of nitrogen gas or argon gas, and carbon dioxide gas was not dissolved in the electrolytic solution. A nonaqueous electrolyte battery was produced, and this was designated as the nonaqueous electrolyte battery R of Comparative Example 1.
[0042]
(8) Comparative Example 2
The electrolyte solution (LiPF) was the same as in Example 1 described above except that lithium cobaltate was used as the positive electrode active material. 6 After preparing / EC: DEC = 3: 7), a nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 described above, and this was designated as Nonaqueous Electrolyte Battery S of Comparative Example 2.
[0043]
(9) Comparative Example 3
1 mol / l hexafluoride in a mixed solvent in which lithium cobaltate is used as a positive electrode active material and ethylene carbonate (EC: cyclic carbonate) and propylene carbonate (PC: cyclic carbonate) are mixed at a volume ratio of 3: 7 Lithium phosphate (LiPF 6 ) To dissolve the electrolyte (LiPF 6 / EC: PC = 3: 7) and the electrolyte solution injection and impregnation steps were performed in an atmosphere of nitrogen gas or argon gas, and carbon dioxide gas was not dissolved in the electrolyte solution. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1 described above, and this was designated as a nonaqueous electrolyte battery T of Comparative Example 3.
[0044]
(10) Comparative Example 4
Electrolyte prepared in the same manner as in Example 1 (LiPF 6 / EC: DEC = 3: 7) In the same manner as in Example 1 described above, except that the pouring step and the impregnation step were performed in an atmosphere of nitrogen gas or argon gas, and carbon dioxide gas was not dissolved in the electrolytic solution. A non-aqueous electrolyte battery was produced and used as a non-aqueous electrolyte battery U of Comparative Example 4.
[0045]
(11) Comparative Example 5
Electrolytic solution (LiPF prepared in the same manner as in Comparative Example 3 6 / EC + PC), and the step of injecting and impregnating the electrolyte solution β4 was performed in an atmosphere of nitrogen gas or argon gas, and the carbon dioxide gas was not dissolved in the electrolyte solution β4. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as described above, and this was designated as a nonaqueous electrolyte battery V of Comparative Example 5.
[0046]
(12) Comparative Example 6
Electrolytic solution (LiN (SON 2 C 2 F 5 ) 2 / EC: DEC = 3: 7), and the electrolytic solution pouring step and the impregnation step were performed in an atmosphere of nitrogen gas or argon gas, and carbon dioxide gas was not dissolved in the electrolytic solution. A nonaqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1, and this was designated as a nonaqueous electrolyte battery W of Comparative Example 6.
[0047]
(13) Comparative Example 7
An electrolytic solution (LiPF) prepared using polyvinylidene fluoride (PVdF) as the polymer material and prepared in the same manner as in Example 1. 6 / EC: DEC = 3: 7) In the same manner as in Example 1 described above, except that the pouring step and the impregnation step were performed in an atmosphere of nitrogen gas or argon gas, and carbon dioxide gas was not dissolved in the electrolytic solution. A nonaqueous electrolyte battery was produced, and this was designated as nonaqueous electrolyte battery X of Comparative Example 7. Polyvinylidene fluoride (PVdF) has already been polymerized, but it absorbs the liquid and swells to form a gel, and it melts with the electrolytic solution at high temperature and cools to form a polymer network. There are two types in which the electrolyte is taken in, but in this example, the latter is used.
[0048]
(14) Comparative Example 8
An electrolyte solution (LiPF) prepared in the same manner as in Example 1 except that polyvinylidene fluoride (PVdF) was used as the polymer material. 6 / EC: DEC = 3: 7) and a non-aqueous electrolyte battery was produced in the same manner as in Example 1, and this was designated as non-aqueous electrolyte battery Y of Comparative Example 8. In addition, about the polyvinylidene fluoride (PVdF), the thing of the type which takes in electrolyte solution in a polymer network is melted with electrolyte solution at the same high temperature as the above, and it cools.
