JP6380269B2 - Method for producing lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、正極活物質粒子を含む正極活物質層を有する正極板と、負極板と、フッ素を含む化合物を有する非水電解液とを備えるリチウムイオン二次電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a lithium ion secondary battery including a positive electrode plate having a positive electrode active material layer containing positive electrode active material particles, a negative electrode plate, and a non-aqueous electrolyte solution containing a compound containing fluorine.
従来より、リチウムイオン二次電池(以下、単に電池ともいう)では、正極電位が高電位となるため、正極活物質粒子の粒子表面で非水電解液の非水溶媒が酸化分解され易いことが知られている。非水溶媒が酸化分解されて水素イオンが発生すると、非水電解液がフッ素を含む化合物を有する場合には、水素イオンがフッ素と反応してフッ酸(HF)を生成する場合がある。すると、このフッ酸の作用により、正極活物質粒子中の遷移金属が溶出して、電池容量が少なくなる。このため、このような電池では、充放電サイクル試験を行ったときに、電池容量が大きく低下するという問題がある。 Conventionally, in a lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as a battery), the positive electrode potential is high, so that the nonaqueous solvent of the nonaqueous electrolyte solution is likely to be oxidatively decomposed on the surface of the positive electrode active material particles. Are known. When hydrogen ions are generated by oxidative decomposition of the non-aqueous solvent, hydrogen ions may react with fluorine to generate hydrofluoric acid (HF) when the non-aqueous electrolyte has a compound containing fluorine. Then, by the action of this hydrofluoric acid, the transition metal in the positive electrode active material particles is eluted, and the battery capacity is reduced. For this reason, in such a battery, there is a problem that the battery capacity is greatly reduced when a charge / discharge cycle test is performed.
この問題に対し、正極活物質層にリン酸リチウムなどの金属リン酸塩粒子(粉末)を含ませておく技術が知られている。正極活物質層に金属リン酸塩粒子を含ませておくと、電池を初充電する際に、上述のフッ酸が金属リン酸塩と反応して、正極活物質粒子の粒子表面にフッ素及びリンを含む被膜が形成される。この被膜は、非水電解液が正極活物質に直接接触するのを抑制するので、正極電位が非水溶媒の酸化分解電位を越えても、非水溶媒が酸化分解されるのを抑制できる。従って、電池に充放電サイクル試験を行った後に、電池容量が低下するのを抑制できる。
例えば、特許文献1には、正極合剤層(正極活物質層)に、リン酸リチウムやリン酸ナトリウムなどの金属リン酸塩粒子を含有させる技術が開示されている。
In order to solve this problem, a technique in which metal phosphate particles (powder) such as lithium phosphate are included in the positive electrode active material layer is known. When the metal phosphate particles are included in the positive electrode active material layer, when the battery is charged for the first time, the above-described hydrofluoric acid reacts with the metal phosphate, so that fluorine and phosphorus are present on the surface of the positive electrode active material particles. Is formed. Since this coating prevents the non-aqueous electrolyte from coming into direct contact with the positive electrode active material, the non-aqueous solvent can be prevented from being oxidatively decomposed even when the positive electrode potential exceeds the oxidative decomposition potential of the non-aqueous solvent. Therefore, it is possible to suppress a decrease in battery capacity after performing a charge / discharge cycle test on the battery.
For example,
しかしながら、フッ素及びリンを含む被膜は、それ自体が抵抗体であるため、この被膜が厚いと電池抵抗が高くなりがちである。これに対し、正極活物質層内における金属リン酸塩粒子の分散性を向上させると、被膜の存在によって電池抵抗が高くなるのを抑制できることが判ってきた。その理由は、金属リン酸塩粒子の分散性が良いほど、フッ酸との反応頻度が高くなり、短時間で被膜形成の反応が完了するので、被膜は薄く形成される。このため、被膜の抵抗が低くなり、電池抵抗が低くなると考えられる。
しかし、金属リン酸塩粒子の分散性を良くするべく、金属リン酸塩の粒子を小径化(ナノ粒子化)するには、(1)金属リン酸塩を小径化するための工程を別途追加する必要がある、(2)小径化された金属リン酸塩粒子は、正極活物質層用のペースト製造時の計量や投入における取り扱いが難しいなどの理由から、電池の製造コストが高くなる。
However, since the film containing fluorine and phosphorus is itself a resistor, the battery resistance tends to increase when the film is thick. On the other hand, it has been found that when the dispersibility of the metal phosphate particles in the positive electrode active material layer is improved, the battery resistance can be prevented from increasing due to the presence of the coating. The reason is that the better the dispersibility of the metal phosphate particles, the higher the frequency of reaction with hydrofluoric acid, and the reaction for forming the film is completed in a short time, so that the film is formed thinner. For this reason, it is thought that the resistance of the film is lowered and the battery resistance is lowered.
However, in order to reduce the size of metal phosphate particles (nanoparticles) in order to improve the dispersibility of metal phosphate particles, (1) a separate process for reducing the diameter of metal phosphate is added. (2) The metal phosphate particles having a reduced diameter increase the production cost of the battery because of the difficulty in weighing and charging during the production of the paste for the positive electrode active material layer.
本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、正極活物質粒子の粒子表面にフッ素及びリンを含む被膜を有しながらも、安価なリチウムイオン二次電池を製造できるリチウムイオン二次電池の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the current situation, and has a lithium ion secondary battery that can produce an inexpensive lithium ion secondary battery while having a coating film containing fluorine and phosphorus on the surface of the positive electrode active material particles. It aims at providing the manufacturing method of a battery .
上記課題を解決するための本発明の一態様は、正極活物質粒子を含む正極活物質層を有する正極板と、負極板と、フッ素を含む化合物を有する非水電解液と、を備えるリチウムイオン二次電池であって、上記正極活物質粒子は、その粒子表面に、フッ素及びリンを含む被膜を有し、上記非水電解液は、リン酸イオン及びピロリン酸イオンの少なくともいずれかを含むリチウムイオン二次電池である。 One embodiment of the present invention for solving the above problems is a lithium ion including a positive electrode plate having a positive electrode active material layer containing positive electrode active material particles, a negative electrode plate, and a non-aqueous electrolyte solution containing a compound containing fluorine. In the secondary battery, the positive electrode active material particles have a coating film containing fluorine and phosphorus on the particle surface, and the non-aqueous electrolyte is lithium containing at least one of phosphate ions and pyrophosphate ions. It is an ion secondary battery.
このリチウムイオン二次電池によれば、非水電解液は、リン酸イオン(PO4 3-)及びピロリン酸イオン(P2O7 4-)の少なくともいずれかを有する。非水電解液中にリン酸イオンまたはピロリン酸イオンが存在しているので、電池の製造過程で電池を初充電した際には、発生したフッ酸が非水電解液中のリン酸イオンまたはピロリン酸イオンと反応して、正極活物質粒子の粒子表面にフッ素及びリンを含む被膜が形成される。この被膜は、前述のように、非水電解液が正極活物質に直接接触するのを抑制するので、正極電位が非水溶媒の酸化分解電位よりも高くなった場合でも、非水溶媒が酸化分解されるのを抑制できる。従って、電池に充放電サイクル試験を行ったときに、電池容量が低下するのを抑制できる。
しかも、リン酸イオンやピロリン酸イオンを有する非水電解液は、非水電解液に金属リン酸塩や金属ピロリン酸塩の粒子を溶解させることで容易かつ均一に作製でき、安価な電池とすることができる。
According to this lithium ion secondary battery, the nonaqueous electrolytic solution has at least one of phosphate ions (PO 4 3− ) and pyrophosphate ions (P 2 O 7 4− ). Since phosphate ions or pyrophosphate ions are present in the non-aqueous electrolyte, when the battery is charged for the first time during the battery manufacturing process, the generated hydrofluoric acid is converted to phosphate ions or pyrophosphate in the non-aqueous electrolyte. By reacting with acid ions, a film containing fluorine and phosphorus is formed on the surface of the positive electrode active material particles. As described above, this coating prevents the nonaqueous electrolyte from coming into direct contact with the positive electrode active material, so that the nonaqueous solvent is oxidized even when the positive electrode potential is higher than the oxidative decomposition potential of the nonaqueous solvent. It can suppress being decomposed. Therefore, it is possible to suppress a decrease in battery capacity when a charge / discharge cycle test is performed on the battery.
