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JP4224987B2 - Non-aqueous electrolyte battery - Google Patents

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JP4224987B2
JP4224987B2 JP2002156272A JP2002156272A JP4224987B2 JP 4224987 B2 JP4224987 B2 JP 4224987B2 JP 2002156272 A JP2002156272 A JP 2002156272A JP 2002156272 A JP2002156272 A JP 2002156272A JP 4224987 B2 JP4224987 B2 JP 4224987B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極、負極及び非水電解質を備え、電池特性が大幅に改良された非水電解質電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年においては、例えばノート型パーソナルコンピュータ、携帯型電話機、カメラ一体型VTR(video tape recorder)等の電子機器の電源として、軽量で高エネルギー密度な二次電池の開発が進められている。この高いエネルギー密度を有する二次電池としては、例えば鉛電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等よりも大きなエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池がある。
【0003】
このリチウムイオン二次電池は、負極に例えば黒鉛等の炭素材の層間にリチウムイオンをインターカレーションさせることが可能な炭素質材料等の負極活物質を用い、正極に結晶構造が安定していて電池容量を大きくできるリチウム・コバルト複合酸化物等の正極活物質を用いている。そして、このリチウムイオン二次電池では、負極と正極との間を、電解質塩を非水溶媒に溶解させた非水電解液がリチウムイオンを移動させることで電池反応が行われる。しかしながら、このリチウムイオン二次電池では、正極活物質に用いているリチウム・コバルト複合酸化物は、コバルトの資源が乏しいという問題を抱えている。
【0004】
また、リチウムイオン二次電池においては、正極活物質に資源的に乏しいリチウム・コバルト複合酸化物の代わりにリチウム・ニッケル複合酸化物を用いることも可能である。このリチウム・ニッケル複合酸化物は、リチウム・コバルト複合酸化物より単位体積当たりの電池容量が大きく、より高いエネルギー密度を得ることが可能になる。しかしながら、リチウム・ニッケル複合酸化物は、結晶構造が比較的に不安定であり、電池安全性を低下させる虞がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上述した不具合を解決するために、正極活物質にリチウム・ニッケル複合酸化物とリチウム・マンガン複合酸化物との混合物を用いるリチウムイオン二次電池も提案されている。このような正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池では、リチウム・ニッケル複合酸化物の利点である高いエネルギー密度と、リチウム・マンガン複合酸化物の利点である高い安全性とを兼ね備えることができる。
【0006】
しかしながら、このリチウムイオン二次電池では、高温保存された際に、リチウム・ニッケル複合酸化物とリチウム・マンガン複合酸化物との混合物を正極活物質とする正極と非水電解液とが反応して非水電解液が酸化分解されて劣化し、電池容量が低下する等、電池特性の劣化が生じることがある。
【0007】
そこで、本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、高温保存による電池特性の劣化が防止された非水電解質電池を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る非水電解質電池は、非水電解質に電解質塩としてLiBFを含有させることにより、高温保存された際の電池特性の劣化を防止させるものである。
【0009】
すなわち、本発明に係る非水電解質電池は、リチウムのドープ/脱ドープが可能な正極活物質を有する正極合剤層を備える正極と、リチウムのドープ/脱ドープが可能な負極活物質を有する負極合剤層を備える負極と、電解質塩を含有する非水電解質とを備え、上記正極活物質は、リチウム・ニッケル複合酸化物及びリチウム・マンガン複合酸化物の混合物であり、上記負極活物質は、黒鉛類であり、上記電解質塩は、LiPF及びLiBFを少なくとも含有するとともに、上記LiBF を0.01モル/リットル以上、0.1モル/リットル以下の範囲で含有していることを特徴とする
【0010】
この非水電解質電池では、正極活物質にリチウム・ニッケル複合酸化物及びリチウム・マンガン複合酸化物の混合物を用いることにより高いエネルギー密度と高い安全性とが図られつつ、負極活物質に電解液と反応性の高い黒鉛類を用い、電解質塩としてLiPF及びLiBFを含有するとともに、LiBF を0.01モル/リットル以上、0.1モル/リットル以下の範囲で含有していることにより、LiPFがリチウムイオンの移動を効率良く行い、LiBFが高温保存時に正極と非水電解質とが反応して起こる非水電解質の劣化を抑える。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した非水電解質電池について説明する。この非水電解質電池としてリチウムイオン二次電池(以下、電池と記す。)の一構成例を図1に示す。この電池1は、発電要素となる電池素子2が外装缶3内部に非水電解液4と一緒に封入された構造となっている。
【0012】
電池素子2は、帯状の正極5と、帯状の負極6とが、セパレータ7を介して密着状態で巻回された構成となっている。
【0013】
正極5は、正極集電体8上に、正極活物質を含有する正極合剤層9が形成されている。正極5には、正極端子10が正極集電体8の所定の位置に、正極集電体8の幅方向の一方端部から突出するように接続されている。この正極端子10には、例えばアルミニウム等からなる短冊状金属片等を用いる。
【0014】
この正極5には、正極活物質として、リチウム・ニッケル複合酸化物及びリチウム・マンガン複合酸化物の混合物を用いる。具体的には、例えばLiNiO、LiNiCo1−y(x、yは電池の充放電状態によって異なり、通常0<x<1、0.7<y<1.0である。)、LiNi1−y(x、yは電池の充放電状態によって異なり、通常0<x<1、0.7<y<1.0であり、Mは遷移金属のうち何れか一種以上である。)等の化学式で示されるリチウム・ニッケル複合酸化物と、LiMn、LiMn2−yM’(xは0.9以上、yは0以上、0.5以下であり、M’はFe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、Si、Geのうち何れか一種以上である。)の化学式で示されるスピネル型のリチウム・マンガン複合酸化物との混合物を用いる。
【0015】
そして、正極5では、上述したリチウム・ニッケル複合酸化物及びリチウム・マンガン複合酸化物の混合物に、例えばLiCoO、LiMO(xは0.5以上、1.1以下の範囲であり、MはNi、Mn以外の遷移金属のうち何れか一種以上である。)等の化学式で示されるリチウム複合酸化物等を含有させることも可能である。
【0016】
また、正極5では、正極集電体8として例えば網状や箔状のアルミニウム等が用いられる。正極5においては、正極合剤層9に含有される結着剤として、この種の非水電解質電池に通常用いられている公知の樹脂材料を用いることができる。具体的には、結着剤として例えばポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。また、正極5においては、正極合剤層9に含有される導電材として、この種の非水電解質電池に通常用いられている公知のものを用いることができる。具体的には、導電材として例えばカーボンブラック、グラファイト等が挙げられる。
【0017】
この正極5では、正極活物質としてリチウム・ニッケル複合酸化物及びリチウム・マンガン複合酸化物の混合物を用いることにより、リチウムのドープ量の大きいリチウム・ニッケル複合酸化物が電池容量を向上させると共に、非水電解液4中に酸が生成されることも抑えるように作用する。そして、この正極5では、リチウム・マンガン複合酸化物が、比較的に結晶構造が安定していることから安全性を向上させると共に、非水電解液4の酸化反応を低下させて非水電解液4の劣化を抑制するように作用する。
【0018】
負極6は、負極集電体11上に、負極活物質を含有する負極合剤層12が形成されている。負極6には、負極端子13が負極集電体10の所定の位置に、負極集電体10の幅方向の一方端部から突出するように接続されている。この負極端子13には、例えば銅やニッケル等からなる短冊状金属片等を用いる。
【0019】
負極6において、負極活物質としては、リチウムのドープ/脱ドープが可能な材料であり、例えばリチウムと合金を形成することが可能な金属又はこの金属の化合物等が挙げられる。具体的には、例えば化学式DLi(Dはリチウムと化合可能な金属元素及び/又は半導体元素の一種以上であり、Eはリチウム及びD以外の金属元素及び/又は半導体元素の一種以上であり、sは0より大きく、t及びuは0以上である。)等化学式で示される化合物としてSiB4、SiB、MgSi、MgSn、NiSi、TiSi、MoSi、CoSi、NiSi、CaSi、CrSi、CuSi、FeSi、MnSi、NbSi、TaSi、VSi、WSi、ZnSi等が挙げられ、これらのうち何れか一種以上を用いる。
【0020】
負極6においては、上述した化合物の他に例えばリチウムイオンのドープ/脱ドープが可能な炭素質材料等を用いることができる。この炭素質材料としては、例えば人造黒鉛や天然黒鉛等の黒鉛類、難黒鉛化性炭素、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭、カーボンブラック類等が挙げられ、これらのうち何れか一種以上を用いる。また、これら炭素質材料のうちのコークス類とは、例えばピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等であり、有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂やフラン樹脂等の高分子材料を所定の温度で焼成して炭素化したものである。そして、これらの炭素質材料は、上述した化合物に一種以上を混合させて用いることもでき、この場合、炭素質材料は導電材としても機能することになる。