[0049]
(15) Comparative Example 9
The same positive electrode active material (Li as in Example 4) 1.06 Mn 1.88 Mg 0.04 O 4 B 0.01 + Lithium cobaltate) and an electrolyte solution (LiPF) prepared in the same manner as in Example 1. 6 / EC: DEC = 3: 7) In the same manner as in Example 1 described above, except that the pouring step and the impregnation step were performed in an atmosphere of nitrogen gas or argon gas, and carbon dioxide gas was not dissolved in the electrolytic solution. A nonaqueous electrolyte battery was produced, and this was designated as a nonaqueous electrolyte battery Z of Comparative Example 9.
[0050]
3. Charge / discharge test
Next, using each of the batteries A to F of Examples 1 to 6 and the batteries R to Z of Comparative Examples 1 to 9 having a design capacity of 600 mAh produced as described above, each of these batteries was placed at room temperature (about 25 ° C. The battery was charged at a constant current until the battery voltage reached 4.2 V at a charging current of 600 mA, and after reaching 4.2 V, the battery was charged at a constant voltage until the current value became 30 mA or less. Next, after 10 minutes of rest at room temperature (about 25 ° C.), this time, discharge was performed at room temperature (about 25 ° C.) with a discharge current of 600 mA until the battery voltage reached 2.75 V, and the initial discharge capacity was determined from the discharge time. As a result, the results shown in Table 1 below were obtained.
[0051]
In addition, after charging, each of these batteries was disassembled, the surface state of the negative electrode 12 was observed, and when the unevenness in curing of the negative electrode surface was confirmed by visual observation, the results shown in Table 1 below were obtained. Furthermore, using the battery A of Example 1 and the battery U of Comparative Example 4, the above-described charging / discharging cycle was repeated. When the discharge capacity for each cycle was determined and the ratio between the calculated discharge capacity and the initial discharge capacity was determined, the results shown in FIG. 4 were obtained. In addition, in the negative electrode curing unevenness in Table 1, the “*” mark with “Yes” indicates that a large amount of uneven curing occurred.
[0052]
[Table 1]
[0053]
4). Examination of test results
(1) Effect of dissolution of carbon dioxide when lithium cobaltate is used as the positive electrode active material Battery R of Comparative Example 1 in which lithium cobaltate is used as the positive electrode active material and carbon dioxide is not dissolved in the electrolyte, and in the electrolyte When comparing the battery S of Comparative Example 2 in which carbon dioxide gas was dissolved, the difference between the batteries was about the difference in battery production (for example, mass error during mixture application) with respect to the design capacity of 600 mAh. I understand that it is not. This indicates that the battery performance is sufficiently drawn regardless of the presence or absence of carbon dioxide in the electrolyte solution, that is, whether or not a lithium carbonate film is formed on the electrode surface. Yes. It was found that in the disassembled negative electrode, the polymer was also uniformly cured and charged uniformly.
[0054]
This is because the slightly present moisture in the electrolyte is LiPF. 6 It reacts with a lithium salt such as HF to generate an acid such as HF, which reacts with the positive electrode active material to promote the decomposition of the electrolyte, but lithium cobaltate is not very sensitive to acid, so This is probably because it does not promote decomposition. From these facts, when lithium cobaltate is used as the positive electrode active material, the effect of forming a film of lithium carbonate on the electrode surface is not exhibited even if carbon dioxide gas is dissolved in the electrolyte. Can do.
[0055]
(2) Necessity of low boiling point solvent species (chain carbonate solvent)
Battery R of Comparative Example 1 using lithium cobaltate as a positive electrode active material and a mixed solvent of cyclic carbonate and chain carbonate (EC + DEC), and Battery of Comparative Example 3 using a mixed solvent of cyclic carbonates (EC + PC) Comparing T, it can be seen that the initial discharge capacity of the battery T is 47 mAh lower than that of the battery R. Moreover, the battery U of the comparative example 4 using the mixed solvent (EC + DEC) of cyclic carbonate and a chain carbonate using lithium manganate as a positive electrode active material, and the comparative example 5 using the mixed solvent (EC + PC) of cyclic carbonates. When comparing the battery V, it can be seen that the initial discharge capacity of the battery V is 44 mAh lower than that of the battery U.