Moreover, a non-aqueous electrolyte having phosphate ions or pyrophosphate ions can be easily and uniformly produced by dissolving metal phosphate or metal pyrophosphate particles in the non-aqueous electrolyte, and an inexpensive battery is obtained. be able to.
なお、リン酸イオンまたはピロリン酸イオンを有する非水電解液は、前述のように、金属リン酸塩または金属ピロリン酸塩の粒子を非水電解液に溶解させることにより作製できる。
金属リン酸塩としては、例えば、M3PO4(M:アルカリ金属)で表されるアルカリ金属のリン酸塩や、M3(PO4)2(M:第2族元素)で表される第2族元素のリン酸塩、或いは、アルカリ金属及び第2族金属の両方の金属を含むリン酸塩が挙げられる。
更に、アルカリ金属のリン酸塩としては、例えば、リン酸リチウム(Li3PO4)、リン酸ナトリウム(Na3PO4)、リン酸カリウム(K3PO4)、リン酸ジリチウムナトリウム(Li2NaPO4)などが挙げられる。
Note that the nonaqueous electrolytic solution having phosphate ions or pyrophosphate ions can be prepared by dissolving metal phosphate or metal pyrophosphate particles in the nonaqueous electrolytic solution as described above.
Examples of the metal phosphate include an alkali metal phosphate represented by M 3 PO 4 (M: alkali metal) and M 3 (PO 4 ) 2 (M: Group 2 element). Examples include phosphates of Group 2 elements, or phosphates containing both alkali metals and Group 2 metals.
Furthermore, as the alkali metal phosphate, for example, lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), sodium phosphate (Na 3 PO 4 ), potassium phosphate (K 3 PO 4 ), sodium dilithium phosphate (Li 2 NaPO 4 ).
また、第2族元素のリン酸塩としては、例えば、リン酸マグネシウム(Mg3(PO4)2)、リン酸カルシウム(Ca3(PO4)2)などが挙げられる。
また、アルカリ金属及び第2族金属の両方の金属を含むリン酸塩としては、例えば、リン酸ナトリウムマグネシウム(MgNaPO4)が挙げられる。
またその他に、金属リン酸塩として、例えば、リチウムアルミニウムゲルマニウムリン酸塩(LAGP:Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3)のように、アルカリ金属及び第2族元素以外の元素を含む金属リン酸塩も挙げられる。
Examples of Group 2 element phosphates include magnesium phosphate (Mg 3 (PO 4 ) 2 ) and calcium phosphate (Ca 3 (PO 4 ) 2 ).
Examples of the phosphate containing both alkali metal and Group 2 metal include sodium magnesium phosphate (MgNaPO 4 ).
In addition, as a metal phosphate, for example, a metal containing an element other than an alkali metal and a Group 2 element such as lithium aluminum germanium phosphate (LAGP: Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 ) Also included are phosphates.
金属ピロリン酸塩としては、例えば、M4P2O7(M:アルカリ金属)で表されるアルカリ金属のピロリン酸塩や、M2P2O7(M:第2族元素)で表される第2族元素のピロリン酸塩が挙げられる。
更に、アルカリ金属のピロリン酸塩として、例えば、ピロリン酸リチウム(Li4P2O7)、ピロリン酸ナトリウム(Na4P2O7)、ピロリン酸カリウム(K4P2O7)が挙げられる。
また、第2族元素のピロリン酸塩としては、例えば、ピロリン酸マグネシウム(Mg2P2O7)、ピロリン酸カルシウム(Ca2P2O7)が挙げられる。
Examples of the metal pyrophosphate include an alkali metal pyrophosphate represented by M 4 P 2 O 7 (M: alkali metal) and M 2 P 2 O 7 (M: group 2 element). Group 2 element pyrophosphates.
Further, examples of the alkali metal pyrophosphate include lithium pyrophosphate (Li 4 P 2 O 7 ), sodium pyrophosphate (Na 4 P 2 O 7 ), and potassium pyrophosphate (K 4 P 2 O 7 ). .
Examples of Group 2 element pyrophosphates include magnesium pyrophosphate (Mg 2 P 2 O 7 ) and calcium pyrophosphate (Ca 2 P 2 O 7 ).
「正極活物質粒子」をなす正極活物質としては、例えば、リチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。リチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、遷移金属としてニッケル(Ni)とコバルト(Co)とマンガン(Mn)とを含むリチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物や、遷移金属としてニッケルとマンガンとを含むリチウムニッケルマンガン系複合酸化物、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)が挙げられる。 Examples of the positive electrode active material forming the “positive electrode active material particles” include lithium transition metal composite oxides. Examples of the lithium transition metal composite oxide include lithium nickel cobalt manganese based composite oxide containing nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn) as transition metals, and nickel and manganese as transition metals. Examples thereof include lithium nickel manganese composite oxide, lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium cobaltate (LiCoO 2 ), and lithium manganate (LiMn 2 O 4 ).
更に具体的には、正極活物質として、以下の一般式(1)で表される、スピネル型の結晶構造を有するリチウムニッケルマンガン系複合酸化物を用いることができる。
Li(NixMyMn2-x-y)O4 ・・・(1)
但し、xは、x>0、好ましくは、0.2≦x≦1.0である。
また、yは、y≧0、好ましくは、0≦y<1.0である。
また、x+y<2.0である。
また、「M」は、Ni,Mn以外の任意の遷移金属元素(例えば、Fe、Co、Cu、Crから選択される1種または2種以上)、または典型金属元素(例えば、Zn、Alから選択される1種または2種以上)である。
なお、正極活物質の結晶構造がスピネル構造を有しているか否かについては、例えばX線構造解析(好ましくは単結晶X線構造解析)によって判別できる。具体的には、CuKα線を使用したX線回折測定によって判別できる。
More specifically, a lithium nickel manganese composite oxide having a spinel crystal structure represented by the following general formula (1) can be used as the positive electrode active material.
Li (Ni x M y Mn 2 -xy) O 4 ··· (1)
However, x is x> 0, preferably 0.2 ≦ x ≦ 1.0.
Further, y is y ≧ 0, preferably 0 ≦ y <1.0.
Further, x + y <2.0.
“M” is any transition metal element other than Ni and Mn (eg, one or more selected from Fe, Co, Cu, Cr), or a typical metal element (eg, Zn, Al). 1 type or 2 types or more selected).
Note that whether or not the crystal structure of the positive electrode active material has a spinel structure can be determined by, for example, X-ray structure analysis (preferably single crystal X-ray structure analysis). Specifically, it can be determined by X-ray diffraction measurement using CuKα rays.
