JP6754656B2 - Non-aqueous lithium storage element - Google Patents
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Description
本発明は、非水系リチウム型蓄電素子に関する。 The present invention relates to a non-aqueous lithium storage element.
近年、地球環境の保全や省資源を目指すエネルギーの有効利用の観点から、風力発電の電力平滑化システム又は深夜電力貯蔵システム、太陽光発電技術に基づく家庭用分散型蓄電システム、電気自動車用の蓄電システム等が注目を集めている。
これらの蓄電システムに用いられる電池の第一の要求事項は、エネルギー密度が高いことである。このような要求に対応可能な高エネルギー密度電池の有力候補として、リチウムイオン電池の開発が精力的に進められている。
第二の要求事項は、出力特性が高いことである。例えば、高効率エンジンと蓄電システムとの組み合わせ(例えば、ハイブリッド電気自動車)又は燃料電池と蓄電システムとの組み合わせ(例えば、燃料電池電気自動車)において、加速時には蓄電システムにおける高出力放電特性が要求されている。
In recent years, from the viewpoint of effective use of energy aiming at conservation of the global environment and resource saving, power smoothing system or midnight power storage system for wind power generation, distributed power storage system for home use based on solar power generation technology, power storage for electric vehicles Systems and the like are attracting attention.
The first requirement for batteries used in these power storage systems is high energy density. Lithium-ion batteries are being energetically developed as promising candidates for high-energy density batteries that can meet such demands.
The second requirement is that the output characteristics are high. For example, in a combination of a high-efficiency engine and a power storage system (for example, a hybrid electric vehicle) or a combination of a fuel cell and a power storage system (for example, a fuel cell electric vehicle), high output discharge characteristics in the power storage system are required during acceleration. There is.
現在、高出力蓄電デバイスとしては、電気二重層キャパシタ、ニッケル水素電池等が開発されている。
電気二重層キャパシタのうち、電極に活性炭を用いたものは、0.5〜1kW/L程度の出力特性を有する。この電気二重層キャパシタは、耐久性(サイクル特性及び高温保存特性)も高く、前記高出力が要求される分野で最適のデバイスと考えられてきた。しかしながら、そのエネルギー密度は1〜5Wh/L程度に過ぎないため、更なるエネルギー密度の向上が必要である。
Currently, electric double layer capacitors, nickel-metal hydride batteries, and the like are being developed as high-power power storage devices.
Among the electric double layer capacitors, those using activated carbon for the electrodes have an output characteristic of about 0.5 to 1 kW / L. This electric double layer capacitor has high durability (cycle characteristics and high temperature storage characteristics), and has been considered to be the most suitable device in the field where high output is required. However, since the energy density is only about 1 to 5 Wh / L, it is necessary to further improve the energy density.
他方、現在ハイブリッド電気自動車で採用されているニッケル水素電池は、電気二重層キャパシタと同等の高出力を有し、かつ160Wh/L程度のエネルギー密度を有している。しかしながら、そのエネルギー密度及び出力をより一層高めるとともに、耐久性(特に、高温における安定性)を高めるための研究が精力的に進められている。 On the other hand, the nickel-metal hydride battery currently used in hybrid electric vehicles has a high output equivalent to that of an electric double layer capacitor and an energy density of about 160 Wh / L. However, research is being vigorously pursued to further increase its energy density and output and to improve its durability (particularly, stability at high temperatures).
また、リチウムイオン電池においても、高出力化に向けての研究が進められている。例えば、放電深度(蓄電素子の放電容量の何%を放電した状態かを示す値)50%において3kW/Lを超える高出力が得られるリチウムイオン電池が開発されている。しかしながら、そのエネルギー密度は100Wh/L以下であり、リチウムイオン電池の最大の特徴である高エネルギー密度を敢えて抑制した設計となっている。また、その耐久性(サイクル特性及び高温保存特性)については、電気二重層キャパシタに比べ劣る。そのため、実用的な耐久性を持たせるためには、放電深度が0〜100%の範囲よりも狭い範囲での使用となる。実際に使用できる容量は更に小さくなるから、耐久性をより一層向上させるための研究が精力的に進められている。 In addition, research is underway to increase the output of lithium-ion batteries. For example, a lithium ion battery has been developed in which a high output exceeding 3 kW / L can be obtained at a discharge depth (a value indicating what percentage of the discharge capacity of the power storage element is discharged) of 50%. However, its energy density is 100 Wh / L or less, and the design is such that the high energy density, which is the greatest feature of the lithium ion battery, is intentionally suppressed. Moreover, its durability (cycle characteristics and high temperature storage characteristics) is inferior to that of electric double layer capacitors. Therefore, in order to have practical durability, the discharge depth is used in a range narrower than the range of 0 to 100%. Since the capacity that can be actually used becomes smaller, research for further improving durability is being vigorously pursued.
前記のように、高エネルギー密度、高出力特性、及び耐久性を兼ね備えた蓄電素子の実用化が強く求められている。しかしながら、上述した既存の蓄電素子には、それぞれ一長一短がある。そのため、これらの技術的要求を充足する新たな蓄電素子が求められている。その有力な候補として、リチウムイオンキャパシタと呼ばれる蓄電素子が注目され、開発が盛んに行われている。
リチウムイオンキャパシタは、リチウム塩を含む非水系電解液を使用する蓄電素子(非水系リチウム型蓄電素子)の一種であって、正極においては約3V以上で電気二重層キャパシタと同様の陰イオンの吸着・脱着による非ファラデー反応、負極においてはリチウムイオン電池と同様のリチウムイオンの吸蔵・放出によるファラデー反応によって、充放電を行う蓄電素子である。
上述の電極材料とその特徴をまとめると、電極に活性炭等の材料を用い、活性炭表面のイオンの吸着・脱離(非ファラデー反応)により充放電を行う場合は、高出力かつ高耐久性を実現するが、エネルギー密度が低くなる(例えば、1倍とする。)。他方、電極に酸化物や炭素材料を用い、ファラデー反応により充放電を行う場合は、エネルギー密度が高くなる(例えば活性炭を用いた非ファラデー反応の10倍とする。)が、耐久性及び出力特性に課題がある。
As described above, there is a strong demand for practical application of a power storage element having high energy density, high output characteristics, and durability. However, each of the existing power storage elements described above has advantages and disadvantages. Therefore, a new power storage element that satisfies these technical requirements is required. As a promising candidate, a power storage element called a lithium ion capacitor has attracted attention and is being actively developed.
A lithium ion capacitor is a type of power storage element (non-aqueous lithium type power storage element) that uses a non-aqueous electrolyte solution containing a lithium salt, and adsorbs anions similar to those of an electric double layer capacitor at about 3 V or higher at a positive electrode. -A power storage element that charges and discharges by a non-Faraday reaction by desorption and a Faraday reaction by the storage and release of lithium ions at the negative electrode, similar to a lithium ion battery.
To summarize the above-mentioned electrode materials and their characteristics, high output and high durability are achieved when a material such as activated carbon is used for the electrodes and charging / discharging is performed by adsorption / desorption (non-Faraday reaction) of ions on the surface of activated carbon. However, the energy density becomes low (for example, it is multiplied by 1). On the other hand, when an oxide or carbon material is used for the electrode and charging / discharging is performed by the Faraday reaction, the energy density becomes high (for example, 10 times that of the non-Faraday reaction using activated carbon), but the durability and output characteristics are increased. There is a problem in.
これらの電極材料の組合せとして、電気二重層キャパシタは、正極及び負極に活性炭(エネルギー密度1倍)を用い、正負極共に非ファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、高出力かつ高耐久性を有するがエネルギー密度が低い(正極1倍×負極1倍=1)という特徴がある。 As a combination of these electrode materials, the electric double layer capacitor is characterized by using activated carbon (energy density 1 times) for the positive electrode and the negative electrode and charging / discharging both the positive electrode and the negative electrode by a non-Faraday reaction, and has high output and high durability. However, it is characterized by low energy density (1x positive electrode x 1x negative electrode = 1).
リチウムイオン二次電池は、正極にリチウム遷移金属酸化物(エネルギー密度10倍)、負極に炭素材料(エネルギー密度10倍)を用い、正負極共にファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、高エネルギー密度(正極10倍×負極10倍=100)だが、出力特性及び耐久性に課題がある。更に、ハイブリッド電気自動車等で要求される高耐久性を満足させるためには放電深度を制限しなければならず、リチウムイオン二次電池では、そのエネルギーの10〜50%しか使用できない。 The lithium ion secondary battery is characterized by using a lithium transition metal oxide (energy density 10 times) for the positive electrode and a carbon material (energy density 10 times) for the negative electrode, and charging and discharging both the positive electrode and the negative electrode by a Faraday reaction. Although the energy density (positive electrode 10 times x negative electrode 10 times = 100), there are problems in output characteristics and durability. Further, in order to satisfy the high durability required for a hybrid electric vehicle or the like, the discharge depth must be limited, and the lithium ion secondary battery can use only 10 to 50% of its energy.
リチウムイオンキャパシタは、正極に活性炭(エネルギー密度1倍)、負極に炭素材料(エネルギー密度10倍)を用い、正極では非ファラデー反応、負極ではファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、電気二重層キャパシタ及びリチウムイオン二次電池の特徴を兼ね備えた新規の非対称キャパシタである。そして、高出力かつ高耐久性でありながら、高エネルギー密度(正極1倍×負極10倍=10)を有し、リチウムイオン二次電池の様に放電深度を制限する必要がないことが特徴である。 Lithium-ion capacitors use activated carbon (1x energy density) for the positive electrode and carbon material (10x energy density) for the negative electrode, and are characterized by performing charging and discharging by a non-Faraday reaction at the positive electrode and a Faraday reaction at the negative electrode. It is a new asymmetric capacitor that combines the characteristics of a multi-layer capacitor and a lithium-ion secondary battery. The feature is that it has high energy density (1x positive electrode x 10x negative electrode = 10) while having high output and high durability, and it is not necessary to limit the discharge depth unlike a lithium ion secondary battery. is there.
リチウムイオンキャパシタを用いる用途としては、例えば鉄道、建機、自動車用蓄電等が挙げられる。これらの用途では、作動環境が過酷なため、使用されるキャパシタは高度の安全性を備えるととともに、優れた入出力特性、高温における高い耐久性と、高付加充放電サイクル特性とが同時に要求される。このような要求に対する対策技術として、例えば、環状カーボネートと鎖状カーボネートの混合溶媒を用いた電解液において、鎖状カーボネートの含有量を低く抑えたリチウムイオンキャパシタ(特許文献1)、プロピレンカーボネートとγ―ブチロラクトンを併用した、リチウムイオンキャパシタ(特許文献2)がそれぞれ提案されている。 Examples of applications using lithium ion capacitors include electric storage for railways, construction machinery, and automobiles. Due to the harsh operating environment in these applications, the capacitors used are required to have a high degree of safety, excellent input / output characteristics, high durability at high temperatures, and high addition charge / discharge cycle characteristics at the same time. To. As a countermeasure technique for such a requirement, for example, a lithium ion capacitor (Patent Document 1) in which the content of chain carbonate is suppressed to a low level in an electrolytic solution using a mixed solvent of cyclic carbonate and chain carbonate, propylene carbonate and γ -Lithium ion capacitors (Patent Document 2) using butyrolactone in combination have been proposed.
特許文献1の技術は、非水系電解液が高い引火点を有することで、安全性を向上できる技術であるが、入出力特性が不十分であり、長期の高温耐久性、サイクル特性にも改善の余地があった。特許文献2の技術は、プロピレンカーボネートにγ―ブチロラクトンを添加することによって、低温での抵抗を下げる技術であるが、長期の高温耐久性、サイクル特性が不十分であり、入出力特性にも改善の余地があった。
以上のように、従来のリチウムイオンキャパシタにおいては、高い入出力特性、実用化にあたって重要な長期間高温にさらされた場合の十分な耐久性、高いサイクル耐久性を兼ね備えた技術は見出されていなかった。
The technique of Patent Document 1 is a technique capable of improving safety by having a high flash point of a non-aqueous electrolyte solution, but the input / output characteristics are insufficient, and long-term high temperature durability and cycle characteristics are also improved. There was room for. The technique of Patent Document 2 is a technique of lowering resistance at low temperature by adding γ-butyrolactone to propylene carbonate, but long-term high temperature durability and cycle characteristics are insufficient, and input / output characteristics are also improved. There was room for.
As described above, in the conventional lithium ion capacitor, a technology having high input / output characteristics, sufficient durability when exposed to a high temperature for a long period of time, which is important for practical use, and high cycle durability has been found. There wasn't.
以上の現状に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、高い入出力特性を有しながら、優れた高温保存耐久性、サイクル耐久性、高い安全性を同時に有する非水系リチウム型蓄電素子を提供することである。 In view of the above situation, the problem to be solved by the present invention is to provide a non-aqueous lithium-type power storage element having excellent high temperature storage durability, cycle durability, and high safety at the same time while having high input / output characteristics. It is to be.
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討し実験を重ねた結果、正極が活物質以外のリチウム化合物を含有し、非水系電解液がプロピレンカーボネートを含み、かつ、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、及びLiN(SO2C2F5)2のうちの少なくとも1種を含有することで、優れた入出力特性と、高温耐久性、サイクル耐久性、高い安全性とを有する非水系リチウム型蓄電素子を提供できることを見出した。
本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
As a result of diligent studies and experiments to solve the above problems, the present inventors have found that the positive electrode contains a lithium compound other than the active material, the non-aqueous electrolyte solution contains propylene carbonate, and LiN (SO 2 F). ) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 are contained to provide excellent input / output characteristics, high temperature durability, and cycle durability. We have found that we can provide a non-aqueous lithium-type power storage element with high safety.
The present invention has been made based on this finding.
すなわち、本発明は、以下の通りのものである:
[1]正極、負極、セパレータ、及びリチウムイオンを含む非水系電解液を備える非水系リチウム型蓄電素子であって、
該負極が、負極集電体と、該負極集電体の片面上又は両面上に設けられた、負極活物質を含む負極活物質層とを有し、該負極活物質はリチウムイオンを吸蔵・放出できる炭素材料を含み、
該正極が、正極集電体と、該正極集電体の片面上又は両面上に設けられた、活性炭からなる正極活物質を含む正極活物質層とを有し、
該正極が、該正極活物質層の全質量を基準として、正極活物質以外のリチウム化合物を1質量%以上50質量%以下含有し、
該非水系電解液が、プロピレンカーボネートを、該非水系電解液に含まれる有機溶媒の総量を基準として、70vol%以上含有し、かつ、リチウム塩として、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、及びLiN(SO2C2F5)2のうちの少なくとも1種を含有することを特徴とする、前記非水系リチウム型蓄電素子。
[2]前記リチウム化合物の平均粒子径をX1とするとき、0.1μm≦X1≦10μmである、前記[1]に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[3]前記正極活物質層の固体7Li−NMRスペクトルにおいて、繰り返し待ち時間10秒とした測定により得られた−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積をaとし、繰り返し待ち時間3000秒とした測定により得られた−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積をbとするとき、1.04≦b/a≦5.56である、前記[1]又は[2]に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[4]前記非水系電解液が、LiPF6、及びLiBF4のうちの少なくとも1種をさらに含有する、前記[1]〜[3]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[5]前記非水系電解液が、該非水系電解液の総量を基準として、LiPF6とLiBF4の合計モル濃度をMA(mol/L)、そしてLiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2とLiN(SO2C2F5)2の合計モル濃度をMB(mol/L)とするとき、モル濃度比MA/(MA+MB)が1/10以上9/10以下の範囲である、前記[4]に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[6]前記合計モル濃度MB(mol/L)が、0.1mol/L以上1.5mol/L以下である、前記[5]に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[7]前記非水系電解液が、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネートから選択される少なくとも1種を含む有機溶媒をさらに含有する、前記[1]〜[6]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[8]前記非水系電解液の引火点が70℃以上である、前記[1]〜[7]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[9]前記非水系電解液が、下記一般式(1):
[10]前記一般式(1)で表される環状ホスファゼン化合物が、モノエトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、ジエトキシテトラフルオロシクロトリホスファゼン、及びフェノキシペンタフルオロシクロトリホスファゼンからなる群から選ばれる少なくとも1種である、前記[9]に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[11]前記非水系電解液が下記一般式(2):
R1−O−R2 (2)
{式中、R1及びR2は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜12のアルキル基、又は−Ra−O−Rb(ここで、Raは、メチレン基又は炭素数2〜6のアルキレン基であり、そしてRbは、水素原子又は炭素数1〜6のアルキル基である。)であり、互いに同一であっても異なっていてもよいが、R1及びR2がともに水素原子であることはない。}で表されるエーテル化合物を少なくとも1種以上含有し、そして該エーテル化合物の総量が、非水系電解液全体に対して1質量%以上10質量%以下である、前記[1]〜[10]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[12]前記一般式(2)で表されるエーテル化合物が、1,2−ジメトキシエタン、及び1,2−ジエトキシエタンからなる群から選ばれた少なくとも1種である、前記[11]に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[13]前記正極が含む正極活物質以外のリチウム化合物が、炭酸リチウムである、前記[1]〜[12]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[14]前記正極活物質層に含まれる正極活物質が、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をV1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をV2(cc/g)とするとき、0.3<V1≦0.8、及び0.5≦V2≦1.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が1,500m2/g以上3,000m2/g以下を示す活性炭である、前記[1]〜[13]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[15]前記正極活物質層に含まれる正極活物質が、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量V1(cc/g)が0.8<V1≦2.5を満たし、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量V2(cc/g)が0.8<V2≦3.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が2,300m2/g以上4,000m2/g以下を示す活性炭である、前記[1]〜[13]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[16]前記負極活物質のリチウムイオンのドープ量が、単位質量当たり530mAh/g以上2,500mAh/g以下である、前記[1]〜[15]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[17]前記負極活物質のBET比表面積が100m2/g以上1,500m2/g以下である、前記[1]〜[16]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[18]前記負極活物質のリチウムイオンのドープ量が、単位質量当たり50mAh/g以上700mAh/g以下である、前記[1]〜[15]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
前記負極活物質のBET比表面積が1m2/g以上50m2/g以下である、前記[1]〜[15]、及び[18]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[20]前記負極活物質の平均粒子径が1μm以上10μm以下である、前記[1]〜[15]、[18]、及び[19]のいずれかに記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[21]正極、負極、セパレータ、及びリチウムイオンを含む非水系電解液を備える非水系リチウム型蓄電素子であって、
該負極が、負極集電体と、該負極集電体の片面上又は両面上に設けられた、負極活物質を含む負極活物質層とを有し、該負極活物質はリチウムイオンを吸蔵・放出できる炭素材料を含み、
該正極が、正極集電体と、該正極集電体の片面上又は両面上に設けられた、活性炭からなる正極活物質を含む正極活物質層とを有し、
該正極が、該正極活物質層の全質量を基準として、正極活物質以外のリチウム化合物を1質量%以上50質量%以下含有し、
該非水系電解液が、プロピレンカーボネートを、該非水系電解液に含まれる有機溶媒の総量を基準として、70vol%以上含有し、かつ、リチウム塩として、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2のうちの少なくとも1種を含有し、そして
該非水系リチウム型蓄電素子において、初期の常温放電内部抵抗をRa(Ω)、静電容量をF(F)としたとき、以下の:
(a)RaとFとの積Ra・Fが0.3以上3.0以下である;
を満たすことを特徴とする、該非水系リチウム型蓄電素子。
[22]正極、負極、セパレータ、及びリチウムイオンを含む非水系電解液を備える非水系リチウム型蓄電素子であって、
該負極が、負極集電体と、該負極集電体の片面上又は両面上に設けられた、負極活物質を含む負極活物質層とを有し、該負極活物質はリチウムイオンを吸蔵・放出できる炭素材料を含み、
該正極が、正極集電体と、該正極集電体の片面上又は両面上に設けられた、活性炭からなる正極活物質を含む正極活物質層とを有し、
該正極が、該正極活物質層の全質量を基準として、正極活物質以外のリチウム化合物を1質量%以上50質量%以下含有し、
該非水系電解液が、プロピレンカーボネートを、該非水系電解液に含まれる有機溶媒の総量を基準として、70vol%以上含有し、かつ、リチウム塩として、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2のうちの少なくとも1種を含有し、そして
該非水系リチウム型蓄電素子において、初期の常温放電内部抵抗をRa(Ω)、静電容量をF(F)、セル電圧4V及び環境温度60℃において2か月間保存した後の、常温放電内部抵抗をRd(Ω)としたとき、以下の:
(e)Rd/Raが0.9以上3.0以下である;及び
(f)セル電圧4V及び環境温度60℃において2か月間保存した時に発生するガス量が、25℃において30×10−3cc/F以下である;
を同時に満たすことを特徴とする、前記非水系リチウム型蓄電素子。
[23]正極、負極、セパレータ、及びリチウムイオンを含む非水系電解液を備える非水系リチウム型蓄電素子であって、
該負極が、負極集電体と、該負極集電体の片面上又は両面上に設けられた、負極活物質を含む負極活物質層とを有し、該負極活物質はリチウムイオンを吸蔵・放出できる炭素材料を含み、
該正極が、正極集電体と、該正極集電体の片面上又は両面上に設けられた、活性炭からなる正極活物質を含む正極活物質層とを有し、
該正極が、該正極活物質層の全質量を基準として、正極活物質以外のリチウム化合物を1質量%以上50質量%以下含有し、
該非水系電解液が、プロピレンカーボネートを、該非水系電解液に含まれる有機溶媒の総量を基準として、70vol%以上含有し、かつ、リチウム塩として、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2のうちの少なくとも1種を含有し、そして
該非水系リチウム型蓄電素子において、初期の常温放電内部抵抗をRa(Ω)、環境温度25℃にて、セル電圧を2.2Vから3.8Vまで、300Cのレートでの充放電サイクルを60,000回行った後の常温放電内部抵抗をRe(Ω)としたとき、以下の:
(g)Re/Raが0.9以上2.0以下である;
を同時に満たすことを特徴とする、前記非水系リチウム型蓄電素子。
That is, the present invention is as follows:
[1] A non-aqueous lithium-type power storage element including a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolytic solution containing lithium ions.
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material provided on one side or both sides of the negative electrode current collector, and the negative electrode active material stores lithium ions. Contains carbon material that can be released
The positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material made of activated carbon provided on one side or both sides of the positive electrode current collector.
The positive electrode contains 1% by mass or more and 50% by mass or less of a lithium compound other than the positive electrode active material based on the total mass of the positive electrode active material layer.
The non-aqueous electrolyte solution contains propylene carbonate in an amount of 70 vol% or more based on the total amount of organic solvents contained in the non-aqueous electrolyte solution, and LiN (SO 2 F) 2 and LiN (SO 2 CF) as lithium salts. 3) 2, and LiN (SO 2 C 2 F 5 ) , characterized in that it contains at least one of 2, the non-aqueous lithium-type storage element.
[2] The non-aqueous lithium-type power storage element according to the above [1], wherein when the average particle size of the lithium compound is X 1 , 0.1 μm ≤ X 1 ≤ 10 μm.
[3] In the solid 7 Li-NMR spectrum of the positive electrode active material layer, the peak area at -40 ppm to 40 ppm obtained by the measurement with a repeat waiting time of 10 seconds was set to a, and the repeat waiting time was set to 3000 seconds. The non-aqueous lithium-type power storage element according to the above [1] or [2], wherein the peak area at −40 ppm to 40 ppm is b, and 1.04 ≦ b / a ≦ 5.56.
[4] The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of [1] to [3], wherein the non-aqueous electrolyte solution further contains at least one of LiPF 6 and LiBF 4 .
[5] The non-aqueous electrolyte solution, based on the total amount of the non-aqueous electrolyte, the total molar concentration of LiPF 6 and LiBF 4 M A (mol / L ), and LiN (SO 2 F) 2, LiN (SO 2 CF 3) 2 and LiN (SO 2 C 2 F 5 ) when the total molar concentration of 2 to M B (mol / L), the molar concentration ratio M a / (M a + M B) is less than 1/10 9 The non-aqueous lithium-type power storage element according to the above [4], which is in the range of / 10 or less.
[6] The total molar concentration M B (mol / L) is not more than 0.1 mol / L or more 1.5 mol / L, a nonaqueous lithium-type storage element according to [5].
[7] The above-mentioned [1] to [6], wherein the non-aqueous electrolyte solution further contains an organic solvent containing at least one selected from dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. Non-aqueous lithium storage element.
[8] The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of [1] to [7], wherein the non-aqueous electrolyte solution has a flash point of 70 ° C. or higher.
[9] The non-aqueous electrolyte solution is based on the following general formula (1):
[10] The cyclic phosphazene compound represented by the general formula (1) is at least one selected from the group consisting of monoethoxypentafluorocyclotriphosphazene, diethoxytetrafluorocyclotriphosphazene, and phenoxypentafluorocyclotriphosphazene. The non-aqueous lithium-type power storage element according to the above [9].
[11] The non-aqueous electrolyte solution has the following general formula (2):
R 1- O-R 2 (2)
{In the formula, R 1 and R 2 are independently hydrogen atoms, alkyl groups having 1 to 12 carbon atoms, or -Ra-O-Rb (where Ra is a methylene group or having 2 to 6 carbon atoms. an alkylene group and Rb is a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.), and may also being the same or different, R 1 and R 2 are both hydrogen atoms There is no such thing. }, And the total amount of the ether compound is 1% by mass or more and 10% by mass or less with respect to the whole non-aqueous electrolyte solution, according to the above [1] to [10]. The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of.
[12] In the above [11], the ether compound represented by the general formula (2) is at least one selected from the group consisting of 1,2-dimethoxyethane and 1,2-diethoxyethane. The non-aqueous lithium-type power storage element described.
[13] The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of [1] to [12] above, wherein the lithium compound other than the positive electrode active material contained in the positive electrode is lithium carbonate.
[14] The amount of mesopores derived from the pores of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer having a diameter of 20Å or more and 500Å or less calculated by the BJH method is V1 (cc / g), and the diameter is 20Å calculated by the MP method. When the amount of micropores derived from pores less than is V2 (cc / g), 0.3 <V1 ≦ 0.8 and 0.5 ≦ V2 ≦ 1.0 are satisfied, and the measurement is performed by the BET method. The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of [1] to [13] above, which is an activated carbon having a specific surface area of 1,500 m 2 / g or more and 3,000 m 2 / g or less.
[15] The amount of mesopores V1 (cc / g) of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer derived from pores having a diameter of 20Å or more and 500Å or less calculated by the BJH method is 0.8 <V1 ≦ 2. The specific surface area measured by the BET method while satisfying 5 and the micropore amount V2 (cc / g) derived from pores having a diameter of less than 20Å calculated by the MP method satisfies 0.8 <V2 ≦ 3.0. The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of [1] to [13] above, which is an activated carbon exhibiting 2,300 m 2 / g or more and 4,000 m 2 / g or less.
[16] The non-aqueous lithium-type storage battery according to any one of [1] to [15], wherein the amount of lithium ions doped in the negative electrode active material is 530 mAh / g or more and 2,500 mAh / g or less per unit mass. element.
[17] The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of [1] to [16], wherein the negative electrode active material has a BET specific surface area of 100 m 2 / g or more and 1,500 m 2 / g or less.
[18] The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of [1] to [15], wherein the amount of lithium ions doped in the negative electrode active material is 50 mAh / g or more and 700 mAh / g or less per unit mass.
The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of [1] to [15] and [18] above, wherein the negative electrode active material has a BET specific surface area of 1 m 2 / g or more and 50 m 2 / g or less.
[20] The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of [1] to [15], [18], and [19], wherein the negative electrode active material has an average particle size of 1 μm or more and 10 μm or less.
[21] A non-aqueous lithium-type power storage element including a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolytic solution containing lithium ions.
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material provided on one side or both sides of the negative electrode current collector, and the negative electrode active material stores lithium ions. Contains carbon material that can be released
The positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material made of activated carbon provided on one side or both sides of the positive electrode current collector.
The positive electrode contains 1% by mass or more and 50% by mass or less of a lithium compound other than the positive electrode active material based on the total mass of the positive electrode active material layer.
The non-aqueous electrolyte solution contains propylene carbonate in an amount of 70 vol% or more based on the total amount of organic solvents contained in the non-aqueous electrolyte solution, and LiN (SO 2 F) 2 and LiN (SO 2 CF) as lithium salts. 3 ) 2. Contains at least one of LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , and in the non-aqueous lithium storage element, the initial room temperature discharge internal resistance is Ra (Ω) and the capacitance is F. When (F) is set, the following:
(A) The product Ra / F of Ra and F is 0.3 or more and 3.0 or less;
The non-aqueous lithium-type power storage element, which is characterized by satisfying the above conditions.
[22] A non-aqueous lithium-type power storage element including a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolytic solution containing lithium ions.
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material provided on one side or both sides of the negative electrode current collector, and the negative electrode active material stores lithium ions. Contains carbon material that can be released
The positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material made of activated carbon provided on one side or both sides of the positive electrode current collector.
The positive electrode contains 1% by mass or more and 50% by mass or less of a lithium compound other than the positive electrode active material based on the total mass of the positive electrode active material layer.
The non-aqueous electrolyte solution contains propylene carbonate in an amount of 70 vol% or more based on the total amount of organic solvents contained in the non-aqueous electrolyte solution, and LiN (SO 2 F) 2 and LiN (SO 2 CF) as lithium salts. 3 ) 2. Contains at least one of LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , and in the non-aqueous lithium storage element, the initial room temperature discharge internal resistance is Ra (Ω) and the capacitance is F. (F), when the room temperature discharge internal resistance is Rd (Ω) after storage at a cell voltage of 4 V and an environmental temperature of 60 ° C. for 2 months, the following:
(E) Rd / Ra is 0.9 or more and 3.0 or less; and (f) The amount of gas generated when stored for 2 months at a cell voltage of 4 V and an ambient temperature of 60 ° C. is 30 × 10 − at 25 ° C. 3 cc / F or less;
The non-aqueous lithium-type power storage element, which is characterized by simultaneously satisfying.