[0056]
This is because cyclic carbonate has excellent ion conductivity due to its strong polarity, but due to its cyclic structure, it has a high tendency to increase intermolecular force due to its low degree of freedom, and its viscosity is very high. For this reason, in the battery T of the comparative example 3 and the battery V of the comparative example 5 using the mixed solvent (EC + PC) of cyclic carbonate, electrolyte solution is fully filled in the highly filled electrode (the positive electrode 11 and the negative electrode 12). It is difficult to infiltrate, and it seems that the initial discharge capacity was reduced. In order to facilitate the penetration of the electrolyte into the electrode, it is effective to add a surfactant in the battery, but the battery performance is adversely affected or the surfactant itself is not environmentally preferable. It is not an effective means.
[0057]
On the other hand, chain carbonates are not as high in polarity as cyclic carbonates, so there are few auxiliary effects of conductivity. However, because of the chain structure, the degree of freedom is large and the intermolecular force is small and the viscosity is low. For this reason, in the battery R of Comparative Example 1 and the battery U of Comparative Example 4 using a mixed solvent of cyclic carbonate and chain carbonate (EC + DEC), the electrolyte solution is contained in the highly filled electrodes (the positive electrode 11 and the negative electrode 12). It is considered that the decrease in the initial discharge capacity could be suppressed by sufficiently permeating the liquid. However, since the inside of the battery immediately after the electrolyte injection is very reducible, the chain carbonate that is easily reduced is easily decomposed to generate gas.
[0058]
When lithium cobaltate is used as the positive electrode active material, gas generation does not occur as described above. However, when lithium manganate is used as the positive electrode active material, gas is generated, which is a serious problem. . This is because the slightly present moisture in the electrolyte is LiPF. 6 This is because it reacts with a lithium salt such as HF to generate an acid such as HF, which reacts with the positive electrode active material lithium manganate and promotes the decomposition of the electrolyte. Therefore, in the battery U of Comparative Example 4 using lithium manganate as the positive electrode active material and using a mixed solvent of cyclic carbonate and chain carbonate (EC + DEC), the result of the initial discharge capacity being reduced by 29 mAh from the designed capacity It is thought that it became.
[0059]
From these, the following matters become clear. That is, in a non-aqueous electrolyte battery in which an electrolytic solution is gelled by thermal polymerization in the battery, it is essential to use a mixed solvent of a cyclic carbonate and a chain carbonate. However, when lithium manganate is used as the positive electrode active material, the chain carbonate is decomposed to generate gas, and the discharge capacity is reduced. For this reason, it is necessary to suppress the decomposition of the chain carbonate. Therefore, the effects of the present invention will be examined in detail below.
[0060]
(3) Effect of dissolution of carbon dioxide gas when lithium manganate is used as the positive electrode active material First, an electrolyte solution is injected in an atmosphere of nitrogen gas or argon gas, and carbon dioxide gas is dissolved in the electrolyte solution. The battery U of Comparative Example 4 that is not present is compared with the battery A of Example 1 in which the electrolytic solution is injected in an atmosphere of carbon dioxide gas and the carbon dioxide gas is dissolved in the electrolytic solution. It can be seen that in the battery U of Comparative Example 4 in which the electrolyte was injected in an atmosphere of nitrogen gas or argon gas, the initial discharge capacity was reduced by 29 mAh relative to the design capacity. Further, in the battery U of Comparative Example 4, as shown in FIG. 3, it was found that uneven curing 12 a caused by “gas biting” occurred throughout the negative electrode 12.