「フッ素及びリンを含む被膜」には、フッ素及びリンのほか、非水電解液の成分(電解質や非水溶媒、添加剤など)の分解物などが含まれていてもよい。
「正極活物質層」には、正極活物質粒子のほか、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラックなどの導電材や、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレンブタジエンゴム(SBR)などの結着剤を含めることができる。
「負極板」には、負極活物質粒子を含む負極活物質層を負極集電箔上に設けた形態のものが挙げられる。負極活物質粒子としては、例えば、黒鉛などリチウムを挿入・脱離可能な炭素材料からなる粒子が挙げられる。
The “coating containing fluorine and phosphorus” may contain decomposition products of non-aqueous electrolyte components (electrolytes, non-aqueous solvents, additives, etc.) in addition to fluorine and phosphorus.
In the “positive electrode active material layer”, in addition to the positive electrode active material particles, for example, conductive materials such as graphite, carbon black, and acetylene black, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene butadiene rubber ( A binder such as SBR) can be included.
Examples of the “negative electrode plate” include a negative electrode active material layer including negative electrode active material particles provided on a negative electrode current collector foil. Examples of the negative electrode active material particles include particles made of a carbon material capable of inserting and removing lithium such as graphite.
「非水電解液」の非水溶媒としては、例えば、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、メチルプロピルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの有機溶媒が挙げられ、これらを単独で或いは2種以上を混合して用いることができる。
また、「非水電解液」の電解質としては、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3 などが挙げられ、これらを単独で或いは2種以上を組み合わせて用いることができる。
Examples of the non-aqueous solvent for the “non-aqueous electrolyte solution” include organic solvents such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, and the like. It can be used alone or in admixture of two or more.
As the electrolyte of the "non-aqueous electrolyte", LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiSbF 6, LiCF 3 such SO 3 and the like, may be used in combination either singly or in combination.
また、「非水電解液」には、上記の電解質以外の添加物を含ませることもできる。添加物としては、例えば、フッ化物やリチウムビスオキサレートボレート(LiBOB)が挙げられる。フッ化物としては、例えば、AgF、CoF2、CoF3、CuF、CuF2、FeF2、FeF3、LiF、MnF2、MnF3、SnF2、SnF4、TiF3、TiF4、ZrF4などが挙げられ、これらを単独で或いは2種以上を組み合わせて用いることができる。
なお、非水電解液に含まれる「フッ素を含む化合物」は、LiPF6 などのフッ素を含む電解質でもよいし、LiFなどのフッ素を含む添加物でもよい。また、フッ素を含む化合物は、1種のみでもよいし、2種以上含まれていてもよい。
In addition, the “nonaqueous electrolytic solution” may contain an additive other than the above electrolyte. Examples of the additive include fluoride and lithium bisoxalate borate (LiBOB). The fluoride, for example, AgF, CoF 2, CoF 3 , CuF, CuF 2, FeF 2, FeF 3, LiF, etc. MnF 2, MnF 3, SnF 2 , SnF 4, TiF 3, TiF 4, ZrF 4 is These may be used alone or in combination of two or more.
The “compound containing fluorine” contained in the nonaqueous electrolytic solution may be an electrolyte containing fluorine such as LiPF 6 or an additive containing fluorine such as LiF. Moreover, the compound containing a fluorine may be only 1 type, and 2 or more types may be contained.
更に、上記のリチウムイオン二次電池であって、前記正極活物質層は、金属リン酸塩及び金属ピロリン酸塩の少なくともいずれかの粒子を含むリチウムイオン二次電池とするのが好ましい。 Furthermore, in the above lithium ion secondary battery, the positive electrode active material layer is preferably a lithium ion secondary battery including particles of at least one of metal phosphate and metal pyrophosphate.
このリチウムイオン二次電池では、非水電解液にリン酸イオン及びピロリン酸イオンの少なくともいずれかを含むだけでなく、正極活物質層に金属リン酸塩及び金属ピロリン酸塩の少なくともいずれかの粒子を含む。これにより、製造後の電池の使用時において、非水溶媒の酸化分解に伴ってフッ酸が発生したとしても、このフッ酸を、非水電解液中のリン酸イオン及びピロリン酸イオンのほか、正極活物質層中の金属リン酸塩及び金属ピロリン酸塩の粒子とも反応させて消費することができる。このため、フッ酸の作用により正極活物質粒子中の遷移金属が溶出して、電池容量が少なくなるのを抑制できる。従って、充放電サイクル試験を行ったときに、電池容量が低下するのを、より効果的に抑制できる。 In this lithium ion secondary battery, not only the phosphate ion and pyrophosphate ion are included in the non-aqueous electrolyte solution, but also the positive electrode active material layer has particles of at least one of metal phosphate and metal pyrophosphate. including. As a result, even when hydrofluoric acid is generated along with the oxidative decomposition of the nonaqueous solvent during use of the battery after production, this hydrofluoric acid is used in addition to phosphate ions and pyrophosphate ions in the nonaqueous electrolyte solution. It can also be consumed by reacting with metal phosphate and metal pyrophosphate particles in the positive electrode active material layer. For this reason, it can suppress that the transition metal in a positive electrode active material particle elutes by the effect | action of a hydrofluoric acid, and battery capacity decreases. Therefore, it is possible to more effectively suppress the battery capacity from decreasing when the charge / discharge cycle test is performed.
なお、正極活物質層に含める金属リン酸塩及び金属ピロリン酸塩の粒子としては、非水電解液に溶解させる金属リン酸塩及び金属ピロリン酸塩の粒子と同組成(例えば、共にリン酸リチウム粒子)でもよいし、或いは、異なる組成(例えば、非水電解液にリン酸リチウム粒子を溶解させ、正極活物質層にリン酸ナトリウム粒子を含める)としてもよい。 The metal phosphate and metal pyrophosphate particles included in the positive electrode active material layer have the same composition as the metal phosphate and metal pyrophosphate particles dissolved in the non-aqueous electrolyte (for example, both lithium phosphate Particles) or a different composition (for example, lithium phosphate particles are dissolved in a non-aqueous electrolyte and sodium phosphate particles are included in the positive electrode active material layer).