[23] A non-aqueous lithium-type power storage element including a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolytic solution containing lithium ions.
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material provided on one side or both sides of the negative electrode current collector, and the negative electrode active material stores lithium ions. Contains carbon material that can be released
The positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material made of activated carbon provided on one side or both sides of the positive electrode current collector.
The positive electrode contains 1% by mass or more and 50% by mass or less of a lithium compound other than the positive electrode active material based on the total mass of the positive electrode active material layer.
The non-aqueous electrolyte solution contains propylene carbonate in an amount of 70 vol% or more based on the total amount of organic solvents contained in the non-aqueous electrolyte solution, and LiN (SO 2 F) 2 and LiN (SO 2 CF) as lithium salts. 3 ) 2. Containing at least one of LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , and in the non-aqueous lithium storage element, the initial room temperature discharge internal resistance is Ra (Ω) and the ambient temperature is 25 ° C. Then, when the room temperature discharge internal resistance is Re (Ω) after 60,000 charge / discharge cycles at a rate of 300 C from 2.2 V to 3.8 V of the cell voltage, the following:
(G) Re / Ra is 0.9 or more and 2.0 or less;
The non-aqueous lithium-type power storage element, which is characterized by simultaneously satisfying.
本発明にかかる非水系リチウム型蓄電素子は、高い入出力特性を有しながら、優れた高温保存耐久性、サイクル耐久性、安全性を同時に有する。 The non-aqueous lithium-type power storage element according to the present invention has high high input / output characteristics, and at the same time has excellent high temperature storage durability, cycle durability, and safety.
以下、本発明の実施形態につき詳細に説明する。
非水系リチウム型蓄電素子は一般に、正極、負極、セパレータ、電解液、及び外装体を主な構成要素とする。電解液としては、リチウム塩を溶解させた有機溶媒(以下、非水系電解液という。)を用いる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The non-aqueous lithium-type power storage element generally includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, an electrolytic solution, and an exterior body as main components. As the electrolytic solution, an organic solvent in which a lithium salt is dissolved (hereinafter, referred to as a non-aqueous electrolytic solution) is used.
[正極]
正極は、正極集電体と、その片面又は両面に存在する正極活物質層とを有する。
また、正極は、蓄電素子組み立て前の正極前駆体として、リチウム化合物を含むことが好ましい。後述のように、本実施形態では蓄電素子組み立て工程内で、負極にリチウムイオンをプレドープすることが好ましいが、そのプレドープ方法としては、前記リチウム化合物を含む正極前駆体、負極、セパレータ、外装体、及び非水系電解液を用いて蓄電素子を組み立てた後に、正極前駆体と負極との間に電圧を印加することが好ましい。前記リチウム化合物は前記正極前駆体の正極集電体上に形成された正極活物質層に含有されることが好ましい。
本明細書中、リチウムドープ工程前における正極状態のことを正極前駆体、リチウムドープ工程後における正極状態のことを正極と定義する。
[Positive electrode]
The positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer existing on one side or both sides thereof.
Further, the positive electrode preferably contains a lithium compound as a positive electrode precursor before assembling the power storage element. As will be described later, in the present embodiment, it is preferable to pre-dope the negative electrode with lithium ions in the energy storage element assembly process, but as the pre-doping method, a positive electrode precursor containing the lithium compound, a negative electrode, a separator, an exterior body, and the like. It is preferable to apply a voltage between the positive electrode precursor and the negative electrode after assembling the power storage element using the non-aqueous electrolyte solution. The lithium compound is preferably contained in the positive electrode active material layer formed on the positive electrode current collector of the positive electrode precursor.
In the present specification, the positive electrode state before the lithium doping process is defined as a positive electrode precursor, and the positive electrode state after the lithium doping process is defined as a positive electrode.
[正極活物質層]
前記正極に含まれる正極活物質層は、活性炭を含む正極活物質を含有する。正極活物質層は、これ以外に、必要に応じて、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
また、正極前駆体の正極活物質層には、正極活物質以外のリチウム化合物が含有されることが好ましい。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer contained in the positive electrode contains a positive electrode active material containing activated carbon. In addition to this, the positive electrode active material layer may contain an optional component such as a conductive filler, a binder, and a dispersion stabilizer, if necessary.
Further, it is preferable that the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor contains a lithium compound other than the positive electrode active material.
[正極活物質]
正極活物質は、活性炭を含む。正極活物質としては、活性炭のみを使用してもよく、又は活性炭に加えて、後述するような他の炭素材料を併用してもよい。この炭素材料としては、カーボンナノチューブ、導電性高分子、又は多孔性の炭素材料を使用することがより好ましい。正極活物質には、活性炭を含む1種類以上の炭素材料を混合して使用してもよく、炭素材料以外の材料(例えば、リチウムと遷移金属との複合酸化物等)を含んでもよい。
好ましくは該正極活物質の総量に対する該炭素材料の含有率が50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上である。該炭素材料の含有率が100質量%であることができるが、他の材料の併用による効果を良好に得る観点から、例えば、90質量%以下であることが好ましく、80質量%以下であってもよい。
[Positive electrode active material]
The positive electrode active material contains activated carbon. As the positive electrode active material, only activated carbon may be used, or in addition to activated carbon, other carbon materials as described later may be used in combination. As the carbon material, it is more preferable to use carbon nanotubes, a conductive polymer, or a porous carbon material. The positive electrode active material may be used by mixing one or more kinds of carbon materials including activated carbon, or may contain a material other than the carbon material (for example, a composite oxide of lithium and a transition metal).
The content of the carbon material with respect to the total amount of the positive electrode active material is preferably 50% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more. The content of the carbon material can be 100% by mass, but from the viewpoint of obtaining a good effect by the combined use of other materials, for example, it is preferably 90% by mass or less, and 80% by mass or less. May be good.
正極活物質として用いる活性炭の種類及びその原料には特に制限はない。しかしながら、高い入出力特性と、高いエネルギー密度とを両立させるために、活性炭の細孔を最適に制御することが好ましい。具体的には、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をV1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をV2(cc/g)とするとき、
(1)高い入出力特性のためには、0.3<V1≦0.8、及び0.5≦V2≦1.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が1,500m2/g以上3,000m2/g以下である活性炭(以下、活性炭1ともいう。)が好ましく、また、
(2)高いエネルギー密度を得るためには、0.8<V1≦2.5、及び0.8<V2≦3.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が2,300m2/g以上4,000m2/g以下である活性炭(以下、活性炭2ともいう。)が好ましい。
There are no particular restrictions on the type of activated carbon used as the positive electrode active material and its raw material. However, it is preferable to optimally control the pores of the activated carbon in order to achieve both high input / output characteristics and high energy density. Specifically, the amount of mesopores derived from pores having a diameter of 20Å or more and 500Å or less calculated by the BJH method is V1 (cc / g), and the amount of micropores derived from pores having a diameter of less than 20Å calculated by the MP method. When setting to V2 (cc / g)
(1) For high input / output characteristics, 0.3 <V1 ≦ 0.8 and 0.5 ≦ V2 ≦ 1.0 are satisfied, and the specific surface area measured by the BET method is 1,500 m 2. Activated carbon having a / g or more and 3,000 m 2 / g or less (hereinafter, also referred to as activated carbon 1) is preferable.
(2) In order to obtain a high energy density, 0.8 <V1 ≦ 2.5 and 0.8 <V2 ≦ 3.0 are satisfied, and the specific surface area measured by the BET method is 2,300 m 2. Activated carbon having an / g or more and 4,000 m 2 / g or less (hereinafter, also referred to as activated carbon 2) is preferable.
以下、活性炭1と活性炭2を説明する。
[活性炭1]
活性炭1のメソ孔量V1は、蓄電素子に組み込んだときの入出力特性を大きくする点で、0.3cc/gより大きい値であることが好ましい。一方で、正極の嵩密度の低下を抑える点から、0.8cc/g以下であることが好ましい。上記V1は、より好ましくは0.35cc/g以上0.7cc/g以下、更に好ましくは0.4cc/g以上0.6cc/g以下である。
活性炭1のマイクロ孔量V2は、活性炭の比表面積を大きくし、容量を増加させるために、0.5cc/g以上であることが好ましい。他方、活性炭の嵩を抑え、電極としての密度を増加させ、単位体積当たりの容量を増加させるという点から、1.0cc/g以下であることが好ましい。上記V2は、より好ましくは0.6cc/g以上1.0cc/g以下、更に好ましくは0.8cc/g以上1.0cc/g以下である。尚、下限と上限の組み合わせは任意のものであることができる。
Hereinafter, activated carbon 1 and activated carbon 2 will be described.
[Activated carbon 1]
The mesopore amount V1 of the activated carbon 1 is preferably a value larger than 0.3 cc / g in terms of increasing the input / output characteristics when incorporated into the power storage element. On the other hand, it is preferably 0.8 cc / g or less from the viewpoint of suppressing a decrease in the bulk density of the positive electrode. The above V1 is more preferably 0.35 cc / g or more and 0.7 cc / g or less, and further preferably 0.4 cc / g or more and 0.6 cc / g or less.
The micropore amount V2 of the activated carbon 1 is preferably 0.5 cc / g or more in order to increase the specific surface area and the capacity of the activated carbon. On the other hand, it is preferably 1.0 cc / g or less from the viewpoint of suppressing the bulk of the activated carbon, increasing the density as an electrode, and increasing the capacity per unit volume. The above V2 is more preferably 0.6 cc / g or more and 1.0 cc / g or less, and further preferably 0.8 cc / g or more and 1.0 cc / g or less. The combination of the lower limit and the upper limit can be arbitrary.
マイクロ孔量V2に対するメソ孔量V1の比(V1/V2)は、0.3≦V1/V2≦0.9の範囲であることが好ましい。すなわち、高容量を維持しながら出力特性の低下を抑えることができる程度に、マイクロ孔量に対するメソ孔量の割合を大きくするという点から、V1/V2が0.3以上であることが好ましい。一方で、高出力特性を維持しながら容量の低下を抑えることができる程度に、メソ孔量に対するマイクロ孔量の割合を大きくするという点から、V1/V2は0.9以下であることが好ましい。より好ましいV1/V2の範囲は0.4≦V1/V2≦0.7、更に好ましいV1/V2の範囲は0.55≦V1/V2≦0.7である。尚、下限と上限の組み合わせは任意のものであることができる。 The ratio of the mesopore amount V1 to the micropore amount V2 (V1 / V2) is preferably in the range of 0.3 ≦ V1 / V2 ≦ 0.9. That is, V1 / V2 is preferably 0.3 or more from the viewpoint of increasing the ratio of the mesopore amount to the micropore amount to the extent that the decrease in output characteristics can be suppressed while maintaining a high capacity. On the other hand, V1 / V2 is preferably 0.9 or less from the viewpoint of increasing the ratio of the micropore amount to the mesopore amount to the extent that the decrease in capacitance can be suppressed while maintaining the high output characteristics. .. A more preferable range of V1 / V2 is 0.4 ≦ V1 / V2 ≦ 0.7, and a more preferable range of V1 / V2 is 0.55 ≦ V1 / V2 ≦ 0.7. The combination of the lower limit and the upper limit can be arbitrary.
活性炭1の平均細孔径は、得られる蓄電素子の出力を最大にする点から、17Å以上であることが好ましく、18Å以上であることがより好ましく、20Å以上であることが最も好ましい。また容量を最大にする点から、活性炭1の平均細孔径は25Å以下であることが好ましい。 The average pore size of the activated carbon 1 is preferably 17Å or more, more preferably 18Å or more, and most preferably 20Å or more, from the viewpoint of maximizing the output of the obtained power storage element. Further, from the viewpoint of maximizing the capacity, the average pore diameter of the activated carbon 1 is preferably 25Å or less.
活性炭1のBET比表面積は、1,500m2/g以上3,000m2/g以下であることが好ましく、1,500m2/g以上2,500m2/g以下であることがより好ましい。BET比表面積が1,500m2/g以上の場合には、良好なエネルギー密度が得られ易く、他方、BET比表面積が3,000m2/g以下の場合には、電極の強度を保つためにバインダーを多量に入れる必要がないので、電極体積当たりの性能が高くなる。尚、下限と上限の組み合わせは任意のものであることができる。 BET specific surface area of the activated carbon 1 is preferably from 1,500 m 2 / g or more 3,000 m 2 / g, more preferably not more than 1,500 m 2 / g or more 2,500 m 2 / g. When the BET specific surface area is 1,500 m 2 / g or more, a good energy density can be easily obtained, while when the BET specific surface area is 3,000 m 2 / g or less, in order to maintain the strength of the electrode. Since it is not necessary to add a large amount of binder, the performance per electrode volume is improved. The combination of the lower limit and the upper limit can be arbitrary.
上記のような特徴を有する活性炭1は、例えば、以下に説明する原料及び処理方法を用いて得ることができる。
本実施形態では、活性炭1の原料として用いられる炭素源は、特に限定されるものではない。例えば、木材、木粉、ヤシ殻、パルプ製造時の副産物、バガス、廃糖蜜等の植物系原料;泥炭、亜炭、褐炭、瀝青炭、無煙炭、石油蒸留残渣成分、石油ピッチ、コークス、コールタール等の化石系原料;フェノール樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、レゾルシノール樹脂、セルロイド、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の各種合成樹脂;ポリブチレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン等の合成ゴム;その他の合成木材、合成パルプ等、及びこれらの炭化物が挙げられる。これらの原料の中でも、量産対応及びコストの観点から、ヤシ殻、木粉等の植物系原料、及びそれらの炭化物が好ましく、ヤシ殻炭化物が特に好ましい。
Activated carbon 1 having the above characteristics can be obtained, for example, by using the raw materials and treatment methods described below.
In the present embodiment, the carbon source used as the raw material of the activated carbon 1 is not particularly limited. For example, plant-based raw materials such as wood, wood flour, coconut shells, by-products during pulp production, bagas, waste sugar honey; peat, sub-charcoal, brown charcoal, bituminous charcoal, smokeless charcoal, petroleum distillation residue components, petroleum pitch, coke, coal tar, etc. Fossil raw materials; various synthetic resins such as phenol resin, vinyl chloride resin, vinyl acetate resin, melamine resin, urea resin, resorcinol resin, celluloid, epoxy resin, polyurethane resin, polyester resin, polyamide resin; polybutylene, polybutadiene, polychloroprene, etc. Synthetic rubber; other synthetic wood, synthetic pulp, etc., and carbonized products thereof. Among these raw materials, plant-based raw materials such as coconut shells and wood flour and their carbides are preferable, and coconut shell carbides are particularly preferable, from the viewpoint of mass production and cost.
これらの原料を上記活性炭1とするための炭化及び賦活の方式としては、例えば、固定床方式、移動床方式、流動床方式、スラリー方式、ロータリーキルン方式等の既知の方式を採用できる。
これらの原料の炭化方法としては、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオン、一酸化炭素、燃焼排ガス等の不活性ガス、又はこれらの不活性ガスを主成分とした他のガスとの混合ガスを使用して、400〜700℃(好ましくは450〜600℃)程度において、30分〜10時間程度に亘って焼成する方法が挙げられる。
As the carbonization and activation methods for converting these raw materials into the activated carbon 1, for example, known methods such as a fixed bed method, a moving bed method, a fluidized bed method, a slurry method, and a rotary kiln method can be adopted.
Examples of the carbonization method for these raw materials include inert gases such as nitrogen, carbon dioxide, helium, argon, xenone, neon, carbon monoxide, and combustion exhaust gas, or other gases containing these inert gases as main components. Examples thereof include a method of firing at about 400 to 700 ° C. (preferably 450 to 600 ° C.) for about 30 minutes to 10 hours using a mixed gas.
上記炭化方法により得られた炭化物の賦活方法としては、水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて焼成するガス賦活法が好ましく用いられる。このうち、賦活ガスとして、水蒸気又は二酸化炭素を使用する方法が好ましい。
この賦活方法では、賦活ガスを0.5〜3.0kg/h(好ましくは0.7〜2.0kg/h)の割合で供給しながら、上記炭化物を3〜12時間(好ましくは5〜11時間、更に好ましくは6〜10時間)かけて800〜1,000℃まで昇温して賦活するのが好ましい。
更に、上記炭化物の賦活処理に先立ち、予め上記炭化物を1次賦活してもよい。この1次賦活では、通常、炭素材料を水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて、900℃未満の温度で焼成してガス賦活する方法が、好ましく採用できる。
上記炭化方法における焼成温度及び焼成時間と、上記賦活方法における賦活ガス供給量、昇温速度及び最高賦活温度とを適宜組み合わせることにより、本実施形態において使用できる、上記の特徴を有する活性炭1を製造することができる。
As a method for activating the carbide obtained by the above carbonization method, a gas activation method of firing using an activation gas such as steam, carbon dioxide, or oxygen is preferably used. Of these, a method using steam or carbon dioxide as the activating gas is preferable.
In this activation method, the above-mentioned carbide is supplied for 3 to 12 hours (preferably 5 to 11) while supplying the activation gas at a ratio of 0.5 to 3.0 kg / h (preferably 0.7 to 2.0 kg / h). It is preferable to activate by raising the temperature to 800 to 1,000 ° C. over time, more preferably 6 to 10 hours).
Further, the carbide may be first activated in advance prior to the activation treatment of the carbide. In this primary activation, a method in which a carbon material is usually fired at a temperature of less than 900 ° C. using an activation gas such as steam, carbon dioxide, or oxygen to activate the gas can be preferably adopted.
By appropriately combining the calcination temperature and calcination time in the carbonization method with the activation gas supply amount, temperature rise rate, and maximum activation temperature in the activation method, activated carbon 1 having the above characteristics that can be used in the present embodiment is produced. can do.
活性炭1の平均粒子径は、2〜20μmであることが好ましい。
上記平均粒子径が2μm以上であると、活物質層の密度が高いために電極体積当たりの容量が高くなる傾向がある。ここで、平均粒子径が小さいと耐久性が低いという欠点を招来する場合があるが、平均粒子径が2μm以上であればそのような欠点が生じ難い。他方、平均粒子径が20μm以下であると、高速充放電には適合し易くなる傾向がある。上記平均粒子径は、より好ましくは2〜15μmであり、更に好ましくは3〜10μmである。上記平均粒子径の範囲の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。
The average particle size of the activated carbon 1 is preferably 2 to 20 μm.
When the average particle size is 2 μm or more, the capacity per electrode volume tends to be high because the density of the active material layer is high. Here, if the average particle size is small, the durability may be low, but if the average particle size is 2 μm or more, such a defect is unlikely to occur. On the other hand, when the average particle size is 20 μm or less, it tends to be easily adapted to high-speed charging / discharging. The average particle size is more preferably 2 to 15 μm, still more preferably 3 to 10 μm. The upper and lower limits of the average particle size range can be arbitrarily combined.
[活性炭2]
活性炭2のメソ孔量V1は、蓄電素子に組み込んだときの出力特性を大きくする観点から、0.8cc/gより大きい値であることが好ましい。他方、V1は、蓄電素子の容量の低下を抑える観点から、2.5cc/g以下であることが好ましい。上記V1は、より好ましくは1.00cc/g以上2.0cc/g以下、さらに好ましくは、1.2cc/g以上1.8cc/g以下である。
[Activated carbon 2]
The mesopore amount V1 of the activated carbon 2 is preferably a value larger than 0.8 cc / g from the viewpoint of increasing the output characteristics when incorporated in the power storage element. On the other hand, V1 is preferably 2.5 cc / g or less from the viewpoint of suppressing a decrease in the capacity of the power storage element. The above V1 is more preferably 1.00 cc / g or more and 2.0 cc / g or less, and further preferably 1.2 cc / g or more and 1.8 cc / g or less.
活性炭2のマイクロ孔量V2は、活性炭の比表面積を大きくし、容量を増加させるために、0.8cc/gより大きい値であることが好ましい。他方、V2は、活性炭の電極としての密度を増加させ、単位体積当たりの容量を増加させるという観点から、3.0cc/g以下であることが好ましく、より好ましくは1.0cc/gより大きく2.5cc/g以下、更に好ましくは1.5cc/g以上2.5cc/g以下である。 The micropore amount V2 of the activated carbon 2 is preferably a value larger than 0.8 cc / g in order to increase the specific surface area and the capacity of the activated carbon. On the other hand, V2 is preferably 3.0 cc / g or less, more preferably more than 1.0 cc / g, from the viewpoint of increasing the density of activated carbon as an electrode and increasing the capacity per unit volume. It is .5 cc / g or less, more preferably 1.5 cc / g or more and 2.5 cc / g or less.
上述したメソ孔量及びマイクロ孔量を有する活性炭2は、従来の電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタ用として使用されていた活性炭よりもBET比表面積が高いものである。活性炭2のBET比表面積の具体的な値としては、2,300m2/g以上4,000m2/g以下であることが好ましい。BET比表面積の下限としては、3,000m2/g以上であることがより好ましく、3,200m2/g以上であることが更に好ましい。BET比表面積の上限としては、3,800m2/g以下であることがより好ましい。BET比表面積が2,300m2/g以上の場合には、良好なエネルギー密度が得られ易く、他方、BET比表面積が4,000m2/g以下の場合には、電極の強度を保つためにバインダーを多量に入れる必要がないので、電極体積当たりの性能が高くなる。
尚、活性炭2のV1、V2及びBET比表面積については、それぞれ上記で説明された好適な範囲の上限と下限を、任意に組み合わせることができる。
The activated carbon 2 having the above-mentioned meso-pore amount and micro-pore amount has a higher BET specific surface area than the activated carbon used for conventional electric double layer capacitors or lithium ion capacitors. The specific value of the BET specific surface area of the activated carbon 2 is preferably 2,300 m 2 / g or more and 4,000 m 2 / g or less. The lower limit of the BET specific surface area is more preferably 3,000 m 2 / g or more, and further preferably 3,200 m 2 / g or more. The upper limit of the BET specific surface area is more preferably 3,800 m 2 / g or less. When the BET specific surface area is 2,300 m 2 / g or more, good energy density can be easily obtained, while when the BET specific surface area is 4,000 m 2 / g or less, in order to maintain the strength of the electrode. Since it is not necessary to add a large amount of binder, the performance per electrode volume is improved.
Regarding the V1, V2 and BET specific surface areas of the activated carbon 2, the upper and lower limits of the preferable ranges described above can be arbitrarily combined.
上記のような特徴を有する活性炭2は、例えば、以下に説明するような原料及び処理方法を用いて得ることができる。
活性炭2の原料として用いられる炭素源としては、通常活性炭原料として用いられる炭素源であれば特に限定されるものではなく、例えば、木材、木粉、ヤシ殻等の植物系原料;石油ピッチ、コークス等の化石系原料;フェノール樹脂、フラン樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、レゾルシノール樹脂等の各種合成樹脂等が挙げられる。これらの原料の中でも、フェノール樹脂、及びフラン樹脂は、高比表面積の活性炭を作製するのに適しており特に好ましい。
Activated carbon 2 having the above characteristics can be obtained, for example, by using a raw material and a treatment method as described below.
The carbon source used as a raw material for the activated charcoal 2 is not particularly limited as long as it is a carbon source normally used as a raw material for activated charcoal. For example, plant-based raw materials such as wood, wood flour, and coconut shells; petroleum pitch, coke. Fossil-based raw materials such as, and various synthetic resins such as phenol resin, furan resin, vinyl chloride resin, vinyl acetate resin, melamine resin, urea resin, resorcinol resin and the like can be mentioned. Among these raw materials, phenol resin and furan resin are particularly preferable because they are suitable for producing activated carbon having a high specific surface area.
これらの原料を炭化する方式、或いは賦活処理時の加熱方法としては、例えば、固定床方式、移動床方式、流動床方式、スラリー方式、ロータリーキルン方式等の公知の方式が挙げられる。加熱時の雰囲気は窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス、又はこれらの不活性ガスを主成分として他のガスとの混合したガスが用いられる。炭化温度は400〜700℃(下限について、好ましくは450℃以上、更に好ましくは500℃以上。上限について、好ましくは650℃以下)程度で0.5〜10時間程度焼成することが好ましい。 Examples of the method of carbonizing these raw materials or the heating method at the time of activation treatment include known methods such as a fixed bed method, a moving bed method, a fluidized bed method, a slurry method, and a rotary kiln method. As the atmosphere at the time of heating, an inert gas such as nitrogen, carbon dioxide, helium, or argon, or a gas containing these inert gases as a main component and mixed with other gases is used. It is preferable to bake at a carbonization temperature of about 400 to 700 ° C. (the lower limit is preferably 450 ° C. or higher, more preferably 500 ° C. or higher, and the upper limit is preferably 650 ° C. or lower) for about 0.5 to 10 hours.
上記炭化処理後の炭化物の賦活方法としては、水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて焼成するガス賦活法、及びアルカリ金属化合物と混合した後に加熱処理を行うアルカリ金属賦活法があるが、高比表面積の活性炭を作製するにはアルカリ金属賦活法が好ましい。
この賦活方法では、炭化物とKOH、NaOH等のアルカリ金属化合物との質量比が1:1以上(アルカリ金属化合物の量が、炭化物の量と同じかこれよりも多い量)となるように混合した後に、不活性ガス雰囲気下で600〜900℃(好ましくは650℃〜850℃)の範囲において、0.5〜5時間加熱を行い、その後アルカリ金属化合物を酸及び水により洗浄除去し、更に乾燥を行う。
Examples of the method for activating the carbide after the carbonization treatment include a gas activation method in which the carbide is fired using an activated gas such as water vapor, carbon dioxide, and oxygen, and an alkali metal activation method in which heat treatment is performed after mixing with an alkali metal compound. The alkali metal activation method is preferable for producing activated carbon having a high specific surface area.
In this activation method, the carbides were mixed so that the mass ratio of the carbides to the alkali metal compounds such as KOH and NaOH was 1: 1 or more (the amount of the alkali metal compounds was the same as or larger than the amount of the carbides). Later, heating is carried out in the range of 600 to 900 ° C. (preferably 650 ° C. to 850 ° C.) in an inert gas atmosphere for 0.5 to 5 hours, after which the alkali metal compound is washed and removed with acid and water, and further dried. I do.
炭化物とアルカリ金属化合物の質量比(=炭化物:アルカリ金属化合物)は1:1以上が好ましいことを先記したが、アルカリ金属化合物の量が増えるほど、メソ孔量が増えるが、質量比1:3.5付近を境に急激に孔量が増える傾向があるので、質量比は1:3よりアルカリ金属化合物が増えることが好ましく、1:5.5以下であることが好ましい。質量比はアルカリ金属化合物が増えるほど孔量が大きくなるが、その後の洗浄等の処理効率を考慮すると上記範囲であることが好ましい。
尚、マイクロ孔量を大きくし、メソ孔量を大きくしないためには、賦活する際に炭化物の量を多めにしてKOHと混合するとよい。マイクロ孔量及びメソ孔量の双方を大きくするためには、KOHの量を多めに使用するとよい。また、主としてメソ孔量を大きくするためには、アルカリ賦活処理を行った後に水蒸気賦活を行うことが好ましい。
活性炭2の平均粒子径は2μm以上20μm以下であることが好ましく、より好ましくは3μm以上10μm以下である。
I mentioned earlier that the mass ratio of carbide to alkali metal compound (= carbide: alkali metal compound) is preferably 1: 1 or more, but as the amount of alkali metal compound increases, the amount of mesopores increases, but the mass ratio is 1: 1. Since the amount of pores tends to increase sharply around 3.5, the mass ratio is preferably more than 1: 3 and the amount of the alkali metal compound is preferably 1: 5.5 or less. The mass ratio increases as the amount of the alkali metal compound increases, but is preferably in the above range in consideration of treatment efficiency such as subsequent cleaning.
In order to increase the amount of micropores and not to increase the amount of mesopores, it is advisable to increase the amount of carbides when activating and mix with KOH. In order to increase both the amount of micropores and the amount of mesopores, it is advisable to use a large amount of KOH. Further, in order to mainly increase the amount of mesopores, it is preferable to perform steam activation after performing alkali activation treatment.
The average particle size of the activated carbon 2 is preferably 2 μm or more and 20 μm or less, and more preferably 3 μm or more and 10 μm or less.
[活性炭の使用態様]
活性炭1及び2は、それぞれ、1種の活性炭であってもよいし、2種以上の活性炭の混合物であって上記した各々の特性値を混合物全体として示すものであってもよい。
上記の活性炭1及び2は、これらのうちのいずれか一方を選択して使用してもよいし、両者を混合して使用してもよい。
正極活物質は、活性炭1及び2以外の材料(例えば、前記特定のV1及び/若しくはV2を有さない活性炭、又は活性炭以外の材料(例えば、リチウムと遷移金属との複合酸化物等))を含んでもよい。例示の態様において、活性炭1の含有量、又は活性炭2の含有量、又は活性炭1及び2の合計含有量が、それぞれ、全正極活物質の50質量%より多いことが好ましく、70質量%以上がより好ましく、90質量%以上が更に好ましく、100質量%であることが最も好ましい。
[Usage of activated carbon]
Activated carbons 1 and 2 may be one type of activated carbon, or may be a mixture of two or more types of activated carbon, and each of the above-mentioned characteristic values may be shown as a whole mixture.
As the activated carbons 1 and 2 described above, either one of them may be selected and used, or both may be mixed and used.
The positive electrode active material is a material other than activated carbon 1 and 2 (for example, activated carbon that does not have the specific V1 and / or V2, or a material other than activated carbon (for example, a composite oxide of lithium and a transition metal)). It may be included. In an exemplary embodiment, the content of activated carbon 1, the content of activated carbon 2, or the total content of activated carbons 1 and 2 is preferably more than 50% by mass, respectively, and 70% by mass or more of the total positive electrode active material. More preferably, 90% by mass or more is further preferable, and 100% by mass is most preferable.