[0061]
This is because LiPF used as a solute 6 Reacts with moisture slightly present in the electrolyte to generate a strong acid such as HF. Then, lithium manganate particularly sensitive to acid reacts with the generated acid to elute manganese ions into the electrolyte. This eluted manganese ion reacts with the electrolytic solution and an active functional group such as —COOH, —NH, and —OH scattered on the negative electrode surface to generate a large amount of gas. And since the thermopolymerizable monomer material exists in electrolyte solution, it exists in a state with a high viscosity. For this reason, the generated gas stays between the electrodes, the monomer is thermally polymerized in this state, and the electrolytic solution is gelled. As a result, the electrolyte solution is not sufficiently filled between the positive electrode 11 -the separator 13 -the negative electrode 12, and the initial discharge capacity is considered to be reduced.
[0062]
On the other hand, in the battery A of Example 1 in which the electrolyte solution was injected in an atmosphere of carbon dioxide gas and the carbon dioxide gas was dissolved in the electrolyte solution, an initial discharge capacity almost as designed capacity was obtained. In addition, the occurrence of uneven curing 12a due to “gas biting” as shown in FIG. 3 was not recognized, and the battery was uniformly charged. The reason for such a result is not fully understood at present, but can be estimated as follows. That is, carbon dioxide dissolved in the electrolyte is LiPF, which is a solute. 6 Lithium ions (Li + ) To form a thin lithium carbonate inorganic film on the surface of the positive electrode 11 and the surface of the negative electrode 12. Then, this coating wraps so as to coat active functional groups such as —COOH, —NH, and —OH scattered on the negative electrode surface, and inhibits the progress of side reactions as in the case where carbon dioxide gas is not dissolved. It is considered that the generation of unevenness in curing 12a due to “gas biting” could be suppressed.
[0063]
Here, as shown in FIG. 3, when the uneven curing 12a due to "gas biting" is formed, the portion of the uneven curing 12a is in a state where it is difficult for the electrolyte to exist. Lithium tends to precipitate. Then, the deposited lithium side-reacts with the electrolytic solution to generate gas, which inhibits regular charge / discharge reaction and causes charge / discharge failure. And if a charging / discharging cycle is repeated in this state, the location of charging / discharging failure will expand and a rapid deterioration will be caused during a charging / discharging cycle. Further, the deposited lithium causes abnormal heat generation at a temperature around 100 ° C., and thus may cause abnormalities such as internal combustion.
[0064]
This can be said that the result of FIG. 4 clearly shows. In other words, in the battery U of Comparative Example 4 in which defective curing of the polymer is recognized, with the progress of the charge / discharge cycle, the location of the charge / discharge failure is enlarged and the cycle characteristics are rapidly deteriorated. On the other hand, in the battery A of Example 1 in which no curing failure is observed, since the polymerization is uniformly performed, an abnormal reaction does not occur and the behavior of monotonous cycle characteristics deteriorates. From this, when lithium manganate is used as the positive electrode active material, dissolving carbon dioxide gas in the electrolytic solution is a very effective means for ensuring uniform polymerizability of the polymer. Can do.
[0065]
(4) LiPF 6 Of Carbon Dioxide Dissolution in the Use of Lithium as Lithium Salt
LiPF 6 And the battery U of Comparative Example 4 using LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 Is compared with the battery W of Comparative Example 6 in which the electrolyte solution is the solute of the electrolyte solution, it can be seen that the battery W has a higher initial discharge capacity. This is because LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 Is LiPF 6 This is considered to be because the generation of the unevenness of curing 12a caused by the “gas biting” as in the battery U of Comparative Example 4 can be mitigated because the strong acid such as HF is not generated as in FIG. However, LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 Battery B of Example 2 in which carbon dioxide gas was dissolved in the electrolyte using the electrolyte solute, and LiPF 6 And LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 When the battery C of Example 3 in which carbon dioxide gas was dissolved in the electrolytic solution using the mixed solute of No. 6 and the battery W of Comparative Example 6 were compared, it was found that the batteries B and C had higher initial discharge capacities.