更に、上記のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池であって、上記リチウムイオン二次電池の作動範囲(SOC0%〜100%)内のいずれにおいても、前記正極活物質粒子の酸化還元電位(作動電位)が4.3V(vs.Li/Li+)以上であるリチウムイオン二次電池とするのが好ましい。
Furthermore, in any of the above lithium ion secondary batteries, the redox potential of the positive electrode active material particles (
このリチウムイオン二次電池では、SOC0%〜100%内のいずれのSOCにおいても、正極活物質粒子の酸化還元電位が4.3V(vs.Li/Li+)以上の高電位であるため、正極活物質粒子の粒子表面で非水電解液の非水溶媒が酸化分解され易く、フッ酸が生じ易い。しかるに、前述のように、正極活物質粒子の粒子表面にフッ素及びリンを含む被膜を形成してあるので、非水溶媒の酸化分解を防止し、また、フッ酸の作用による正極活物質粒子中の遷移金属の溶出を防止して、電池容量が減少するのを、より効果的に抑制できる。
In this lithium ion secondary battery, since the redox potential of the positive electrode active material particles is a high potential of 4.3 V (vs. Li / Li + ) or higher in any SOC within
また、他の態様としては、正極活物質粒子を含む正極活物質層を有する正極板と、負極板と、フッ素を含む化合物を有する非水電解液と、を備え、上記正極活物質粒子は、その粒子表面に、フッ素及びリンを含む被膜を有し、上記非水電解液は、リン酸イオン及びピロリン酸イオンの少なくともいずれかを含み、上記正極活物質層は、金属リン酸塩及び金属ピロリン酸塩の少なくともいずれかの粒子を含むリチウムイオン二次電池の製造方法であって、上記正極板、上記負極板及び上記非水電解液を用いて、電池を組み立てる組立工程と、上記組立工程の後、上記電池を初充電し、生成されたフッ酸を上記非水電解液中のリン酸イオン及びピロリン酸イオンと反応させると共に、上記正極活物質層中の上記金属リン酸塩粒子及び金属ピロリン酸塩粒子と反応させて、上記正極活物質粒子の上記粒子表面に上記被膜を形成する被膜形成工程と、を備え、上記組立工程で用いる上記非水電解液は、予めリン酸イオン及びピロリン酸イオンの少なくともいずれかを含む電解液であるリチウムイオン二次電池の製造方法とするのが好ましい。 Moreover, as another aspect, the positive electrode plate having a positive electrode active material layer containing positive electrode active material particles, a negative electrode plate, and a non-aqueous electrolyte solution containing a compound containing fluorine, the positive electrode active material particles include: on the particle surface has a coating containing fluorine and phosphorus, the non-aqueous electrolyte, saw including at least one of phosphate ion and pyrophosphate ions, the positive electrode active material layer, metal phosphates and metal A method for manufacturing a lithium ion secondary battery including at least one particle of pyrophosphate, an assembling process for assembling a battery using the positive electrode plate, the negative electrode plate, and the non-aqueous electrolyte, and the assembling process after, and initial charge of the battery, Rutotomoni the generated hydrogen fluoride is reacted with phosphoric acid ions and pyrophosphate ions in the nonaqueous electrolyte solution, and the metal phosphate particles of the positive electrode active material layer Metal pyrroline Is reacted with a salt particles, the positive electrode active material film formation step of forming the coating on the particle surfaces of the particles, comprising a non-aqueous electrolyte solution used in the assembly process, pre phosphate ion and pyrophosphate ion It is preferable to use a method for producing a lithium ion secondary battery that is an electrolytic solution containing at least one of the above .
このリチウムイオン二次電池の製造方法では、電池を組み立てた後に、電池を初充電して、生成されたフッ酸を非水電解液中のリン酸イオン及びピロリン酸イオンと反応させると共に、正極活物質層中の金属リン酸塩粒子及び金属ピロリン酸塩粒子とも反応させることで、正極活物質粒子の粒子表面にフッ素及びリンを含む被膜を形成する。このようにすることで、正極活物質粒子の粒子表面に、均一な被膜を容易に形成でき、また、安価に電池を製造できる。 In this method of manufacturing a lithium ion secondary battery, after the battery is assembled, the battery is initially charged, and the generated hydrofluoric acid is reacted with phosphate ions and pyrophosphate ions in the non-aqueous electrolyte solution. By reacting with metal phosphate particles and metal pyrophosphate particles in the material layer, a film containing fluorine and phosphorus is formed on the particle surface of the positive electrode active material particles. By doing in this way, a uniform film can be easily formed on the particle surface of positive electrode active material particles, and a battery can be manufactured at low cost.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図1及び図2に、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池(以下、単に「電池」ともいう)1を示す。また、図3に、この電池1を構成する電極体20の展開図を示す。なお、以下では、電池1の電池厚み方向BH、電池横方向CH及び電池縦方向DHを、図1及び図2に示す方向と定めて説明する。
この電池1は、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両などに搭載される角型で密閉型のリチウムイオン二次電池である。電池1は、電池ケース10と、この内部に収容された電極体20及び非水電解液40と、電池ケース10に支持された正極端子50及び負極端子51等から構成される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 and 2 show a lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “battery”) 1 according to the present embodiment. FIG. 3 shows a development view of the
The
このうち電池ケース10は、直方体状で金属(本実施形態ではアルミニウム)からなる。この電池ケース10は、上側のみが開口した直方体箱状のケース本体部材11と、このケース本体部材11の開口11hを閉塞する形態で溶接された矩形板状のケース蓋部材13とから構成される。ケース蓋部材13には、電池ケース10の内圧が所定圧力に達した際に破断開弁する安全弁14が設けられている。また、このケース蓋部材13には、電池ケース10の内外を連通する注液孔13hが形成され、封止部材15で気密に封止されている。
Among these, the
また、ケース蓋部材13には、それぞれ内部端子部材53、外部端子部材54及びボルト55により構成される正極端子50及び負極端子51が、樹脂からなる内部絶縁部材57及び外部絶縁部材58を介して固設されている。なお、正極端子50はアルミニウムからなり、負極端子51は銅からなる。電池ケース10内において、正極端子50は、後述する電極体20のうち正極板21の正極集電部21mに接続し導通している。また、負極端子51は、電極体20のうち負極板31の負極集電部31mに接続し導通している。
Further, the
次に、電極体20について説明する(図2及び図3参照)。この電極体20は、扁平状をなし、電池ケース10内に収容されている。電極体20は、帯状の正極板21と帯状の負極板31とを、帯状の一対のセパレータ39を介して互いに重ねて捲回し、扁平状に圧縮したものである。
Next, the
正極板21は、帯状のアルミニウム箔からなる正極集電箔22の両主面のうち、幅方向の一部でかつ長手方向に延びる領域上に、正極活物質層23を帯状に設けてなる。正極活物質層23には、後述する正極活物質粒子24、導電材(導電助剤)26、結着剤27及び金属リン酸塩粒子28が含まれる。本実施形態では、導電材26としてアセチレンブラック(AB)を、結着剤27としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を、金属リン酸塩粒子28としてリン酸リチウム(Li3PO4 )粒子(粉末)を用いている。
The
なお、正極活物質粒子24と導電材26と結着剤27との配合比は、重量比で89:8:3である。また、金属リン酸塩(リン酸リチウム)粒子28の配合比は、正極活物質粒子24を基準(100重量部)として、重量比で2.95重量部である。
正極集電箔22のうち、幅方向の片方の端部は、自身の厚み方向に正極活物質層23が存在せず、正極集電箔22が露出した正極集電部21mとなっている。前述の正極端子50は、この正極集電部21mに溶接されている。
The mixing ratio of the positive electrode active material particles 24, the conductive material 26, and the binder 27 is 89: 8: 3 by weight. In addition, the compounding ratio of the metal phosphate (lithium phosphate) particles 28 is 2.95 parts by weight based on the positive electrode active material particles 24 (100 parts by weight).