【0021】
また、負極6においては、上述した化合物や炭素質材料の他に、負極活物質として例えばポリアセチレン、ポリピロール等の高分子、酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化スズ等の酸化物等を使用することも可能である。
【0022】
負極6では、負極集電体11として例えば網状や箔状の銅等が用いられる。負極6においては、負極合剤層12に含有される結着剤として、この種の非水電解質電池に通常用いられている公知の樹脂材料を用いることができる。具体的には、結着剤として例えばポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。
【0023】
電池素子2において、セパレータ7は、正極5と負極6とを離間させるものであり、この種の非水電解質電池の絶縁性多孔質膜として通常用いられている公知の材料を用いることができる。具体的には、例えばポリプロピレン、ポリエチレン等の高分子フィルムが用いられる。また、リチウムイオン伝導度とエネルギー密度との関係から、セパレータ7の厚みはできるだけ薄い方が好ましく、その厚みを30μm以下にして用いる。
【0024】
外装缶3は、例えば有底筒状容器であり、底面が矩形状、扁平円状になっている。また、外装缶3は、負極6と導通する場合、例えば鉄、ステンレス、ニッケル等といった導電性金属で形成される。外装缶3は、例えば鉄等で形成された場合、その表面にはニッケルめっき等が施されることになる。
【0025】
非水電解液4としては、例えば非水溶媒に電解質塩を溶解させた溶液等が用いられる。非水溶媒としては、例えば環状の炭酸エステル化合物、水素をハロゲン基やハロゲン化アクリル基で置換した環状炭酸エステル化合物や鎖状炭酸エステル化合物等を用いる。具体的には、非水溶媒としてプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4メチル1,3ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステル、プロピオン酸エステル等が挙げられ、これらのうち何れか一種以上を用いる。特に、非水溶媒としては、電圧安定性の点からプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネートを使用する。
【0026】
また、非水電解液4において、電解質塩には、少なくともLiPF及びLiBFを混合して用いる。このように、電池1では、電解質塩にLiPF及びLiBFを含有させることにより、イオン導電性の高いLiPFがリチウムイオンの移動を適正に行って、高い電池容量が得られるように作用する。また、電池1では、電解質塩に含まれるLiBFが、高温保存した際に、正極5と非水電解液4との反応により非水電解液4が分解することを抑制させ、高温保存による電池容量の低下を防止させるように作用する。
【0027】
非水電解液4においては、上述したLiPF及びLiBFの他に、電解質塩として例えばLiClO、LiAsF、LiB(C、LiCFSO、LiCHSO、LiN(CFSO、LiSbF、LiClO、LiCl、LiBr等が挙げられ、これらのうち何れか一種以上をLiPF及びLiBFに混合させて用いることもできる。
【0028】
また、非水電解液4には、電解質塩であるLiBFを0.01モル/リットル以上、0.1モル/リットル以下の範囲で含有させるようにする。非水電解液4に対してLiBFを0.01モル/リットルより少なく含有させた場合、電池1では、非水電解液4に含有されるLiBFが少なすぎることから、高温保存された際の非水電解液4の分解を抑制させることが困難になる。一方、非水電解液4に対してLiBFを0.1モル/リットルより多く含有させた場合、電池1では、非水電解液4に含有されるLiBFが多すぎて、充電時及び高温保存時に負極6表面にホウ素化合物の被膜が形成されてしまう。このため、電池1では、負極6表面に形成されたホウ素化合物の被膜がリチウムイオンの移動を妨げることから、電池容量の低下等、電池特性の劣化が生じる。
【0029】
したがって、電池1では、非水電解液4に対し、LiBFを0.01モル/リットル以上、0.1モル/リットル以下の範囲で含有させることにより、高温保存された際の非水電解液4の分解を抑えると共に、負極6表面にホウ素化合物の被膜が形成されてしまうことを防ぐことが可能となる。
【0030】
以上のような構成の電池1は、次のようにして製造される。先ず、正極5を作製する。正極5を作製する際は、少なくともリチウム・ニッケル複合酸化物とリチウム・マンガン複合酸化物との混合物を含む正極活物質と導電材と結着剤とを含有する正極合剤塗液を調製する。そして、この正極合剤塗液を例えばアルミニウム箔等からなる正極集電体8の両主面上に均一に塗布し、乾燥した後に、圧縮することで正極合剤層9を形成し、所定の寸法に裁断して所定の位置に正極端子10を例えば超音波溶接等で取り付ける。このようにして、長尺状の正極5が作製される。
【0031】
次に、負極6を作製する。負極6を作製する際は、負極活物質と結着剤とを含有する負極合剤塗液を調製し、この負極合剤塗液を例えば銅箔等からなる負極集電体11の両主面上に均一に塗布、乾燥した後に、圧縮することで負極合剤層12を形成し、所定の寸法に裁断して所定の位置に負極端子13を例えば超音波溶接等で取り付ける。このようにして、長尺状の負極6が作製される。
【0032】
次に、以上のようにして得られて正極5と負極6とを、長尺状のセパレータ7を介して積層し、多数回捲回することにより電池素子2を作製する。このとき、電池素子2は、セパレータ8の幅方向の一端面から正極端子10が、他端面から負極端子13が突出するように捲回させた構成になっている。
【0033】
次に、電池素子2の両端面に絶縁板14a、14bを設置し、さらに電池素子2を内側にニッケルメッキ等を施した鉄製の外装缶3に収納する。そして、負極6の集電をとるために、負極端子13の電池素子2より突出している部分を外装缶3の底部等に溶接する。これにより、外装缶3は、負極6と導通することとなり、電池1の外部負極となる。また、正極5の集電をとるために、正極端子10の電池素子2より突出している部分を電流遮断用薄板15に溶接することでこの電流遮断用薄板15を介して電池蓋16と電気的に接続する。この電流遮断用薄板15は、電池内圧に応じて電流を遮断するものである。これにより、電池蓋16は、正極5導通することとなり、電池1の外部正極となる。
【0034】
次に、電池素子2が収納されている外装缶3の中に非水電解液4を注入する。この非水電解液4は、少なくともLiPF及びLiBFを含む電解質塩を非水溶媒に溶解させて調製される。次に、アスファルトと塗布した絶縁ガスケット17を介して外装缶3の開口部をかしめることにより電池蓋16が固定されて円筒形の電池1が作製される。
【0035】
なお、この電池1においては、電池素子2を捲回するときの軸等になるセンターピン18が設けられているとともに、電池内部の圧力が所定値よりも高くなったときに内部の気体を抜くための安全弁19及び電池内部の温度上昇を防止するためのPTC(positive temperature coefficient)素子20が設けられている。
【0036】
このようにして製造される電池1では、正極活物質にリチウム・ニッケル複合酸化物とリチウム・マンガン複合酸化物との混合物を用いることにより、混合物のうちリチウム・ニッケル複合酸化物が電池容量を大きくし、更に非水電解液4中に酸が生成されることも抑制するため、リチウム・マンガン複合酸化物の高温保存による劣化を抑制する。また、この電池1では、正極活物質に用いている結晶構造が安定なリチウム・マンガン複合酸化物が安全性を向上させると共に、非水電解液4の酸化反応を低下させて非水電解液4の劣化を抑え、電池特性の低下を抑える。
【0037】
この電池1では、電解質塩としてLiBFを含有させることにより高温保存時に正極5と非水電解液4とが反応して起こる非水電解液4の分解を抑えることから、高温保存された際の電池容量の低下等がない優れた高温保存特性を得ることができる。
【0038】
したがって、この電池1は、高いエネルギー密度と、高い安全性と、優れた高温保存特性とを兼ね備えることになる。
以上の例では、非水電解液4を用いた電池1について説明しているが、このことに限定されることはなく、非水電解液4の代わりに例えば高分子固体電解質、ゲル状電解質等の固体電解質を用いた非水電解質電池にも適用可能である。
【0039】
高分子固体電解質は、例えば上述した少なくともLiPF及びLiBFを含む電解質塩と、この電解質塩を含有することでイオン導電性が賦与される高分子化合物とからなる。高分子固体電解質に用いる高分子化合物としては、例えばシリコン、ポリエーテル変性シロキサン、ポリアクリル、ポリアクリロニトリル、ポリフォスファゼン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、及びこれらの複合ポリマー、架橋ポリマー、変性ポリマー等、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、ポリアクリロニトリル−ブタジエンスチレンゴム、アクリロニトリル−塩化ポリエチレン−プロピレン−ジエン−スチレン樹脂、アクリロニトリル−塩化ビニル樹脂、アクリロニトリル−メタアクリレート樹脂、アクリロニトリル−アクリレート樹脂、ポリエチレンオキサイドの架橋体といったエーテル系高分子等が挙げられ、これのうち何れか一種又は複数種を混合して用いる。
【0040】
また、高分子固体電解質に用いる高分子化合物としては、例えばアクリロニトリルと、酢酸ビニル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸ブチル、アクリル酸メチル、アクリル酸ブチル、イタコン酸、水酸化メチルアクリレート、水酸化エチルアクリレート、アクリルアミド、塩化ビニル、フッ化ビニリデン等のうちの何れか一種以上とを共重合させた共重合体、ポリ(ビニリデンフルオロライド)、ポリ(ビニリデンフルオロライド−co−ヘキサフルオロプロピレン)、ポリ(ビニリデンフルオロライド−co−テトラフルオロエチレン)、ポリ(ビニリデンフルオロライド−co−トリフルオロエチレン)といったフッ素系ポリマー等も挙げられ、これらのうち何れか一種又は複数種を混合して用いる。