[0066]
This is because LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 Is LiPF 6 It is known that a strong acid such as HF is not generated as in the case of HF, but an acid weaker than HF is generated. This weak acid causes the decomposition of the chain carbonate and generates a gas. For this reason, in the battery W, it is considered that the uneven curing 12a due to “gas biting” occurs and the initial discharge capacity is reduced. On the other hand, in the batteries B and C, it is considered that the occurrence of the uneven curing 12a due to the “gas biting” is prevented and the initial discharge capacity is not reduced for the reason described above.
Therefore, in particular, LiPF, which has a high frequency of generating a strong acid such as HF, is used. 6 If carbon dioxide gas is dissolved in the electrolyte solution using as a solute, the effect of preventing unevenness of curing can be sufficiently exhibited, which can be said to be effective.
[0067]
(5) Necessity of thermopolymerizable polymer material
In the battery X of Comparative Example 7 and the battery Y of Comparative Example 8 that use PVdF as the polymer material, there is a difference between the batteries in Comparative Example 7 and the design capacity of 600 mAh, only in the degree of error in battery fabrication. I understand. This means that the battery performance is sufficiently drawn regardless of whether or not carbon dioxide gas is dissolved in the electrolyte solution, that is, whether or not a lithium carbonate film is formed on the electrode surface. Show. It was found that in the disassembled negative electrode, the polymer was also uniformly cured and charged uniformly.
[0068]
This is because PVdF is not a heat-polymerizable polymer material, so when PVdF is added to the electrolyte, the viscosity of the electrolyte increases. However, since the fluidity is maintained even if the viscosity rises, even if gas is generated during the gelation process, the generated gas does not stay between the electrodes, and it does not stay between the electrodes. Get out of it. For this reason, even if carbon dioxide gas is not dissolved in the electrolytic solution, it is considered that the same result was obtained even if it was dissolved. From this, it can be said that in order to exert the effect of dissolving the carbon dioxide gas in the electrolytic solution, it is effective when the thermopolymerizable monomer material is used. In addition, as a thermopolymerizable monomer material, the terminal group is preferably an acrylate.
[0069]
(6) Effect of carbon dioxide gas dissolution when a mixed positive electrode active material in which lithium cobaltate is mixed with lithium manganate is used
When the battery D of Example 4 and the battery Z of Comparative Example 9 using a mixed positive electrode active material (mass ratio of 1: 1) in which lithium cobaltate was mixed with lithium manganate were compared, the initial discharge capacity was the battery D. It can be seen that is improved by 16 mAh over battery Z. This is because when lithium manganate that reacts sensitively to acid content is contained in the positive electrode, this lithium manganate is involved in the decomposition of the electrolyte solution, so the effect of dissolving carbon dioxide gas in the electrolyte solution This is thought to be due to the fact that If the content of lithium manganate is too small, the effect of dissolving carbon dioxide gas cannot be exhibited. Therefore, the content of lithium manganate is preferably 10% by mass or more based on the mass of the mixed positive electrode active material, preferably Is preferably 30% by mass or more.
[0070]
(7) Differences in the method of dissolving carbon dioxide in the electrolyte
Furthermore, after pouring in an atmosphere of carbon dioxide gas, the battery A of Example 1 impregnated in an atmosphere of nitrogen gas or argon gas, and after pouring in an atmosphere of nitrogen gas or argon gas, it was impregnated in an atmosphere of carbon dioxide gas. When comparing the battery E of Example 5 with the battery F of Example 6 in which an electrolytic solution in which carbon dioxide gas was previously dissolved was injected and impregnated in an atmosphere of nitrogen gas or argon gas, the design capacity of each battery was 600 mAh. On the other hand, it can be seen that there is a difference only in the degree of error in battery fabrication. This means that the carbon dioxide gas can be introduced by any method regardless of whether carbon dioxide is injected or impregnated, or previously dissolved in the electrolyte.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, a combination of a positive electrode containing spinel type lithium manganate as a positive electrode active material, a mixed solvent of a cyclic carbonate and a chain carbonate and a solute, and a thermopolymerizable monomer is a concern. The heterogeneity of polymerization caused by the generated gas is improved by dissolving carbon dioxide in the electrolyte. As a result, a non-aqueous electrolyte battery having excellent battery performance can be provided.