正極活物質層における正極活物質の含有割合は、正極前駆体における正極活物質層の全質量を基準として、35質量%以上95質量%以下であることが好ましい。正極活物質の含有割合の上限としては、45質量%以上であることがより好ましく、55質量%以上であることがさらに好ましい。他方、正極活物質の含有割合の下限としては、90質量%以下であることがより好ましく、80質量%以下であることが更に好ましい。この範囲の含有割合とすることにより、好適な充放電特性を発揮する。 The content ratio of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably 35% by mass or more and 95% by mass or less based on the total mass of the positive electrode active material layer in the positive electrode precursor. The upper limit of the content ratio of the positive electrode active material is more preferably 45% by mass or more, and further preferably 55% by mass or more. On the other hand, the lower limit of the content ratio of the positive electrode active material is more preferably 90% by mass or less, and further preferably 80% by mass or less. By setting the content ratio in this range, suitable charge / discharge characteristics are exhibited.
[リチウム化合物]
本実施形態の正極前駆体の正極活物質層には、正極活物質以外のリチウム化合物が含有されることが好ましい。また、本実施形態の正極の正極活物質層には、正極活物質以外のリチウム化合物が含有される。
前記リチウム化合物としては、後述のリチウムドープ工程において正極で分解し、リチウムイオンを放出することが可能である、炭酸リチウム、酸化リチウム、水酸化リチウム、フッ化リチウム、塩化リチウム、シュウ化リチウム、ヨウ化リチウム、窒化リチウム、シュウ酸リチウム、及び酢酸リチウムから選択される1種以上が好適に用いられる。中でも、炭酸リチウム、酸化リチウム、及び水酸化リチウムがより好適であり、空気中での取り扱いが可能であり、かつ吸湿性が低いという観点から炭酸リチウムがさらに好適に用いられる。このようなリチウム化合物は、電圧の印加によって分解し、負極へのリチウムドープのドーパント源として機能するとともに、正極活物質層において空孔を形成するから、電解液の保持性に優れ、イオン伝導性に優れる正極を形成することができる。
[Lithium compound]
The positive electrode active material layer of the positive electrode precursor of the present embodiment preferably contains a lithium compound other than the positive electrode active material. Further, the positive electrode active material layer of the positive electrode of the present embodiment contains a lithium compound other than the positive electrode active material.
The lithium compound can be decomposed at the positive electrode in the lithium doping step described later to release lithium ions, such as lithium carbonate, lithium oxide, lithium hydroxide, lithium fluoride, lithium chloride, lithium oxalate, and iodine. One or more selected from lithium carbonate, lithium nitride, lithium oxalate, and lithium acetate are preferably used. Among them, lithium carbonate, lithium oxide, and lithium hydroxide are more preferable, and lithium carbonate is more preferably used from the viewpoint that it can be handled in the air and has low hygroscopicity. Such a lithium compound decomposes when a voltage is applied, functions as a dopant source for lithium doping to the negative electrode, and forms pores in the positive electrode active material layer. Therefore, the electrolytic solution has excellent retention and ionic conductivity. It is possible to form an excellent positive electrode.
[正極前駆体のリチウム化合物]
リチウム化合物は、粒子状であることが好ましい。正極前駆体に含有されるリチウム化合物の平均粒子径は0.1μm以上100μm以下であることが好ましい。正極前駆体に含有されるリチウム化合物の平均粒子径の上限としては50μm以下であることがより好ましく、20μm以下であることが更に好ましく、10μm以下であることが最も好ましい。他方、正極前駆体に含有されるリチウム化合物の平均粒子径の下限としては0.3μm以上であることがより好ましく、0.5μm以上であることが更に好ましい。リチウム化合物の平均粒子径が0.1μm以上であれば、正極におけるリチウム化合物の酸化反応後に残る空孔が電解液を保持するのに十分な容積を有することとなるため、高負荷充放電特性が向上する。リチウム化合物の平均粒子径が100μm以下であれば、リチウム化合物の表面積が過度に小さくはならないから、該リチウム化合物の酸化反応の速度を確保することができる。リチウム化合物の平均粒子径の範囲の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。
リチウム化合物の微粒子化には、様々な方法を用いることができる。例えば、ボールミル、ビーズミル、リングミル、ジェットミル、ロッドミル等の粉砕機を使用することができる。
[Lithium compound of positive electrode precursor]
The lithium compound is preferably in the form of particles. The average particle size of the lithium compound contained in the positive electrode precursor is preferably 0.1 μm or more and 100 μm or less. The upper limit of the average particle size of the lithium compound contained in the positive electrode precursor is more preferably 50 μm or less, further preferably 20 μm or less, and most preferably 10 μm or less. On the other hand, the lower limit of the average particle size of the lithium compound contained in the positive electrode precursor is more preferably 0.3 μm or more, and further preferably 0.5 μm or more. When the average particle size of the lithium compound is 0.1 μm or more, the pores remaining after the oxidation reaction of the lithium compound in the positive electrode have a sufficient volume to hold the electrolytic solution, so that the high load charge / discharge characteristics are exhibited. improves. When the average particle size of the lithium compound is 100 μm or less, the surface area of the lithium compound does not become excessively small, so that the rate of oxidation reaction of the lithium compound can be ensured. The upper and lower limits of the range of the average particle size of the lithium compound can be arbitrarily combined.
Various methods can be used for atomizing the lithium compound. For example, a crusher such as a ball mill, a bead mill, a ring mill, a jet mill, or a rod mill can be used.
正極前駆体の正極活物質層におけるリチウム化合物の含有割合は、正極前駆体における正極活物質層の全質量を基準として、5質量%以上60質量%以下であることが好ましく、10質量%以上50質量%以下であることがより好ましい。この範囲の含有割合とすることにより、負極へのドーパント源として好適な機能を発揮するとともに、正極に適当な程度の多孔性を付与することができ、両者相俟って高負荷充放電効率に優れる蓄電素子を与えることができ、好ましい。この含有割合の範囲の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。 The content ratio of the lithium compound in the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor is preferably 5% by mass or more and 60% by mass or less based on the total mass of the positive electrode active material layer in the positive electrode precursor, and is preferably 10% by mass or more and 50% by mass or more. It is more preferably mass% or less. By setting the content ratio in this range, it is possible to exert a suitable function as a dopant source for the negative electrode and to impart an appropriate degree of porosity to the positive electrode, and both of them achieve high load charge / discharge efficiency. It is preferable because it can provide an excellent power storage element. The upper and lower limits of this content ratio range can be arbitrarily combined.
[正極のリチウム化合物]
正極は、正極活物質以外のリチウム化合物を含有する。正極が含有する、正極活物質以外のリチウム化合物の平均粒子径をX1とするとき、0.1μm≦X1≦10μmであることが好ましい。更に好ましくは、0.5μm≦X1≦5μmである。X1が0.1μm以上の場合、高負荷充放電サイクルで生成するフッ素イオンを吸着することにより高負荷充放電サイクル特性が向上する。X1が10μm以下の場合、高負荷充放電サイクルで生成するフッ素イオンとの反応面積が増加するため、フッ素イオンの吸着を効率良く行うことができる。
[Lithium compound of positive electrode]
The positive electrode contains a lithium compound other than the positive electrode active material. When the average particle size of the lithium compound other than the positive electrode active material contained in the positive electrode is X 1 , it is preferably 0.1 μm ≦ X 1 ≦ 10 μm. More preferably, 0.5 μm ≦ X 1 ≦ 5 μm. When X 1 is 0.1 μm or more, the high load charge / discharge cycle characteristics are improved by adsorbing the fluorine ions generated in the high load charge / discharge cycle. When X 1 is 10 μm or less, the reaction area with the fluorine ions generated in the high load charge / discharge cycle increases, so that the adsorption of fluorine ions can be performed efficiently.
正極が含有する正極活物質以外のリチウム化合物は、正極における正極活物質層の全質量を基準として、1質量%以上50質量%以下であることを特徴とし、2.5質量%以上25質量%以下であることがより好ましい。リチウム化合物量が1質量%以上であると、正極上で分解し、電解液中に溶出したリチウム化合物の反応物とプロピレンカーボネートとが負極上に安定で低抵抗な被膜を生成するため、高い入出力特性を示すとともに、それ以上のプロピレンカーボネートの分解を抑制するため、高温にさらされた際のガスが抑制され、高温保存耐久性が向上する。また、リチウム化合物量が50質量%以下であると、正極活物質間の電子伝導性がリチウム化合物により阻害されることが比較的小さいため、高い入出力特性を示し、25質量%以下であると、特に入出力特性の観点から特に好ましい。尚、下限と上限の組み合わせは任意のものであることができる。 The lithium compound contained in the positive electrode other than the positive electrode active material is characterized by being 1% by mass or more and 50% by mass or less based on the total mass of the positive electrode active material layer in the positive electrode, and is 2.5% by mass or more and 25% by mass or less. The following is more preferable. When the amount of the lithium compound is 1% by mass or more, it decomposes on the positive electrode, and the reaction product of the lithium compound eluted in the electrolytic solution and propylene carbonate form a stable and low resistance film on the negative electrode, so that the content is high. Since it exhibits output characteristics and suppresses further decomposition of propylene carbonate, gas when exposed to high temperature is suppressed, and high temperature storage durability is improved. Further, when the amount of the lithium compound is 50% by mass or less, the electron conductivity between the positive electrode active materials is relatively small to be inhibited by the lithium compound, so that high input / output characteristics are exhibited, and the amount is 25% by mass or less. , Especially preferable from the viewpoint of input / output characteristics. The combination of the lower limit and the upper limit can be arbitrary.
[正極中のリチウム化合物の同定方法]
正極中に含まれるリチウム化合物の同定方法は特に限定されないが、例えば、下記の方法により同定することができる。リチウム化合物の同定には、以下に記載する複数の解析手法を組み合わせて同定することが好ましい。
以下に記載するSEM−EDX、ラマン、XPSを測定する際には、アルゴンボックス中で非水系リチウム型蓄電素子を解体して正極を取り出し、正極表面に付着した電解質を洗浄した後に測定を行うことが好ましい。正極の洗浄方法については、正極表面に付着した電解質を洗い流せればよいため、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート溶媒が好適に利用できる。洗浄方法としては、例えば、正極質量の50〜100倍のジエチルカーボネート溶媒に正極を10分間以上浸漬させ、その後溶媒を取り替えて再度正極を浸漬させる。その後正極をジエチルカーボネートから取り出し、真空乾燥(温度:0〜200℃、圧力:0〜20kPa、時間:1〜40時間の範囲で正極中のジエチルカーボネートの残存が1質量%以下になる条件とする。ジエチルカーボネートの残存量については、後述する蒸留水洗浄、液量調整後の水のGC/MSを測定し、予め作成した検量線を基に定量することができる。)させた後に、前記SEM−EDX、ラマン、XPSの解析を実施する。
[Method for identifying lithium compounds in positive electrode]
The method for identifying the lithium compound contained in the positive electrode is not particularly limited, but for example, it can be identified by the following method. For the identification of the lithium compound, it is preferable to identify by combining a plurality of analysis methods described below.
When measuring SEM-EDX, Raman, and XPS described below, disassemble the non-aqueous lithium-type power storage element in an argon box, take out the positive electrode, clean the electrolyte adhering to the positive electrode surface, and then perform the measurement. Is preferable. As for the method for cleaning the positive electrode, since the electrolyte adhering to the surface of the positive electrode may be washed away, a carbonate solvent such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, or diethyl carbonate can be preferably used. As a cleaning method, for example, the positive electrode is immersed in a diethyl carbonate solvent having a mass of 50 to 100 times the positive electrode for 10 minutes or more, and then the solvent is replaced and the positive electrode is immersed again. After that, the positive electrode is taken out from diethyl carbonate, and vacuum dried (temperature: 0 to 200 ° C., pressure: 0 to 20 kPa, time: 1 to 40 hours, and the condition is that the residual diethyl carbonate in the positive electrode is 1% by mass or less. The residual amount of diethyl carbonate can be quantified based on the calibration line prepared in advance by measuring the GC / MS of the water after washing with distilled water and adjusting the liquid amount, which will be described later.) -Perform EDX, Raman, and XPS analysis.
後述するイオンクロマトグラフィーについては、正極を蒸留水で洗浄した後の水を解析することにより陰イオンを同定することができる。
前記解析手法にてリチウム化合物を同定できなかった場合、その他の解析手法として、固体7Li−NMR、XRD(X線回折)、TOF−SIMS(飛行時間型二次イオン質量分析)、AES(オージェ電子分光)、TPD/MS(加熱発生ガス質量分析)、DSC(示差走査熱量分析)等を用いることにより、リチウム化合物を同定することもできる。
Regarding ion chromatography described later, anions can be identified by analyzing the water after washing the positive electrode with distilled water.
If the lithium compound cannot be identified by the above analysis method, other analysis methods include solid 7 Li-NMR, XRD (X-ray diffraction), TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry), and AES (Auger). Lithium compounds can also be identified by using electron spectroscopy), TPD / MS (mass spectrometry of heated generated gas), DSC (differential scanning calorimeter analysis) and the like.
[SEM−EDX]
酸素を含有するリチウム化合物及び正極活物質は、観察倍率を1000倍〜4000倍にして測定した正極表面のSEM−EDX画像による酸素マッピングにより判別できる。SEM−EDX画像の測定例として、加速電圧を10kV、エミッション電流を1μA、測定画素数を256×256ピクセル、積算回数を50回として測定できる。試料の帯電を防止するために、金、白金、オスミウム等を真空蒸着やスパッタリング等の方法により表面処理することもできる。SEM−EDX画像の測定方法については、明るさは最大輝度に達する画素がなく、明るさの平均値が輝度40%〜60%の範囲に入るように輝度及びコントラストを調整することが好ましい。得られた酸素マッピングに対し、明るさの平均値を基準に二値化した明部を面積50%以上含む粒子をリチウム化合物とする。
[SEM-EDX]
The oxygen-containing lithium compound and the positive electrode active material can be identified by oxygen mapping using an SEM-EDX image of the positive electrode surface measured at an observation magnification of 1000 to 4000 times. As a measurement example of the SEM-EDX image, the acceleration voltage is 10 kV, the emission current is 1 μA, the number of measurement pixels is 256 × 256 pixels, and the number of integrations is 50. In order to prevent the sample from being charged, gold, platinum, osmium or the like can be surface-treated by a method such as vacuum deposition or sputtering. Regarding the method for measuring the SEM-EDX image, it is preferable to adjust the brightness and contrast so that the brightness does not reach the maximum brightness and the average value of the brightness is in the range of 40% to 60%. Particles containing 50% or more of bright areas that are binarized with respect to the obtained oxygen mapping based on the average value of brightness are designated as lithium compounds.
[ラマン]
炭酸イオンからなるリチウム化合物及び正極活物質は、観察倍率を1000倍〜4000倍にして測定した正極表面のラマンイメージングにより判別できる。測定条件の例として、励起光を532nm、励起光強度を1%、対物レンズの長作動を50倍、回折格子を1800gr/mm、マッピング方式を点走査(スリット65mm、ビニング5pix)、1mmステップ、1点当たりの露光時間を3秒、積算回数を1回、ノイズフィルター有りの条件にて測定することができる。測定したラマンスペクトルについて、1071〜1104cm−1の範囲で直線のベースラインを設定し、ベースラインより正の値を炭酸イオンのピークとして面積を算出し、頻度を積算するが、この時にノイズ成分をガウス型関数で近似した炭酸イオンピーク面積に対する頻度を前記炭酸イオンの頻度分布から差し引く。
[Raman]
The lithium compound composed of carbonate ions and the positive electrode active material can be identified by Raman imaging of the positive electrode surface measured at an observation magnification of 1000 to 4000 times. As an example of measurement conditions, the excitation light is 532 nm, the excitation light intensity is 1%, the long operation of the objective lens is 50 times, the diffraction grating is 1800 gr / mm, the mapping method is point scanning (slit 65 mm, binning 5 pix), 1 mm step, The exposure time per point can be measured for 3 seconds, the number of integrations can be measured once, and the measurement can be performed under the condition of having a noise filter. For the measured Raman spectrum, a straight baseline is set in the range of 1071-1104 cm -1 , the area is calculated with a positive value from the baseline as the peak of carbonate ions, and the frequency is integrated. At this time, the noise component is added. The frequency for the carbonate ion peak area approximated by the Gaussian function is subtracted from the carbonate ion frequency distribution.
[XPS]
リチウムの電子状態をXPSにより解析することによりリチウムの結合状態を判別することができる。測定条件の例として、X線源を単色化AlKα、X線ビーム径を100μmφ(25W、15kV)、パスエネルギーをナロースキャン:58.70eV、帯電中和を有り、スイープ数をナロースキャン:10回(炭素、酸素)20回(フッ素)30回(リン)40回(リチウム)50回(ケイ素)、エネルギーステップをナロースキャン:0.25eVの条件にて測定できる。XPSの測定前に正極の表面をスパッタリングにてクリーニングすることが好ましい。スパッタリングの条件として例えば、加速電圧1.0kV、2mm×2mmの範囲を1分間(SiO2換算で1.25nm/min)の条件にて正極の表面をクリーニングすることができる。得られたXPSスペクトルについて、Li1sの結合エネルギー50〜54eVのピークをLiO2又はLi−C結合、55〜60eVのピークをLiF、Li2CO3、LixPOyFz(x、y、zは1〜6の整数)、C1sの結合エネルギー285eVのピークをC−C結合、286eVのピークをC−O結合、288eVのピークをCOO、290〜292eVのピークをCO3 2−、C−F結合、O1sの結合エネルギー527〜530eVのピークをO2−(Li2O)、531〜532eVのピークをCO、CO3、OH、POx(xは1〜4の整数)、SiOx(xは1〜4の整数)、533eVのピークをC−O、SiOx(xは1〜4の整数)、F1sの結合エネルギー685eVのピークをLiF、687eVのピークをC−F結合、LixPOyFz(x、y、zは1〜6の整数)、PF6 −、P2pの結合エネルギーについて、133eVのピークをPOx(xは1〜4の整数)、134〜136eVのピークをPFx(xは1〜6の整数)、Si2pの結合エネルギー99eVのピークをSi、シリサイド、101〜107eVのピークをSixOy(x、yは任意の整数)として帰属することができる。得られたスペクトルについて、ピークが重なる場合には、ガウス関数又はローレンツ関数を仮定してピーク分離し、スペクトルを帰属することが好ましい。前記で得られた電子状態の測定結果及び存在元素比の結果から、存在するリチウム化合物を同定することができる。
[XPS]
The bonding state of lithium can be determined by analyzing the electronic state of lithium by XPS. As an example of measurement conditions, the X-ray source is monochromatic AlKα, the X-ray beam diameter is 100 μmφ (25 W, 15 kV), the path energy is narrow scan: 58.70 eV, there is charge neutralization, and the number of sweeps is narrow scan: 10 times. (Carbon, oxygen) 20 times (fluorine) 30 times (phosphorus) 40 times (lithium) 50 times (silicon), energy steps can be measured under the conditions of narrow scan: 0.25 eV. It is preferable to clean the surface of the positive electrode by sputtering before measuring XPS. As the sputtering conditions, for example, the surface of the positive electrode can be cleaned under the condition of an accelerating voltage of 1.0 kV, 2 mm × 2 mm for 1 minute (1.25 nm / min in terms of SiO 2 ). Regarding the obtained XPS spectrum, the peak of Li1s binding energy of 50 to 54 eV is LiO 2 or Li-C bond, and the peak of 55 to 60 eV is LiF, Li 2 CO 3 , Li x PO y F z (x, y, z). Is an integer of 1 to 6), the peak of C1s binding energy 285 eV is C-C bond, the peak of 286 eV is CO bond, the peak of 288 eV is COO, the peak of 290-292 eV is CO 3 2- , CF Bonding, the peak of binding energy 527 to 530 eV of O1s is O 2- (Li 2 O), the peak of 531 to 532 eV is CO, CO 3 , OH, PO x (x is an integer of 1 to 4), SiO x (x) Is an integer of 1 to 4), the peak of 533 eV is CO, SiO x (x is an integer of 1 to 4), the peak of binding energy 685 eV of F1s is LiF, the peak of 687 eV is CF bond, Li x PO. Regarding the binding energies of y F z (x, y, z are integers 1 to 6), PF 6 − , P2p, the peak of 133 eV is PO x (x is an integer of 1 to 4), and the peak of 134 to 136 eV is PF. x (x is an integer from 1 to 6), Si peak binding energy 99eV of Si2p, silicide, a peak of 101~107eV Si x O y (x, y are arbitrary integers) can be assigned as. When the peaks of the obtained spectrum overlap, it is preferable to separate the peaks assuming a Gaussian function or a Lorentz function and assign the spectra. The existing lithium compound can be identified from the measurement result of the electronic state and the result of the existing element ratio obtained above.
[イオンクロマトグラフィー]
正極の蒸留水洗浄液をイオンクロマトグラフィーで解析することにより、水中に溶出したアニオン種を同定することができる。使用するカラムとしては、イオン交換型、イオン排除型、逆相イオン対型を使用することができる。検出器としては、電気伝導度検出器、紫外可視吸光光度検出器、電気化学検出器等を使用することができ、検出器の前にサプレッサーを設置するサプレッサー方式、またはサプレッサーを配置せずに電気伝導度の低い溶液を溶離液に用いるノンサプレッサー方式を用いることができる。また、質量分析計や荷電化粒子検出を検出器と組み合わせて測定することもできるため、SEM−EDX、ラマン、XPSの解析結果から同定されたリチウム化合物を基に適切なカラム、検出器を組み合わせることが好ましい。
サンプルの保持時間は、使用するカラムや溶離液等の条件が決まれば、イオン種成分毎に一定であり、また、ピークのレスポンスの大きさはイオン種毎に異なるが濃度に比例する。トレーサビリティーが確保された既知濃度の標準液を予め測定しておくことでイオン種成分の定性と定量が可能となる。
[Ion chromatography]
By analyzing the distilled water washing solution of the positive electrode by ion chromatography, the anion species eluted in water can be identified. As the column to be used, an ion exchange type, an ion exclusion type, and a reverse phase ion pair type can be used. As the detector, an electric conductivity detector, an ultraviolet visible absorptiometry detector, an electrochemical detector, etc. can be used, and a suppressor method in which a suppressor is installed in front of the detector, or electricity without a suppressor. A non-suppressor method using a solution having low conductivity as an eluent can be used. In addition, since mass spectrometer and charged particle detection can be measured in combination with a detector, an appropriate column and detector are combined based on the lithium compound identified from the analysis results of SEM-EDX, Raman, and XPS. Is preferable.
The retention time of the sample is constant for each ion species component if the conditions such as the column to be used and the eluent are determined, and the magnitude of the peak response differs for each ion species but is proportional to the concentration. By measuring in advance a standard solution with a known concentration that ensures traceability, it is possible to qualify and quantify the ionic species components.
[リチウム化合物の定量方法]
正極中に含まれるリチウム化合物の定量方法を以下に記載する。
正極を有機溶媒で洗浄し、その後蒸留水で洗浄し、蒸留水での洗浄前後の正極質量変化からリチウム化合物を定量することができる。測定する正極の面積は特に制限されないが、測定のばらつきを軽減するという観点から5cm2以上200cm2以下であることが好ましく、更に好ましくは25cm2以上150cm2以下である。面積が5cm2以上あれば測定の再現性が確保される。面積が200cm2以下であればサンプルの取扱い性に優れる。有機溶媒による洗浄については正極表面に堆積した非水系電解液分解物を除去できれば良いため、有機溶媒は特に限定されないが、前記リチウム化合物の溶解度が2%以下である有機溶媒を用いることでリチウム化合物の溶出が抑制されるため好ましい。例えば、メタノール、アセトン等の極性溶媒が好適に用いられる。
[Method for quantifying lithium compounds]
The method for quantifying the lithium compound contained in the positive electrode is described below.
The positive electrode is washed with an organic solvent, then washed with distilled water, and the lithium compound can be quantified from the change in positive electrode mass before and after washing with distilled water. Although area measurement is positive is not particularly limited, it is preferably, more preferably 25 cm 2 or more 150 cm 2 or less from the viewpoint of reducing the variation in measurement is 5 cm 2 or more 200 cm 2 or less. If the area is 5 cm 2 or more, the reproducibility of measurement is ensured. If the area is 200 cm 2 or less, the handling of the sample is excellent. For cleaning with an organic solvent, the organic solvent is not particularly limited as long as the non-aqueous electrolyte decomposition product deposited on the positive electrode surface can be removed. However, by using an organic solvent having a solubility of the lithium compound of 2% or less, the lithium compound can be used. It is preferable because the elution of the solvent is suppressed. For example, a polar solvent such as methanol or acetone is preferably used.
正極の洗浄方法は、正極の質量に対し50〜100倍のメタノール溶液に正極を3日間以上十分に浸漬させる。この時、メタノールが揮発しないよう容器に蓋をするなどの対策を施すことが好ましい。その後正極をメタノールから取り出し、真空乾燥(温度:100〜200℃、圧力:0〜10kPa、時間:5〜20時間の範囲で正極中のメタノールの残存が1質量%以下になる条件とする。メタノールの残存量については、後述する蒸留水洗浄後の水のGC/MSを測定し、予め作成した検量線を基に定量することができる。)し、その時の正極の質量をM0[g]とする。続いて、正極の質量の100倍(100M0[g])の蒸留水に正極を3日間以上十分に浸漬させる。この時、蒸留水が揮発しないよう容器に蓋をする等の対策を施すことが好ましい。3日間以上浸漬させた後、蒸留水から正極を取り出し(前述のイオンクロマトグラフィーを測定する場合は、蒸留水の量が100M0[g]になるように液量を調整する。)、前記のメタノール洗浄と同様に真空乾燥する。この時の正極の質量をM1[g]とし、続いて、得られた正極の集電体の質量を測定するため、スパチュラ、ブラシ、刷毛等を用いて集電体上の正極活物質層を取り除く。得られた正極集電体の質量をM2[g]とすると、正極中に含まれるリチウム化合物の質量%Zは、下記式(3):
Z=100×[1−(M1−M2)/(M0−M2)] ...式(3)
により算出できる。
The method for cleaning the positive electrode is to sufficiently immerse the positive electrode in a methanol solution 50 to 100 times the mass of the positive electrode for 3 days or more. At this time, it is preferable to take measures such as covering the container so that methanol does not volatilize. After that, the positive electrode is taken out from methanol and vacuum dried (temperature: 100 to 200 ° C., pressure: 0 to 10 kPa, time: 5 to 20 hours, and the condition is that the residual amount of methanol in the positive electrode is 1% by mass or less. The residual amount of the above can be measured by measuring the GC / MS of the water after washing with distilled water, which will be described later, and quantifying based on the calibration line prepared in advance.) The mass of the positive electrode at that time is M 0 [g]. And. Subsequently, the positive electrode is sufficiently immersed in distilled water having 100 times the mass of the positive electrode (100M 0 [g]) for 3 days or more. At this time, it is preferable to take measures such as covering the container so that the distilled water does not volatilize. After immersion least 3 days, a distilled water outlet of the positive electrode (when measuring the above-described ion chromatography, the amount of distilled water to adjust the volume so that the 100M 0 [g].), Of the Vacuum dry in the same way as methanol washing. The mass of the positive electrode at this time is set to M 1 [g], and subsequently, in order to measure the mass of the obtained current collector of the positive electrode, a positive electrode active material layer on the current collector is used using a spatula, a brush, a brush, or the like. Get rid of. Assuming that the mass of the obtained positive electrode current collector is M 2 [g], the mass% Z of the lithium compound contained in the positive electrode is the following formula (3):
Z = 100 × [1- (M 1- M 2 ) / (M 0- M 2 )]. .. .. Equation (3)
Can be calculated by
[正極活物質層の任意成分]
本実施形態における正極活物質層は、必要に応じて、正極活物質及びリチウム化合物の他に、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
導電性フィラーとしては、特に制限されるものではないが、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、気相成長炭素繊維、黒鉛、カーボンナノチューブ、これらの混合物等を用いることができる。導電性フィラーの使用量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上30質量部以下である。より好ましくは0.01質量部以上20質量部以下、さらに好ましくは1質量部以上15質量部以下である。導電性フィラーの使用量が30質量部よりも多くなると、正極活物質層における正極活物質の含有割合が少なくなるために、正極活物質層体積当たりのエネルギー密度が低下するので好ましくない。
[Arbitrary component of positive electrode active material layer]
If necessary, the positive electrode active material layer in the present embodiment may contain optional components such as a conductive filler, a binder, and a dispersion stabilizer in addition to the positive electrode active material and the lithium compound.
The conductive filler is not particularly limited, and for example, acetylene black, ketjen black, vapor-grown carbon fiber, graphite, carbon nanotubes, a mixture thereof and the like can be used. The amount of the conductive filler used is preferably 0 parts by mass or more and 30 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. It is more preferably 0.01 parts by mass or more and 20 parts by mass or less, and further preferably 1 part by mass or more and 15 parts by mass or less. If the amount of the conductive filler used is more than 30 parts by mass, the content ratio of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is small, and the energy density per volume of the positive electrode active material layer is lowered, which is not preferable.
結着剤としては、特に制限されるものではないが、例えば、PVdF(ポリフッ化ビニリデン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ポリイミド、ラテックス、スチレン−ブタジエン共重合体、フッ素ゴム、アクリル共重合体等を用いることができる。結着剤の使用量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは1質量部以上30質量部以下、より好ましくは3質量部以上27質量部以下、さらに好ましくは5質量部以上25質量部以下である。結着剤の使用量が1質量部以上であれば、十分な電極強度が発現される。他方、結着剤の使用量が30質量部以下であれば、正極活物質へのイオンの出入り及び拡散を阻害せず、高い入出力特性が発現される。 The binder is not particularly limited, but for example, PVdF (polyvinylidene fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), polyimide, latex, styrene-butadiene copolymer, fluororubber, acrylic copolymer. Etc. can be used. The amount of the binder used is preferably 1 part by mass or more and 30 parts by mass or less, more preferably 3 parts by mass or more and 27 parts by mass or less, and further preferably 5 parts by mass or more and 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. It is less than a part. When the amount of the binder used is 1 part by mass or more, sufficient electrode strength is exhibited. On the other hand, when the amount of the binder used is 30 parts by mass or less, high input / output characteristics are exhibited without inhibiting the entry / exit and diffusion of ions into the positive electrode active material.