【0041】
ゲル状電解質は、上述した非水電解液4と、この非水電解液4を吸収してゲル化するマトリックス高分子とからなる。ゲル状電解質に用いるマトリックス高分子としては、例えば上述した高分子化合物のうちで非水電解液4を吸収してゲル化するものであれば用いることが可能である。具体的に、マトリックス高分子としては、例えばポリ(ビニリデンフルオロライド)やポリ(ビニリデンフルオロライド−co−ヘキサフルオロプロピレン)等のフッ素系高分子、ポリ(エチレンオキサイド)やこれの架橋体等のエーテル系高分子、ポリ(アクリロニトリル)等が挙げられ、これらのうち何れか一種又は複数種を混合して用いる。特に、マトリックス高分子には、酸化還元安定性が良好なフッ素系高分子を用いることが好ましい。
【0042】
上述した実施の形態においては、円筒形の電池1を例に挙げて説明しているが、このことに限定されることはなく、例えばコイン型、角型、ボタン型等、外装材に金属製容器等を用いた電池、薄型等、外装材にラミネートフィルム等を用いた電池等、種々の形状や大きさした非水電解質電池にも適用可能である。
【0043】
【実施例】
以下、本発明を適用した非水電解質電池としてリチウムイオン二次電池を実際に作製した実施例及び比較例について説明する。
【0044】
〈実施例1〉
実施例1では、先ず、正極を作製した。正極を作製する際は、リチウム・ニッケル複合酸化物を60重量部と、リチウム・マンガン複合酸化物を40重畳部とを混合させて混合物を得た。そして、正極活物質として以上のようにして得られた混合物を92重量部と、導電材としてグラファイトを5重量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン(以下、PVdFと記す。)を3重量部とをN−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと記す。)に均質に分散させて正極合剤塗液を作製した。次に、この正極合剤塗液を、正極集電体となる厚み20μmのアルミニウム箔上に均一に塗布、乾燥した後に、ロールプレス機で圧縮して正極合剤層を形成し、所定の寸法に裁断して正極集電体にアルミニウムからなる正極端子を超音波溶接で取り付けた。このようにして、長尺状の正極を作製した。
【0045】
次に、負極を作製した。負極を作製する際は、負極活物質としてグラファイト92重量部と、結着剤としてPVdFを8重量部とをNMPに均質に分散させて負極合剤塗液を作製した。そして、この負極合剤塗液を負極集電体となる厚み15μmの銅箔上に均一に塗布、乾燥した後に、ロールプレス機で圧縮して負極合剤層を形成し、所定の寸法に裁断して負極集電体にニッケルからなる負極端子を超音波溶接で取り付けた。このようにして、長尺状の負極を作製した。
【0046】
次に、電池素子を作製するのに、以上のようにして得られた正極と負極との間に厚み25μmの多孔質ポリエチレンフィルムよりなるセパレータを介して積層体とし、この積層体を多数回捲回した。このようにして電池素子を作製した。このとき、得られた電池素子の一方端面から正極端子が、他方端面から負極端子が導出するようにした。
【0047】
次に、作製された電池素子から導出している正極端子を電池蓋に、負極端子を鉄にニッケルメッキを施した外装缶にそれぞれ溶接すると共に、電池素子を外装缶に収納した。
【0048】
次に、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとジメチルカーボネートとを、体積混合比が1対2対7となるように混合した混合溶媒に対し、電解質塩としてLiPFを1.2モル/リットルとなるように溶解させた非水電解液を調製した。更に、この非水電解液に、電解質塩としてLiBFが0.01モル/リットル含有されるように溶解させた。
【0049】
次に、電解質塩としてLiPF及びLiBFを含む非水電解液を外装缶内に注入し、アスファルトを塗布した絶縁ガスケットを介して外装缶の開口部に電池蓋を圧入して外装缶の開口部をかしめることによりで電池蓋を強固に固定した。
【0050】
以上のようにしてφ18mm、高さ65mmの円筒形のリチウムイオン二次電池を作製した。なお、以下の説明では、便宜上、リチウムイオン二次電池のことを単に電池を称する。
【0051】
〈実施例2〉
実施例2では、非水電解液に、LiBFを0.05モル/リットル含有させたこと以外は、実施例1と同様にして電池を作製した。
【0052】
〈実施例3〉
実施例3では、非水電解液に、LiBFを0.1モル/リットル含有させたこと以外は、実施例1と同様にして電池を作製した。
【0053】
〈実施例4〉
実施例4では、正極を作製する際に、正極活物質としてリチウム・ニッケル複合酸化物を90重量部と、リチウム・マンガン複合酸化物を10重畳部とを混合させた混合物を用いて正極を作製した。そして、この正極を用いたこと以外は、実施例2と同様にして電池を作製した。
【0054】
〈実施例5〉
実施例5では、正極を作製する際に、正極活物質としてリチウム・ニッケル複合酸化物を10重量部と、リチウム・マンガン複合酸化物を90重畳部とを混合させた混合物を用いて正極を作製した。そして、この正極を用いたこと以外は、実施例2と同様にして電池を作製した。
【0055】
〈比較例1〉
比較例1では、非水電解液に、LiBFを含有させないこと以外は、実施例1と同様にして電池を作製した。
【0056】
〈比較例2〉
比較例2では、非水電解液に、LiBFを0.15モル/リットル含有させたこと以外は、実施例1と同様にして電池を作製した。
【0057】
〈比較例3〉
比較例3では、正極を作製する際に、正極活物質としてリチウム・ニッケル複合酸化物だけを用いて正極を作製した。そして、この正極を用いたこと以外は、実施例2と同様にして電池を作製した。
【0058】
〈比較例4〉
比較例4では、正極を作製する際に、正極活物質としてリチウム・マンガン複合酸化物だけを用いて正極を作製した。そして、この正極を用いたこと以外は、実施例2と同様にして電池を作製した。
【0059】
そして、以上のように作製した実施例1〜実施例5及び比較例1〜比較例4の電池について、高温保存後の放電容量維持率を測定した。
【0060】
以下、各実施例及び各比較例における、高温保存後の放電容量維持率の評価結果を表1に示す。
【0061】
【表1】

Figure 0004224987
【0062】
なお、各実施例及び各比較例では、高温保存後の放電容量維持率を以下のようにして測定した。各実施例及び各比較例における高温貯蔵後の放電容量維持率を測定する際は、各実施例及び各比較例の電池に対し、23℃雰囲気中、1C、上限電圧4.2Vの定電流定電圧充電を2.5時間行った後に、23℃雰囲気中、1Cの電流値で3Vまでの定電流放電を行い、初回放電容量を測定した。次に、各実施例及び各比較例の電池を、85℃雰囲気中で40時間保存した後に、初回の充放電と同様の条件で充放電を行い、高温保存後の放電容量を測定した。そして、高温保存後の放電容量維持率は、以上のようにして測定した初回放電容量に対する高温保存後の放電容量の比率である。
【0063】
表1に示す評価結果から、非水電解液にLiBFを0.01モル/リットル以上、0.1モル/リットル以下の範囲で含有させた実施例1〜実施例3では、非水電解液にLiBFを含有させていない比較例1に比べ、高温保存後の放電容量維持率が大きくなっていることわかる。
【0064】
比較例1では、非水電解液にLiBFが含有されていないことから、高温保存した際に正極と非水電解液が反応して非水電解液が分解し、非水電解液が劣化することから、高温保存後の電池容量が低下してしまう。
【0065】
また、表1に示す評価結果から、非水電解液にLiBFを0.01モル/リットル以上、0.1モル/リットル以下の範囲で含有させた実施例1〜実施例3では、非水電解液にLiBFを0.15モル/リットル含有させた比較例2に比べ、高温保存後の放電容量維持率が大きくなっていることわかる。
【0066】
比較例2では、非水電解液に含有されるLiBFの量が多すぎて、充放電及び高温保存された際に負極表面にホウ素化合物が被膜として形成されてしまう。これにより、比較例2では、負極表面に形成されたホウ素化合物の被膜がリチウムイオンの移動を妨げることから、高温保存後の電池容量が小さくなる。
【0067】
これらの比較例に対し、実施例1〜実施例3では、非水電解液に含有されるLiBFが0.01モル/リットル以上、0.1モル/リットル以下の範囲であり、LiBFの含有量が適切であることから、高温保存された際の非水電解液の分解を抑えると共に、負極表面にホウ素化合物の被膜が形成されてしまうことを防ぐことができる。したがって、実施例1〜実施例3では、高温保存後の電池容量を低下することが防止されて高温保存後の放電容量維持率が大きくなる。
【0068】
以上のことから、電池を作製する際に、非水電解液にLiBFを0.01モル/リットル以上、0.1モル/リットル以下の範囲で含有させることは、高温保存後の電池容量の低下が防止された優れた電池を製造する上で大変有効であることがわかる。
【0069】
さらに、表1に示す評価結果から、正極活物質にリチウム・ニッケル複合酸化物とリチウム・マンガン複合酸化物との混合物を用いた実施例1〜実施例5では、正極活物質をリチウム・ニッケル複合酸化物だけとする比較例3に比べ、高温保存後の放電容量維持率が大きくなっていることわかる。
【0070】
比較例3では、正極活物質とするリチウム・ニッケル複合酸化物が電池容量を大きくするものの、充電状態においては非水電解液との反応性が高く、非水電解液の酸化分解により高温保存後の容量が低下してしまう。
【0071】
さらにまた、表1に示す評価結果から、正極活物質にリチウム・ニッケル複合酸化物とリチウム・マンガン複合酸化物との混合物を用いた実施例1〜実施例5では、正極活物質をリチウム・マンガン複合酸化物だけとする比較例4に比べ、高温保存後の放電容量維持率が大きくなっていることわかる。
【0072】
比較例4では、正極活物質とするリチウム・マンガン複合酸化物が非水電解液との反応性は比較的低いものの、高温保存の際に非水電解液に含まれる酸の影響でMnの価数が変化しやすく、高温保存後の電池容量が低下してしまう。