[0072]
In the present invention, the carbon dioxide gas dissolved in the electrolytic solution is thermally polymerized by expelling oxygen dissolved in the polar solvent in the electrolytic solution, so that uniform thermal polymerization is possible. An excellent polymer electrolyte can be obtained. This is presumably because oxygen coordinated with the polar solvent in the electrolyte was replaced by carbon dioxide gas having higher coordinating power than oxygen. By providing a polymer electrolyte with excellent uniformity, a non-aqueous electrolyte secondary battery with improved energy density, cycle characteristics, load characteristics, and temperature characteristics can be obtained, as well as excellent safety and storage at high temperatures. A non-aqueous electrolyte secondary battery with reduced gas generation can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a non-aqueous electrolyte battery of the present invention, FIG. 1 (a) is a perspective view schematically showing an outer shape, and FIG. 1 (b) is a diagram in FIG. It is sectional drawing which shows the AA cross section of a).
FIG. 2 is a process diagram showing an outline of a process procedure for producing a nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention.
FIG. 3 is a diagram schematically showing uneven polymerization formed on the surface of a negative electrode.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the charge / discharge cycle and the discharge capacity of the batteries of Examples and Comparative Examples.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記ゲル状電解質は、環状カーボネートと鎖状カーボネートを含む混合溶媒にリチウム塩からなる溶質を溶解させた電解液を熱重合性のモノマー材料で重合しゲル化させて形成されているとともに、
前記正極あるいは前記負極の少なくとも一方の表面は前記電解液に溶存させた炭酸ガスと該電解液との反応により生成された炭酸リチウムの被膜が形成されていることを特徴とする非水電解質二次電池。A positive electrode containing spinel type lithium manganate as a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material capable of inserting and removing lithium ions, a separator separating these positive electrode and negative electrode, and a gel electrolyte A non-aqueous electrolyte secondary battery provided in the body,
The gel electrolyte is formed by polymerizing an electrolyte solution in which a solute composed of a lithium salt is dissolved in a mixed solvent containing a cyclic carbonate and a chain carbonate with a thermally polymerizable monomer material, and gelling.
At least one surface of the positive electrode or the negative electrode is formed with a lithium carbonate film formed by a reaction between the carbon dioxide gas dissolved in the electrolyte and the electrolyte. battery.
前記鎖状カーボネートはジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートの少なくとも1種から選択されることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の非水電解質二次電池。The cyclic carbonate is selected from at least one of propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate,
The non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the chain carbonate is selected from at least one of dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate.
前記正極と前記負極との間に前記セパレータを介在させて電極群を形成した後、該電極群を外装体内に収容する電極群収容工程と、
環状カーボネートと鎖状カーボネートを含む混合溶媒に、リチウム塩からなる溶質と熱重合性のモノマー材料を溶解させて電解液を調製する電解液調製工程と、
前記電極群が収容された外装体内に炭酸ガスの雰囲気で前記電解液を注液する注液工程と、
前記外装体内に注液された電解液を減圧の雰囲気で前記電極群に含浸させる減圧含浸工程と、
前記電解液に溶解された前記熱重合性のモノマー材料を加熱により重合しゲル化させるゲル化工程とを備えたことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。A positive electrode containing spinel type lithium manganate as a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material capable of inserting and removing lithium ions, a separator separating these positive electrode and negative electrode, and a gel electrolyte A method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery provided in the body,
After forming the electrode group with the separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, an electrode group housing step of housing the electrode group in an exterior body;
An electrolytic solution preparation step of preparing an electrolytic solution by dissolving a solute composed of a lithium salt and a thermopolymerizable monomer material in a mixed solvent containing a cyclic carbonate and a chain carbonate;
A liquid injecting step of injecting the electrolytic solution in an atmosphere of carbon dioxide gas into the exterior body containing the electrode group;
A reduced pressure impregnation step of impregnating the electrode group with an electrolyte injected into the exterior body in a reduced pressure atmosphere;
A method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising: a gelling step of polymerizing and gelling the thermopolymerizable monomer material dissolved in the electrolytic solution by heating.