分散安定剤としては、特に制限されるものではないが、例えばPVP(ポリビニルピロリドン)、PVA(ポリビニルアルコール)、セルロース誘導体等を用いることができる。分散安定剤の使用量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは、0質量部又は0.1質量部以上、10質量部以下である。分散安定剤の使用量が10質量部以下であれば、正極活物質へのイオンの出入り及び拡散を阻害せず、高い入出力特性が発現される。 The dispersion stabilizer is not particularly limited, but for example, PVP (polyvinylpyrrolidone), PVA (polyvinyl alcohol), a cellulose derivative and the like can be used. The amount of the dispersion stabilizer used is preferably 0 parts by mass or 0.1 parts by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. When the amount of the dispersion stabilizer used is 10 parts by mass or less, high input / output characteristics are exhibited without inhibiting the entry / exit and diffusion of ions into the positive electrode active material.
[正極集電体]
本実施形態における正極集電体を構成する材料としては、電子伝導性が高く、電解液への溶出及び電解質又はイオンとの反応等による劣化が起こらない材料であれば特に制限はないが、金属箔が好ましい。本実施の形態の非水系リチウム型蓄電素子における正極集電体としては、アルミニウム箔が特に好ましい。
該金属箔は凹凸や貫通孔を持たない通常の金属箔でもよいし、エンボス加工、ケミカルエッチング、電解析出法、ブラスト加工等を施した凹凸を有する金属箔でもよいし、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔等の貫通孔を有する金属箔でもよい。
正極集電体の厚みは、正極の形状及び強度を十分に保持できれば特に制限はないが、例えば、1〜100μmが好ましい。
[Positive current collector]
The material constituting the positive electrode current collector in the present embodiment is not particularly limited as long as it has high electron conductivity and does not deteriorate due to elution into the electrolytic solution and reaction with the electrolyte or ions. Foil is preferred. Aluminum foil is particularly preferable as the positive electrode current collector in the non-aqueous lithium power storage device of the present embodiment.
The metal foil may be an ordinary metal foil having no irregularities or through holes, a metal foil having irregularities subjected to embossing, chemical etching, electrolytic precipitation, blasting, etc., expanded metal, punching metal, etc. , A metal foil having through holes such as an etching foil may be used.
The thickness of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as the shape and strength of the positive electrode can be sufficiently maintained, but is preferably 1 to 100 μm, for example.
[正極前駆体の製造]
本実施形態において、非水系リチウム型蓄電素子の正極となる正極前駆体は、既知のリチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ等における電極の製造技術によって製造することが可能である。例えば、正極活物質及びリチウム化合物、並びに必要に応じて使用されるその他の任意成分を水又は有機溶剤中に分散又は溶解してスラリー状の塗工液を調製し、この塗工液を正極集電体上の片面又は両面に塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することにより正極前駆体を得ることが出来る。さらに、得られた正極前駆体にプレスを施して、正極活物質層の膜厚又は嵩密度を調整してもよい。代替的には、溶剤を使用せずに、正極活物質及びリチウム化合物、並びに必要に応じて使用されるその他の任意成分を乾式で混合し、得られた混合物をプレス成型した後、導電性接着剤を用いて正極集電体に貼り付ける方法も可能である。
[Manufacturing of positive electrode precursor]
In the present embodiment, the positive electrode precursor serving as the positive electrode of the non-aqueous lithium-type power storage element can be manufactured by a technique for manufacturing electrodes in known lithium ion batteries, electric double layer capacitors, and the like. For example, a positive electrode active material, a lithium compound, and other optional components used as necessary are dispersed or dissolved in water or an organic solvent to prepare a slurry coating solution, and this coating solution is collected as a positive electrode. A positive electrode precursor can be obtained by applying a coating on one side or both sides of an electric body to form a coating film and drying the coating. Further, the obtained positive electrode precursor may be pressed to adjust the film thickness or bulk density of the positive electrode active material layer. Alternatively, without the use of solvents, the positive electrode active material and lithium compound, and any other optional ingredients used as needed, are dry mixed, the resulting mixture is press molded and then conductively bonded. It is also possible to attach it to the positive electrode current collector using an agent.
前記正極前駆体の塗工液は、正極活物質を含む各種材料粉末の一部若しくは全部をドライブレンドし、次いで水若しくは有機溶媒、及び/又はそれらに結着剤若しくは分散安定剤が溶解又は分散した液状又はスラリー状の物質を追加して調製してもよい。また、水又は有機溶媒に結着剤又は分散安定剤が溶解又は分散した液状又はスラリー状の物質の中に、正極活物質を含む各種材料粉末を追加して、塗工液を調製してもよい。前記ドライブレンドする方法として、例えば、ボールミル等を使用して正極活物質及びリチウム化合物、並びに必要に応じて導電性フィラーを予備混合して、導電性の低いリチウム化合物に導電性フィラーをコーティングさせる予備混合をしてもよい。これにより、後述のリチウムドープ工程において正極前駆体でリチウム化合物が分解し易くなる。前記塗工液の溶媒に水を使用する場合には、リチウム化合物を加えることで塗工液がアルカリ性になることもあるため、必要に応じてpH調整剤を添加してもよい。 The coating liquid of the positive electrode precursor is a dry blend of a part or all of various material powders including a positive electrode active material, and then water or an organic solvent and / or a binder or a dispersion stabilizer is dissolved or dispersed therein. The liquid or slurry-like substance may be added and prepared. Further, a coating liquid may be prepared by adding various material powders containing a positive electrode active material to a liquid or slurry substance in which a binder or a dispersion stabilizer is dissolved or dispersed in water or an organic solvent. Good. As the method of dry blending, for example, a positive electrode active material and a lithium compound are premixed using a ball mill or the like, and if necessary, a conductive filler is premixed to coat the low conductive lithium compound with the conductive filler. You may mix. As a result, the lithium compound is easily decomposed in the positive electrode precursor in the lithium doping step described later. When water is used as the solvent of the coating liquid, the coating liquid may become alkaline by adding the lithium compound, so that a pH adjuster may be added if necessary.
前記正極前駆体の塗工液の調製には、特に制限されるものではないが、好適にはホモディスパーや多軸分散機、プラネタリーミキサー、薄膜旋回型高速ミキサー等の分散機等を用いることが出来る。良好な分散状態の塗工液を得るためには、周速1m/s以上50m/s以下で分散することが好ましい。周速が1m/s以上であれば、各種材料が良好に溶解又は分散するため好ましい。また、周速が50m/s以下であれば、分散による熱又はせん断力により各種材料が破壊されることなく、再凝集が生じることがないため好ましい。
前記塗工液の分散度は、粒ゲージで測定した粒度が0.1μm以上100μm以下であることが好ましい。分散度の上限としては、より好ましくは粒度が80μm以下、さらに好ましくは粒度が50μm以下である。粒度が0.1μm未満では、正極活物質を含む各種材料粉末の粒子径以下のサイズとなり、塗工液作製時に材料を破砕していることになり好ましくない。また、粒度が100μm以下であれば、塗工液吐出時の詰まりや塗膜のスジ発生等がなく、安定に塗工ができる。
The preparation of the coating liquid for the positive electrode precursor is not particularly limited, but preferably a disperser such as a homodisper, a multi-axis disperser, a planetary mixer, or a thin film swirling high-speed mixer is used. Can be done. In order to obtain a coating liquid in a well-dispersed state, it is preferable to disperse at a peripheral speed of 1 m / s or more and 50 m / s or less. When the peripheral speed is 1 m / s or more, various materials are preferably dissolved or dispersed. Further, when the peripheral speed is 50 m / s or less, various materials are not destroyed by heat or shearing force due to dispersion, and reaggregation does not occur, which is preferable.
The dispersity of the coating liquid is preferably such that the particle size measured by the grain gauge is 0.1 μm or more and 100 μm or less. The upper limit of the degree of dispersion is more preferably 80 μm or less in particle size, and further preferably 50 μm or less in particle size. If the particle size is less than 0.1 μm, the size is smaller than the particle size of various material powders containing the positive electrode active material, and the material is crushed during the preparation of the coating liquid, which is not preferable. Further, when the particle size is 100 μm or less, stable coating can be performed without clogging at the time of discharging the coating liquid or generation of streaks on the coating film.
前記正極前駆体の塗工液の粘度(ηb)は、1,000mPa・s以上20,000mPa・s以下が好ましく、より好ましくは1,500mPa・s以上10,000mPa・s以下、さらに好ましくは1,700mPa・s以上5,000mPa・s以下である。粘度(ηb)が1,000mPa・s以上であれば、塗膜形成時の液ダレが抑制され、塗膜幅及び膜厚が良好に制御できる。また、粘度(ηb)が20,000mPa・s以下であれば、塗工機を用いた際の塗工液の流路における圧力損失が少なく安定に塗工でき、また所望の塗膜厚み以下に制御できる。
また、該塗工液のTI値(チクソトロピーインデックス値)は、1.1以上が好ましく、より好ましくは1.2以上、さらに好ましくは1.5以上である。TI値が1.1以上であれば、塗膜幅及び膜厚が良好に制御できる。
The viscosity (ηb) of the coating liquid of the positive electrode precursor is preferably 1,000 mPa · s or more and 20,000 mPa · s or less, more preferably 1,500 mPa · s or more and 10,000 mPa · s or less, still more preferably 1. , 700 mPa · s or more and 5,000 mPa · s or less. When the viscosity (ηb) is 1,000 mPa · s or more, liquid dripping during coating film formation is suppressed, and the coating film width and film thickness can be satisfactorily controlled. Further, when the viscosity (ηb) is 20,000 mPa · s or less, the pressure loss in the flow path of the coating liquid when using the coating machine is small and stable coating can be performed, and the coating film thickness is less than the desired one. Can be controlled.
The TI value (thixotropy index value) of the coating liquid is preferably 1.1 or more, more preferably 1.2 or more, and further preferably 1.5 or more. When the TI value is 1.1 or more, the coating film width and the film thickness can be satisfactorily controlled.
前記正極前駆体の塗膜の形成は特に制限されるものではないが、好適にはダイコーターやコンマコーター、ナイフコーター、グラビア塗工機等の塗工機を用いることが出来る。塗膜は単層塗工で形成してもよいし、多層塗工で形成してもよい。多層塗工の場合には、塗膜各層内のリチウム化合物の含有量が異なるように塗工液組成を調整してもよい。また、塗工速度は0.1m/分以上100m/分以下であることが好ましく、より好ましくは0.5m/分以上70m/分以下、さらに好ましくは1m/分以上50m/分以下である。塗工速度が0.1m/分以上であれば、安定に塗工出来る。他方、塗工速度が100m/分以下であれば、塗工精度を十分に確保できる。 The formation of the coating film of the positive electrode precursor is not particularly limited, but a coating machine such as a die coater, a comma coater, a knife coater, or a gravure coating machine can be preferably used. The coating film may be formed by a single layer coating or a multi-layer coating. In the case of multi-layer coating, the coating liquid composition may be adjusted so that the content of the lithium compound in each layer of the coating film is different. The coating speed is preferably 0.1 m / min or more and 100 m / min or less, more preferably 0.5 m / min or more and 70 m / min or less, and further preferably 1 m / min or more and 50 m / min or less. If the coating speed is 0.1 m / min or more, stable coating can be performed. On the other hand, if the coating speed is 100 m / min or less, sufficient coating accuracy can be ensured.
前記正極前駆体の塗膜の乾燥については、特に制限されるものではないが、好適には熱風乾燥や赤外線(IR)乾燥等の乾燥方法を用いることが出来る。塗膜の乾燥は、単一の温度で乾燥させてもよいし、多段的に温度を変えて乾燥させてもよい。また、複数の乾燥方法を組み合わせて塗膜を乾燥させてもよい。乾燥温度は、25℃以上200℃以下であることが好ましく、より好ましくは40℃以上180℃以下、さらに好ましくは50℃以上160℃以下である。乾燥温度が25℃以上であれば、塗膜中の溶媒を十分に揮発させることが出来る。他方、乾燥温度が200℃以下であれば、急激な溶媒の揮発による塗膜のヒビ割れやマイグレーションによる結着剤の偏在、及び正極集電体や正極活物質層の酸化を抑制できる。 The drying of the coating film of the positive electrode precursor is not particularly limited, but a drying method such as hot air drying or infrared (IR) drying can be preferably used. The coating film may be dried at a single temperature, or may be dried at different temperatures in multiple stages. Further, the coating film may be dried by combining a plurality of drying methods. The drying temperature is preferably 25 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 40 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, and further preferably 50 ° C. or higher and 160 ° C. or lower. When the drying temperature is 25 ° C. or higher, the solvent in the coating film can be sufficiently volatilized. On the other hand, when the drying temperature is 200 ° C. or lower, cracks in the coating film due to rapid volatilization of the solvent, uneven distribution of the binder due to migration, and oxidation of the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer can be suppressed.
前記正極前駆体のプレスには、特に制限されるものではないが、好適には油圧プレス機、真空プレス機等のプレス機を用いることが出来る。正極活物質層の膜厚、嵩密度及び電極強度は、後述するプレス圧力、隙間、及びプレス部の表面温度により調整できる。
プレス圧力は0.5kN/cm以上20kN/cm以下が好ましく、より好ましくは1kN/cm以上10kN/cm以下、さらに好ましくは2kN/cm以上7kN/cm以下である。プレス圧力が0.5kN/cm以上であれば、電極強度を十分に高くできる。他方、プレス圧力が20kN/cm以下であれば、正極前駆体に撓みやシワが生じることがなく、所望の正極活物質層膜厚や嵩密度に調整できる。
また、プレスロール同士の隙間は、所望の正極活物質層の膜厚や嵩密度となるように乾燥後の正極前駆体膜厚に応じて任意の値を設定できる。さらに、プレス速度は正極前駆体に撓みやシワが生じない任意の速度に設定できる。
また、プレス部の表面温度は室温でもよいし、必要によりプレス部を加熱してもよい。加熱する場合のプレス部の表面温度の下限は、使用する結着剤の融点マイナス60℃以上が好ましく、より好ましくは融点マイナス45℃以上、さらに好ましくは融点マイナス30℃以上である。他方、加熱する場合のプレス部の表面温度の上限は、使用する結着剤の融点プラス50℃以下が好ましく、より好ましくは融点プラス30℃以下、さらに好ましくは融点プラス20℃以下である。例えば、結着剤にPVdF(ポリフッ化ビニリデン:融点150℃)を用いた場合、プレス部の表面を90℃以上200℃以下に加温することが好ましく、より好ましく105℃以上180℃以下、さらに好ましくは120℃以上170℃以下に加熱することである。また、結着剤にスチレン−ブタジエン共重合体(融点100℃)を用いた場合、プレス部の表面を40℃以上150℃以下に加温することが好ましく、より好ましくは55℃以上130℃以下、さらに好ましくは70℃以上120℃以下に加温することである。
The press of the positive electrode precursor is not particularly limited, but a press machine such as a hydraulic press machine or a vacuum press machine can be preferably used. The film thickness, bulk density, and electrode strength of the positive electrode active material layer can be adjusted by the press pressure, the gap, and the surface temperature of the press portion, which will be described later.
The press pressure is preferably 0.5 kN / cm or more and 20 kN / cm or less, more preferably 1 kN / cm or more and 10 kN / cm or less, and further preferably 2 kN / cm or more and 7 kN / cm or less. When the press pressure is 0.5 kN / cm or more, the electrode strength can be sufficiently increased. On the other hand, when the press pressure is 20 kN / cm or less, the positive electrode precursor does not bend or wrinkle, and the desired positive electrode active material layer thickness and bulk density can be adjusted.
Further, the gap between the press rolls can be set to an arbitrary value according to the film thickness of the positive electrode precursor after drying so as to have a desired film thickness and bulk density of the positive electrode active material layer. Further, the pressing speed can be set to an arbitrary speed at which the positive electrode precursor does not bend or wrinkle.
Further, the surface temperature of the press portion may be room temperature, or the press portion may be heated if necessary. The lower limit of the surface temperature of the pressed portion at the time of heating is preferably a melting point of minus 60 ° C. or higher, more preferably minus 45 ° C. or higher, and further preferably minus 30 ° C. or higher of the melting point of the binder to be used. On the other hand, the upper limit of the surface temperature of the pressed portion when heating is preferably the melting point of the binder used plus 50 ° C. or lower, more preferably the melting point plus 30 ° C. or lower, and further preferably the melting point plus 20 ° C. or lower. For example, when PVdF (polyvinylidene fluoride: melting point 150 ° C.) is used as the binder, it is preferable to heat the surface of the pressed portion to 90 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 105 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, and further. It is preferably heated to 120 ° C. or higher and 170 ° C. or lower. When a styrene-butadiene copolymer (melting point 100 ° C.) is used as the binder, the surface of the pressed portion is preferably heated to 40 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, more preferably 55 ° C. or higher and 130 ° C. or lower. More preferably, it is heated to 70 ° C. or higher and 120 ° C. or lower.
結着剤の融点は、DSC(Differential Scanning Calorimetry、示差走査熱量分析)の吸熱ピーク位置で求めることができる。例えば、パーキンエルマー社製の示差走査熱量計「DSC7」を用いて、試料樹脂10mgを測定セルにセットし、窒素ガス雰囲気中で、温度30℃から10℃/分の昇温速度で250℃まで昇温し、昇温過程における吸熱ピーク温度が融点となる。
また、プレス圧力、隙間、速度、及びプレス部の表面温度の条件を変えながら複数回プレスを実施してもよい。
The melting point of the binder can be determined from the endothermic peak position of DSC (Differential Scanning Calorimetry, differential scanning calorimetry). For example, using a differential scanning calorimeter "DSC7" manufactured by PerkinElmer, 10 mg of sample resin is set in a measurement cell, and the temperature rises from 30 ° C. to 250 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere. The temperature is raised, and the endothermic peak temperature in the temperature raising process becomes the melting point.
Further, the press may be performed a plurality of times while changing the conditions of the press pressure, the gap, the speed, and the surface temperature of the press portion.
前記正極活物質層の膜厚は、正極集電体の片面当たり20μm以上200μm以下であることが好ましい。前記正極活物質層の膜厚は、より好ましくは片面当たり25μm以上100μm以下であり、更に好ましくは30μm以上80μm以下である。この膜厚が20μm以上であれば、十分な充放電容量を発現することができる。他方、この膜厚が200μm以下であれば、電極内のイオン拡散抵抗を低く維持することができる。そのため、十分な出力特性が得られるとともに、セル体積を縮小することができ、従ってエネルギー密度を高めることができる。上記正極活物質層の膜厚の範囲の上限と下限は、任意に組み合わせることができる。尚、集電体が貫通孔や凹凸を有する場合における正極活物質層の膜厚とは、集電体の貫通孔や凹凸を有していない部分の片面当たりの膜厚の平均値をいう。 The film thickness of the positive electrode active material layer is preferably 20 μm or more and 200 μm or less per one side of the positive electrode current collector. The film thickness of the positive electrode active material layer is more preferably 25 μm or more and 100 μm or less, and further preferably 30 μm or more and 80 μm or less per side surface. When this film thickness is 20 μm or more, a sufficient charge / discharge capacity can be developed. On the other hand, when this film thickness is 200 μm or less, the ion diffusion resistance in the electrode can be kept low. Therefore, sufficient output characteristics can be obtained, the cell volume can be reduced, and therefore the energy density can be increased. The upper and lower limits of the film thickness range of the positive electrode active material layer can be arbitrarily combined. The film thickness of the positive electrode active material layer when the current collector has through holes or irregularities refers to the average value of the film thickness per side of the portion of the current collector that does not have through holes or irregularities.
[正極]
後述のリチウムドープ工程後の正極における正極活物質層の嵩密度は、0.25g/cm3以上であることが好ましく、より好ましくは0.30g/cm3以上1.3g/cm3以下の範囲である。正極活物質層の嵩密度が0.25g/cm3以上であれば、高いエネルギー密度を発現でき、蓄電素子の小型化を達成できる。また、この嵩密度が1.3g/cm3以下であれば、正極活物質層内の空孔における電解液の拡散が十分となり、高い出力特性が得られる。
[Positive electrode]
The bulk density of the positive electrode active material layer in the positive electrode after the lithium doping step described later is preferably 0.25 g / cm 3 or more, more preferably 0.30 g / cm 3 or more and 1.3 g / cm 3 or less. Is. When the bulk density of the positive electrode active material layer is 0.25 g / cm 3 or more, a high energy density can be exhibited and the miniaturization of the power storage element can be achieved. Further, when the bulk density is 1.3 g / cm 3 or less, the electrolytic solution is sufficiently diffused in the pores in the positive electrode active material layer, and high output characteristics can be obtained.
本実施形態の正極活物質層の固体7Li−NMRスペクトルにおいては、繰り返し待ち時間10秒とした測定により得られた−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積をaとし、繰り返し待ち時間3000秒とした測定により得られた−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積をbとしたとき、1.04≦b/a≦5.56であることを特徴とする。前記リチウム量は、好ましくは1.05≦b/a≦3.79、より好ましくは1.09≦b/a≦3.32、さらに好ましくは1.14≦b/a≦2.86、よりさらに好ましくは1.18≦b/a≦1.93である。尚、下限と上限は任意の組み合わせであることができる。 In the solid 7 Li-NMR spectrum of the positive electrode active material layer of the present embodiment, the peak area at -40 ppm to 40 ppm obtained by the measurement with the repeat waiting time of 10 seconds was set to a, and the repeat waiting time was set to 3000 seconds. When the peak area at -40 ppm to 40 ppm obtained is b, 1.04 ≦ b / a ≦ 5.56. The amount of lithium is preferably 1.05 ≦ b / a ≦ 3.79, more preferably 1.09 ≦ b / a ≦ 3.32, still more preferably 1.14 ≦ b / a ≦ 2.86. More preferably, it is 1.18 ≦ b / a ≦ 1.93. The lower limit and the upper limit can be any combination.
前記b/aを特定の範囲に調整することで高い入出力特性を維持しながら、高負荷充放電サイクル特性を向上できる。その原理は明らかではないが次のように推察される。ピーク面積aは主に正極活物質に吸蔵されたリチウムイオンや付着したリチウム含有被膜に由来するピークと考えられ、相対的に正極活物質の量を表していると考えられる。他方、ピーク面積bは、前記ピーク面積aに加え、正極活物質と隔離したリチウム化合物に由来するピークを積算したものと考えられる。すなはち、前記b/aは正極活物質に対する隔離したリチウム化合物の量をあらわしていると考えられる。この正極活物質と隔離したリチウム化合物は、正極活物質間の電子伝導やイオン拡散を阻害することがなく高い入出力特性を保持できる。さらにリチウム化合物が高負荷充放電サイクルで発生するフッ素イオン等の活性生成物を吸着することにより高負荷充放電サイクル特性が向上する。尚、「隔離した」とは、例えば、正極活物質が活性炭粒子の集合体である場合、その内部に、リチウム化合物の粒子が、孤立して分散しているというような状態を意味する。 By adjusting the b / a to a specific range, high load charge / discharge cycle characteristics can be improved while maintaining high input / output characteristics. The principle is not clear, but it is inferred as follows. The peak area a is considered to be a peak mainly derived from lithium ions occluded in the positive electrode active material and the attached lithium-containing film, and is considered to relatively represent the amount of the positive electrode active material. On the other hand, the peak area b is considered to be the sum of the peak area a and the peak derived from the lithium compound isolated from the positive electrode active material. That is, the b / a is considered to represent the amount of the isolated lithium compound with respect to the positive electrode active material. The lithium compound isolated from the positive electrode active material can maintain high input / output characteristics without inhibiting electron conduction and ion diffusion between the positive electrode active materials. Further, the lithium compound adsorbs active products such as fluorine ions generated in the high load charge / discharge cycle, so that the high load charge / discharge cycle characteristics are improved. In addition, "isolated" means, for example, a state in which particles of a lithium compound are isolated and dispersed inside the positive electrode active material when it is an aggregate of activated carbon particles.
前記b/aが1.04以上であれば、正極活物質に対するリチウム化合物の量が十分にあるため、高負荷充放電サイクルで発生するフッ素イオン等の活性生成物をリチウム化合物が吸着することにより高負荷充放電サイクル特性が向上する。他方、このb/aが5.56以下であれば、リチウム化合物が正極活物質間の電子伝導やイオン拡散を阻害することがなく高い入出力特性を保持できる。 When the b / a is 1.04 or more, the amount of the lithium compound with respect to the positive electrode active material is sufficient, so that the lithium compound adsorbs active products such as fluorine ions generated in the high load charge / discharge cycle. High load charge / discharge cycle characteristics are improved. On the other hand, when this b / a is 5.56 or less, the lithium compound can maintain high input / output characteristics without inhibiting electron conduction and ion diffusion between the positive electrode active materials.
本明細書中、正極活物質層の固体7Li−NMRスペクトルにおける、繰り返し待ち時間10秒とした場合の−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積aと、繰り返し待ち時間3000秒とした場合の−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積bとの面積比b/aは、以下の方法により算出することができる。
固体7Li−NMRの測定装置としては、市販の装置を用いることができる。室温環境下において、マジックアングルスピニングの回転数を14.5kHzとし、照射パルス幅を45°パルスとして、シングルパルス法にて測定する。繰り返し待ち時間を10秒とした場合と3000秒とした場合のそれぞれについて測定を行い、固体7Li−NMRスペクトルを得る。固体7Li−NMRスペクトルの取得にあたっては繰り返し待ち時間以外の測定条件、すなわち積算回数やレシーバーゲインなどをすべて同一とする。シフト基準として1mol/L塩化リチウム水溶液を用い、外部標準として別途測定したそのシフト位置を0ppmとする。塩化リチウム水溶液測定時には試料を回転させず、照射パルス幅を45°パルスとして、シングルパルス法にて測定する。
上記の方法によって得られる正極活物質層の固体7Li−NMRスペクトルから−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積a、bをそれぞれ取得し、b/aを算出する。
In the present specification, in the solid 7 Li-NMR spectrum of the positive electrode active material layer, the peak area a at -40 ppm to 40 ppm when the repetition time is 10 seconds and -40 ppm to 40 ppm when the repetition time is 3000 seconds. The area ratio b / a to the peak area b in is calculated by the following method.
As a solid 7 Li-NMR measuring device, a commercially available device can be used. In a room temperature environment, the rotation speed of the magic angle spinning is 14.5 kHz, the irradiation pulse width is 45 ° pulse, and the measurement is performed by the single pulse method. Measurements are performed for each of the cases where the repetition time is set to 10 seconds and 3000 seconds, and a solid 7 Li-NMR spectrum is obtained. When acquiring the solid 7 Li-NMR spectrum, the measurement conditions other than the repetition waiting time, that is, the number of integrations, the receiver gain, and the like are all the same. A 1 mol / L lithium chloride aqueous solution is used as a shift reference, and the shift position measured separately as an external standard is 0 ppm. When measuring the lithium chloride aqueous solution, the sample is not rotated, the irradiation pulse width is set to 45 ° pulse, and the measurement is performed by the single pulse method.
The peak areas a and b at -40 ppm to 40 ppm are obtained from the solid 7 Li-NMR spectrum of the positive electrode active material layer obtained by the above method, and b / a is calculated.
[負極]
負極は、負極集電体と、その片面又は両面に存在する負極活物質層とを有する。
[Negative electrode]
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer existing on one side or both sides thereof.
[負極活物質層]
負極活物質層は、リチウムイオンを吸蔵・放出できる負極活物質を含む。これ以外に、必要に応じて、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material that can occlude and release lithium ions. In addition to this, if necessary, an optional component such as a conductive filler, a binder, and a dispersion stabilizer may be contained.
[負極活物質]
前記負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能な物質を用いることができる。具体的には、炭素材料、チタン酸化物、ケイ素、ケイ素酸化物、ケイ素合金、ケイ素化合物、錫及び錫化合物等が例示される。好ましくは該負極活物質の総量に対する該炭素材料の含有率が50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上である。該炭素材料の含有率が100質量%であることができるが、他の材料の併用による効果を良好に得る観点から、例えば、90質量%以下であることが好ましく、80質量%以下であってもよい。
[Negative electrode active material]
As the negative electrode active material, a substance capable of storing and releasing lithium ions can be used. Specific examples thereof include carbon materials, titanium oxides, silicon, silicon oxides, silicon alloys, silicon compounds, tin and tin compounds. The content of the carbon material with respect to the total amount of the negative electrode active material is preferably 50% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more. The content of the carbon material can be 100% by mass, but from the viewpoint of obtaining a good effect by the combined use of other materials, for example, it is preferably 90% by mass or less, and 80% by mass or less. May be good.
負極活物質には、リチウムイオンをドープすることが好ましい。本明細書において、負極活物質にドープされたリチウムイオンとしては、主に3つの形態が包含される。
第一の形態としては、非水系リチウム型蓄電素子を作製する前に、負極活物質に設計値として予め吸蔵させるリチウムイオンである。
第二の形態としては、非水系リチウム型蓄電素子を作製し、出荷する際の負極活物質に吸蔵されているリチウムイオンである。
第三の形態としては、非水系リチウム型蓄電素子をデバイスとして使用した後の負極活物質に吸蔵されているリチウムイオンである。
負極活物質にリチウムイオンをドープしておくことにより、得られる非水系リチウム型蓄電素子の容量及び作動電圧を良好に制御することが可能となる。
The negative electrode active material is preferably doped with lithium ions. In the present specification, the lithium ions doped in the negative electrode active material mainly include three forms.