【0073】
これらの比較例に対し、実施例1〜実施例5では、正極活物質に用いたリチウム・ニッケル複合酸化物とリチウム・マンガン複合酸化物との混合物のうち、リチウム・ニッケル複合酸化物が電池容量を大きくし、更に非水電解液中の酸の生成も抑制するため、リチウム・マンガン複合酸化物の高温保存による劣化を抑制する。また、実施例1〜実施例5では、正極活物質に用いたリチウム・マンガン複合酸化物が電解液の酸化反応を低下させる。これにより、実施例1〜実施例5では、高温保存後の電池容量を低下することが防止されて高温保存後の放電容量維持率が大きくなる。
【0074】
以上のことから、電池を作製する際に、正極活物質をしてリチウム・ニッケル複合酸化物とリチウム・マンガン複合酸化物との混合物を用いることは、高温保存後の電池容量の低下が防止された優れた電池を製造する上で大変有効であることがわかる。
【0075】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、正極活物質にリチウム・ニッケル複合酸化物とリチウム・マンガン複合酸化物との混合物を用いることで高いエネルギー密度と高い安全性とが図られつつ、電解質塩にLiBFを含有させることで高温保存時に正極と非水電解質とが反応して非水電解質が劣化することを抑制できる。したがって、本発明によれば、高いエネルギー密度と、高い安全性と、高温保存による電池特性の低下がない優れた高温保存特性とを兼ね備えた非水電解質電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るリチウムイオン二次電池の内部構造を示す断面図である。
【符号の説明】
1 リチウムイオン二次電池、2 電池素子、3 外装缶、4 非水電解液、5 正極、6 負極、7 セパレータ、8 正極集電体、9 正極合剤層、10正極端子、11 負極集電体、12 負極合剤層、13 負極端子、14a,14b 絶縁板、15 電流遮断用薄板、16 電池蓋、17 絶縁ガスケット、18 センターピン、19 安全弁、20 PTC素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonaqueous electrolyte battery that includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, and whose battery characteristics are greatly improved.
[0002]
[Prior art]
In recent years, for example, a lightweight and high energy density secondary battery has been developed as a power source for electronic devices such as a notebook personal computer, a portable phone, and a camera-integrated VTR (video tape recorder). Examples of the secondary battery having a high energy density include a lithium ion secondary battery having an energy density higher than that of a lead battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, or the like.
[0003]
In this lithium ion secondary battery, a negative electrode active material such as a carbonaceous material capable of intercalating lithium ions between carbon materials such as graphite is used for the negative electrode, and the crystal structure is stable for the positive electrode. A positive electrode active material such as lithium-cobalt composite oxide that can increase the battery capacity is used. In this lithium ion secondary battery, a battery reaction is performed by moving lithium ions between a negative electrode and a positive electrode by a nonaqueous electrolytic solution in which an electrolyte salt is dissolved in a nonaqueous solvent. However, in this lithium ion secondary battery, the lithium-cobalt composite oxide used for the positive electrode active material has a problem that the resource of cobalt is scarce.
[0004]
Further, in the lithium ion secondary battery, it is also possible to use a lithium / nickel composite oxide instead of the lithium / cobalt composite oxide which is scarce in resources as the positive electrode active material. The lithium-nickel composite oxide has a larger battery capacity per unit volume than the lithium-cobalt composite oxide, and can achieve a higher energy density. However, the lithium-nickel composite oxide has a relatively unstable crystal structure, which may reduce battery safety.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In order to solve the above-described problems, a lithium ion secondary battery using a mixture of a lithium / nickel composite oxide and a lithium / manganese composite oxide as a positive electrode active material has also been proposed. A lithium ion secondary battery using such a positive electrode active material can have both high energy density, which is an advantage of a lithium / nickel composite oxide, and high safety, which is an advantage of a lithium / manganese composite oxide. .
[0006]
However, in this lithium ion secondary battery, when stored at a high temperature, the positive electrode using a mixture of a lithium / nickel composite oxide and a lithium / manganese composite oxide as a positive electrode active material reacts with the non-aqueous electrolyte. The battery characteristics may be deteriorated, for example, the non-aqueous electrolyte is deteriorated by oxidative decomposition and the battery capacity is reduced.
[0007]
Therefore, the present invention has been proposed in view of such a conventional situation, and an object thereof is to provide a nonaqueous electrolyte battery in which deterioration of battery characteristics due to high-temperature storage is prevented.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The nonaqueous electrolyte battery according to the present invention includes LiBF as an electrolyte salt in the nonaqueous electrolyte.4By containing, the battery characteristics are prevented from deteriorating when stored at high temperature.