前記正極と前記負極との間に前記セパレータを介在させて電極群を形成した後、該電極群を外装体内に収容する電極群収容工程と、
環状カーボネートと鎖状カーボネートを含む混合溶媒に、リチウム塩からなる溶質と熱重合性のモノマー材料を溶解させて電解液を調製する電解液調製工程と、
前記電極群が収容された外装体内に前記電解液を注液する注液工程と、
前記外装体内に注液された電解液を減圧でかつ炭酸ガスの雰囲気で前記電極群に含浸させる減圧含浸工程と、
前記電解液に溶解された前記熱重合性のモノマー材料を加熱により重合しゲル化させるゲル化工程とを備えたことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。A positive electrode containing spinel type lithium manganate as a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material capable of inserting and removing lithium ions, a separator separating these positive electrode and negative electrode, and a gel electrolyte A method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery provided in the body,
After forming the electrode group with the separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, an electrode group housing step of housing the electrode group in an exterior body;
An electrolytic solution preparation step of preparing an electrolytic solution by dissolving a solute composed of a lithium salt and a thermopolymerizable monomer material in a mixed solvent containing a cyclic carbonate and a chain carbonate;
An injecting step of injecting the electrolyte into the exterior body containing the electrode group;
A reduced pressure impregnation step of impregnating the electrode group in an atmosphere of carbon dioxide gas under reduced pressure with an electrolyte injected into the exterior body;
A method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising: a gelling step of polymerizing and gelling the thermopolymerizable monomer material dissolved in the electrolytic solution by heating.
前記正極と前記負極との間に前記セパレータを介在させて電極群を形成した後、該電極群を外装体内に収容する電極群収容工程と、
環状カーボネートと鎖状カーボネートを含む混合溶媒に、リチウム塩からなる溶質と熱重合性のモノマー材料と炭酸ガスを溶解させて電解液を調製する電解液調製工程と、
前記電極群が収容された外装体内に前記炭酸ガスが溶解された電解液を注液する注液工程と、
前記外装体内に注液された電解液を減圧の雰囲気で前記電極群に含浸させる減圧含浸工程と、
前記電解液に溶解された前記熱重合性のモノマー材料を加熱により重合しゲル化させるゲル化工程とを備えたことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。A positive electrode containing spinel type lithium manganate as a positive electrode active material, a negative electrode containing a negative electrode active material capable of inserting and removing lithium ions, a separator separating these positive electrode and negative electrode, and a gel electrolyte A method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery provided in the body,
After forming the electrode group with the separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, an electrode group housing step of housing the electrode group in an exterior body;
An electrolytic solution preparation step of preparing an electrolytic solution by dissolving a solute composed of a lithium salt, a thermopolymerizable monomer material, and carbon dioxide in a mixed solvent containing a cyclic carbonate and a chain carbonate;
A liquid injecting step of injecting an electrolytic solution in which the carbon dioxide gas is dissolved in an exterior body containing the electrode group;
A reduced pressure impregnation step of impregnating the electrode group with an electrolyte injected into the exterior body in a reduced pressure atmosphere;
A method for producing a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising: a gelling step of polymerizing and gelling the thermopolymerizable monomer material dissolved in the electrolytic solution by heating.
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