The first form is lithium ions that are occluded in advance as a design value in the negative electrode active material before the non-aqueous lithium-type power storage element is manufactured.
The second form is lithium ions occluded in the negative electrode active material when a non-aqueous lithium-type power storage element is manufactured and shipped.
The third form is lithium ions occluded in the negative electrode active material after using the non-aqueous lithium-type power storage element as a device.
By doping the negative electrode active material with lithium ions, it is possible to satisfactorily control the capacity and operating voltage of the obtained non-aqueous lithium-type power storage element.
前記炭素材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素材料;易黒鉛化性炭素材料;カーボンブラック;カーボンナノ粒子;活性炭;人造黒鉛;天然黒鉛;黒鉛化メソフェーズカーボン小球体;黒鉛ウイスカ;ポリアセン系物質等のアモルファス炭素質材料;石油系のピッチ、石炭系のピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、コークス、合成樹脂(例えばフェノール樹脂等)等の炭素質材料前駆体を熱処理して得られる炭素質材料;フルフリルアルコール樹脂又はノボラック樹脂の熱分解物;フラーレン;カーボンナノフォーン;及びこれらの複合炭素材料を挙げることができる。 Examples of the carbon material include non-graphitizable carbon materials; easily graphitizable carbon materials; carbon black; carbon nanoparticles; activated carbon; artificial graphite; natural graphite; graphitized mesophase carbon globules; graphite whiskers; polyacene-based substances. Amorphous carbonaceous materials such as; petroleum-based pitches, coal-based pitches, carbonaceous materials such as mesocarbon microbeads, coke, synthetic resins (eg, phenolic resins, etc.) Carbonated materials obtained by heat treatment of precursors; full Thermal decomposition products of frill alcohol resin or novolak resin; fullerene; carbon nanophones; and composite carbon materials thereof can be mentioned.
これらの中でも負極の抵抗を下げる観点から、前記炭素材料1種以上(以下、基材ともいう。)と前記炭素質材料前駆体とを共存させた状態で熱処理を行い、該基材と該炭素質材料前駆体由来の炭素質材料とを複合させた複合炭素材料が好ましい。該炭素質材料前駆体としては、熱処理により該炭素質材料となるものであれば特に制限はないが、石油系のピッチ又は石炭系のピッチが特に好ましい。熱処理を行う前に、該炭素質材料前駆体の融点より高い温度において、該基材と該炭素質材料前駆体とを混合してもよい。熱処理温度は、使用する該炭素質材料前駆体が揮発又は熱分解して発生する成分が該炭素質材料となる温度であればよいが、好ましくは400℃以上2500℃以下、より好ましくは500℃以上2000℃以下、さらに好ましくは550℃以上1500℃以下である。熱処理を行う雰囲気は特に制限はないが、非酸化性雰囲気が好ましい。 Among these, from the viewpoint of lowering the resistance of the negative electrode, heat treatment is performed in a state where one or more of the carbon materials (hereinafter, also referred to as a base material) and the carbonaceous material precursor coexist, and the base material and the carbon are coexisted. A composite carbon material in which a carbon material derived from a quality material precursor is compounded is preferable. The carbonaceous material precursor is not particularly limited as long as it becomes the carbonaceous material by heat treatment, but a petroleum-based pitch or a coal-based pitch is particularly preferable. The base material and the carbonaceous material precursor may be mixed at a temperature higher than the melting point of the carbonaceous material precursor before the heat treatment. The heat treatment temperature may be any temperature as long as the component generated by volatilization or thermal decomposition of the carbonaceous material precursor used becomes the carbonaceous material, but is preferably 400 ° C. or higher and 2500 ° C. or lower, more preferably 500 ° C. It is 2000 ° C. or lower, more preferably 550 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. The atmosphere in which the heat treatment is performed is not particularly limited, but a non-oxidizing atmosphere is preferable.
前記複合炭素材料の好ましい例は、後述の複合炭素材料1及び2である。これらの内どちらかを選択して使用してもよく、又はこれらの双方を併用してもよい。 Preferred examples of the composite carbon material are composite carbon materials 1 and 2 described later. Either of these may be selected and used, or both of them may be used in combination.
[複合炭素材料1]
複合炭素材料1は、BET比表面積が100m2/g以上3000m2/g以下の炭素材料1種以上を該基材として用いた該複合炭素材料である。該基材は、特に制限されるものではないが、活性炭やカーボンブラック、鋳型多孔質炭素、高比表面積黒鉛、カーボンナノ粒子等を好適に用いることができる。
[Composite carbon material 1]
The composite carbon material 1 is the composite carbon material using one or more carbon materials having a BET specific surface area of 100 m 2 / g or more and 3000 m 2 / g or less as the base material. The base material is not particularly limited, but activated carbon, carbon black, template porous carbon, high specific surface area graphite, carbon nanoparticles and the like can be preferably used.
複合炭素材料1のBET比表面積は、100m2/g以上1,500m2/g以下が好ましく、より好ましくは150m2/g以上1,100m2/g以下、さらに好ましくは180m2/g以上550m2/g以下である。このBET比表面積が100m2/g以上であれば、細孔を適度に保持することができリチウムイオンの拡散が良好となるため、高い入出力特性を示すことが出来る。他方、1,500m2/g以下であることにより、リチウムイオンの充放電効率が向上するため、サイクル耐久性が損なわれることがない。 The BET specific surface area of the composite carbon material 1 is preferably 100 m 2 / g or more and 1,500 m 2 / g or less, more preferably 150 m 2 / g or more and 1,100 m 2 / g or less, and further preferably 180 m 2 / g or more and 550 m. It is 2 / g or less. When the BET specific surface area is 100 m 2 / g or more, the pores can be appropriately retained and the diffusion of lithium ions becomes good, so that high input / output characteristics can be exhibited. On the other hand, when it is 1,500 m 2 / g or less, the charge / discharge efficiency of lithium ions is improved, so that the cycle durability is not impaired.
複合炭素材料1における該炭素質材料の該基材に対する質量比率は10質量%以上200質量%以下が好ましく、より好ましくは12質量%以上180質量%以下、さらに好ましくは15質量%以上160質量%以下、特に好ましくは18質量%以上150質量%以下である。炭素質材料の質量比率が10質量%以上であれば、該基材が有していたマイクロ孔を該炭素質材料で適度に埋めることができ、リチウムイオンの充放電効率が向上するため、良好なサイクル耐久性を示すことができる。また、炭素質材料の質量比率が200質量%以下であれば、細孔を適度に保持することができリチウムイオンの拡散が良好となるため、高い入出力特性を示すことができる。 The mass ratio of the carbonaceous material to the base material in the composite carbon material 1 is preferably 10% by mass or more and 200% by mass or less, more preferably 12% by mass or more and 180% by mass or less, and further preferably 15% by mass or more and 160% by mass. Hereinafter, it is particularly preferably 18% by mass or more and 150% by mass or less. When the mass ratio of the carbonaceous material is 10% by mass or more, the micropores of the base material can be appropriately filled with the carbonaceous material, and the charge / discharge efficiency of lithium ions is improved, which is good. Cycle durability can be shown. Further, when the mass ratio of the carbonaceous material is 200% by mass or less, the pores can be appropriately retained and the diffusion of lithium ions becomes good, so that high input / output characteristics can be exhibited.
複合炭素材料1の単位質量当たりのリチウムイオンのドープ量は、530mAh/g以上2,500mAh/g以下であることが好ましく、より好ましくは620mAh/g以上2,100mAh/g以下、さらに好ましくは760mAh/g以上1,700mAh/g以下、特に好ましくは840mAh/g以上1,500mAh/g以下である。
リチウムイオンをドープすることにより、負極電位が低くなる。従って、リチウムイオンがドープされた複合炭素材料1を含む負極を正極と組み合わせた場合には、非水系リチウム型蓄電素子の電圧が高くなるとともに、正極の利用容量が大きくなるため、得られる非水系リチウム型蓄電素子の容量及びエネルギー密度が高くなる。
該ドープ量が530mAh/g以上であれば、複合炭素材料1におけるリチウムイオンを一旦挿入したら脱離し得ない不可逆なサイトにもリチウムイオンが良好にドープされ、更に所望のリチウム量に対する複合炭素材料1の量を低減することができるため、負極膜厚を薄くすることが可能となり、高いエネルギー密度が得られる。ドープ量が多いほど負極電位が下がり、入出力特性、エネルギー密度、及び耐久性は向上する。
他方、ドープ量が2,500mAh/g以下であれば、リチウム金属の析出等の副作用が発生するおそれがない。
The doping amount of lithium ions per unit mass of the composite carbon material 1 is preferably 530 mAh / g or more and 2,500 mAh / g or less, more preferably 620 mAh / g or more and 2,100 mAh / g or less, still more preferably 760 mAh. It is / g or more and 1,700 mAh / g or less, particularly preferably 840 mAh / g or more and 1,500 mAh / g or less.
By doping with lithium ions, the negative electrode potential is lowered. Therefore, when the negative electrode containing the lithium ion-doped composite carbon material 1 is combined with the positive electrode, the voltage of the non-aqueous lithium storage element increases and the utilization capacity of the positive electrode increases, so that the obtained non-aqueous system is obtained. The capacity and energy density of the lithium-type power storage element are increased.
When the doping amount is 530 mAh / g or more, the lithium ions are well doped in the irreversible sites that cannot be desorbed once the lithium ions in the composite carbon material 1 are inserted, and the composite carbon material 1 with respect to the desired lithium amount is further doped. Since the amount of the negative electrode can be reduced, the thickness of the negative electrode can be reduced, and a high energy density can be obtained. As the amount of doping increases, the negative electrode potential decreases, and the input / output characteristics, energy density, and durability improve.
On the other hand, when the doping amount is 2,500 mAh / g or less, there is no possibility that side effects such as precipitation of lithium metal will occur.
以下、複合炭素材料1の好ましい例として、該基材として活性炭を用いた複合炭素材料1aについて説明する。
複合炭素材料1aは、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をVm1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をVm2(cc/g)とするとき、0.010≦Vm1≦0.300、0.001≦Vm2≦0.650であることが好ましい。
メソ孔量Vm1は、より好ましくは0.010≦Vm1≦0.225、さらに好ましくは0.010≦Vm1≦0.200である。マイクロ孔量Vm2は、より好ましくは0.001≦Vm2≦0.200、更に好ましくは0.001≦Vm2≦0.150、特に好ましくは0.001≦Vm2≦0.100である。
Hereinafter, as a preferable example of the composite carbon material 1, the composite carbon material 1a using activated carbon as the base material will be described.
The composite carbon material 1a has a mesopore amount of Vm1 (cc / g) derived from pores having a diameter of 20 Å or more and 500 Å or less calculated by the BJH method, and a micropore amount derived from pores having a diameter of less than 20 Å calculated by the MP method. When Vm2 (cc / g), 0.010 ≦ Vm1 ≦ 0.300 and 0.001 ≦ Vm2 ≦ 0.650 are preferable.
The mesopore amount Vm1 is more preferably 0.010 ≦ Vm1 ≦ 0.225, and further preferably 0.010 ≦ Vm1 ≦ 0.200. The micropore amount Vm2 is more preferably 0.001 ≦ Vm2 ≦ 0.200, further preferably 0.001 ≦ Vm2 ≦ 0.150, and particularly preferably 0.001 ≦ Vm2 ≦ 0.100.
メソ孔量Vm1が0.300cc/g以下であれば、BET比表面積を大きくすることができ、リチウムイオンのドープ量を高めることができることに加え、負極の嵩密度を高めることができる。その結果、負極を薄膜化することができる。また、マイクロ孔量Vm2が0.650cc/g以下であれば、リチウムイオンに対する高い充放電効率が維持できる。他方、メソ孔量Vm1及びマイクロ孔量Vm2が下限以上(0.010≦Vm1、0.001≦Vm2)であれば、高い入出力特性が得られる。 When the mesopore amount Vm1 is 0.300 cc / g or less, the BET specific surface area can be increased, the amount of lithium ion doped can be increased, and the bulk density of the negative electrode can be increased. As a result, the negative electrode can be thinned. Further, when the micropore amount Vm2 is 0.650 cc / g or less, high charge / discharge efficiency for lithium ions can be maintained. On the other hand, when the mesopore amount Vm1 and the micropore amount Vm2 are equal to or higher than the lower limit (0.010 ≦ Vm1, 0.001 ≦ Vm2), high input / output characteristics can be obtained.
複合炭素材料1aのBET比表面積は、100m2/g以上1,500m2/g以下が好ましく、より好ましくは150m2/g以上1,100m2/g以下、さらに好ましくは180m2/g以上550m2/g以下である。このBET比表面積が100m2/g以上であれば、細孔を適度に保持することができるため、リチウムイオンの拡散が良好となるため、高い入出力特性を示すことができる。また、リチウムイオンのドープ量を高めることができるため、負極を薄膜化することができる。他方、1,500m2/g以下であることにより、リチウムイオンの充放電効率が向上するので、サイクル耐久性が損なわれることがない。 The BET specific surface area of the composite carbon material 1a is preferably 100 m 2 / g or more and 1,500 m 2 / g or less, more preferably 150 m 2 / g or more and 1,100 m 2 / g or less, and further preferably 180 m 2 / g or more and 550 m. It is 2 / g or less. When the BET specific surface area is 100 m 2 / g or more, the pores can be appropriately retained, and the diffusion of lithium ions becomes good, so that high input / output characteristics can be exhibited. Moreover, since the doping amount of lithium ions can be increased, the negative electrode can be thinned. On the other hand, when it is 1,500 m 2 / g or less, the charge / discharge efficiency of lithium ions is improved, so that the cycle durability is not impaired.
複合炭素材料1aの平均細孔径は、高い入出力特性にする点から、20Å以上であることが好ましく、25Å以上であることがより好ましく、30Å以上であることがさらに好ましい。他方、高エネルギー密度にする点から、平均細孔径は、65Å以下であることが好ましく、60Å以下であることがより好ましい。 The average pore diameter of the composite carbon material 1a is preferably 20 Å or more, more preferably 25 Å or more, and even more preferably 30 Å or more, from the viewpoint of obtaining high input / output characteristics. On the other hand, from the viewpoint of increasing the energy density, the average pore diameter is preferably 65 Å or less, and more preferably 60 Å or less.
複合炭素材料1aの平均粒子径は1μm以上10μm以下であることが好ましい。下限については、より好ましくは2μm以上であり、更に好ましくは2.5μm以上である。上限については、より好ましくは6μm以下であり、更に好ましくは4μm以下である。平均粒子径が1μm以上10μm以下であれば良好な耐久性が保たれる。 The average particle size of the composite carbon material 1a is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. The lower limit is more preferably 2 μm or more, still more preferably 2.5 μm or more. The upper limit is more preferably 6 μm or less, still more preferably 4 μm or less. Good durability is maintained when the average particle size is 1 μm or more and 10 μm or less.
複合炭素材料1aの水素原子/炭素原子の原子数比(H/C)は、0.05以上0.35以下であることが好ましく、0.05以上0.15以下であることが、より好ましい。H/Cが0.35以下である場合には、活性炭表面に被着している炭素質材料の構造(典型的には、多環芳香族系共役構造)が良好に発達して容量(エネルギー密度)及び充放電効率が高くなる。他方、H/Cが0.05以上である場合には、炭素化が過度に進行することはないため良好なエネルギー密度が得られる。尚、H/Cは元素分析装置により測定される。 The atomic number ratio (H / C) of hydrogen atom / carbon atom of the composite carbon material 1a is preferably 0.05 or more and 0.35 or less, and more preferably 0.05 or more and 0.15 or less. .. When the H / C is 0.35 or less, the structure of the carbonaceous material adhered to the surface of the activated carbon (typically, the polycyclic aromatic conjugated structure) is well developed and the capacity (energy). Density) and charge / discharge efficiency increase. On the other hand, when the H / C is 0.05 or more, carbonization does not proceed excessively, so that a good energy density can be obtained. H / C is measured by an elemental analyzer.
複合炭素材料1aは、前記基材の活性炭に由来するアモルファス構造を有するが、同時に、主に被着した炭素質材料に由来する結晶構造を有する。X線広角回折法によると、該複合炭素材料1aは、(002)面の面間隔d002が3.60Å以上4.00Å以下であり、このピークの半価幅から得られるc軸方向の結晶子サイズLcが8.0Å以上20.0Å以下であるものが好ましく、d002が3.60Å以上3.75Å以下であり、このピークの半価幅から得られるc軸方向の結晶子サイズLcが11.0Å以上16.0Å以下であるものがより好ましい。 The composite carbon material 1a has an amorphous structure derived from the activated carbon of the base material, and at the same time, has a crystal structure mainly derived from the adhered carbonaceous material. According to the X-ray wide-angle diffraction method, the composite carbon material 1a has a (002) plane spacing d002 of 3.60 Å or more and 4.00 Å or less, and crystallites in the c-axis direction obtained from the half-value width of this peak. The size Lc is preferably 8.0 Å or more and 20.0 Å or less, d002 is 3.60 Å or more and 3.75 Å or less, and the crystallite size Lc in the c-axis direction obtained from the half-value range of this peak is 11. More preferably, it is 0Å or more and 16.0Å or less.
上記の複合炭素材料1aの該基材として用いる前記活性炭としては、得られる複合炭素材料1aが所望の特性を発揮する限り、特に制限はない。例えば、石油系、石炭系、植物系、高分子系等の各種の原材料から得られた市販品を使用することができる。特に、平均粒子径が1μm以上15μm以下の活性炭粉末を用いることが好ましい。該平均粒子径は、より好ましくは2μm以上10μm以下である。 The activated carbon used as the base material of the composite carbon material 1a is not particularly limited as long as the obtained composite carbon material 1a exhibits desired properties. For example, commercially available products obtained from various raw materials such as petroleum-based, coal-based, plant-based, and polymer-based can be used. In particular, it is preferable to use activated carbon powder having an average particle size of 1 μm or more and 15 μm or less. The average particle size is more preferably 2 μm or more and 10 μm or less.
本実施形態において規定する細孔分布範囲を有する複合炭素材料1aを得るためには、該基材に用いる活性炭の細孔分布が重要である。
該活性炭においては、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をV1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をV2(cc/g)としたとき、0.050≦V1≦0.500、0.005≦V2≦1.000、かつ、0.2≦V1/V2≦20.0であることが好ましい。
In order to obtain the composite carbon material 1a having the pore distribution range specified in the present embodiment, the pore distribution of the activated carbon used for the base material is important.
In the activated carbon, the amount of mesopores derived from pores having a diameter of 20Å or more and 500Å or less calculated by the BJH method is V1 (cc / g), and the amount of micropores derived from pores having a diameter of less than 20Å calculated by the MP method. When V2 (cc / g) is set, it is preferable that 0.050 ≦ V1 ≦ 0.500, 0.005 ≦ V2 ≦ 1.000, and 0.2 ≦ V1 / V2 ≦ 20.0.
メソ孔量V1については、0.050≦V1≦0.350がより好ましく、0.100≦V1≦0.300が更に好ましい。マイクロ孔量V2については、0.005≦V2≦0.850がより好ましく、0.100≦V2≦0.800が更に好ましい。メソ孔量/マイクロ孔量の比率については、0.22≦V1/V2≦15.0がより好ましく、0.25≦V1/V2≦10.0が更に好ましい。活性炭のメソ孔量V1が0.500以下である場合及びマイクロ孔量V2が1.000以下である場合、上記本実施形態における複合炭素材料1aの細孔構造を得るためには適量の炭素質材料を被着させれば足りるので、細孔構造を制御し易くなる。他方、活性炭のメソ孔量V1が0.050以上である場合及びマイクロ孔量V2が0.005以上である場合、V1/V2が0.2以上である場合、及びV1/V2が20.0以下である場合にも構造が容易に得られる。 Regarding the mesopore amount V1, 0.050 ≦ V1 ≦ 0.350 is more preferable, and 0.100 ≦ V1 ≦ 0.300 is even more preferable. Regarding the micropore amount V2, 0.005 ≦ V2 ≦ 0.850 is more preferable, and 0.100 ≦ V2 ≦ 0.800 is even more preferable. Regarding the ratio of mesopore amount / micropore amount, 0.22 ≦ V1 / V2 ≦ 15.0 is more preferable, and 0.25 ≦ V1 / V2 ≦ 10.0 is even more preferable. When the mesopore amount V1 of the activated carbon is 0.500 or less and the micropore amount V2 is 1.000 or less, an appropriate amount of carbonaceous material is used to obtain the pore structure of the composite carbon material 1a in the present embodiment. Since it is sufficient to adhere the material, it becomes easy to control the pore structure. On the other hand, when the mesopore amount V1 of the activated carbon is 0.050 or more, the micropore amount V2 is 0.005 or more, V1 / V2 is 0.2 or more, and V1 / V2 is 20.0. The structure can be easily obtained even in the following cases.
上記の複合炭素材料1aの原料として用いる炭素質材料前駆体とは、熱処理することにより、活性炭に炭素質材料を被着させることができる、固体、液体、又は溶剤に溶解可能な有機材料である。この炭素質材料前駆体としては、例えば、ピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、コークス、合成樹脂(例えばフェノール樹脂等)等を挙げることができる。これらの炭素質材料前駆体の中でも、安価であるピッチを用いることが、製造コスト上好ましい。ピッチは、大別して石油系ピッチと石炭系ピッチとに分けられる。石油系ピッチとしては、例えば原油の蒸留残査、流動性接触分解残査(デカントオイル等)、サーマルクラッカーに由来するボトム油、ナフサクラッキングの際に得られるエチレンタール等が例示される。 The carbonaceous material precursor used as the raw material of the composite carbon material 1a is a solid, liquid, or solvent-soluble organic material capable of adhering the carbonaceous material to the activated carbon by heat treatment. .. Examples of the carbonaceous material precursor include pitch, mesocarbon microbeads, coke, synthetic resin (for example, phenol resin, etc.) and the like. Among these carbonaceous material precursors, it is preferable to use an inexpensive pitch in terms of manufacturing cost. The pitch is roughly divided into petroleum-based pitch and coal-based pitch. Examples of petroleum-based pitches include distillation residue of crude oil, fluid contact decomposition residue (decant oil, etc.), bottom oil derived from thermal crackers, ethylene tar obtained during naphtha cracking, and the like.
上記ピッチを用いる場合、該ピッチを活性炭との共存下で熱処理し、活性炭の表面においてピッチの揮発成分又は熱分解成分を熱反応させて該活性炭に炭素質材料を被着させることにより、複合炭素材料1aが得られる。この場合、200〜500℃程度の温度において、ピッチの揮発成分又は熱分解成分の活性炭細孔内への被着が進行し、400℃以上で該被着成分が炭素質材料となる反応が進行する。熱処理時のピーク温度(最高到達温度)は、得られる複合炭素材料1aの特性、熱反応パターン、熱反応雰囲気等により適宜決定されるものであるが、400℃以上であることが好ましく、より好ましくは450℃〜1,000℃であり、さらに好ましくは500〜800℃程度である。また、熱処理時のピーク温度を維持する時間は、30分間〜10時間であることが好ましく、より好ましくは1時間〜7時間、更に好ましくは2時間〜5時間である。例えば、500〜800℃程度のピーク温度で2時間〜5時間に亘って熱処理する場合、活性炭表面に被着している炭素質材料は多環芳香族系炭化水素になっているものと考えられる。 When the above pitch is used, the pitch is heat-treated in the coexistence with the activated carbon, and the volatile component or the pyrolysis component of the pitch is thermally reacted on the surface of the activated carbon to coat the activated carbon with a carbonaceous material. Material 1a is obtained. In this case, the adhesion of the volatile component or the pyrolysis component of the pitch into the activated carbon pores proceeds at a temperature of about 200 to 500 ° C., and the reaction in which the adhered component becomes a carbonaceous material proceeds at 400 ° C. or higher. To do. The peak temperature (maximum temperature reached) during the heat treatment is appropriately determined depending on the characteristics of the obtained composite carbon material 1a, the thermal reaction pattern, the thermal reaction atmosphere, etc., but is preferably 400 ° C. or higher, more preferably 400 ° C. or higher. Is 450 ° C. to 1,000 ° C., more preferably about 500 to 800 ° C. The time for maintaining the peak temperature during the heat treatment is preferably 30 minutes to 10 hours, more preferably 1 hour to 7 hours, and further preferably 2 hours to 5 hours. For example, when heat-treating at a peak temperature of about 500 to 800 ° C. for 2 hours to 5 hours, it is considered that the carbonaceous material adhered to the surface of the activated carbon is a polycyclic aromatic hydrocarbon. ..
また、用いるピッチの軟化点は、30℃以上250℃以下が好ましく、60℃以上130℃以下が更に好ましい。軟化点が30℃以上であるピッチはハンドリング性に支障がなく、精度よく仕込むことが可能である。軟化点が250℃以下であるピッチには比較的低分子の化合物を多く含有し、従って該ピッチを用いると、活性炭内の細かい細孔まで被着することが可能となる。
上記の複合炭素材料1aを製造するための具体的方法としては、例えば、炭素質材料前駆体から揮発した炭化水素ガスを含む不活性雰囲気中で活性炭を熱処理し、気相で炭素質材料を被着させる方法が挙げられる。また、活性炭と炭素質材料前駆体とを予め混合し熱処理する方法、又は溶媒に溶解させた炭素質材料前駆体を活性炭に塗布して乾燥させた後に熱処理する方法も可能である。
The softening point of the pitch used is preferably 30 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, and more preferably 60 ° C. or higher and 130 ° C. or lower. A pitch having a softening point of 30 ° C. or higher does not hinder handleability and can be charged with high accuracy. A pitch having a softening point of 250 ° C. or lower contains a large amount of a relatively low molecular weight compound. Therefore, when the pitch is used, even fine pores in the activated carbon can be adhered.
As a specific method for producing the above-mentioned composite carbon material 1a, for example, the activated carbon is heat-treated in an inert atmosphere containing a hydrocarbon gas volatilized from the carbonaceous material precursor, and the carbonaceous material is covered with a vapor phase. There is a method of dressing. Further, a method in which the activated carbon and the carbonaceous material precursor are mixed in advance and heat-treated, or a method in which the carbonic material precursor dissolved in a solvent is applied to the activated carbon, dried, and then heat-treated is also possible.
複合炭素材料1aにおける該炭素質材料の該活性炭に対する質量比率が10質量%以上100質量%以下であるものが好ましく、より好ましくは15質量%以上80質量%以下でありである。炭素質材料の質量比率が10質量%以上であれば、該活性炭が有していたマイクロ孔を該炭素質材料で適度に埋めることができ、リチウムイオンの充放電効率が向上するから、サイクル耐久性が損なわれることがない。また、炭素質材料の質量比率が100質量%以下であれば、複合炭素材料1aの細孔が適度に保持されて比表面積が大きいまま維持されるため、リチウムイオンのドープ量を高めることができる結果から、負極を薄膜化しても高出力密度かつ高耐久性を維持することができる。 The mass ratio of the carbonaceous material to the activated carbon in the composite carbon material 1a is preferably 10% by mass or more and 100% by mass or less, and more preferably 15% by mass or more and 80% by mass or less. When the mass ratio of the carbonaceous material is 10% by mass or more, the micropores of the activated carbon can be appropriately filled with the carbonic material, and the charge / discharge efficiency of lithium ions is improved, so that the cycle durability is improved. The sex is not impaired. Further, when the mass ratio of the carbonaceous material is 100% by mass or less, the pores of the composite carbon material 1a are appropriately retained and the specific surface area is maintained large, so that the doping amount of lithium ions can be increased. From the results, it is possible to maintain high output density and high durability even if the negative electrode is thinned.
[複合炭素材料2]
複合炭素材料2は、BET比表面積が0.5m2/g以上80m2/g以下の炭素材料1種以上を前記基材として用いた前記複合炭素材料である。該基材は、特に制限されるものではないが、天然黒鉛、人造黒鉛、低結晶黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボン、カーボンブラック等を好適に用いることができる。
[Composite carbon material 2]
The composite carbon material 2 is the composite carbon material using one or more carbon materials having a BET specific surface area of 0.5 m 2 / g or more and 80 m 2 / g or less as the base material. The base material is not particularly limited, but natural graphite, artificial graphite, low crystal graphite, hard carbon, soft carbon, carbon black and the like can be preferably used.
複合炭素材料2のBET比表面積は、1m2/g以上50m2/g以下が好ましく、より好ましくは1.5m2/g以上40m2/g以下、さらに好ましくは2m2/g以上25m2/g以下である。このBET比表面積が1m2/g以上であれば、リチウムイオンとの反応場を十分に確保できるため、高い入出力特性を示すことができる。他方、50m2/g以下であれば、リチウムイオンの充放電効率が向上し、かつ充放電中の非水系電解液の分解反応が抑制されるため、高いサイクル耐久性を示すことができる。 BET specific surface area of the composite carbon material 2, 1 m 2 / g or more 50 m 2 / g or less, more preferably 1.5 m 2 / g or more 40 m 2 / g or less, more preferably 2m 2 / g or more 25 m 2 / It is less than or equal to g. When the BET specific surface area is 1 m 2 / g or more, a sufficient reaction field with lithium ions can be secured, so that high input / output characteristics can be exhibited. On the other hand, when it is 50 m 2 / g or less, the charge / discharge efficiency of lithium ions is improved and the decomposition reaction of the non-aqueous electrolyte solution during charge / discharge is suppressed, so that high cycle durability can be exhibited.
複合炭素材料2の平均粒子径は1μm以上10μm以下であることが好ましい。この平均粒子径は、より好ましくは2μm以上8μm以下、さらに好ましくは3μm以上6μm以下である。平均粒子径が1μm以上であれば、リチウムイオンの充放電効率が向上できるため、高いサイクル耐久性を示すことができる。他方、10μm以下であれば、複合炭素材料2と非水系電解液との反応面積が増加するため、高い入出力特性を示すことができる。 The average particle size of the composite carbon material 2 is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. The average particle size is more preferably 2 μm or more and 8 μm or less, and further preferably 3 μm or more and 6 μm or less. When the average particle size is 1 μm or more, the charge / discharge efficiency of lithium ions can be improved, so that high cycle durability can be exhibited. On the other hand, if it is 10 μm or less, the reaction area between the composite carbon material 2 and the non-aqueous electrolytic solution increases, so that high input / output characteristics can be exhibited.