[0009]
  That is, the nonaqueous electrolyte battery according to the present invention includes a positive electrode including a positive electrode mixture layer having a positive electrode active material capable of doping / dedoping lithium, and a negative electrode having a negative electrode active material capable of doping / dedoping lithium. A negative electrode including a mixture layer and a non-aqueous electrolyte containing an electrolyte salt, wherein the positive electrode active material is a mixture of a lithium / nickel composite oxide and a lithium / manganese composite oxide,The negative electrode active material is graphite,The electrolyte salt is LiPF6And LiBF4Containing at leastAnd the above LiBF 4 Is contained in the range of 0.01 mol / liter or more and 0.1 mol / liter or less..
[0010]
  In this non-aqueous electrolyte battery, high energy density and high safety are achieved by using a mixture of lithium / nickel composite oxide and lithium / manganese composite oxide as the positive electrode active material,Using negative electrode active material and highly reactive graphite with electrolyte,LiPF as electrolyte salt6And LiBF4ContainsAnd LiBF 4 Is contained in the range of 0.01 mol / liter or more and 0.1 mol / liter or less.LiPF6Efficiently moves lithium ions, LiBF4Suppresses deterioration of the nonaqueous electrolyte caused by the reaction between the positive electrode and the nonaqueous electrolyte during high temperature storage.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a nonaqueous electrolyte battery to which the present invention is applied will be described. A configuration example of a lithium ion secondary battery (hereinafter referred to as a battery) is shown in FIG. 1 as the nonaqueous electrolyte battery. The battery 1 has a structure in which a battery element 2 serving as a power generation element is sealed together with a non-aqueous electrolyte 4 inside an outer can 3.
[0012]
The battery element 2 has a configuration in which a strip-like positive electrode 5 and a strip-like negative electrode 6 are wound in close contact via a separator 7.
[0013]
In the positive electrode 5, a positive electrode mixture layer 9 containing a positive electrode active material is formed on a positive electrode current collector 8. A positive electrode terminal 10 is connected to the positive electrode 5 at a predetermined position of the positive electrode current collector 8 so as to protrude from one end in the width direction of the positive electrode current collector 8. For the positive electrode terminal 10, for example, a strip-shaped metal piece made of aluminum or the like is used.
[0014]
  The positive electrode 5 uses a mixture of a lithium / nickel composite oxide and a lithium / manganese composite oxide as a positive electrode active material. Specifically, for example, LiNiO2, LixNiyCo1-yO2(X and y differ depending on the charge / discharge state of the battery, and usually 0 <x <1, 0.7 <y <1.0It is. ), LixNi1-yMyO2(X and y differ depending on the charge / discharge state of the battery, and usually 0 <x <1, 0.7 <y <1.0And M is any one or more of transition metals. Lithium / nickel composite oxides represented by chemical formulas such as2O4, LixMn2-yM ’yO4(X is 0.9 or more, y is 0 or more, 0.5 or less, M ′ is Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Sn, Cr, V, Ti, Mg, Ca, Sr, B , Ga, In, Si, or Ge). A mixture with a spinel-type lithium-manganese composite oxide represented by the chemical formula:
[0015]
In the positive electrode 5, for example, LiCoO is added to the above-described mixture of the lithium / nickel composite oxide and the lithium / manganese composite oxide.2, LixMO2(Where x is in the range of 0.5 or more and 1.1 or less, and M is any one or more of transition metals other than Ni and Mn). It is also possible.
[0016]
In the positive electrode 5, for example, a net-like or foil-like aluminum is used as the positive electrode current collector 8. In the positive electrode 5, as a binder contained in the positive electrode mixture layer 9, a known resin material that is usually used for this type of nonaqueous electrolyte battery can be used. Specifically, examples of the binder include polyvinylidene fluoride. Moreover, in the positive electrode 5, the well-known thing normally used for this kind of nonaqueous electrolyte battery can be used as a electrically conductive material contained in the positive mix layer 9. FIG. Specifically, examples of the conductive material include carbon black and graphite.
[0017]
In the positive electrode 5, by using a mixture of a lithium / nickel composite oxide and a lithium / manganese composite oxide as a positive electrode active material, the lithium / nickel composite oxide with a large amount of lithium improves battery capacity, and It acts to suppress the generation of acid in the water electrolyte 4. In the positive electrode 5, the lithium / manganese composite oxide has a relatively stable crystal structure, thereby improving safety and reducing the oxidation reaction of the nonaqueous electrolyte solution 4. 4 acts to suppress the degradation of 4.
[0018]
In the negative electrode 6, a negative electrode mixture layer 12 containing a negative electrode active material is formed on a negative electrode current collector 11. A negative electrode terminal 13 is connected to the negative electrode 6 at a predetermined position of the negative electrode current collector 10 so as to protrude from one end in the width direction of the negative electrode current collector 10. For the negative electrode terminal 13, for example, a strip-shaped metal piece made of copper, nickel, or the like is used.
[0019]
In the negative electrode 6, the negative electrode active material is a material that can be doped / undoped with lithium, and examples thereof include a metal capable of forming an alloy with lithium or a compound of this metal. Specifically, for example, chemical formula DsEtLiu(D is one or more metal elements and / or semiconductor elements that can be combined with lithium, E is one or more metal elements and / or semiconductor elements other than lithium and D, s is greater than 0, t and u Is not less than 0.) SiB4, SiB as compounds represented by the chemical formula6, Mg2Si, Mg2Sn, Ni2Si, TiSi2, MoSi2CoSi2NiSi2, CaSi2, CrSi2, Cu5Si, FeSi2, MnSi2, NbSi2, TaSi2, VSi2, WSi2, ZnSi2Any one or more of these are used.
[0020]
In the negative electrode 6, in addition to the above-described compounds, for example, a carbonaceous material capable of doping / dedoping lithium ions can be used. Examples of the carbonaceous material include graphites such as artificial graphite and natural graphite, non-graphitizable carbon, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbon fibers, organic polymer compound fired bodies, carbon fibers, activated carbon, carbon Blacks etc. are mentioned, and any one or more of these are used. Of these carbonaceous materials, the cokes are, for example, pitch coke, needle coke, petroleum coke and the like, and the organic polymer compound fired body is a polymer material such as phenol resin or furan resin at a predetermined temperature. And carbonized by firing. These carbonaceous materials can be used by mixing one or more of the above-described compounds. In this case, the carbonaceous material also functions as a conductive material.
[0021]
In addition, in the negative electrode 6, in addition to the above-described compounds and carbonaceous materials, for example, a polymer such as polyacetylene or polypyrrole, an oxide such as iron oxide, ruthenium oxide, molybdenum oxide, or tin oxide is used as the negative electrode active material. It is also possible.
[0022]
In the negative electrode 6, for example, net-like or foil-like copper is used as the negative electrode current collector 11. In the negative electrode 6, as the binder contained in the negative electrode mixture layer 12, a known resin material that is usually used for this type of nonaqueous electrolyte battery can be used. Specifically, examples of the binder include polyvinylidene fluoride.
[0023]
In the battery element 2, the separator 7 separates the positive electrode 5 and the negative electrode 6, and a known material that is usually used as an insulating porous film of this type of nonaqueous electrolyte battery can be used. Specifically, for example, a polymer film such as polypropylene or polyethylene is used. Moreover, from the relationship between lithium ion conductivity and energy density, the thickness of the separator 7 is preferably as thin as possible, and the thickness is set to 30 μm or less.
[0024]
The outer can 3 is a bottomed cylindrical container, for example, and has a rectangular bottom surface and a flat circular bottom surface. Further, when the outer can 3 is electrically connected to the negative electrode 6, the outer can 3 is formed of a conductive metal such as iron, stainless steel, nickel, or the like. When the outer can 3 is made of, for example, iron, nickel plating or the like is applied to the surface thereof.