One end of the positive electrode
正極活物質粒子24は、本実施形態では、リチウム遷移金属複合酸化物、具体的には、スピネル型の結晶構造を有するリチウムニッケルマンガン系複合酸化物の1つであるLiNi0.5Mn1.5O4 からなる粒子である。また、この正極活物質粒子24の粒子表面24nには、フッ素及びリンを含む被膜25が形成されている(図4参照)。また、この被膜25には、フッ素及びリンのほか、非水電解液40の他の成分(電解質及び非水溶媒)の分解物も含まれている。
In the present embodiment, the positive electrode active material particles 24 are made of lithium transition metal composite oxide, specifically, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 which is one of lithium nickel manganese composite oxide having a spinel crystal structure. Particles. A
次に、負極板31について説明する。この負極板31は、帯状の銅箔からなる負極集電箔32の両主面のうち、幅方向の一部でかつ長手方向に延びる領域上に、負極活物質層33を帯状に設けてなる。この負極活物質層33には、負極活物質粒子、結着剤及び増粘剤が含まれる。本実施形態では、負極活物質粒子として黒鉛粒子を、結着剤としてスチレンブタジエンゴム(SBR)を、増粘剤としてカルボシキメチルセルロース(CMC)を用いている。また、負極集電箔32のうち、幅方向の片方の端部は、自身の厚み方向に負極活物質層33が存在せず、負極集電箔32が露出した負極集電部31mとなっている。前述の負極端子51は、この負極集電部31mに溶接されている。
また、セパレータ39は、樹脂からなる多孔質膜であり、帯状をなす。
Next, the
The
次に、非水電解液40について説明する。この非水電解液40は、電池ケース10内に収容されており、非水電解液40の一部は電極体20内に含浸され、残りは余剰液として電池ケース10の底部に溜まっている。この非水電解液40の電解質は、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6 )であり、その濃度は1.0Mである。また、非水電解液40の非水溶媒は、フルオロエチレンカーボネート(FEC)と2,2,2−トリフルオロエチルメチルカーボネートとを、1:1の体積比で混合した混合有機溶媒である。上述のように、この非水電解液40は、フッ素を含む化合物41として、LiPF6 を有している。
更に、この非水電解液40には、後述するように、金属リン酸塩粒子42、具体的にはリン酸リチウム(Li3PO4)粒子が溶解されているので、非水電解液40中には、リン酸イオン(PO4 3-)が存在する。
Next, the nonaqueous electrolytic solution 40 will be described. The non-aqueous electrolyte 40 is accommodated in the
Further, as will be described later, the metal phosphate particles 42, specifically, lithium phosphate (Li 3 PO 4 ) particles are dissolved in the non-aqueous electrolyte 40. Contains phosphate ions (PO 4 3− ).
次いで、上記電池1の製造方法について説明する。まず、正極板21を形成する。具体的には、スピネル構造を有するリチウムニッケルマンガン系複合酸化物であるLiNi0.5Mn1.5O4 からなる正極活物質粒子24を用意する。そして、この正極活物質粒子24と、導電材26(アセチレンブラック)と、結着剤27(ポリフッ化ビニリデン)と、金属リン酸塩粒子28(リン酸リチウム粒子,中心粒径1.5μm)とを、溶媒(本実施形態では、NMP)と共に混練して、正極ペーストを作製する。
Next, a method for manufacturing the
なお、正極活物質粒子24と導電材26と結着剤27との配合比は、重量比で89:8:3である。また、金属リン酸塩(リン酸リチウム)粒子28の配合比は、正極活物質粒子24を基準(100重量部)として、重量比で2.95重量部である。
その後、この正極ペーストを、帯状のアルミニウム箔からなる正極集電箔22の一方の主面に塗布し、乾燥させて、正極活物質層23を形成する。更に、正極集電箔22の他方の主面にも正極ペーストを塗布し、乾燥させて、正極活物質層23を形成する。その後、これをプレスして、正極板21を得る。
また別途、公知の手法によって負極板31を形成しておく。
The mixing ratio of the positive electrode active material particles 24, the conductive material 26, and the binder 27 is 89: 8: 3 by weight. In addition, the compounding ratio of the metal phosphate (lithium phosphate) particles 28 is 2.95 parts by weight based on the positive electrode active material particles 24 (100 parts by weight).
Thereafter, this positive electrode paste is applied to one main surface of the positive electrode
Separately, the
次に、正極板21及び負極板31を一対のセパレータ39を介して互いに重ね、巻き芯を用いて捲回する。更に、これを扁平状に圧縮して電極体20を形成する。
また別途、ケース蓋部材13、内部端子部材53、外部端子部材54、ボルト55、内部絶縁部材57及び外部絶縁部材58を用意する。そして、ケース蓋部材13に、内部絶縁部材57及び外部絶縁部材58を介して、それぞれ内部端子部材53、外部端子部材54及びボルト55からなる正極端子50及び負極端子51を固設する。その後、電極体20の正極集電部21m及び負極集電部31mに、ケース蓋部材13と一体化された正極端子50及び負極端子51をそれぞれ溶接する。
次に、ケース本体部材11を用意し、このケース本体部材11内に、電極体20を収容した後、ケース本体部材11にケース蓋部材13を溶接して電池ケース10を形成する。
Next, the
Separately, a
Next, the
また別途、非水電解液40を用意しておく。具体的には、フルオロエチレンカーボネートと2,2,2−トリフルオロエチルメチルカーボネートとを1:1の体積比で混合した混合有機溶媒に、LiPF6(フッ素を含む化合物41)を濃度1.0Mとなるように溶解させる。更に、これに金属リン酸塩(リン酸リチウム)粒子42を溶解させる。具体的には、電池1内に収容された正極活物質層23に含まれる正極活物質粒子24の重量を基準(100重量部)としたとき、電池1内に注液された非水電解液40に溶解した金属リン酸塩粒子42が0.05重量部となるように、上述の電解液に金属リン酸塩粒子42を溶解させる。これにより、リン酸イオンを含む非水電解液40が得られる。
そして、この非水電解液40を、注液孔13hから電池ケース10内に注液し、非水電解液40を電極体20内に含浸させる。その後、注液孔13hを仮封止する。
Separately, a non-aqueous electrolyte 40 is prepared. Specifically, LiPF 6 (compound 41 containing fluorine) is added at a concentration of 1.0M to a mixed organic solvent in which fluoroethylene carbonate and 2,2,2-trifluoroethyl methyl carbonate are mixed at a volume ratio of 1: 1. Dissolve so that Further, metal phosphate (lithium phosphate) particles 42 are dissolved in this. Specifically, when the weight of the positive electrode active material particles 24 contained in the positive electrode active material layer 23 accommodated in the
Then, the nonaqueous electrolytic solution 40 is injected into the
次に、この電池に初充電を行って、正極活物質粒子24の粒子表面24nに、フッ素及びリンを含む被膜25を形成する。具体的には、この電池に5Cの定電流で電池電圧4.9Vまで充電する(CC−CV充電)。
この初充電の際、正極活物質粒子24の粒子表面24nでは、非水電解液40の非水溶媒が酸化分解されて水素イオンが発生する。この水素イオンは、非水電解液40中のフッ素を含む化合物41(本実施形態ではLiPF6 )と反応して、フッ酸(HF)を生成する。このフッ酸は、まず、非水電解液40中のリン酸イオンと優先的に反応して、正極活物質粒子24の粒子表面24nにフッ素及びリンを含む被膜25が形成される。その後、正極活物質粒子24の近傍に存在する非水電解液40中のリン酸イオンが減少すると、正極活物質層23に含まれる金属リン酸塩(リン酸リチウム)粒子28が、発生したフッ酸と反応して、フッ素及びリンを含む被膜25が更に形成される。
その後は、この電池について、各種検査を行う。かくして、電池1が完成する。
Next, the battery is initially charged to form a
At the time of this initial charge, on the
Thereafter, various inspections are performed on the battery. Thus, the
(実施例及び比較例)
次いで、本発明の効果を検証するために行った試験の結果について説明する。下記の表1に示すように、実施例1〜3及び比較例1,2の5種類の電池をそれぞれ用意した。具体的には、実施例1〜3及び比較例2の各電池では、条件を統一するため、各電池内に収容された正極活物質層に含まれる正極活物質粒子の重量を基準(100重量部)としたとき、各電池内に含まれる金属リン酸塩(リン酸リチウム)粒子の合計添加量を、いずれの電池でも3.00重量部とした。
(Examples and Comparative Examples)
Subsequently, the result of the test conducted in order to verify the effect of this invention is demonstrated. As shown in Table 1 below, five types of batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were prepared. Specifically, in each of the batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Example 2, in order to unify the conditions, the weight of the positive electrode active material particles contained in the positive electrode active material layer accommodated in each battery was determined based on the weight (100 wt. Part), the total amount of metal phosphate (lithium phosphate) particles contained in each battery was 3.00 parts by weight in any battery.