複合炭素材料2における該炭素質材料の該基材に対する質量比率は1質量%以上30質量%以下が好ましく、より好ましくは1.2質量%以上25質量%以下、さらに好ましくは1.5質量%以上20質量%以下である。炭素質材料の質量比率が質量1%以上であれば、該炭素質材料によりリチウムイオンとの反応サイトを十分に増加でき、かつリチウムイオンの脱溶媒和も容易となるため、高い入出力特性を示すことができる。他方、炭素質材料の質量比率が20質量%以下であれば、該炭素質材料と該基材との間のリチウムイオンの固体内拡散を良好に保持できるため、高い入出力特性を示すことができる。また、リチウムイオンの充放電効率が向上出来るため、高いサイクル耐久性を示すことができる。 The mass ratio of the carbonaceous material to the base material in the composite carbon material 2 is preferably 1% by mass or more and 30% by mass or less, more preferably 1.2% by mass or more and 25% by mass or less, and further preferably 1.5% by mass. It is 20% by mass or less. When the mass ratio of the carbonaceous material is 1% or more by mass, the carbonaceous material can sufficiently increase the reaction sites with lithium ions, and the desolvation of lithium ions becomes easy, so that high input / output characteristics can be obtained. Can be shown. On the other hand, when the mass ratio of the carbonaceous material is 20% by mass or less, the diffusion of lithium ions between the carbonaceous material and the base material in the solid can be well maintained, so that high input / output characteristics can be exhibited. it can. Moreover, since the charge / discharge efficiency of lithium ions can be improved, high cycle durability can be exhibited.
複合炭素材料2の単位質量当たりのリチウムイオンのドープ量は、50mAh/g以上700mAh/g以下であることが好ましく、より好ましくは70mAh/g以上650mAh/g以下、さらに好ましくは90mAh/g以上600mAh/g以下、特に好ましくは100mAh/g以上550mAh/g以下である。
リチウムイオンをドープすることにより、負極電位が低くなる。従って、リチウムイオンがドープされた複合炭素材料2を含む負極を正極と組み合わせた場合には、非水系リチウム型蓄電素子の電圧が高くなるとともに、正極の利用容量が大きくなる。そのため、得られる非水系リチウム型蓄電素子の容量及びエネルギー密度が高くなる。
該ドープ量が50mAh/g以上であれば、複合炭素材料2におけるリチウムイオンを一旦挿入したら脱離し得ない不可逆なサイトにもリチウムイオンが良好にドープされるため、高いエネルギー密度が得られる。ドープ量が多いほど負極電位が下がり、入出力特性、エネルギー密度、及び耐久性は向上する。
他方、ドープ量が700mAh/g以下であれば、リチウム金属の析出等の副作用が発生するおそれがない。
The doping amount of lithium ions per unit mass of the composite carbon material 2 is preferably 50 mAh / g or more and 700 mAh / g or less, more preferably 70 mAh / g or more and 650 mAh / g or less, and further preferably 90 mAh / g or more and 600 mAh or less. / G or less, particularly preferably 100 mAh / g or more and 550 mAh / g or less.
By doping with lithium ions, the negative electrode potential is lowered. Therefore, when the negative electrode containing the lithium ion-doped composite carbon material 2 is combined with the positive electrode, the voltage of the non-aqueous lithium-type power storage element becomes high and the utilization capacity of the positive electrode becomes large. Therefore, the capacity and energy density of the obtained non-aqueous lithium-type power storage element are increased.
When the doping amount is 50 mAh / g or more, lithium ions are satisfactorily doped even at irreversible sites that cannot be desorbed once the lithium ions in the composite carbon material 2 are inserted, so that a high energy density can be obtained. As the amount of doping increases, the negative electrode potential decreases, and the input / output characteristics, energy density, and durability improve.
On the other hand, when the doping amount is 700 mAh / g or less, there is no possibility that side effects such as precipitation of lithium metal will occur.
以下、複合炭素材料2の好ましい例として、該基材として黒鉛材料を用いた複合炭素材料2aについて説明する。 Hereinafter, as a preferable example of the composite carbon material 2, the composite carbon material 2a using a graphite material as the base material will be described.
複合炭素材料2aの平均粒子径は1μm以上10μm以下であることが好ましく、より好ましくは2μm以上8μm以下、さらに好ましくは3μm以上6μm以下である。平均粒子径が1μm以上であれば、リチウムイオンの充放電効率が向上できるため、高いサイクル耐久性を示すことができる。他方、10μm以下であれば、複合炭素材料2aと非水系電解液との反応面積が増加するため、高い入出力特性を示すことができる。 The average particle size of the composite carbon material 2a is preferably 1 μm or more and 10 μm or less, more preferably 2 μm or more and 8 μm or less, and further preferably 3 μm or more and 6 μm or less. When the average particle size is 1 μm or more, the charge / discharge efficiency of lithium ions can be improved, so that high cycle durability can be exhibited. On the other hand, if it is 10 μm or less, the reaction area between the composite carbon material 2a and the non-aqueous electrolytic solution increases, so that high input / output characteristics can be exhibited.
複合炭素材料2aのBET比表面積は、1m2/g以上20m2/g以下であることが好ましく、より好ましくは1m2/g以上15m2/g以下である。このBET比表面積が1m2/g以上であれば、リチウムイオンとの反応場を十分に確保できるため、高い入出力特性を示すことができる。他方、20m2/g以下であれば、リチウムイオンの充放電効率が向上し、かつ充放電中の非水系電解液の分解反応が抑制されるため、高いサイクル耐久性を示すことができる。 The BET specific surface area of the composite carbon material 2a is preferably 1 m 2 / g or more and 20 m 2 / g or less, and more preferably 1 m 2 / g or more and 15 m 2 / g or less. When the BET specific surface area is 1 m 2 / g or more, a sufficient reaction field with lithium ions can be secured, so that high input / output characteristics can be exhibited. On the other hand, when it is 20 m 2 / g or less, the charge / discharge efficiency of lithium ions is improved and the decomposition reaction of the non-aqueous electrolyte solution during charge / discharge is suppressed, so that high cycle durability can be exhibited.
該基材として用いる前記黒鉛材料としては、得られる複合炭素材料2aが所望の特性を発揮する限り、特に制限はない。例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボン小球体、黒鉛ウイスカ等を使用することができる。該黒鉛材料の平均粒子径は、好ましくは1μm以上10μm以下、より好ましくは2μm以上8μm以下である。 The graphite material used as the base material is not particularly limited as long as the obtained composite carbon material 2a exhibits desired properties. For example, artificial graphite, natural graphite, graphitized mesophase carbon spherules, graphite whiskers and the like can be used. The average particle size of the graphite material is preferably 1 μm or more and 10 μm or less, and more preferably 2 μm or more and 8 μm or less.
上記の複合炭素材料2aの原料として用いる炭素質材料前駆体とは、熱処理することにより、黒鉛材料に炭素質材料を複合させることができる、固体、液体、又は溶剤に溶解可能な有機材料である。この炭素質材料前駆体としては、例えば、ピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、コークス、合成樹脂(例えば、フェノール樹脂等)等を挙げることができる。これらの炭素質材料前駆体の中でも、安価であるピッチを用いることが、製造コスト上好ましい。ピッチは、大別して石油系ピッチと石炭系ピッチとに分けられる。石油系ピッチとしては、例えば原油の蒸留残査、流動性接触分解残査(デカントオイル等)、サーマルクラッカーに由来するボトム油、ナフサクラッキングの際に得られるエチレンタール等が例示される。 The carbonaceous material precursor used as the raw material of the composite carbon material 2a is a solid, liquid, or solvent-soluble organic material capable of combining the carbonaceous material with the graphite material by heat treatment. .. Examples of the carbonaceous material precursor include pitch, mesocarbon microbeads, coke, synthetic resin (for example, phenol resin, etc.) and the like. Among these carbonaceous material precursors, it is preferable to use an inexpensive pitch in terms of manufacturing cost. The pitch is roughly divided into petroleum-based pitch and coal-based pitch. Examples of petroleum-based pitches include distillation residue of crude oil, fluid contact decomposition residue (decant oil, etc.), bottom oil derived from thermal crackers, ethylene tar obtained during naphtha cracking, and the like.
複合炭素材料2aにおける該炭素質材料の該黒鉛材料に対する質量比率は1質量%以上10質量%以下が好ましく、より好ましくは1.2質量%以上8質量%以下、さらに好ましくは1.5質量%以上6質量%以下、特に好ましくは2質量%以上5質量%以下である。炭素質材料の質量比率が1質量%以上であれば、該炭素質材料によりリチウムイオンとの反応サイトを十分に増加でき、かつリチウムイオンの脱溶媒和も容易となるため、高い入出力特性を示すことができる。他方、炭素質材料の質量比率が20質量%以下であれば、該炭素質材料と該黒鉛材料との間のリチウムイオンの固体内拡散を良好に保持できるため、高い入出力特性を示すことができる。また、リチウムイオンの充放電効率が向上出来るため、高いサイクル耐久性を示すことができる。 The mass ratio of the carbonaceous material to the graphite material in the composite carbon material 2a is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less, more preferably 1.2% by mass or more and 8% by mass or less, still more preferably 1.5% by mass. It is 6% by mass or less, particularly preferably 2% by mass or more and 5% by mass or less. When the mass ratio of the carbonaceous material is 1% by mass or more, the carbonaceous material can sufficiently increase the reaction sites with lithium ions and desolvate the lithium ions easily, so that high input / output characteristics can be obtained. Can be shown. On the other hand, when the mass ratio of the carbonaceous material is 20% by mass or less, the diffusion of lithium ions between the carbonaceous material and the graphite material in the solid can be well maintained, so that high input / output characteristics can be exhibited. it can. Moreover, since the charge / discharge efficiency of lithium ions can be improved, high cycle durability can be exhibited.
[任意成分]
負極活物質層は、必要に応じて、負極活物質の他に、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
導電性フィラーの種類は特に制限されるものではないが、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、気相成長炭素繊維等が例示される。導電性フィラーの使用量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上30質量部以下、より好ましくは0質量部以上20質量部以下、さらに好ましくは0質量部以上15質量部以下である。
[Arbitrary ingredient]
If necessary, the negative electrode active material layer may contain an optional component such as a conductive filler, a binder, and a dispersion stabilizer in addition to the negative electrode active material.
The type of the conductive filler is not particularly limited, and examples thereof include acetylene black, ketjen black, and vapor-grown carbon fiber. The amount of the conductive filler used is preferably 0 parts by mass or more and 30 parts by mass or less, more preferably 0 parts by mass or more and 20 parts by mass or less, and further preferably 0 parts by mass or more and 15 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. It is less than a part.
結着剤としては、特に制限されるものではないが、例えば、PVdF(ポリフッ化ビニリデン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ポリイミド、ラテックス、スチレン−ブタジエン共重合体、フッ素ゴム、アクリル共重合体等を用いることができる。結着剤の使用量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは1質量部以上30質量部以下、より好ましくは2質量部以上27質量部以下、さらに好ましくは3質量部以上25質量部以下である。結着剤の量が1質量部以上であれば、十分な電極強度が発現される。他方、結着剤の量が30質量部以下であれば、負極活物質へのリチウムイオンの出入りを阻害せず、高い入出力特性が発現される。 The binder is not particularly limited, but for example, PVdF (polyvinylidene fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), polyimide, latex, styrene-butadiene copolymer, fluororubber, acrylic copolymer. Etc. can be used. The amount of the binder used is preferably 1 part by mass or more and 30 parts by mass or less, more preferably 2 parts by mass or more and 27 parts by mass or less, and further preferably 3 parts by mass or more and 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. It is less than a part. When the amount of the binder is 1 part by mass or more, sufficient electrode strength is exhibited. On the other hand, when the amount of the binder is 30 parts by mass or less, high input / output characteristics are exhibited without inhibiting the entry and exit of lithium ions into the negative electrode active material.
分散安定剤としては、特に制限されるものではないが、例えば、PVP(ポリビニルピロリドン)、PVA(ポリビニルアルコール)、セルロース誘導体等を用いることができる。分散安定剤の使用量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上10質量部以下である。分散安定剤の量が10質量部以下であれば、負極活物質へのリチウムイオンの出入りを阻害せず、高い入出力特性が発現される。 The dispersion stabilizer is not particularly limited, but for example, PVP (polyvinylpyrrolidone), PVA (polyvinyl alcohol), a cellulose derivative and the like can be used. The amount of the dispersion stabilizer used is preferably 0 parts by mass or more and 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. When the amount of the dispersion stabilizer is 10 parts by mass or less, high input / output characteristics are exhibited without inhibiting the entry and exit of lithium ions into the negative electrode active material.
[負極集電体]
負極集電体を構成する材料としては、電子伝導性が高く、非水系電解液への溶出及び電解質又はイオンとの反応等による劣化がおこらない金属箔であることが好ましい。このような金属箔としては、特に制限はなく、例えば、アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔、ステンレス鋼箔等が挙げられる。本実施の形態の非水系リチウム型蓄電素子における負極集電体としては、銅箔が好ましい。
該金属箔は凹凸や貫通孔を持たない通常の金属箔でもよいし、エンボス加工、ケミカルエッチング、電解析出法、ブラスト加工等を施した凹凸を有する金属箔でもよいし、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔等の貫通孔を有する金属箔でもよい。
負極集電体の厚みは、負極の形状及び強度を十分に保持できれば特に制限はないが、例えば、1〜100μmが好ましい。
[Negative electrode current collector]
The material constituting the negative electrode current collector is preferably a metal foil having high electron conductivity and not deteriorating due to elution into a non-aqueous electrolyte solution and reaction with an electrolyte or ions. Such metal foil is not particularly limited, and examples thereof include aluminum foil, copper foil, nickel foil, and stainless steel foil. Copper foil is preferable as the negative electrode current collector in the non-aqueous lithium-type power storage element of the present embodiment.
The metal foil may be an ordinary metal foil having no irregularities or through holes, a metal foil having irregularities subjected to embossing, chemical etching, electrolytic precipitation, blasting, etc., expanded metal, punching metal, etc. , A metal foil having through holes such as an etching foil may be used.
The thickness of the negative electrode current collector is not particularly limited as long as the shape and strength of the negative electrode can be sufficiently maintained, but is preferably 1 to 100 μm, for example.
[負極の製造]
負極は、負極集電体の片面上又は両面上に負極活物質層を有して成る。典型的な態様において負極活物質層は負極集電体に固着している。
負極は、既知のリチウムイオン電池、電気二重層キャパシタ等における電極の製造技術によって製造することが可能である。例えば、負極活物質を含む各種材料を水又は有機溶剤中に分散又は溶解してスラリー状の塗工液を調製し、この塗工液を負極集電体上の片面又は両面に塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することにより負極を得ることができる。さらに得られた負極にプレスを施して、負極活物質層の膜厚や嵩密度を調整してもよい。或いは、溶剤を使用せずに、負極活物質を含む各種材料を乾式で混合し、得られた混合物をプレス成型した後、導電性接着剤を用いて負極集電体に貼り付ける方法も可能である。
[Manufacturing of negative electrode]
The negative electrode has a negative electrode active material layer on one side or both sides of the negative electrode current collector. In a typical embodiment, the negative electrode active material layer is fixed to the negative electrode current collector.
The negative electrode can be manufactured by a technique for manufacturing electrodes in known lithium ion batteries, electric double layer capacitors and the like. For example, various materials including a negative electrode active material are dispersed or dissolved in water or an organic solvent to prepare a slurry coating liquid, and this coating liquid is applied to one or both sides of a negative electrode current collector. A negative electrode can be obtained by forming a coating film and drying it. Further, the obtained negative electrode may be pressed to adjust the film thickness and bulk density of the negative electrode active material layer. Alternatively, it is also possible to dry-mix various materials including the negative electrode active material without using a solvent, press-mold the obtained mixture, and then attach it to the negative electrode current collector using a conductive adhesive. is there.
塗工液の調整は、負極活物質を含む各種材料粉末の一部若しくは全部をドライブレンドし、次いで水又は有機溶媒、及び/又はそれらに結着剤や分散安定剤が溶解又は分散した液状又はスラリー状の物質を追加して調整してもよい。また、水又は有機溶媒に結着剤や分散安定剤が溶解又は分散した液状又はスラリー状の物質の中に、負極活物質を含む各種材料粉末を追加して調整してもよい。前記塗工液の調整に特に制限されるものではないが、好適にはホモディスパーや多軸分散機、プラネタリーミキサー、薄膜旋回型高速ミキサー等の分散機等を用いることができる。良好な分散状態の塗工液を得るためには、周速1m/s以上50m/s以下で分散することが好ましい。周速1m/s以上であれば、各種材料が良好に溶解又は分散するため好ましい。また、50m/s以下であれば、分散による熱やせん断力により各種材料が破壊されることなく、再凝集が生じることがないため好ましい。 The coating liquid is prepared by dry-blending a part or all of various material powders including the negative electrode active material, and then water or an organic solvent and / or a liquid in which a binder or a dispersion stabilizer is dissolved or dispersed therein. A slurry-like substance may be added and adjusted. Further, various material powders containing a negative electrode active material may be added to a liquid or slurry substance in which a binder or a dispersion stabilizer is dissolved or dispersed in water or an organic solvent. Although the adjustment of the coating liquid is not particularly limited, a disperser such as a homodisper, a multi-axis disperser, a planetary mixer, or a thin film swirl type high-speed mixer can be preferably used. In order to obtain a coating liquid in a well-dispersed state, it is preferable to disperse at a peripheral speed of 1 m / s or more and 50 m / s or less. When the peripheral speed is 1 m / s or more, various materials are preferably dissolved or dispersed. Further, when it is 50 m / s or less, various materials are not destroyed by heat or shearing force due to dispersion, and reaggregation does not occur, which is preferable.
前記塗工液の粘度(ηb)は、1,000mPa・s以上20,000mPa・s以下が好ましい。より好ましくは1,500mPa・s以上10,000mPa・s以下、さらに好ましくは1,700mPa・s以上5,000mPa・s以下である。粘度(ηb)が1,000mPa・s以上であれば、塗膜形成時の液ダレが抑制され、塗膜幅及び膜厚が良好に制御できる。また、20,000mPa・s以下であれば、塗工機を用いた際の塗工液の流路における圧力損失が少なく安定に塗工でき、所望の塗膜厚み以下に制御できる。
該塗工液のTI値(チクソトロピーインデックス値)は、1.1以上が好ましく、より好ましくは1.2以上、さらに好ましくは1.5以上である。TI値が1.1以上であれば、塗膜幅及び膜厚が良好に制御できる。
The viscosity (ηb) of the coating liquid is preferably 1,000 mPa · s or more and 20,000 mPa · s or less. It is more preferably 1,500 mPa · s or more and 10,000 mPa · s or less, and further preferably 1,700 mPa · s or more and 5,000 mPa · s or less. When the viscosity (ηb) is 1,000 mPa · s or more, liquid dripping during coating film formation is suppressed, and the coating film width and film thickness can be satisfactorily controlled. Further, when it is 20,000 mPa · s or less, the pressure loss in the flow path of the coating liquid when using the coating machine is small and stable coating can be performed, and the coating film thickness can be controlled to be less than the desired coating film thickness.
The TI value (thixotropy index value) of the coating liquid is preferably 1.1 or more, more preferably 1.2 or more, and further preferably 1.5 or more. When the TI value is 1.1 or more, the coating film width and the film thickness can be satisfactorily controlled.
前記塗膜の形成は特に制限されるものではないが、好適にはダイコーターやコンマコーター、ナイフコーター、グラビア塗工機等の塗工機を用いることができる。塗膜は単層塗工で形成してもよいし、多層塗工して形成してもよい。また、塗工速度は0.1m/分以上100m/分以下であることが好ましく、より好ましくは0.5m/分以上70m/分以下、さらに好ましくは1m/分以上50m/分以下である。塗工速度が0.1m/分以上であれば、安定に塗工できる。他方、100m/分以下であれば、塗工精度を十分に確保できる。 The formation of the coating film is not particularly limited, but a coating machine such as a die coater, a comma coater, a knife coater, or a gravure coating machine can be preferably used. The coating film may be formed by single-layer coating or multi-layer coating. The coating speed is preferably 0.1 m / min or more and 100 m / min or less, more preferably 0.5 m / min or more and 70 m / min or less, and further preferably 1 m / min or more and 50 m / min or less. If the coating speed is 0.1 m / min or more, stable coating can be performed. On the other hand, if it is 100 m / min or less, sufficient coating accuracy can be ensured.
前記塗膜の乾燥は特に制限されるものではないが、好適には熱風乾燥や赤外線(IR)乾燥等の乾燥方法を用いることができる。塗膜の乾燥は、単一の温度で乾燥させてもよいし、多段的に温度を変えて乾燥させてもよい。また、複数の乾燥方法を組み合わせて乾燥させてもよい。乾燥温度は、25℃以上200℃以下であることが好ましく、より好ましくは40℃以上180℃以下、さらに好ましくは50℃以上160℃以下である。乾燥温度が25℃以上であれば、塗膜中の溶媒を十分に揮発させることができる。他方、200℃以下であれば、急激な溶媒の揮発による塗膜のヒビ割れやマイグレーションによる結着剤の偏在、負極集電体や負極活物質層の酸化を抑制できる。 The drying of the coating film is not particularly limited, but a drying method such as hot air drying or infrared (IR) drying can be preferably used. The coating film may be dried at a single temperature, or may be dried at different temperatures in multiple stages. Moreover, you may dry by combining a plurality of drying methods. The drying temperature is preferably 25 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 40 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, and further preferably 50 ° C. or higher and 160 ° C. or lower. When the drying temperature is 25 ° C. or higher, the solvent in the coating film can be sufficiently volatilized. On the other hand, when the temperature is 200 ° C. or lower, cracks in the coating film due to rapid volatilization of the solvent, uneven distribution of the binder due to migration, and oxidation of the negative electrode current collector and the negative electrode active material layer can be suppressed.
前記負極のプレスは特に制限されるものではないが、好適には油圧プレス機、真空プレス機等のプレス機を用いることができる。負極活物質層の膜厚、嵩密度及び電極強度は後述するプレス圧力、隙間、プレス部の表面温度により調整できる。プレス圧力は0.5kN/cm以上20kN/cm以下が好ましく、より好ましくは1kN/cm以上10kN/cm以下、さらに好ましくは2kN/cm以上7kN/cm以下である。プレス圧力が0.5kN/cm以上であれば、電極強度を十分に高くできる。他方、20kN/cm以下であれば、負極に撓みやシワが生じることがなく、所望の負極活物質層膜厚や嵩密度に調整できる。また、プレスロール同士の隙間は所望の負極活物質層の膜厚や嵩密度となるように乾燥後の負極膜厚に応じて任意の値を設定できる。さらに、プレス速度は負極に撓みやシワが生じない任意の速度に設定できる。また、プレス部の表面温度は室温でもよいし、必要により加熱してもよい。加熱する場合のプレス部の表面温度の下限は、使用する結着剤の融点マイナス60℃以上が好ましく、より好ましくは45℃以上、さらに好ましくは30℃以上である。他方、加熱する場合のプレス部の表面温度の上限は、使用する結着剤の融点プラス50℃以下が好ましく、より好ましくは30℃以下、さらに好ましくは20℃以下である。例えば、結着剤としてPVdF(ポリフッ化ビニリデン:融点150℃)を用いる場合、90℃以上200℃以下に加温することが好ましく、より好ましく105℃以上180℃以下、さらに好ましくは120℃以上170℃以下に加熱することである。また、結着剤としてスチレン−ブタジエン共重合体(融点100℃)を用いる場合、40℃以上150℃以下に加温することが好ましく、より好ましくは55℃以上130℃以下、さらに好ましくは70℃以上120℃以下に加温することである。 The press of the negative electrode is not particularly limited, but a press machine such as a hydraulic press machine or a vacuum press machine can be preferably used. The film thickness, bulk density, and electrode strength of the negative electrode active material layer can be adjusted by the press pressure, the gap, and the surface temperature of the press portion, which will be described later. The press pressure is preferably 0.5 kN / cm or more and 20 kN / cm or less, more preferably 1 kN / cm or more and 10 kN / cm or less, and further preferably 2 kN / cm or more and 7 kN / cm or less. When the press pressure is 0.5 kN / cm or more, the electrode strength can be sufficiently increased. On the other hand, when it is 20 kN / cm or less, the negative electrode does not bend or wrinkle, and the film thickness and bulk density of the negative electrode active material can be adjusted to a desired value. Further, the gap between the press rolls can be set to an arbitrary value according to the film thickness of the negative electrode after drying so as to have a desired film thickness and bulk density of the negative electrode active material layer. Further, the pressing speed can be set to an arbitrary speed at which the negative electrode does not bend or wrinkle. Further, the surface temperature of the pressed portion may be room temperature or may be heated if necessary. The lower limit of the surface temperature of the pressed portion at the time of heating is preferably the melting point of the binder to be used of minus 60 ° C. or higher, more preferably 45 ° C. or higher, still more preferably 30 ° C. or higher. On the other hand, the upper limit of the surface temperature of the pressed portion when heating is preferably the melting point of the binder used plus 50 ° C. or lower, more preferably 30 ° C. or lower, and further preferably 20 ° C. or lower. For example, when PVdF (polyvinylidene fluoride: melting point 150 ° C.) is used as a binder, the temperature is preferably 90 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, more preferably 105 ° C. or higher and 180 ° C. or lower, and further preferably 120 ° C. or higher and 170 ° C. It is to heat below ° C. When a styrene-butadiene copolymer (melting point 100 ° C.) is used as the binder, it is preferably heated to 40 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, more preferably 55 ° C. or higher and 130 ° C. or lower, and further preferably 70 ° C. The temperature is 120 ° C. or lower.
結着剤の融点は、DSC(Differential Scanning Calorimetry、示差走査熱量分析)の吸熱ピーク位置で求めることができる。例えば、パーキンエルマー社製の示差走査熱量計「DSC7」を用いて、試料樹脂10mgを測定セルにセットし、窒素ガス雰囲気中で、温度30℃から10℃/分の昇温速度で250℃まで昇温し、昇温過程における吸熱ピーク温度が融点となる。
また、プレス圧力、隙間、速度、プレス部の表面温度の条件を変えながら複数回プレスを実施してもよい。
The melting point of the binder can be determined from the endothermic peak position of DSC (Differential Scanning Calorimetry, differential scanning calorimetry). For example, using a differential scanning calorimeter "DSC7" manufactured by PerkinElmer, 10 mg of sample resin is set in a measurement cell, and the temperature rises from 30 ° C. to 250 ° C. at a heating rate of 10 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere. The temperature is raised, and the endothermic peak temperature in the temperature raising process becomes the melting point.
Further, the press may be performed a plurality of times while changing the conditions of the press pressure, the gap, the speed, and the surface temperature of the press portion.
負極活物質層の膜厚は、片面当たり、5μm以上100μm以下が好ましい。該負極活物質層の膜厚の下限は、さらに好ましくは7μm以上であり、より好ましくは10μm以上である。該負極活物質層の膜厚の上限は、さらに好ましくは80μm以下であり、より好ましくは60μm以下である。この膜厚が5μm以上であれば、負極活物質層を塗工した際にスジ等が発生せず塗工性に優れる。他方、この膜厚が100μm以下であれば、セル体積を縮小することによって高いエネルギー密度を発現できる。なお、集電体が貫通孔や凹凸を有する場合における負極活物質層の膜厚とは、集電体の貫通孔や凹凸を有していない部分の片面当たりの膜厚の平均値をいう。 The film thickness of the negative electrode active material layer is preferably 5 μm or more and 100 μm or less per side. The lower limit of the film thickness of the negative electrode active material layer is more preferably 7 μm or more, and more preferably 10 μm or more. The upper limit of the film thickness of the negative electrode active material layer is more preferably 80 μm or less, and more preferably 60 μm or less. When this film thickness is 5 μm or more, no streaks or the like are generated when the negative electrode active material layer is applied, and the coatability is excellent. On the other hand, when this film thickness is 100 μm or less, a high energy density can be developed by reducing the cell volume. The film thickness of the negative electrode active material layer when the current collector has through holes or irregularities refers to the average value of the film thickness per side of the portion of the current collector that does not have through holes or irregularities.
負極活物質層の嵩密度は、好ましくは0.30g/cm3以上1.8g/cm3以下であり、より好ましくは0.40g/cm3以上1.5g/cm3以下、さらに好ましくは0.45g/cm3以上1.3g/cm3以下である。嵩密度が0.30g/cm3以上であれば、十分な強度を保つことができるとともに、負極活物質間の十分な導電性を発現することができる。また、1.8g/cm3以下であれば、負極活物質層内でイオンが十分に拡散できる空孔が確保できる。 The bulk density of the negative electrode active material layer is preferably 0.30 g / cm 3 or more and 1.8 g / cm 3 or less, more preferably 0.40 g / cm 3 or more and 1.5 g / cm 3 or less, and further preferably 0. .45g / cm 3 or more 1.3g / cm 3 or less. When the bulk density is 0.30 g / cm 3 or more, sufficient strength can be maintained and sufficient conductivity between the negative electrode active materials can be exhibited. Further, if it is 1.8 g / cm 3 or less, it is possible to secure pores in which ions can be sufficiently diffused in the negative electrode active material layer.