[0025]
As the nonaqueous electrolytic solution 4, for example, a solution in which an electrolyte salt is dissolved in a nonaqueous solvent is used. As the non-aqueous solvent, for example, a cyclic carbonate compound, a cyclic carbonate compound in which hydrogen is substituted with a halogen group or a halogenated acrylic group, a chain carbonate compound, or the like is used. Specifically, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3 as nonaqueous solvents -Dioxolane, 4methyl 1,3 dioxolane, diethyl ether, sulfolane, methyl sulfolane, acetonitrile, propionitrile, anisole, acetate ester, butyrate ester, propionate ester, etc., and any one or more of these are used. In particular, as the non-aqueous solvent, propylene carbonate, vinylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and dipropyl carbonate are used from the viewpoint of voltage stability.
[0026]
In the nonaqueous electrolytic solution 4, the electrolyte salt includes at least LiPF.6And LiBF4Are mixed and used. Thus, in the battery 1, LiPF is used as the electrolyte salt.6And LiBF4By adding LiPF, LiPF with high ionic conductivity6Acts to move lithium ions appropriately and to obtain a high battery capacity. Further, in the battery 1, LiBF contained in the electrolyte salt4However, when stored at a high temperature, the nonaqueous electrolyte solution 4 is prevented from being decomposed by the reaction between the positive electrode 5 and the nonaqueous electrolyte solution 4, and acts to prevent a decrease in battery capacity due to high temperature storage.
[0027]
In the non-aqueous electrolyte 4, the above-described LiPF6And LiBF4Besides, for example, LiClO as an electrolyte salt4, LiAsF6, LiB (C6H5)4, LiCF3SO3, LiCH3SO3, LiN (CF3SO2)2, LiSbF6LiClO4LiCl, LiBr, etc., and any one or more of these may be LiPF.6And LiBF4It can also be used as a mixture.
[0028]
In addition, the nonaqueous electrolytic solution 4 includes LiBF, which is an electrolyte salt.4In a range of 0.01 mol / liter to 0.1 mol / liter. LiBF for non-aqueous electrolyte 44In the battery 1, LiBF contained in the non-aqueous electrolyte 4 is contained in an amount of less than 0.01 mol / liter.4Therefore, it is difficult to suppress the decomposition of the nonaqueous electrolytic solution 4 when stored at a high temperature. On the other hand, LiBF with respect to the non-aqueous electrolyte 44In the battery 1, LiBF contained in the non-aqueous electrolyte solution 4 is contained in an amount of more than 0.1 mol / liter.4As a result, a boron compound film is formed on the surface of the negative electrode 6 during charging and storage at high temperatures. For this reason, in the battery 1, since the coating of the boron compound formed on the surface of the negative electrode 6 hinders the movement of lithium ions, the battery characteristics are deteriorated such as a reduction in battery capacity.
[0029]
Therefore, in the battery 1, the LiBF is different from the non-aqueous electrolyte 4.4Is contained in the range of 0.01 mol / liter or more and 0.1 mol / liter or less to suppress decomposition of the non-aqueous electrolyte 4 when stored at a high temperature, and a boron compound film is formed on the surface of the negative electrode 6. It is possible to prevent the formation.
[0030]
The battery 1 having the above configuration is manufactured as follows. First, the positive electrode 5 is produced. When the positive electrode 5 is produced, a positive electrode mixture coating liquid containing a positive electrode active material containing at least a mixture of a lithium / nickel composite oxide and a lithium / manganese composite oxide, a conductive material, and a binder is prepared. Then, the positive electrode mixture coating solution is uniformly applied on both main surfaces of the positive electrode current collector 8 made of, for example, an aluminum foil, dried, and then compressed to form the positive electrode mixture layer 9, and The positive electrode terminal 10 is attached to a predetermined position by cutting, for example, by ultrasonic welding. In this way, the elongated positive electrode 5 is produced.
[0031]
Next, the negative electrode 6 is produced. When producing the negative electrode 6, a negative electrode mixture coating liquid containing a negative electrode active material and a binder is prepared, and the two main surfaces of the negative electrode current collector 11 made of, for example, copper foil are used as the negative electrode mixture coating liquid. After uniformly coating and drying on top, the negative electrode mixture layer 12 is formed by compression, cutting into a predetermined dimension, and the negative electrode terminal 13 is attached to a predetermined position by, for example, ultrasonic welding. In this way, a long negative electrode 6 is produced.
[0032]
Next, the battery element 2 is manufactured by laminating the positive electrode 5 and the negative electrode 6 obtained as described above via a long separator 7 and winding the laminate many times. At this time, the battery element 2 has a configuration in which the positive electrode terminal 10 protrudes from one end surface in the width direction of the separator 8 and the negative electrode terminal 13 protrudes from the other end surface.
[0033]
Next, insulating plates 14a and 14b are installed on both end faces of the battery element 2, and the battery element 2 is housed in an iron outer can 3 having nickel plating or the like inside. Then, in order to collect current of the negative electrode 6, the portion of the negative electrode terminal 13 protruding from the battery element 2 is welded to the bottom of the outer can 3 or the like. As a result, the outer can 3 is electrically connected to the negative electrode 6 and becomes an external negative electrode of the battery 1. Further, in order to collect the current of the positive electrode 5, the portion protruding from the battery element 2 of the positive electrode terminal 10 is welded to the current interrupting thin plate 15 to electrically connect the battery lid 16 via the current interrupting thin plate 15. Connect to. The current interrupting thin plate 15 interrupts the current according to the battery internal pressure. As a result, the battery lid 16 conducts the positive electrode 5 and becomes the external positive electrode of the battery 1.
[0034]
Next, the nonaqueous electrolytic solution 4 is injected into the outer can 3 in which the battery element 2 is accommodated. This non-aqueous electrolyte solution 4 is at least LiPF.6And LiBF4An electrolyte salt containing is dissolved in a non-aqueous solvent. Next, the battery lid 16 is fixed by caulking the opening of the outer can 3 through the insulating gasket 17 coated with asphalt, and the cylindrical battery 1 is manufactured.
[0035]
The battery 1 is provided with a center pin 18 that serves as a shaft for winding the battery element 2, and vents the internal gas when the internal pressure of the battery becomes higher than a predetermined value. There are provided a safety valve 19 and a PTC (positive temperature coefficient) element 20 for preventing temperature rise inside the battery.
[0036]
In the battery 1 manufactured in this way, a mixture of lithium / nickel composite oxide and lithium / manganese composite oxide is used as the positive electrode active material, so that the lithium / nickel composite oxide of the mixture increases the battery capacity. In addition, since generation of acid in the non-aqueous electrolyte 4 is also suppressed, deterioration due to high temperature storage of the lithium / manganese composite oxide is suppressed. In this battery 1, the lithium-manganese composite oxide having a stable crystal structure used for the positive electrode active material improves safety and reduces the oxidation reaction of the non-aqueous electrolyte 4, thereby reducing the non-aqueous electrolyte 4. Deterioration of the battery and the deterioration of battery characteristics are suppressed.
[0037]
In this battery 1, LiBF is used as an electrolyte salt.4By suppressing the decomposition of the non-aqueous electrolyte solution 4 caused by the reaction between the positive electrode 5 and the non-aqueous electrolyte solution 4 during high-temperature storage, an excellent high temperature without a decrease in battery capacity when stored at a high temperature Storage characteristics can be obtained.
[0038]
Therefore, this battery 1 combines high energy density, high safety, and excellent high-temperature storage characteristics.
In the above example, the battery 1 using the non-aqueous electrolyte 4 has been described. However, the present invention is not limited to this, and instead of the non-aqueous electrolyte 4, for example, a polymer solid electrolyte, a gel electrolyte, or the like The present invention can also be applied to a non-aqueous electrolyte battery using a solid electrolyte.
[0039]
The polymer solid electrolyte is, for example, at least the LiPF described above.6And LiBF4And a polymer compound that imparts ionic conductivity by containing the electrolyte salt. Examples of the polymer compound used for the polymer solid electrolyte include silicon, polyether-modified siloxane, polyacryl, polyacrylonitrile, polyphosphazene, polyethylene oxide, polypropylene oxide, and composite polymers, cross-linked polymers, modified polymers, and the like, acrylonitrile. Ether polymers such as butadiene rubber, polyacrylonitrile-butadiene styrene rubber, acrylonitrile-polyethylene chloride-propylene-diene-styrene resin, acrylonitrile-vinyl chloride resin, acrylonitrile-methacrylate resin, acrylonitrile-acrylate resin, polyethylene oxide cross-linked product Any one of them or a mixture of two or more of them may be used.