そして、比較例2の電池では、正極活物質層にのみ金属リン酸塩粒子を3.00重量部添加した。従って、比較例2の電池は、非水電解液にリン酸イオンを有しない。一方、実施例1の電池では、正極活物質層に2.98重量部の金属リン酸塩粒子を添加し、残りの0.02重量部の金属リン酸塩粒子を非水電解液に添加した(溶解させた)。また、実施例2の電池では、正極活物質層に2.95重量部の金属リン酸塩粒子を添加し、残りの0.05重量部の金属リン酸塩粒子を非水電解液に添加した(溶解させた)。また、実施例3の電池では、正極活物質層に2.90重量部の金属リン酸塩粒子を添加し、残りの0.10重量部の金属リン酸塩粒子を非水電解液に添加した(溶解させた)。なお、比較例1の電池は、電池内に金属リン酸塩が含まれない。即ち、比較例1の電池は、正極活物質層に金属リン酸塩粒子を含まず、かつ、非水電解液にリン酸イオンを有しない。なお、実施例2の電池は、前述の実施形態の電池1と同じである。また、実施例1,3及び比較例1,2の各電池について、上記以外の部分は、実施形態の電池1と同様とした。
In the battery of Comparative Example 2, 3.00 parts by weight of metal phosphate particles were added only to the positive electrode active material layer. Therefore, the battery of Comparative Example 2 does not have phosphate ions in the nonaqueous electrolytic solution. On the other hand, in the battery of Example 1, 2.98 parts by weight of metal phosphate particles were added to the positive electrode active material layer, and the remaining 0.02 parts by weight of metal phosphate particles were added to the non-aqueous electrolyte. (Dissolved). In the battery of Example 2, 2.95 parts by weight of metal phosphate particles were added to the positive electrode active material layer, and the remaining 0.05 parts by weight of metal phosphate particles were added to the non-aqueous electrolyte. (Dissolved). In the battery of Example 3, 2.90 parts by weight of metal phosphate particles were added to the positive electrode active material layer, and the remaining 0.10 parts by weight of metal phosphate particles were added to the non-aqueous electrolyte. (Dissolved). In addition, the battery of the comparative example 1 does not contain a metal phosphate in the battery. That is, the battery of Comparative Example 1 does not include metal phosphate particles in the positive electrode active material layer, and does not have phosphate ions in the nonaqueous electrolytic solution. The battery of Example 2 is the same as the
次に、実施例1〜3及び比較例1,2の各電池について、「充放電サイクル試験」を行って、試験前後での容量維持率(%)をそれぞれ求めた。具体的には、60℃の温度環境下において、各電池を、2Cの定電流で3.5Vから4.9Vまで充電した後、10分間休止する。その後、2Cの定電流で3.5Vまで放電した後、10分間休止する。このような充放電を1サイクルとして、充放電を100サイクル行った。この充放電サイクル試験の前後でそれぞれ電池容量を測定し、試験前の電池容量に対する試験後の電池容量から容量維持率(%)をそれぞれ算出した。その結果を表1及び図5に示す。 Next, for each of the batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, a “charge / discharge cycle test” was performed, and the capacity retention ratio (%) before and after the test was obtained. Specifically, in a temperature environment of 60 ° C., each battery is charged from 3.5 V to 4.9 V with a constant current of 2 C, and then paused for 10 minutes. Thereafter, the battery is discharged to 3.5 V with a constant current of 2 C, and then rests for 10 minutes. Such charging / discharging was made into 1 cycle, and charging / discharging was performed 100 cycles. The battery capacity was measured before and after the charge / discharge cycle test, and the capacity retention rate (%) was calculated from the battery capacity after the test with respect to the battery capacity before the test. The results are shown in Table 1 and FIG.
表1及び図5から判るように、正極活物質層に金属リン酸塩粒子を含まず、かつ、非水電解液にリン酸イオンを有しない比較例1の電池に比べると、正極活物質層に金属リン酸塩粒子を含み、かつ、非水電解液にリン酸イオンを有する実施例1〜3の各電池、及び、正極活物質層に金属リン酸塩粒子を含むが、非水電解液にリン酸イオンを有しない比較例2の電池では、いずれも容量維持率が高いことが判る(84.0%以上)。
その理由は、以下であると考えられる。即ち、比較例1の電池は、正極活物質層に金属リン酸塩粒子を含まず、かつ、非水電解液にリン酸イオンを有しないため、電池の製造過程で電池を初充電した際に、正極活物質粒子の粒子表面にフッ素及びリンを含む被膜が形成されない。このため、正極電位が非水溶媒の酸化分解電位よりも高くなると、非水溶媒が酸化分解され、水素イオンひいてはフッ酸が生成されて、正極活物質粒子から遷移金属が溶出する。このため、充放電サイクル試験で電池容量が大きく低下したと考えられる。
As can be seen from Table 1 and FIG. 5, the positive electrode active material layer does not contain metal phosphate particles, and the non-aqueous electrolyte does not have phosphate ions. Each of the batteries of Examples 1 to 3 including metal phosphate particles in the nonaqueous electrolyte solution and phosphate ions in the nonaqueous electrolyte solution, and the positive electrode active material layer includes the metal phosphate particles. It can be seen that all of the batteries of Comparative Example 2 having no phosphate ion have a high capacity retention rate (84.0% or more).
The reason is considered as follows. That is, the battery of Comparative Example 1 does not contain metal phosphate particles in the positive electrode active material layer and does not have phosphate ions in the non-aqueous electrolyte, so when the battery is first charged in the battery manufacturing process. The film containing fluorine and phosphorus is not formed on the surface of the positive electrode active material particles. For this reason, when the positive electrode potential becomes higher than the oxidative decomposition potential of the non-aqueous solvent, the non-aqueous solvent is oxidatively decomposed, hydrogen ions and thus hydrofluoric acid are generated, and the transition metal is eluted from the positive electrode active material particles. For this reason, it is thought that the battery capacity was greatly reduced in the charge / discharge cycle test.