[測定方法]
本明細書中、BET比表面積及び平均細孔径、メソ孔量、マイクロ孔量は、それぞれ以下の方法によって求めた値である。
試料を200℃で一昼夜真空乾燥し、窒素を吸着質として吸脱着の等温線の測定を行なう。ここで得られる吸着側の等温線を用いて、BET比表面積はBET多点法又はBET1点法により、平均細孔径は質量当たりの全細孔容積をBET比表面積で除すことにより、メソ孔量はBJH法により、マイクロ孔量はMP法により、それぞれ算出される。
BJH法は一般的にメソ孔の解析に用いられる計算方法で、Barrett, Joyner, Halendaらにより提唱されたものである(E. P. Barrett, L. G. Joyner and P. Halenda, J. Am. Chem. Soc., 73, 373(1951))。
また、MP法とは、「t−プロット法」(B.C.Lippens,J.H.de Boer,J.Catalysis,4319(1965))を利用して、マイクロ孔容積、マイクロ孔面積、及びマイクロ孔の分布を求める方法を意味し、M.Mikhail, Brunauer, Bodorにより考案された方法である(R.S.Mikhail,S.Brunauer,E.E.Bodor,J.Colloid Interface Sci.,26,45 (1968))。
[Measuring method]
In the present specification, the BET specific surface area, the average pore diameter, the mesopore amount, and the micropore amount are values obtained by the following methods, respectively.
The sample is vacuum dried at 200 ° C. for 24 hours, and the isotherm of adsorption / desorption is measured using nitrogen as an adsorbent. Using the adsorption isotherm obtained here, the BET specific surface area is the BET multi-point method or the BET one-point method, and the average pore diameter is the mesopores by dividing the total pore volume per mass by the BET specific surface area. The amount is calculated by the BJH method, and the amount of micropores is calculated by the MP method.
The BJH method is a calculation method generally used for the analysis of mesopores, and was proposed by Barrett, Joiner, Hallenda et al. (E.P. Barrett, L.G. Joiner and P. Hallenda, J. Am. Chem. Soc., 73, 373 (1951)).
Further, the MP method is a micropore volume, a micropore area, and a micropore area using the "t-plot method" (BC Lippens, JH de Boer, J. Catalysis, 4319 (1965)). It means a method for obtaining the distribution of micropores, and M.I. It is a method devised by Mikhair, Brunauer, and Bodor (RS Mikhair, S. Brunauer, EE Bodor, J. Colloid Interface Sci., 26, 45 (1968)).
平均粒子径は、粒度分布測定装置を用いて粒度分布を測定した際、全体積を100%として累積カーブを求めたとき、その累積カーブが50%となる点の粒子径(すなわち、50%径(Median径))を指す。この平均粒子径は市販のレーザー回折式粒度分布測定装置を用いて測定することができる。 The average particle size is the particle size (that is, 50% diameter) at the point where the cumulative curve is 50% when the cumulative curve is obtained with the total product as 100% when the particle size distribution is measured using a particle size distribution measuring device. (Median diameter)). This average particle size can be measured using a commercially available laser diffraction type particle size distribution measuring device.
出荷時及び使用後の非水系リチウム型蓄電素子における負極活物質のリチウムイオンのドープ量は、例えば、以下のようにして知ることができる。
先ず、本実施形態における負極活物質層をエチルメチルカーボネート又はジメチルカーボネートで洗浄し風乾した後、メタノール及びイソプロパノールから成る混合溶媒により抽出した抽出液と、抽出後の負極活物質層と、を得る。この抽出は、典型的にはArボックス内にて、環境温度23℃で行われる。
上記のようにして得られた抽出液と、抽出後の負極活物質層と、に含まれるリチウム量を、それぞれ、例えばICP−MS(誘導結合プラズマ質量分析計)等を用いて定量し、その合計を求めることによって、負極活物質におけるリチウムイオンのドープ量を知ることができる。そして、得られた値を抽出に供した負極活物質量で割り付けて、上記単位の数値を算出すればよい。
The amount of lithium ions doped in the negative electrode active material in the non-aqueous lithium-type power storage element at the time of shipment and after use can be known, for example, as follows.
First, the negative electrode active material layer in the present embodiment is washed with ethyl methyl carbonate or dimethyl carbonate and air-dried, and then an extract extracted with a mixed solvent consisting of methanol and isopropanol and an extracted negative electrode active material layer are obtained. This extraction is typically performed in an Ar box at an ambient temperature of 23 ° C.
The amount of lithium contained in the extract obtained as described above and the negative electrode active material layer after extraction is quantified by using, for example, ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometer) or the like. By obtaining the total, the amount of lithium ion doped in the negative electrode active material can be known. Then, the obtained value may be allocated by the amount of the negative electrode active material used for extraction to calculate the numerical value of the above unit.
1次粒子径は、粉体を電子顕微鏡で数視野撮影し、それらの視野中の粒子の粒子径を、全自動画像処理装置等を用いて2,000〜3,000個程度計測し、これらを算術平均した値を1次粒子径とする方法により得ることができる。 For the primary particle size, the powder is photographed in several fields with an electron microscope, and the particle size of the particles in those fields is measured by about 2,000 to 3,000 using a fully automatic image processing device or the like. Can be obtained by a method in which the arithmetic mean value of is used as the primary particle size.
本明細書中、分散度は、JIS K5600に規定された粒ゲージによる分散度評価
試験により求められる値である。すなわち、粒のサイズに応じた所望の深さの溝を有する粒ゲージに対して、溝の深い方の先端に十分な量の試料を流し込み,溝から僅かに溢れさせる。次いで、スクレーパーの長辺がゲージの幅方向と平行になり、粒ゲージの溝の深い先端に刃先が接触するように置き、スクレーパーをゲージの表面になるように保持しながら、溝の長辺方向に対して直角に、ゲージの表面を均等な速度で、溝の深さ0まで1〜2秒間かけて引き、引き終わってから3秒以内に20°以上30°以下の角度で光を当てて観察し、粒ゲージの溝に粒が現れる深さを読み取る。
In the present specification, the dispersity is a value obtained by a dispersity evaluation test using a grain gauge specified in JIS K5600. That is, a sufficient amount of sample is poured into the tip of the deeper groove of the grain gauge having a groove of a desired depth according to the size of the grain, and the sample is slightly overflowed from the groove. Next, the long side of the scraper becomes parallel to the width direction of the gauge, and the cutting edge is placed so as to contact the deep tip of the groove of the grain gauge, and the scraper is held so as to be the surface of the gauge while the long side direction of the groove. Pull the surface of the gauge at a right angle to the groove depth of 0 at a uniform speed for 1 to 2 seconds, and shine light at an angle of 20 ° to 30 ° within 3 seconds after the pulling is completed. Observe and read the depth at which the grains appear in the grooves of the grain gauge.
粘度(ηb)及びTI値は、それぞれ以下の方法により求められる値である。
まず、E型粘度計を用いて温度25℃、ずり速度2s−1の条件で2分以上測定した後の安定した粘度(ηa)を取得する。次いで、ずり速度を20s−1に変更した他は上記と同様の条件で測定した粘度(ηb)を取得する。上記で得た粘度の値を用いてTI値はTI値=ηa/ηbの式により算出される。ずり速度を2s−1から20s−1へ上昇させる際は、1段階で上昇させてもよいし、上記の範囲で多段的にずり速度を上昇させ、適宜そのずり速度における粘度を取得しながら上昇させてもよい。
The viscosity (ηb) and the TI value are values obtained by the following methods, respectively.
First, a stable viscosity (ηa) is obtained after measuring for 2 minutes or more under the conditions of a temperature of 25 ° C. and a shear rate of 2s- 1 using an E-type viscometer. Next, the viscosity (ηb) measured under the same conditions as above is obtained except that the shear rate is changed to 20s -1 . Using the viscosity value obtained above, the TI value is calculated by the formula TI value = ηa / ηb. When increasing the shear rate from 2s -1 to 20s -1 , the shear rate may be increased in one step, or the shear rate may be increased in multiple steps within the above range, and the viscosity at the shear rate may be appropriately obtained. You may let me.
[電解液]
本実施形態の電解液は、非水系電解液である。すなわち、この電解液は、後述する非水溶媒を含む。非水系電解液は、該非水系電解液の総量を基準として、0.5mol/L以上のリチウム塩を含有することが好ましい。すなわち、非水系電解液は、リチウムイオンを電解質として含む。
[Electrolytic solution]
The electrolytic solution of this embodiment is a non-aqueous electrolytic solution. That is, this electrolytic solution contains a non-aqueous solvent described later. The non-aqueous electrolyte solution preferably contains 0.5 mol / L or more of a lithium salt based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. That is, the non-aqueous electrolyte solution contains lithium ions as an electrolyte.
[リチウム塩]
本実施形態の非水系電解液は、リチウム塩として、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、及びLiN(SO2C2F5)2のうちの少なくとも1種を含有することを特徴とし、入出力特性、高温保存ガス抑制の観点から、LiN(SO2F)2を含むことが好ましい。正極上で酸化分解したリチウム化合物の反応物とLiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、及び/又はLiN(SO2C2F5)2とが負極上に安定で低抵抗な被膜を生成することにより、入出力特性が向上し、さらに高温耐久性も向上する。
リチウム塩としては、これらのほかにLiN(SO2CF3)(SO2C2F5)、LiN(SO2CF3)(SO2C2F4H)、LiC(SO2F)3、LiC(SO2CF3)3、LiC(SO2C2F5)3、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiPF6、LiBF4等を混合して用いてもよい。
リチウム塩濃度は、非水系電解液の総量を基準として、0.5mol/L以上2.0mol/L以下であることが好ましい。0.1mol/L以上であれば、陰イオンが十分に存在するので蓄電素子の容量を十分高くできる。他方、リチウム塩濃度が2.0mol/L以下であれば、未溶解のリチウム塩が非水系電解液中に析出すること、及び電解液の粘度が高くなり過ぎることを防止でき、伝導度が低下せず、出力特性も低下しないため、好ましい。
[Lithium salt]
The non-aqueous electrolyte solution of the present embodiment contains at least one of LiN (SO 2 F) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 as a lithium salt. It is preferable to contain LiN (SO 2 F) 2 from the viewpoint of input / output characteristics and suppression of high temperature storage gas. The reaction product of the lithium compound oxidatively decomposed on the positive electrode and LiN (SO 2 F) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and / or LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 are stable and low on the negative electrode. By forming a resistant film, the input / output characteristics are improved, and the high temperature durability is also improved.
In addition to these, LiN (SO 2 CF 3 ) (SO 2 C 2 F 5 ), LiN (SO 2 CF 3 ) (SO 2 C 2 F 4 H), LiC (SO 2 F) 3 , LiC (SO 2 F) 3 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiC (SO 2 C 2 F 5 ) 3 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiPF 6 , LiBF 4 and the like may be mixed and used.
The lithium salt concentration is preferably 0.5 mol / L or more and 2.0 mol / L or less based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. If it is 0.1 mol / L or more, the capacity of the power storage element can be sufficiently increased because anions are sufficiently present. On the other hand, when the lithium salt concentration is 2.0 mol / L or less, it is possible to prevent undissolved lithium salt from precipitating in the non-aqueous electrolytic solution and the viscosity of the electrolytic solution from becoming too high, resulting in a decrease in conductivity. This is preferable because it does not reduce the output characteristics.
本実施形態の非水系電解液は、以下の:
(A)LiPF6、及びLiBF4のうちの少なくとも1種;並びに
(B)LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、及びLiN(SO2C2F5)2のうちの少なくとも1種;
を含有することが好ましく、前記(A)の合計モル濃度を該非水系電解液の総量を基準としてMA(mol/L)、前記(B)の合計モル濃度を該非水系電解液の総量を基準としてMB(mol/L)とするとき、モル濃度比MA/(MA+MB)が1/10以上9/10以下の範囲であることが好ましく、2/10以上8/10以下の範囲であることがより好ましい。
モル濃度比MA/(MA+MB)が1/10以上であれば、(B)の化合物による、正極集電体アルミニウムの腐食を(A)の化合物により抑制することができ、サイクル耐久性が向上する。他方、モル濃度比MA/(MA+MB)が9/10以下であれば、(B)の化合物により、非水系電解液の伝導度が向上し、非水系リチウム型蓄電素子の内部抵抗を下げ、入出力特性を高めることができ、また、サイクル特性が向上する。さらに、(A)の化合物の分解反応が抑制されるため、高温保存耐久性も向上する。
The non-aqueous electrolyte solution of the present embodiment is as follows:
(A) At least one of LiPF 6 and LiBF 4 ; and (B) Of LiN (SO 2 F) 2 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , and LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2. At least one of;
Preferably contains, M A (mol / L) the total molar concentration based on the total amount of the non-aqueous electrolytic solution of the (A), the total molar concentration based on the total amount of the non-aqueous electrolytic solution of the (B) as when the M B (mol / L), it is preferable that the molar ratio M a / (M a + M B) is in a range of 1/10 or more 9/10 or less, of 2/10 or 8/10 or less It is more preferably in the range.
If the molar ratio M A / (M A + M B) is 1/10 or higher, can be inhibited by compounds of with a compound of (B), the corrosion of the positive electrode current collector aluminum (A), the cycle durability Sex improves. On the other hand, if the molar ratio M A / (M A + M B) is 9/10 or less, the compound of (B), improves the conductivity of the nonaqueous electrolyte, the internal resistance of the nonaqueous lithium-type storage element The input / output characteristics can be improved, and the cycle characteristics can be improved. Further, since the decomposition reaction of the compound (A) is suppressed, the high temperature storage durability is also improved.
本実施形態の非水系電解液は、該非水系電解液の総量を基準として、0.1mol/L以上1.5mol/L以下の濃度のLiN(SO2F)2を含むことが好ましく、より好ましくは0.3mol/L以上1.2mol/L以下である。LiN(SO2F)2が0.1mol/L以上であれば、電解液のイオン伝導度を高めるとともに、負極界面に電解質被膜が適量堆積し、これにより電解液が分解することによるガスを低減することができる。他方、この値が1.5mol/L以下であれば、充放電の時に電解質塩の析出が起きず、かつ長期間経過後であっても電解液の粘度が増加を引き起こすことがない。 The non-aqueous electrolyte solution of the present embodiment preferably contains LiN (SO 2 F) 2 having a concentration of 0.1 mol / L or more and 1.5 mol / L or less based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution, more preferably. Is 0.3 mol / L or more and 1.2 mol / L or less. When LiN (SO 2 F) 2 is 0.1 mol / L or more, the ionic conductivity of the electrolytic solution is increased, and an appropriate amount of an electrolyte film is deposited on the negative electrode interface, thereby reducing the gas caused by the decomposition of the electrolytic solution. can do. On the other hand, when this value is 1.5 mol / L or less, precipitation of the electrolyte salt does not occur during charging and discharging, and the viscosity of the electrolytic solution does not increase even after a long period of time.
[非水溶媒]
本実施形態の非水系電解液は、非水溶媒として、プロピレンカーボネートを、該非水系電解液に含まれる非水溶媒の総量を基準として、70vol%以上含有することを特徴とする。非水系電解液がプロピレンカーボネートを70vol%以上含有することで、正極上でリチウム化合物が酸化分解して生成した生成物と、リチウム塩として使用される、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、及び/又はLiN(SO2C2F5)2と、非水溶媒のプロピレンカーボネートとが負極上で低抵抗な被膜を生成するため、入出力特性、高温耐久性を向上する。さらに、釘刺し試験時には、プロピレンカーボネートの高い引火点と正極中のリチウム化合物が分解して発生する難燃性のガスの効果と相まって、高い安全性を発現する。さらに、所望の濃度のリチウム塩を溶解させることが可能となり、高いリチウムイオン伝導度を発現することができる点、及び正極活物質上にリチウム化合物を適量堆積させることが可能となり、電解液の酸化分解を抑制することができる点でも有利である。
[Non-aqueous solvent]
The non-aqueous electrolyte solution of the present embodiment is characterized by containing propylene carbonate as a non-aqueous solvent in an amount of 70 vol% or more based on the total amount of the non-aqueous solvent contained in the non-aqueous electrolyte solution. When the non-aqueous electrolyte solution contains 70 vol% or more of propylene carbonate, the product produced by oxidative decomposition of the lithium compound on the positive electrode and LiN (SO 2 F) 2 , LiN (SO) used as the lithium salt. 2 CF 3 ) 2 , and / or LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 and propylene carbonate, which is a non-aqueous solvent, form a low-resistance film on the negative electrode, improving input / output characteristics and high-temperature durability. To do. Furthermore, during the nail piercing test, high safety is exhibited in combination with the high flash point of propylene carbonate and the effect of the flame-retardant gas generated by the decomposition of the lithium compound in the positive electrode. Further, it is possible to dissolve a lithium salt having a desired concentration, to exhibit high lithium ion conductivity, and to deposit an appropriate amount of a lithium compound on the positive electrode active material, so that the electrolytic solution can be oxidized. It is also advantageous in that decomposition can be suppressed.
[引火点]
本実施形態の非水系電解液は、その引火点が70℃以上であることが好ましく、より好ましくは75℃以上で、更に好ましくは80℃以上である。電解液の引火点が70℃より高ければ、得られる蓄電素子に難燃効果が付与されるため、過充電試験や釘刺し試験において、高い安全性を発現できるため好ましい。非水系電解液の引火点の上限値については、特に制限はないが、得られる蓄電素子の電気特性及び有機溶媒の入手性を考慮すると、例えば、150℃以下の数値を例示することができる。
[Flash point]
The non-aqueous electrolyte solution of the present embodiment preferably has a flash point of 70 ° C. or higher, more preferably 75 ° C. or higher, and even more preferably 80 ° C. or higher. When the flash point of the electrolytic solution is higher than 70 ° C., a flame-retardant effect is imparted to the obtained power storage element, and high safety can be exhibited in the overcharge test and the nail piercing test, which is preferable. The upper limit of the flash point of the non-aqueous electrolyte solution is not particularly limited, but in consideration of the electrical characteristics of the obtained power storage element and the availability of the organic solvent, for example, a value of 150 ° C. or lower can be exemplified.
[引火点の制御方法]
本実施形態の非水系電解液の引火点の制御方法としては、例えば、含有される非水溶媒の種類と組成を調整する方法、非水系電解液に後述する難燃効果を有する添加剤を含有させる方法などによって制御可能である。
[Flash point control method]
Examples of the method for controlling the flash point of the non-aqueous electrolyte solution of the present embodiment include a method for adjusting the type and composition of the non-aqueous solvent contained, and the non-aqueous electrolyte solution containing an additive having a flame retardant effect, which will be described later. It can be controlled by the method of making it.
[引火点の測定方法]
本実施形態の非水系電解液の引火点の測定方法は、特に制限されないが、例えば、完成したセルを解体し、非水系電解液を取り出し、JIS K 2265−1−2007で規定されるタグ密閉法により測定する方法等が挙げられる。
[Measurement method of flash point]
The method for measuring the flash point of the non-aqueous electrolyte solution of the present embodiment is not particularly limited. For example, the completed cell is disassembled, the non-aqueous electrolyte solution is taken out, and the tag is sealed as defined by JIS K 2265-1-2007. Examples thereof include a method of measuring by a method.
[環状ホスファゼン化合物]
非水系電解液は、下記一般式(1):
該環状ホスファゼン化合物の総量は、非水系電解液全体に対して0.5質量%以上15質量%以下であることが好ましく、該環状ホスファゼン化合物の総量は、非水系電解液全体に対して1質量%以上10質量%以下であることがより好ましく、1.5%以上5%以下であることがさらに好ましい。
[Cyclic phosphazene compound]
The non-aqueous electrolyte solution has the following general formula (1):
The total amount of the cyclic phosphazene compound is preferably 0.5% by mass or more and 15% by mass or less with respect to the entire non-aqueous electrolyte solution, and the total amount of the cyclic phosphazene compound is 1% by mass with respect to the entire non-aqueous electrolyte solution. It is more preferably% or more and 10% by mass or less, and further preferably 1.5% or more and 5% or less.
X1〜X3のうち、水素原子およびフッ素原子以外の基の具体例としては、
メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基等の炭素数1〜12のアルキル基およびその水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された基;
メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ペントキシ基、ヘキシルオキシ基、ヘプチルオキシ基、オクチルオキシ基等の炭素数1〜12のアルコキシル基およびその水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された基;
メトキシメチル基、エトキシメチル基、プロポキシメチル基、ブトキシメチル基、メトキシエチル基、エトキシエチル基、プロポキシエチル基、メトキシプロピル基、エトキシプロピル基、プロポキシプロピル基等の炭素数1〜10のアルコキシアルキル基およびその水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された基;
ビニル基、1−プロペニル基、2−プロペニル基、1−ブテニル基、1−ペンテニル基、3−ブテニル基、3−ペンテニル基、2−フルオロエテニル基、2,2−ジフルオロエテニル基、1,2,2−トリフルオロエテニル基、4,4−ジフルオロ−3−ブテニル基、3,3−ジフルオロ−2−プロペニル基、5,5−ジフルオロ−4−ペンテニル基等のアルケニル基;
ホルミル基、アセチル基、プロピオニル基、ブチリル基、イソブチリル基、バレリル基等のアシル基;
フェニル基等のアリール基およびその水素原子の一部または全部がフッ素原子に置換された基;
フェノキシ基等のアリールオキシ基
等が挙げられる。
Specific examples of groups other than hydrogen atom and fluorine atom among X1 to X3 include
Alkyl groups having 1 to 12 carbon atoms such as methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, pentyl group, hexyl group, heptyl group, octyl group, nonyl group, decyl group and some or all of hydrogen atoms thereof are fluorine. A group substituted with an atom;
Alkoxyl groups having 1 to 12 carbon atoms such as methoxy group, ethoxy group, propoxy group, butoxy group, pentoxy group, hexyloxy group, heptyloxy group and octyloxy group, and some or all of their hydrogen atoms are replaced with fluorine atoms. Group;
Alkoxyalkyl groups having 1 to 10 carbon atoms such as methoxymethyl group, ethoxymethyl group, propoxymethyl group, butoxymethyl group, methoxyethyl group, ethoxyethyl group, propoxyethyl group, methoxypropyl group, ethoxypropyl group and propoxypropyl group. And a group in which some or all of its hydrogen atom is replaced with a fluorine atom;
Vinyl group, 1-propenyl group, 2-propenyl group, 1-butenyl group, 1-pentenyl group, 3-butenyl group, 3-pentenyl group, 2-fluoroethenyl group, 2,2-difluoroethenyl group, 1 , 2,2-Trifluoroethenyl group, 4,4-difluoro-3-butenyl group, 3,3-difluoro-2-propenyl group, 5,5-difluoro-4-pentenyl group and other alkenyl groups;
Acyl groups such as formyl group, acetyl group, propionyl group, butyryl group, isobutyryl group, valeryl group;
Aryl groups such as phenyl groups and groups in which some or all of their hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms;
Aryloxy groups such as phenoxy groups can be mentioned.
該環状ホスファゼン化合物の総量が、非水系電解液全体に対して0.5質量%以上であれば、非水溶媒として比較的粘度の高いプロピレンカーボネートを使用した場合であっても、非水系電解液の粘度を引き下げ、非水系電解液の伝導度を高めることができるため、高い入出力特性が得られ、高負荷充放電サイクル特性も向上する。詳細なメカニズムは必ずしも明らかではないが、特にセパレータ内での非水系電解液の拡散速度が向上するためと考えられる。また、ホスファゼン化合物の難燃効果により、安全性も向上する。該環状ホスファゼン化合物の総量が、非水系電解液全体に対して15質量%以下であれば、非水系電解液のリチウム塩の解離度が低下し、伝導度が低下することを抑えられるため、高い入出力特性を保持することができる。 If the total amount of the cyclic phosphazene compound is 0.5% by mass or more based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution, the non-aqueous electrolyte solution is a non-aqueous electrolyte solution even when a relatively highly viscous propylene carbonate is used as the non-aqueous solvent. Since the viscosity of the non-aqueous electrolyte solution can be lowered and the conductivity of the non-aqueous electrolyte solution can be increased, high input / output characteristics can be obtained, and high load charge / discharge cycle characteristics can also be improved. The detailed mechanism is not always clear, but it is considered that the diffusion rate of the non-aqueous electrolyte solution in the separator is improved. In addition, the flame-retardant effect of the phosphazene compound improves safety. When the total amount of the cyclic phosphazene compound is 15% by mass or less based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution, the degree of dissociation of the lithium salt in the non-aqueous electrolyte solution is lowered, and the decrease in conductivity can be suppressed, which is high. Input / output characteristics can be maintained.
非水系電解液は、含有する環状ホスファゼン化合物としては、エトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、ジエトキシテトラフルオロシクロトリホスファゼン、フェノキシペンタフルオロシクロトリホスファゼンのうちから選択される1種以上が好ましく、モノエトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼンを用いることがより好ましい。モノエトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼンを用いることで、特に高い入出力特性を保持することが可能である。 As the cyclic phosphazene compound contained in the non-aqueous electrolyte solution, one or more selected from ethoxypentafluorocyclotriphosphazene, diethoxytetrafluorocyclotriphosphazene, and phenoxypentafluorocyclotriphosphazene is preferable, and monoethoxypenta It is more preferable to use fluorocyclotriphosphazene. By using monoethoxypentafluorocyclotriphosphazene, it is possible to maintain particularly high input / output characteristics.
[鎖状カーボネート]
本実施形態の非水系電解液は、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、及びエチルメチルカーボネートから選択される少なくとも1種の鎖状カーボネートを含む非水溶媒をさらに含有することが好ましい。非水系電解液がこれらの鎖状カーボネートを含有することで、非水系電解液の粘度が低下するため、高いリチウムイオン伝導度を発現し、高い入出力特性を発現し、サイクル特性も向上する。鎖状カーボネートの添加量は、非水溶媒の総量を基準として、30vol%未満で、かつ非水系電解液の引火点が70℃を超えない範囲に調整することが好ましい。これによって、過充電試験、釘刺し試験における安全性を低下させることなく、高い入出力特性が得られる。
[Chain carbonate]
The non-aqueous electrolyte solution of the present embodiment preferably further contains a non-aqueous solvent containing at least one chain carbonate selected from dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. When the non-aqueous electrolyte solution contains these chain carbonates, the viscosity of the non-aqueous electrolyte solution is lowered, so that high lithium ion conductivity is exhibited, high input / output characteristics are exhibited, and cycle characteristics are also improved. The amount of the chain carbonate added is preferably adjusted to less than 30 vol% based on the total amount of the non-aqueous solvent and within a range in which the flash point of the non-aqueous electrolyte solution does not exceed 70 ° C. As a result, high input / output characteristics can be obtained without deteriorating the safety in the overcharge test and the nail piercing test.
[エーテル化合物]
該非水系電解液は、一般式(2):
R1−O−R2 (2)
{式中、R1及びR2は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜12のアルキル基、又は−Ra−O−Rb(ここで、Raは、メチレン基又は炭素数2〜6のアルキレン基であり、そしてRbは、水素原子又は炭素数1〜6のアルキル基である。)であり、互いに同一であっても異なっていてもよいが、R1及びR2がともに水素原子であることはない。}で表されるエーテル化合物を少なくとも1種以上含有し、該エーテル化合物の総量が、非水系電解液全体に対して1質量%以上10質量%以下であることが好ましい。該エーテル化合物の総量は、非水系電解液全体に対して2質量%以上7.5質量%以下であることがより好ましく、2質量%以上5質量%以下であることがさらに好ましい。
該エーテル化合物の総量が、非水系電解液全体に対して10質量%以下であれば、高温保存時のガスを抑制しながら、難燃効果による高い安全性を発現することが可能となる。また、非水系電解液のリチウム塩の解離度が低下し、伝導度が低下することを抑えられるため、高い入出力特性を保持することができる。該エーテル化合物の濃度が、非水系電解液全体に対して1質量%以上であれば、非水系電解液の主成分であるプロピレンカーボネートよりも該エーテル化合物の粘度が低いため、非水系電解液の粘度を引き下げ、リチウムイオン伝導度を高めることができるため、高い入出力特性が発現できる。
上記一般式(2)であらわされるエーテル化合物としては、例えば、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジプロポキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、1,2−エトキシメトキシエタン、1,2−プロポキシメトキシエタン、1,2−ブトキシメトキシエタン、1,2−プロポキシエトキシエタン、1,2−ブトキシエトキシエタン、1,2−ブトキシプロポキシエタン等の鎖状エーテル化合物が挙げられ、これらよりなる群から選ばれた少なくとも1種を使用することが好ましく、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタンから選ばれた少なくとも1種を使用することがさらに好ましい。1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタンから選ばれた少なくとも1種を使用することで、特に入出力特性を高めることができる。
[Ether compound]
The non-aqueous electrolyte solution has a general formula (2):
R 1- O-R 2 (2)
{In the formula, R 1 and R 2 are independently hydrogen atoms, alkyl groups having 1 to 12 carbon atoms, or -Ra-O-Rb (where Ra is a methylene group or having 2 to 6 carbon atoms. an alkylene group and Rb is a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.), and may also being the same or different, R 1 and R 2 are both hydrogen atoms There is no such thing. } Is contained at least one kind of ether compound, and the total amount of the ether compound is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less with respect to the entire non-aqueous electrolyte solution. The total amount of the ether compound is more preferably 2% by mass or more and 7.5% by mass or less, and further preferably 2% by mass or more and 5% by mass or less with respect to the entire non-aqueous electrolyte solution.
When the total amount of the ether compound is 10% by mass or less based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution, it is possible to exhibit high safety due to the flame-retardant effect while suppressing the gas during high-temperature storage. Further, since the degree of dissociation of the lithium salt of the non-aqueous electrolyte solution is lowered and the decrease in conductivity can be suppressed, high input / output characteristics can be maintained. When the concentration of the ether compound is 1% by mass or more with respect to the entire non-aqueous electrolyte solution, the viscosity of the ether compound is lower than that of propylene carbonate, which is the main component of the non-aqueous electrolyte solution. Since the viscosity can be lowered and the lithium ion conductivity can be increased, high input / output characteristics can be exhibited.