[0040]
Examples of the polymer compound used in the polymer solid electrolyte include acrylonitrile, vinyl acetate, methyl methacrylate, butyl methacrylate, methyl acrylate, butyl acrylate, itaconic acid, methyl hydroxide acrylate, ethyl hydroxide acrylate, A copolymer obtained by copolymerizing any one or more of acrylamide, vinyl chloride, vinylidene fluoride, poly (vinylidene fluoride), poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), poly (vinylidene fluoro) Ride-co-tetrafluoroethylene), poly (vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) and the like are also included, and any one or a combination of these may be used.
[0041]
The gel electrolyte is composed of the non-aqueous electrolyte 4 described above and a matrix polymer that absorbs the non-aqueous electrolyte 4 and gels. As the matrix polymer used for the gel electrolyte, for example, any of the above-described polymer compounds that absorbs the nonaqueous electrolytic solution 4 and gels can be used. Specifically, examples of the matrix polymer include fluorine-based polymers such as poly (vinylidene fluoride) and poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene), and ethers such as poly (ethylene oxide) and a crosslinked product thereof. Polymer, poly (acrylonitrile) and the like, and any one or a combination of these may be used. In particular, it is preferable to use a fluorine-based polymer having good redox stability as the matrix polymer.
[0042]
In the above-described embodiment, the cylindrical battery 1 has been described as an example. However, the present invention is not limited to this example. For example, a coin type, a square type, a button type, or the like is made of metal as an exterior material. The present invention can also be applied to non-aqueous electrolyte batteries having various shapes and sizes, such as batteries using containers and the like, thin batteries, and batteries using a laminate film as an exterior material.
[0043]
【Example】
Hereinafter, examples and comparative examples in which lithium ion secondary batteries are actually manufactured as nonaqueous electrolyte batteries to which the present invention is applied will be described.
[0044]
<Example 1>
In Example 1, first, a positive electrode was produced. When producing the positive electrode, 60 parts by weight of lithium / nickel composite oxide and 40 overlapping parts of lithium / manganese composite oxide were mixed to obtain a mixture. Then, 92 parts by weight of the mixture obtained as described above as the positive electrode active material, 5 parts by weight of graphite as the conductive material, and 3 parts by weight of polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as PVdF) as the binder. Were uniformly dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter referred to as NMP) to prepare a positive electrode mixture coating solution. Next, this positive electrode mixture coating solution is uniformly applied onto a 20 μm thick aluminum foil serving as a positive electrode current collector, dried, and then compressed by a roll press to form a positive electrode mixture layer with predetermined dimensions. The positive electrode terminal made of aluminum was attached to the positive electrode current collector by ultrasonic welding. In this way, a long positive electrode was produced.
[0045]
Next, a negative electrode was produced. When preparing the negative electrode, 92 parts by weight of graphite as a negative electrode active material and 8 parts by weight of PVdF as a binder were uniformly dispersed in NMP to prepare a negative electrode mixture coating liquid. And after apply | coating this negative electrode mixture coating liquid uniformly on 15-micrometer-thick copper foil used as a negative electrode collector, and drying, it compresses with a roll press machine, forms a negative electrode mixture layer, and cut | disconnects to a predetermined dimension. Then, a negative electrode terminal made of nickel was attached to the negative electrode current collector by ultrasonic welding. In this way, a long negative electrode was produced.
[0046]
Next, in order to produce a battery element, a laminate made of a porous polyethylene film having a thickness of 25 μm is interposed between the positive electrode and the negative electrode obtained as described above, and this laminate is subjected to multiple cycles. Turned. In this way, a battery element was produced. At this time, the positive electrode terminal was led out from one end surface of the obtained battery element, and the negative electrode terminal was led out from the other end surface.
[0047]
Next, the positive electrode terminal derived from the produced battery element was welded to the battery lid, the negative electrode terminal was welded to the outer can made of nickel-plated iron, and the battery element was housed in the outer can.
[0048]
Next, LiPF is used as an electrolyte salt for a mixed solvent in which ethylene carbonate, propylene carbonate, and dimethyl carbonate are mixed so that the volume mixing ratio is 1: 2: 7.6A non-aqueous electrolyte solution was prepared in which was dissolved at 1.2 mol / liter. Furthermore, LiBF as an electrolyte salt is added to this non-aqueous electrolyte.4Was dissolved so as to contain 0.01 mol / liter.
[0049]
Next, LiPF as the electrolyte salt6And LiBF4Non-aqueous electrolyte containing water is injected into the outer can, and the battery lid is pressed into the opening of the outer can through an insulating gasket coated with asphalt to caulk the opening of the outer can. Fixed to.
[0050]
A cylindrical lithium ion secondary battery having a diameter of 18 mm and a height of 65 mm was produced as described above. In the following description, a lithium ion secondary battery is simply referred to as a battery for convenience.
[0051]
<Example 2>
In Example 2, LiBF is used as the non-aqueous electrolyte.4Was added in the same manner as in Example 1 except that 0.05 mol / liter was added.
[0052]
<Example 3>
In Example 3, LiBF was used as the non-aqueous electrolyte.4A battery was fabricated in the same manner as in Example 1, except that 0.1 mol / liter was added.
[0053]
<Example 4>
In Example 4, when producing a positive electrode, a positive electrode was produced using a mixture in which 90 parts by weight of lithium / nickel composite oxide and 10 overlapping parts of lithium / manganese composite oxide were mixed as a positive electrode active material. did. And the battery was produced like Example 2 except having used this positive electrode.
[0054]
<Example 5>
In Example 5, when producing a positive electrode, a positive electrode was produced using a mixture in which 10 parts by weight of a lithium / nickel composite oxide and 90 parts of a lithium / manganese composite oxide were mixed as a positive electrode active material. did. And the battery was produced like Example 2 except having used this positive electrode.
[0055]
<Comparative example 1>
In Comparative Example 1, LiBF was used as the non-aqueous electrolyte.4A battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the content of was not included.
[0056]
<Comparative example 2>
In Comparative Example 2, LiBF was used as the non-aqueous electrolyte.4Was made in the same manner as in Example 1 except that 0.15 mol / liter was added.
[0057]
<Comparative Example 3>
In Comparative Example 3, when producing the positive electrode, the positive electrode was produced using only the lithium / nickel composite oxide as the positive electrode active material. And the battery was produced like Example 2 except having used this positive electrode.
[0058]
<Comparative example 4>
In Comparative Example 4, when producing the positive electrode, the positive electrode was produced using only the lithium / manganese composite oxide as the positive electrode active material. And the battery was produced like Example 2 except having used this positive electrode.
[0059]
And the discharge capacity maintenance factor after high-temperature preservation | save was measured about the battery of Example 1- Example 5 produced as mentioned above and Comparative Example 1- Comparative Example 4. FIG.
[0060]
Hereinafter, Table 1 shows the evaluation results of the discharge capacity retention rate after high-temperature storage in each Example and each Comparative Example.
[0061]
[Table 1]
Figure 0004224987
[0062]
In each example and each comparative example, the discharge capacity retention rate after high-temperature storage was measured as follows. When measuring the discharge capacity retention rate after high-temperature storage in each example and each comparative example, the constant current constant of 1 C and the upper limit voltage of 4.2 V in a 23 ° C. atmosphere was measured for the batteries of each example and each comparative example. After voltage charging for 2.5 hours, a constant current discharge of up to 3 V was performed at a current value of 1 C in an atmosphere at 23 ° C., and the initial discharge capacity was measured. Next, the batteries of each Example and each Comparative Example were stored in an atmosphere at 85 ° C. for 40 hours, and then charged / discharged under the same conditions as the first charge / discharge, and the discharge capacity after high-temperature storage was measured. The discharge capacity retention rate after high temperature storage is the ratio of the discharge capacity after high temperature storage to the initial discharge capacity measured as described above.
[0063]
From the evaluation results shown in Table 1, LiBF was added to the non-aqueous electrolyte.4In Example 1 to Example 3 containing 0.01 mol / liter or more and 0.1 mol / liter or less, LiBF was added to the non-aqueous electrolyte.4It can be seen that the discharge capacity retention rate after high-temperature storage is higher than that of Comparative Example 1 in which no is contained.