一方、実施例1〜3の各電池では、電池を初充電した際、発生したフッ酸は、まず、非水電解液中のリン酸イオンと優先的に反応して、正極活物質粒子の粒子表面にフッ素及びリンを含む被膜が形成される。その後、正極活物質粒子の近傍に存在する非水電解液のリン酸イオンが減少すると、正極活物質層に含まれる金属リン酸塩粒子が、発生したフッ酸と反応して、フッ素及びリンを含む被膜が更に形成される。
また、比較例2の電池では、非水電解液中にリン酸イオンを有しないため、電池を初充電した際、発生したフッ酸は、正極活物質層に含まれる金属リン酸塩粒子と反応して、正極活物質粒子の粒子表面にフッ素及びリンを含む被膜が形成される。
On the other hand, in each of the batteries of Examples 1 to 3, when the battery was charged for the first time, the generated hydrofluoric acid first reacted preferentially with phosphate ions in the non-aqueous electrolyte, and particles of positive electrode active material particles A film containing fluorine and phosphorus is formed on the surface. After that, when the phosphate ions in the non-aqueous electrolyte present in the vicinity of the positive electrode active material particles are reduced, the metal phosphate particles contained in the positive electrode active material layer react with the generated hydrofluoric acid, and fluorine and phosphorus are removed. A coating film is further formed.
In the battery of Comparative Example 2, since the non-aqueous electrolyte does not have phosphate ions, the hydrofluoric acid generated when the battery is charged for the first time reacts with the metal phosphate particles contained in the positive electrode active material layer. Thus, a film containing fluorine and phosphorus is formed on the surface of the positive electrode active material particles.
これら実施例1〜3及び比較例2の各電池では、初充電で正極活物質粒子の粒子表面に十分な厚みの被膜が形成される。このため、被膜の存在により非水電解液が正極活物質に直接接触するのを抑制するので、正極電位が非水溶媒の酸化分解電位よりも高くなった場合でも、非水溶媒が酸化分解され、水素イオンひいてはフッ酸が生成され、正極活物質粒子から遷移金属が溶出するのを抑制できる。このため、電池に充放電サイクル試験を行った場合でも、電池容量の低下を抑制できたと考えられる。 In each of the batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Example 2, a film having a sufficient thickness is formed on the particle surface of the positive electrode active material particles by the initial charge. For this reason, the non-aqueous electrolyte is prevented from coming into direct contact with the positive electrode active material due to the presence of the coating. Therefore, even when the positive electrode potential is higher than the oxidative decomposition potential of the non-aqueous solvent, the non-aqueous solvent is oxidized and decomposed. In addition, hydrogen ions and, in turn, hydrofluoric acid are generated, and the elution of transition metals from the positive electrode active material particles can be suppressed. For this reason, even when a charge / discharge cycle test is performed on the battery, it is considered that the decrease in battery capacity could be suppressed.
次に、実施例1〜3及び比較例1,2の各電池について、電池抵抗(IV抵抗)をそれぞれ測定した。具体的には、25℃の温度環境下において、各電池を電池電圧3.5V(SOC60%)に調整し、0.3Cの定電流で10秒間放電を行い、放電前後で電池電圧値の変化を測定した。更に、放電電流値のみを1C、3C、5Cと異ならせて、それ以外は上記と同様の条件で放電を行って、10秒間の放電前後で電池電圧値の変化をそれぞれ測定した。その後、これらのデータを、横軸を放電電流値、縦軸を放電前後の電池電圧値の変化とした座標平面にプロットし、最小二乗法により近似直線(一次式)を算出して、その傾きをIV抵抗値として得た。そして、比較例2の電池の電池抵抗(IV抵抗)を基準(=1.00)として、その他の電池の「電池抵抗比」をそれぞれ算出した。その結果を表1及び図6に示す。
Next, about each battery of Examples 1-3 and Comparative Examples 1 and 2, battery resistance (IV resistance) was measured, respectively. Specifically, in a temperature environment of 25 ° C., each battery is adjusted to a battery voltage of 3.5 V (
表1及び図6から判るように、非水電解液中にリン酸イオンが存在すると(実施例1〜3)、非水電解液中にリン酸イオンが存在しない場合(比較例2)に比べて、電池抵抗が低くなることが判る。また、少なくとも金属リン酸塩粒子の非水電解液への添加量(溶解量)が0.10wt以下の範囲(実施例1〜3)では、添加量を増やすほど電池抵抗が低下することが判る。 As can be seen from Table 1 and FIG. 6, when phosphate ions are present in the non-aqueous electrolyte (Examples 1 to 3), compared to the case where phosphate ions are not present in the non-aqueous electrolyte (Comparative Example 2). Thus, it can be seen that the battery resistance is lowered. It can also be seen that the battery resistance decreases as the addition amount is increased at least in the range (Examples 1 to 3) where the addition amount (dissolution amount) of the metal phosphate particles to the nonaqueous electrolytic solution is 0.10 wt. .
その理由は、以下であると考えられる。即ち、実施例1〜3及び比較例2で用いた金属リン酸塩粒子は、粒径が1.5μmであり粒径が大きいため、正極活物質層内における金属リン酸塩粒子の分散性が良くない。比較例2の電池は、非水電解液中にリン酸イオンを有しないので、被膜は、前述のように、正極活物質層内の金属リン酸塩粒子のみによって形成される。この被膜は、非水電解液中のリン酸イオンとフッ酸が反応してできる被膜に比べて均一性が低く厚いため、電池抵抗が高くなったと考えられる。 The reason is considered as follows. That is, since the metal phosphate particles used in Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 have a particle size of 1.5 μm and a large particle size, the dispersibility of the metal phosphate particles in the positive electrode active material layer is high. Not good. Since the battery of Comparative Example 2 does not have phosphate ions in the nonaqueous electrolytic solution, the coating is formed only by the metal phosphate particles in the positive electrode active material layer as described above. This film is considered to have increased battery resistance because it is less uniform and thicker than the film formed by the reaction of phosphate ions and hydrofluoric acid in the non-aqueous electrolyte.
一方、実施例1〜3の各電池では、非水電解液中にリン酸イオンを有するため、初充電の際には、前述のように、発生したフッ酸は、まず、非水電解液中のリン酸イオンと優先的に反応して、正極活物質粒子の粒子表面に均一で薄い被膜を形成する。そして、正極活物質粒子の近傍に存在する非水電解液中のリン酸イオンが減少すると、正極活物質層に含まれる金属リン酸塩粒子が、発生したフッ酸と反応して、更に被膜を形成する。前述のように、非水電解液中のリン酸イオンと反応してできる被膜は、正極活物質層中の金属リン酸塩粒子と反応してできる被膜に比して均一に薄く形成されるため、電池抵抗が低くなる。このため、実施例1〜3の各電池では、比較例2の電池に比して、電池抵抗が低くなったと考えられる。 On the other hand, in each of the batteries of Examples 1 to 3, since the non-aqueous electrolyte has phosphate ions, as described above, the generated hydrofluoric acid is first in the non-aqueous electrolyte as described above. It reacts preferentially with the phosphate ions to form a uniform thin film on the surface of the positive electrode active material particles. When the phosphate ions in the non-aqueous electrolyte present in the vicinity of the positive electrode active material particles are reduced, the metal phosphate particles contained in the positive electrode active material layer react with the generated hydrofluoric acid to further coat the film. Form. As described above, the film formed by reacting with the phosphate ions in the non-aqueous electrolyte is formed uniformly and thinner than the film formed by reacting with the metal phosphate particles in the positive electrode active material layer. Battery resistance is lowered. For this reason, in each battery of Examples 1-3, it is thought that battery resistance became low compared with the battery of the comparative example 2.
また、実施例1〜3の電池同士を比較すると、非水電解液中に含まれるリン酸イオンの量が、実施例3の電池で最も多く、実施例1の電池で最も少ない。このため、初充電時に形成される被膜のうち、非水電解液中のリン酸イオンと反応してできる被膜の割合は、実施例3の電池で最も多く、実施例1の電池で最も少ない(逆に言うと、初充電時に形成される被膜のうち、正極活物質層に含まれる金属リン酸塩粒子と反応してできる被膜の割合は、実施例3の電池で最も少なく、実施例1の電池で最も多い)。従って、実施例1の電池よりも実施例2の電池の方が、更に実施例2の電池よりも実施例3の電池の方が、被膜が均一に薄くされる。このため、実施例1の電池よりも実施例2の電池の方が、更に実施例2の電池よりも実施例3の電池の方が、電池抵抗が低くなったと考えられる。 Moreover, when the batteries of Examples 1 to 3 are compared, the amount of phosphate ions contained in the non-aqueous electrolyte is the largest in the battery of Example 3 and the smallest in the battery of Example 1. For this reason, the ratio of the film formed by reacting with phosphate ions in the non-aqueous electrolyte among the films formed at the time of initial charge is the largest in the battery of Example 3 and the smallest in the battery of Example 1 ( In other words, the ratio of the film formed by reacting with the metal phosphate particles contained in the positive electrode active material layer in the film formed at the time of initial charge is the smallest in the battery of Example 3, and Most common with batteries). Accordingly, the battery of Example 2 is made thinner than the battery of Example 1, and the battery of Example 3 is made thinner than the battery of Example 2 more uniformly. For this reason, it is considered that the battery resistance of the battery of Example 2 is lower than that of the battery of Example 1, and the battery of Example 3 is lower than that of the battery of Example 2.
なお、比較例1の電池で電池抵抗が最も低いのは、比較例1の電池では、前述のように、初充電の際に、正極活物質粒子の粒子表面にフッ素及びリンを含む被膜が形成されない。この被膜は抵抗体であるため、被膜が形成されない比較例1の電池では、電池抵抗が低くなったと考えられる。但し、正極活物質粒子に被膜が形成されないと、前述のように、充放電サイクル試験後の容量維持率が大きく低下するので好ましくない。 Incidentally, the battery of Comparative Example 1 has the lowest battery resistance because, in the battery of Comparative Example 1, as described above, a film containing fluorine and phosphorus is formed on the surface of the positive electrode active material particles during the initial charge. Not. Since this film is a resistor, it is considered that the battery of Comparative Example 1 in which the film was not formed has a low battery resistance. However, if a film is not formed on the positive electrode active material particles, the capacity retention rate after the charge / discharge cycle test is greatly reduced as described above, such being undesirable.
以上で説明したように、電池1では、非水電解液40中にリン酸イオン(PO4 3-)が存在するので、電池1の製造過程で電池を初充電した際には、発生したフッ酸が非水電解液40中のリン酸イオンと反応して、正極活物質粒子24の粒子表面24nにフッ素及びリンを含む被膜25が形成される。この被膜25は、非水電解液40が正極活物質に直接接触するのを抑制するので、正極電位が非水溶媒の酸化分解電位よりも高くなった場合でも、非水溶媒が酸化分解されるのを抑制できる。従って、電池1に充放電サイクル試験を行ったときに、電池容量が低下するのを抑制できる。
しかも、リン酸イオンを有する非水電解液40は、非水電解液40に金属リン酸塩(リン酸リチウム)粒子42を溶解させることで容易に作製でき、安価な電池1とすることができる。
As described above, in the
Moreover, the non-aqueous electrolyte solution 40 having phosphate ions can be easily manufactured by dissolving the metal phosphate (lithium phosphate) particles 42 in the non-aqueous electrolyte solution 40, and the
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態では、リン酸リチウム粒子を非水電解液に溶解させて、リン酸イオンを含む非水電解液40を作製したが、これに限られない。例えば、リン酸ナトリウム、リン酸カリウム、リン酸マグネシウム、リン酸カルシウム等の他の金属リン酸塩粒子を非水電解液に溶解させて、リン酸イオンを含む非水電解液を作製してもよい。
また、非水電解液は、ピロリン酸イオンを含む電解液としてもよい。具体的には、ピロリン酸リチウム、ピロリン酸ナトリウム、ピロリン酸マグネシウム、ピロリン酸カルシウム等のピロリン酸塩粒子を非水電解液に溶解させて、ピロリン酸イオンを含む非水電解液を作製してもよい。
In the above, the present invention has been described with reference to the embodiment. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that the present invention can be appropriately modified and applied without departing from the gist thereof.
For example, in the embodiment, the lithium phosphate particles are dissolved in the non-aqueous electrolyte to produce the non-aqueous electrolyte 40 containing phosphate ions, but the present invention is not limited to this. For example, other metal phosphate particles such as sodium phosphate, potassium phosphate, magnesium phosphate, and calcium phosphate may be dissolved in the non-aqueous electrolyte to produce a non-aqueous electrolyte containing phosphate ions.
The non-aqueous electrolyte may be an electrolyte containing pyrophosphate ions. Specifically, pyrophosphate particles such as lithium pyrophosphate, sodium pyrophosphate, magnesium pyrophosphate, and calcium pyrophosphate may be dissolved in a non-aqueous electrolyte to produce a non-aqueous electrolyte containing pyrophosphate ions. .
1 リチウムイオン二次電池(電池)
20 電極体
21 正極板
22 正極集電箔
23 正極活物質層
24 正極活物質粒子
24n 粒子表面
25 被膜
28 金属リン酸塩粒子
31 負極板
40 非水電解液
41 フッ素を含む化合物
42 金属リン酸塩粒子
1 Lithium ion secondary battery (battery)
DESCRIPTION OF
Claims (1)
上記正極活物質粒子は、その粒子表面に、フッ素及びリンを含む被膜を有し、The positive electrode active material particles have a film containing fluorine and phosphorus on the particle surface,
上記非水電解液は、リン酸イオン及びピロリン酸イオンの少なくともいずれかを含み、The non-aqueous electrolyte contains at least one of phosphate ions and pyrophosphate ions,
上記正極活物質層は、金属リン酸塩及び金属ピロリン酸塩の少なくともいずれかの粒子を含むThe positive electrode active material layer includes particles of at least one of metal phosphate and metal pyrophosphate.
リチウムイオン二次電池の製造方法であって、A method for producing a lithium ion secondary battery, comprising:
上記正極板、上記負極板及び上記非水電解液を用いて、電池を組み立てる組立工程と、An assembly step of assembling a battery using the positive electrode plate, the negative electrode plate and the non-aqueous electrolyte;
上記組立工程の後、上記電池を初充電し、生成されたフッ酸を上記非水電解液中のリン酸イオン及びピロリン酸イオンと反応させると共に、上記正極活物質層中の上記金属リン酸塩粒子及び金属ピロリン酸塩粒子と反応させて、上記正極活物質粒子の上記粒子表面に上記被膜を形成する被膜形成工程と、を備え、After the assembly step, the battery is initially charged, the generated hydrofluoric acid is reacted with phosphate ions and pyrophosphate ions in the non-aqueous electrolyte, and the metal phosphate in the positive electrode active material layer A film forming step of reacting the particles and metal pyrophosphate particles to form the film on the particle surfaces of the positive electrode active material particles,
上記組立工程で用いる上記非水電解液は、予めリン酸イオン及びピロリン酸イオンの少なくともいずれかを含む電解液であるThe non-aqueous electrolyte used in the assembly process is an electrolyte containing at least one of phosphate ions and pyrophosphate ions in advance.
リチウムイオン二次電池の製造方法。A method for producing a lithium ion secondary battery.
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