[0064]
In Comparative Example 1, LiBF was used as the non-aqueous electrolyte.4Does not contain, the positive electrode and the non-aqueous electrolyte react when stored at high temperatures, the non-aqueous electrolyte decomposes, and the non-aqueous electrolyte deteriorates, reducing the battery capacity after storage at high temperatures. End up.
[0065]
Further, from the evaluation results shown in Table 1, LiBF was added to the non-aqueous electrolyte.4In Example 1 to Example 3 containing 0.01 mol / liter or more and 0.1 mol / liter or less, LiBF was added to the non-aqueous electrolyte.4It can be seen that the discharge capacity retention rate after high-temperature storage is larger than that of Comparative Example 2 in which 0.15 mol / liter is contained.
[0066]
In Comparative Example 2, LiBF contained in the non-aqueous electrolyte4When the amount is too large and charged and discharged and stored at a high temperature, a boron compound is formed as a coating on the negative electrode surface. As a result, in Comparative Example 2, the boron compound film formed on the negative electrode surface hinders the migration of lithium ions, so that the battery capacity after high-temperature storage is reduced.
[0067]
In contrast to these comparative examples, in Examples 1 to 3, LiBF contained in the nonaqueous electrolytic solution4Is in the range of 0.01 mol / liter or more and 0.1 mol / liter or less, and LiBF4Accordingly, the decomposition of the non-aqueous electrolyte during high-temperature storage can be suppressed, and a boron compound film can be prevented from being formed on the negative electrode surface. Therefore, in Examples 1 to 3, it is prevented that the battery capacity after high-temperature storage is reduced, and the discharge capacity retention rate after high-temperature storage is increased.
[0068]
From the above, when producing a battery, LiBF was added to the non-aqueous electrolyte.4In the range of 0.01 mol / liter or more and 0.1 mol / liter or less, it is very effective in manufacturing an excellent battery in which the battery capacity is prevented from being reduced after high-temperature storage. Recognize.
[0069]
Furthermore, from the evaluation results shown in Table 1, in Examples 1 to 5 in which a mixture of a lithium / nickel composite oxide and a lithium / manganese composite oxide was used as the positive electrode active material, the positive electrode active material was a lithium / nickel composite. It can be seen that the discharge capacity retention rate after high-temperature storage is higher than in Comparative Example 3 in which only the oxide is used.
[0070]
In Comparative Example 3, although the lithium-nickel composite oxide as the positive electrode active material increases the battery capacity, it is highly reactive with the non-aqueous electrolyte in the charged state, and after high-temperature storage by oxidative decomposition of the non-aqueous electrolyte. The capacity of will decrease.
[0071]
Furthermore, from the evaluation results shown in Table 1, in Examples 1 to 5 in which a mixture of lithium / nickel composite oxide and lithium / manganese composite oxide was used as the positive electrode active material, the positive electrode active material was lithium / manganese. It can be seen that the discharge capacity retention rate after high-temperature storage is higher than in Comparative Example 4 in which only the composite oxide is used.
[0072]
In Comparative Example 4, although the lithium-manganese composite oxide used as the positive electrode active material has a relatively low reactivity with the non-aqueous electrolyte, the value of Mn is affected by the acid contained in the non-aqueous electrolyte during high-temperature storage. The number tends to change, and the battery capacity after high-temperature storage is reduced.
[0073]
In contrast to these comparative examples, in Examples 1 to 5, the lithium-nickel composite oxide is a battery capacity among the mixture of the lithium-nickel composite oxide and the lithium-manganese composite oxide used for the positive electrode active material. In addition, the generation of acid in the non-aqueous electrolyte is also suppressed, so that deterioration due to high-temperature storage of the lithium-manganese composite oxide is suppressed. In Examples 1 to 5, the lithium-manganese composite oxide used for the positive electrode active material reduces the oxidation reaction of the electrolytic solution. Thereby, in Example 1- Example 5, it is prevented that the battery capacity after high temperature preservation | save is reduced, and the discharge capacity maintenance factor after high temperature preservation | save becomes large.
[0074]
From the above, when a battery is manufactured, using a mixture of a lithium / nickel composite oxide and a lithium / manganese composite oxide as a positive electrode active material prevents a decrease in battery capacity after high-temperature storage. It turns out that it is very effective in manufacturing the outstanding battery.
[0075]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, high energy density and high safety can be achieved by using a mixture of lithium / nickel composite oxide and lithium / manganese composite oxide as the positive electrode active material. While the electrolyte salt is LiBF4It can suppress that a positive electrode and a nonaqueous electrolyte react at the time of high temperature preservation | save, and a nonaqueous electrolyte deteriorates. Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain a non-aqueous electrolyte battery having high energy density, high safety, and excellent high-temperature storage characteristics that do not deteriorate battery characteristics due to high-temperature storage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an internal structure of a lithium ion secondary battery according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lithium ion secondary battery, 2 Battery element, 3 Exterior can, 4 Non-aqueous electrolyte, 5 Positive electrode, 6 Negative electrode, 7 Separator, 8 Positive electrode collector, 9 Positive electrode mixture layer, 10 Positive electrode terminal, 11 Negative electrode current collector Body, 12 negative electrode mixture layer, 13 negative electrode terminal, 14a, 14b insulating plate, 15 thin plate for current interruption, 16 battery cover, 17 insulating gasket, 18 center pin, 19 safety valve, 20 PTC element

Claims (4)

リチウムのドープ/脱ドープが可能な正極活物質を有する正極合剤層を備える正極と、
リチウムのドープ/脱ドープが可能な負極活物質を有する負極合剤層を備える負極と、
電解質塩を含有する非水電解質とを備え、
上記正極活物質は、リチウム・ニッケル複合酸化物及びリチウム・マンガン複合酸化物の混合物であり、
上記負極活物質は、黒鉛類であり、
上記電解質塩は、LiPF及びLiBFを少なくとも含有するとともに、上記LiBFを0.01モル/リットル以上、0.1モル/リットル以下の範囲で含有していることを特徴とする非水電解質電池。
A positive electrode comprising a positive electrode mixture layer having a positive electrode active material capable of doping / dedoping lithium;
A negative electrode comprising a negative electrode mixture layer having a negative electrode active material capable of doping / dedoping lithium;
A non-aqueous electrolyte containing an electrolyte salt,
The positive electrode active material is a mixture of lithium / nickel composite oxide and lithium / manganese composite oxide,
The negative electrode active material is graphite,
The electrolyte salt contains at least LiPF 6 and LiBF 4 and contains the LiBF 4 in a range of 0.01 mol / liter to 0.1 mol / liter. battery.
上記リチウム・ニッケル複合酸化物が、LiNiO、LiNiCo1−y(0<x<1、0.7<y<1.0)、LiNi1−y(0<x<1、0.7<y<1.0、Mは遷移金属のうち何れか一種以上)の化学式で示される少なくとも一種であることを特徴とする請求項1記載の非水電解質電池。The lithium-nickel composite oxide is LiNiO 2 , Li x Ni y Co 1-y O 2 (0 <x <1, 0.7 <y < 1.0 ), Li x Ni 1- y My O 2. The nonaqueous electrolyte according to claim 1, wherein the nonaqueous electrolyte is at least one represented by a chemical formula (0 <x <1, 0.7 <y < 1.0 , M is one or more of transition metals). battery. 上記リチウム・マンガン複合酸化物が、LiMn、LiMn2−yM'(xは0.9以上、yは0以上、0.5以下、M'はFe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Sn、Cr、V、Ti、Mg、Ca、Sr、B、Ga、In、Si、Geのうち何れか一種以上)の化学式で示される少なくとも一種であることを特徴とする請求項1記載の非水電解質電池。The lithium-manganese composite oxide is LiMn 2 O 4 , Li x Mn 2-y M ′ y O 4 (x is 0.9 or more, y is 0 or more, 0.5 or less, M ′ is Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Al, Sn, Cr, V, Ti, Mg, Ca, Sr, B, Ga, In, Si, or Ge). The nonaqueous electrolyte battery according to claim 1. 溶媒として、さらにエチレンカーボネートとジメチルカーボネートを含有することを特徴とする請求項1記載の非水電解質電池。  The nonaqueous electrolyte battery according to claim 1, further comprising ethylene carbonate and dimethyl carbonate as a solvent.
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