Examples of the ether compound represented by the above general formula (2) include 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, 1,2-dipropoxyethane, 1,2-dibutoxyethane, 1,2. Chain ether compounds such as −ethoxymethoxyethane, 1,2-propoxymethoxyethane, 1,2-butoxymethoxyethane, 1,2-propoxyethoxyethane, 1,2-butoxyethoxyethane, 1,2-butoxypropoxyethane It is preferable to use at least one selected from the group consisting of these, and it is more preferable to use at least one selected from 1,2-dimethoxyethane and 1,2-diethoxyethane. .. By using at least one selected from 1,2-dimethoxyethane and 1,2-diethoxyethane, the input / output characteristics can be particularly enhanced.
[添加剤]
本実施形態の非水系電解液は、更に添加剤を含有していてもよい。添加剤としては、特に制限されないが、例えば、スルトン化合物、非環状含フッ素エーテル、含フッ素環状カーボネート、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル、及び環状酸無水物等を単独で用いることができ、また、2種以上を混合して用いてもよい。この中でも特に、環状ホスファゼン又は/及び鎖状エーテルを使用することが好ましい。
[Additive]
The non-aqueous electrolyte solution of the present embodiment may further contain an additive. The additive is not particularly limited, and for example, a sultone compound, an acyclic fluorinated ether, a fluorinated cyclic carbonate, a cyclic carbonate ester, a cyclic carboxylic acid ester, a cyclic acid anhydride and the like can be used alone, and also. Two or more kinds may be mixed and used. Of these, it is particularly preferable to use cyclic phosphazene and / and chain ether.
[スルトン化合物]
前記スルトン化合物としては、例えば、下記一般式(5)〜(7)で表されるスルトン化合物を挙げることができる。これらのスルトン化合物は、単独で用いてもよく、又は2種以上を混合して用いてもよい。
Examples of the sultone compound include sultone compounds represented by the following general formulas (5) to (7). These sultone compounds may be used alone or in combination of two or more.
本実施形態では、抵抗への悪影響の少なさの観点、及び非水系電解液の高温における分解を抑制してガス発生を抑えるという観点から、一般式(5)で表されるスルトン化合物としては、1,3−プロパンスルトン、2,4−ブタンスルトン、1,4−ブタンスルトン、1,3−ブタンスルトン又は2,4−ペンタンスルトンが好ましく、一般式(6)で表されるスルトン化合物としては、1,3−プロペンスルトン又は1,4−ブテンスルトンが好ましく、一般式(7)で表されるスルトン化合物としては、1,5,2,4−ジオキサジチエパン2,2,4,4−テトラオキシドが好ましく、その他のスルトン化合物としては、メチレンビス(ベンゼンスルホン酸)、メチレンビス(フェニルメタンスルホン酸)、メチレンビス(エタンスルホン酸)、メチレンビス(2,4,6,トリメチルベンゼンスルホン酸)、及びメチレンビス(2−トリフルオロメチルベンゼンスルホン酸)を挙げることができ、これらのうちから選択される少なくとも1種以上を選択することが好ましい。 In the present embodiment, the sultone compound represented by the general formula (5) is selected from the viewpoint of having little adverse effect on resistance and suppressing decomposition of the non-aqueous electrolyte solution at high temperature to suppress gas generation. 1,3-Propane sultone, 2,4-butane sultone, 1,4-butane sultone, 1,3-butane sultone or 2,4-pentane sultone are preferable, and the sultone compound represented by the general formula (6) is 1, 3-Propens sultone or 1,4-butene sultone is preferable, and the sultone compound represented by the general formula (7) is 1,5,2,4-dioxadithioepan 2,2,4,4-tetraoxide. As the other sultone compounds, methylenebis (benzenesulfonic acid), methylenebis (phenylmethanesulfonic acid), methylenebis (ethanesulfonic acid), methylenebis (2,4,6,trimethylbenzenesulfonic acid), and methylenebis (2). -Trifluoromethylbenzene sulfonic acid), and it is preferable to select at least one selected from these.
本実施形態における非水系リチウム型蓄電素子の非水系電解液中のスルトン化合物の総含有量は、非水系電解液の総量を基準として、0.5質量%以上15質量%以下であることが好ましい。非水系電解液中のスルトン化合物の総含有量が0.5質量%以上であれば、高温における電解液の分解を抑制してガス発生を抑えることが可能となる。他方、この総含有量が15質量%以下であれば、電解液のイオン伝導度の低下を抑えることができ、高い入出力特性を保持することができる。また、非水系リチウム型蓄電素子の非水系電解液に存在するスルトン化合物の含有量は、高い入出力特性と耐久性を両立する観点から、好ましくは1質量%以上10質量%以下であり、より好ましくは3質量%以上8質量%以下である。 The total content of the sultone compound in the non-aqueous electrolyte solution of the non-aqueous lithium-type power storage device in the present embodiment is preferably 0.5% by mass or more and 15% by mass or less based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. .. When the total content of the sultone compound in the non-aqueous electrolytic solution is 0.5% by mass or more, it is possible to suppress the decomposition of the electrolytic solution at a high temperature and suppress the gas generation. On the other hand, when the total content is 15% by mass or less, the decrease in the ionic conductivity of the electrolytic solution can be suppressed, and high input / output characteristics can be maintained. Further, the content of the sultone compound present in the non-aqueous electrolyte solution of the non-aqueous lithium-type power storage element is preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less from the viewpoint of achieving both high input / output characteristics and durability. It is preferably 3% by mass or more and 8% by mass or less.
[非環状含フッ素エーテル]
非環状含フッ素エーテルとしては、例えば、HCF2CF2OCH2CF2CF2H、CF3CFHCF2OCH2CF2CF2H、HCF2CF2CH2OCH2CF2CF2H、CF3CFHCF2OCH2CF2CFHCF3等が挙げられ、中でも、電気化学的安定性の観点から、HCF2CF2OCH2CF2CF2Hが好ましい。
[Acyclic fluorine-containing ether]
Examples of the acyclic fluorine-containing ether include HCF 2 CF 2 OCH 2 CF 2 CF 2 H, CF 3 CFHCF 2 OCH 2 CF 2 CF 2 H, HCF 2 CF 2 CH 2 OCH 2 CF 2 CF 2 H, CF 3 CFHCF 2 OCH 2 CF 2 CFHCF 3 and the like can be mentioned, and among them, HCF 2 CF 2 OCH 2 CF 2 CF 2 H is preferable from the viewpoint of electrochemical stability.
非環状含フッ素エーテルの含有量は、該非水系電解液の総量を基準として、0.5質量%以上15質量%以下が好ましく、1質量%以上10質量%以下であることが更に好ましい。非環状含フッ素エーテルの含有量が0.5質量%以上であれば、非水系電解液の酸化分解に対する安定性が高まり、高温時耐久性が高い蓄電素子が得られる。さらに、難燃効果によって、非水系電解液の引火点を上げ、安全性を高める効果も得られる。他方、非環状含フッ素エーテルの含有量が15質量%以下であれば、電解質塩の溶解度が良好に保たれ、かつ、非水系電解液のイオン伝導度を高く維持することができるため、高度の入出力特性を発現することが可能となる。尚、非環状含フッ素エーテルは、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。 The content of the acyclic fluorine-containing ether is preferably 0.5% by mass or more and 15% by mass or less, and more preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less, based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. When the content of the acyclic fluorine-containing ether is 0.5% by mass or more, the stability of the non-aqueous electrolytic solution against oxidative decomposition is enhanced, and a power storage element having high durability at high temperature can be obtained. Further, the flame-retardant effect raises the flash point of the non-aqueous electrolyte solution and enhances the safety. On the other hand, when the content of the acyclic fluorinated ether is 15% by mass or less, the solubility of the electrolyte salt can be kept good and the ionic conductivity of the non-aqueous electrolyte solution can be kept high, so that the concentration is high. It is possible to express input / output characteristics. The acyclic fluorine-containing ether may be used alone or in combination of two or more.
[含フッ素環状カーボネート]
含フッ素環状カーボネートについては、他の非水溶媒との相溶性の観点から、フルオロエチレンカーボネート(FEC)及びジフルオロエチレンカーボネート(dFEC)から選択して使用されることが好ましい。
フッ素原子を含有する環状カーボネートの含有量は、該非水系電解液の総量を基準として、0.5質量%以上10質量%以下が好ましく、1質量%以上5質量%以下であることがより好ましい。フッ素原子を含有する環状カーボネートの含有量が0.5質量%以上であれば、負極上に良質な被膜を形成することができ、負極上における電解液の還元分解を抑制することによって、高温における耐久性が高い蓄電素子が得られる。他方、フッ素原子を含有する環状カーボネートの含有量が10質量%以下であれば、電解質塩の溶解度が良好に保たれ、かつ、非水系電解液のイオン伝導度を高く維持することができるため、高度の入出力特性を発現することが可能となる。尚、上記のフッ素原子を含有する環状カーボネートは、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。
[Fluorine-containing cyclic carbonate]
The fluorine-containing cyclic carbonate is preferably used by selecting from fluoroethylene carbonate (FEC) and difluoroethylene carbonate (dFEC) from the viewpoint of compatibility with other non-aqueous solvents.
The content of the cyclic carbonate containing a fluorine atom is preferably 0.5% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 1% by mass or more and 5% by mass or less, based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. When the content of the cyclic carbonate containing a fluorine atom is 0.5% by mass or more, a high-quality film can be formed on the negative electrode, and by suppressing the reductive decomposition of the electrolytic solution on the negative electrode, the temperature is high. A power storage element with high durability can be obtained. On the other hand, when the content of the cyclic carbonate containing a fluorine atom is 10% by mass or less, the solubility of the electrolyte salt can be kept good and the ionic conductivity of the non-aqueous electrolyte solution can be kept high. It is possible to express a high degree of input / output characteristics. The above-mentioned cyclic carbonate containing a fluorine atom may be used alone or in combination of two or more.
[環状炭酸エステル]
環状炭酸エステルとしては、ビニレンカーボネートが好ましい。
環状炭酸エステルの含有量は、該非水系電解液の総量を基準として、0.5質量%以上10質量%以下が好ましく、1質量%以上5質量%以下であることが更に好ましい。環状炭酸エステルの含有量が0.5質量%以上であれば、負極上の良質な被膜を形成することができ、負極上での電解液の還元分解を抑制することにより、高温における耐久性が高い蓄電素子が得られる。他方、環状炭酸エステルの含有量が10質量%以下であれば、電解質塩の溶解度が良好に保たれ、かつ、非水系電解液のイオン伝導度を高く維持することができるため、高度の入出力特性を発現することが可能となる。
[Cyclic carbonate]
As the cyclic carbonate, vinylene carbonate is preferable.
The content of the cyclic carbonate is preferably 0.5% by mass or more and 10% by mass or less, and more preferably 1% by mass or more and 5% by mass or less, based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. When the content of the cyclic carbonate is 0.5% by mass or more, a high-quality film can be formed on the negative electrode, and by suppressing the reductive decomposition of the electrolytic solution on the negative electrode, the durability at high temperature can be improved. A high power storage element can be obtained. On the other hand, when the content of the cyclic carbonate is 10% by mass or less, the solubility of the electrolyte salt can be kept good and the ionic conductivity of the non-aqueous electrolyte solution can be maintained high, so that the input / output is highly high. It becomes possible to express the property.
[環状カルボン酸エステル]
環状カルボン酸エステルとしては、例えば、ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン、ガンマカプロラクトン、イプシロンカプロラクトン等を挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上を使用することが好ましい。中でも、ガンマブチロラクトンが、リチウムイオン解離度の向上に由来する電池特性向上の点から、特に好ましい。
環状カルボン酸エステルの含有量は、該非水系電解液の総量を基準として、0.5質量%以上15質量%以下が好ましく、1質量%以上5質量%以下であることがより好ましい。環状カルボン酸エステルの含有量が0.5質量%以上であれば、負極上の良質な被膜を形成することができ、負極上での電解液の還元分解を抑制することにより、高温時耐久性が高い蓄電素子が得られる。他方、環状カルボン酸エステルの含有量が5質量%以下であれば、電解質塩の溶解度が良好に保たれ、かつ、非水系電解液のイオン伝導度を高く維持することができるため、高度の入出力特性を発現することが可能となる。尚、上記の環状カルボン酸エステルは、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。
[Cyclic carboxylic acid ester]
Examples of the cyclic carboxylic acid ester include gamma-butyrolactone, gamma valerolactone, gamma caprolactone, epsilon caprolactone, and the like, and it is preferable to use one or more selected from these. Of these, gamma-butyrolactone is particularly preferable from the viewpoint of improving battery characteristics resulting from an improvement in the degree of lithium ion dissociation.
The content of the cyclic carboxylic acid ester is preferably 0.5% by mass or more and 15% by mass or less, and more preferably 1% by mass or more and 5% by mass or less, based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. When the content of the cyclic carboxylic acid ester is 0.5% by mass or more, a high-quality film can be formed on the negative electrode, and by suppressing the reductive decomposition of the electrolytic solution on the negative electrode, durability at high temperature is achieved. A high storage element can be obtained. On the other hand, when the content of the cyclic carboxylic acid ester is 5% by mass or less, the solubility of the electrolyte salt can be kept good and the ionic conductivity of the non-aqueous electrolyte solution can be maintained high, so that the content is high. It is possible to express the output characteristics. The above cyclic carboxylic acid ester may be used alone or in combination of two or more.
[環状酸無水物]
環状酸無水物については、無水コハク酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、及び無水イタコン酸から選択される1種以上が好ましい。中でも工業的な入手のし易さによって電解液の製造コストが抑えられる点、非水系電解液中に溶解し易い点等から、無水コハク酸及び無水マレイン酸から選択することが好ましい。
環状酸無水物の含有量は、該非水系電解液の総量を基準として、0.5質量%以上15質量%以下が好ましく、1質量%以上10質量%以下であることがより好ましい。環状酸無水物の含有量が0.5質量%以上であれば、負極上に良質な被膜を形成することができ、負極上における電解液の還元分解を抑制することにより、高温時耐久性が高い蓄電素子が得られる。他方、環状酸無水物の含有量が10質量%以下であれば、電解質塩の溶解度が良好に保たれ、かつ非水系電解液のイオン伝導度を高く維持することができるため、高度の入出力特性を発現することが可能となる。尚、上記の環状酸無水物は、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。
[Cyclic acid anhydride]
As the cyclic acid anhydride, one or more selected from succinic anhydride, maleic anhydride, citraconic anhydride, and itaconic anhydride are preferable. Among them, it is preferable to select from succinic anhydride and maleic anhydride from the viewpoint that the production cost of the electrolytic solution can be suppressed due to its industrial availability and that it is easily dissolved in the non-aqueous electrolytic solution.
The content of the cyclic acid anhydride is preferably 0.5% by mass or more and 15% by mass or less, and more preferably 1% by mass or more and 10% by mass or less, based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. When the content of cyclic acid anhydride is 0.5% by mass or more, a high-quality film can be formed on the negative electrode, and by suppressing the reductive decomposition of the electrolytic solution on the negative electrode, the durability at high temperature can be improved. A high power storage element can be obtained. On the other hand, when the content of the cyclic acid anhydride is 10% by mass or less, the solubility of the electrolyte salt can be kept good and the ionic conductivity of the non-aqueous electrolyte solution can be maintained high, so that high input / output can be achieved. It becomes possible to express the property. The above cyclic acid anhydride may be used alone or in combination of two or more.
[セパレータ]
正極前駆体及び負極は、セパレータを介して積層又は捲回され、正極前駆体、負極及びセパレータを有する電極積層体または電極捲回体が形成される。
前記セパレータとしては、リチウムイオン二次電池に用いられるポリエチレン製の微多孔膜若しくはポリプロピレン製の微多孔膜、又は電気二重層キャパシタで用いられるセルロース製の不織紙等を用いることができる。これらのセパレータの片面または両面に、有機または無機の微粒子からなる膜が積層されていてもよい。また、セパレータの内部に有機または無機の微粒子が含まれていてもよい。
セパレータの厚みは5μm以上35μm以下が好ましい。5μm以上の厚みとすることにより、内部のマイクロショートによる自己放電が小さくなる傾向があるため好ましい。他方、35μm以下の厚みとすることにより、非水系リチウム型蓄電素子の入出力特性が高くなる傾向があるため好ましい。
また、有機または無機の微粒子からなる膜は、1μm以上10μm以下が好ましい。1μm以上の厚みとすることにより、内部のマイクロショートによる自己放電が小さくなる傾向があるため好ましい。他方、10μm以下の厚みとすることにより、非水系リチウム型蓄電素子の入出力特性が高くなる傾向があるため好ましい。
[Separator]
The positive electrode precursor and the negative electrode are laminated or wound via a separator to form an electrode laminate or an electrode wound body having the positive electrode precursor, the negative electrode and the separator.
As the separator, a polyethylene microporous membrane or polypropylene microporous membrane used in a lithium ion secondary battery, a cellulose non-woven paper used in an electric double layer capacitor, or the like can be used. A film made of organic or inorganic fine particles may be laminated on one side or both sides of these separators. Further, organic or inorganic fine particles may be contained inside the separator.
The thickness of the separator is preferably 5 μm or more and 35 μm or less. A thickness of 5 μm or more is preferable because self-discharge due to internal microshorts tends to be small. On the other hand, a thickness of 35 μm or less is preferable because the input / output characteristics of the non-aqueous lithium-type power storage element tend to be improved.
The film made of organic or inorganic fine particles is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. A thickness of 1 μm or more is preferable because self-discharge due to internal microshorts tends to be small. On the other hand, a thickness of 10 μm or less is preferable because the input / output characteristics of the non-aqueous lithium-type power storage element tend to be improved.
[非水系リチウム型蓄電素子]
本実施形態の非水系リチウム型蓄電素子は、後述する電極積層体又は電極捲回体が、前記非水系電解液とともに前記外装体内に収納されて構成される。
[Non-aqueous lithium-type power storage element]
The non-aqueous lithium-type power storage element of the present embodiment is configured such that an electrode laminate or an electrode winding body, which will be described later, is housed in the exterior body together with the non-aqueous electrolytic solution.
[組立]
セル組み立て工程で得られる電極積層体は、枚葉の形状にカットした正極前駆体と負極を、セパレータを介して積層して成る積層体に、正極端子と負極端子を接続したものである。また、電極捲回体は、正極前駆体と負極を、セパレータを介して捲回して成る捲回体に正極端子及び負極端子を接続したものである。電極捲回体の形状は円筒型であっても、扁平型であってもよい。
正極端子と負極端子の接続の方法は特に限定はしないが、抵抗溶接や超音波溶接などの方法で行う。
[assembly]
The electrode laminate obtained in the cell assembly step is a laminate obtained by laminating a positive electrode precursor and a negative electrode cut into a single-wafer shape via a separator, and connecting a positive electrode terminal and a negative electrode terminal to the laminate. Further, the electrode winding body is formed by connecting a positive electrode terminal and a negative electrode terminal to a winding body formed by winding a positive electrode precursor and a negative electrode via a separator. The shape of the electrode winding body may be cylindrical or flat.
The method of connecting the positive electrode terminal and the negative electrode terminal is not particularly limited, but a method such as resistance welding or ultrasonic welding is used.
[外装体]
外装体としては、金属缶、ラミネート包材等を使用できる。
金属缶としては、アルミニウム製のものが好ましい。
ラミネート包材としては、金属箔と樹脂フィルムとを積層したフィルムが好ましく、外層樹脂フィルム/金属箔/内装樹脂フィルムから成る3層構成のものが例示される。外層樹脂フィルムは、接触等により金属箔が損傷を受けることを防止するためのものであり、ナイロン又はポリエステル等の樹脂が好適に使用できる。金属箔は水分及びガスの透過を防ぐためのものであり、銅、アルミニウム、ステンレス等の箔が好適に使用できる。また、内装樹脂フィルムは、内部に収納する非水系電解液から金属箔を保護するとともに、外装体のヒートシール時に溶融封口させるためのものであり、ポリオレフィン、酸変成ポリオレフィン等が好適に使用できる。
[Exterior body]
As the exterior body, a metal can, a laminated packaging material, or the like can be used.
The metal can is preferably made of aluminum.
As the laminated packaging material, a film obtained by laminating a metal foil and a resin film is preferable, and a three-layer structure composed of an outer layer resin film / metal foil / interior resin film is exemplified. The outer layer resin film is for preventing the metal foil from being damaged by contact or the like, and a resin such as nylon or polyester can be preferably used. The metal foil is for preventing the permeation of moisture and gas, and foils such as copper, aluminum, and stainless steel can be preferably used. Further, the interior resin film is for protecting the metal foil from the non-aqueous electrolyte solution stored inside and for melting and sealing the exterior body at the time of heat sealing, and polyolefins, acid-modified polyolefins and the like can be preferably used.
[外装体への収納]
乾燥した電極積層体又は電極捲回体は、金属缶やラミネート包材に代表される外装体の中に収納し、開口部を1方だけ残した状態で封止することが好ましい。外装体の封止方法は特に限定しないが、ラミネート包材を用いる場合は、ヒートシールやインパルスシールなどの方法を用いる。
[Storage in the exterior]
It is preferable that the dried electrode laminate or electrode wound body is housed in an exterior body typified by a metal can or a laminate packaging material, and sealed with only one opening left. The sealing method of the outer body is not particularly limited, but when a laminated packaging material is used, a method such as heat sealing or impulse sealing is used.
[乾燥]
外装体へ収納した電極積層体又は電極捲回体は、乾燥することで残存溶媒を除去することが好ましい。乾燥方法に限定はないが、真空乾燥などにより乾燥する。残存溶媒は、正極活物質層又は負極活物質層の質量あたり、1.5質量%以下が好ましい。残存溶媒が1.5質量%より多いと、系内に溶媒が残存し、自己放電特性やサイクル特性を悪化させるため、好ましくない。
[Dry]
It is preferable that the electrode laminate or the electrode wound body housed in the outer body is dried to remove the residual solvent. The drying method is not limited, but it is dried by vacuum drying or the like. The residual solvent is preferably 1.5% by mass or less per mass of the positive electrode active material layer or the negative electrode active material layer. If the residual solvent is more than 1.5% by mass, the solvent remains in the system and the self-discharge characteristics and cycle characteristics are deteriorated, which is not preferable.
[注液、含浸、封止工程]
組立工程の終了後に、外装体の中に収納された電極積層体又は電極捲回体に、非水系電解液を注液する。注液工程の終了後に、更に、含浸を行い、正極、負極、及びセパレータを非水系電解液で十分に浸すことが望ましい。正極、負極、及びセパレータのうちの少なくとも一部に非水系電解液が浸っていない状態では、後述するリチウムドープ工程において、ドープが不均一に進むため、得られる非水系リチウム型蓄電素子の抵抗が上昇したり、耐久性が低下したりする。上記含浸の方法としては、特に制限されないが、例えば、注液後の電極積層体又は電極捲回体を、外装体が開口した状態で、減圧チャンバーに設置し、真空ポンプを用いてチャンバー内を減圧状態にし、再度大気圧に戻す方法等を用いることができる。含浸工程終了後には、外装体が開口した状態の電極積層体又は電極捲回体を減圧しながら封止することで密閉する。
[Liquid injection, impregnation, sealing process]
After the assembly process is completed, the non-aqueous electrolyte solution is injected into the electrode laminate or electrode winding body housed in the exterior body. After the completion of the liquid injection step, it is desirable to further impregnate and sufficiently immerse the positive electrode, the negative electrode, and the separator with a non-aqueous electrolytic solution. When the non-aqueous electrolyte solution is not immersed in at least a part of the positive electrode, the negative electrode, and the separator, the doping proceeds non-uniformly in the lithium doping step described later, so that the resistance of the obtained non-aqueous lithium storage element becomes high. It rises or becomes less durable. The impregnation method is not particularly limited, but for example, the electrode laminate or electrode winding body after injection is installed in a decompression chamber with the outer body open, and the inside of the chamber is used with a vacuum pump. A method of reducing the pressure and returning the pressure to atmospheric pressure can be used. After the impregnation step is completed, the electrode laminate or the electrode wound body with the outer body open is sealed while reducing the pressure.
[リチウムドープ工程]
リチウムドープ工程において、好ましい工程としては、前記正極前駆体と負極との間に電圧を印加して前記リチウム化合物を分解することにより、正極前駆体中のリチウム化合物を分解してリチウムイオンを放出し、負極でリチウムイオンを還元することにより負極活物質層にリオチウムイオンがプレドープされる。
このリチウムドープ工程において、正極前駆体中のリチウム化合物の酸化分解に伴い、CO2等のガスが発生する。そのため、電圧を印加する際には、発生したガスを外装体の外部に放出する手段を講ずることが好ましい。この手段としては、例えば、外装体の一部を開口させた状態で電圧を印加する方法;前記外装体の一部に予めガス抜き弁、ガス透過フィルム等の適宜のガス放出手段を設置した状態で電圧を印加する方法;等を挙げることができる。
[Lithium dope process]
In the lithium doping step, a preferable step is to apply a voltage between the positive electrode precursor and the negative electrode to decompose the lithium compound, thereby decomposing the lithium compound in the positive electrode precursor and releasing lithium ions. By reducing lithium ions at the negative electrode, liotium ions are pre-doped into the negative electrode active material layer.
In this lithium doping step, gas such as CO 2 is generated due to oxidative decomposition of the lithium compound in the positive electrode precursor. Therefore, when applying a voltage, it is preferable to take measures to release the generated gas to the outside of the exterior body. As this means, for example, a method of applying a voltage with a part of the exterior body opened; a state in which an appropriate gas release means such as a gas vent valve or a gas permeable film is previously installed in the part of the exterior body. A method of applying a voltage with the above;
[第一エージング工程]
リチウムドープ工程の終了後に、電極積層体又は電極捲回体に第一エージングを行うことが好ましい。第一エージング工程において非水系電解液中の溶媒が負極で分解し、負極表面にリチウムイオン透過性の固体高分子被膜が形成される。
上記第一エージングの方法としては、特に制限されないが、例えば、高温環境下で非水系電解液中の溶媒を反応させる方法等を用いることができる。
[First aging process]
After the completion of the lithium doping step, it is preferable to perform the first aging on the electrode laminate or the electrode wound body. In the first aging step, the solvent in the non-aqueous electrolyte solution is decomposed at the negative electrode, and a lithium ion permeable solid polymer film is formed on the surface of the negative electrode.
The first aging method is not particularly limited, and for example, a method of reacting a solvent in a non-aqueous electrolyte solution in a high temperature environment can be used.
[第二エージング工程]
第一エージング工程の終了後に、第二エージング工程を行うことが好ましい。第二エージング工程において正極中のリチウム状態を制御し、前記b/aを特定の範囲に調整することで高い入出力特性を維持しながら、高負荷充放電サイクル特性を向上できる。
上記第二エージングの方法としては、特に制限されないが、例えば、高温環境下で充放電サイクルを行う方法等を用いることができる。
[Second aging process]
It is preferable to carry out the second aging step after the completion of the first aging step. By controlling the lithium state in the positive electrode in the second aging step and adjusting the b / a to a specific range, it is possible to improve the high load charge / discharge cycle characteristics while maintaining high input / output characteristics.
The second aging method is not particularly limited, but for example, a method of performing a charge / discharge cycle in a high temperature environment can be used.
[ガス抜き工程]
エージング工程の終了後に、更にガス抜きを行い、非水系電解液、正極、及び負極中に残存しているガスを確実に除去することが好ましい。非水系電解液、正極、及び負極の少なくとも一部にガスが残存している状態では、イオン伝導が阻害されるため、得られる非水系リチウム型蓄電素子の抵抗が上昇してしまう。
上記ガス抜きの方法としては、特に制限されないが、例えば、前記外装体を開口した状態で電極積層体又は電極捲回体を減圧チャンバーに設置し、真空ポンプを用いてチャンバー内を減圧状態にする方法等を用いることができる。
[Degassing process]
After the aging step is completed, it is preferable to further degas to surely remove the gas remaining in the non-aqueous electrolyte solution, the positive electrode, and the negative electrode. In a state where gas remains in at least a part of the non-aqueous electrolyte solution, the positive electrode, and the negative electrode, ion conduction is inhibited, so that the resistance of the obtained non-aqueous lithium power storage element increases.
The degassing method is not particularly limited, but for example, the electrode laminate or the electrode winding body is installed in the decompression chamber with the exterior body open, and the inside of the chamber is depressurized by using a vacuum pump. A method or the like can be used.
[非水系リチウム型蓄電素子の特性評価]
[静電容量]
本明細書中、静電容量F(F)とは、以下の方法によって得られる値である:
先ず、非水系リチウム型蓄電素子と対応するセルを25℃に設定した恒温槽内で、20Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電を行い、次いで、3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分行う。その後、2.2Vまで2Cの電流値で定電流放電を施した際の容量をQとする。ここで得られたQを用いて、F=Q/(3.8−2.2)により算出される値をいう。
[Characteristic evaluation of non-aqueous lithium-type power storage element]
[Capacitance]
In the present specification, the capacitance F (F) is a value obtained by the following method:
First, in a constant temperature bath in which the cell corresponding to the non-aqueous lithium-type power storage element is set to 25 ° C, constant current charging is performed until the current value of 20C reaches 3.8V, and then a constant voltage of 3.8V is applied. The constant voltage charging to be applied is performed for a total of 30 minutes. After that, let Q be the capacitance when constant current discharge is performed with a current value of 2C up to 2.2V. It means a value calculated by F = Q / (3.8-2.2) using the Q obtained here.
[常温放電内部抵抗]
本明細書では、常温放電内部抵抗Ra(Ω)とは、以下の方法によって得られる値である:
先ず、非水系リチウム型蓄電素子と対応するセルを25℃に設定した恒温槽内で、20Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分間行う。続いて、20Cの電流値で2.2Vまで定電流放電を行って、放電カーブ(時間−電圧)を得る。この放電カーブにおいて、放電時間2秒及び4秒の時点における電圧値から、直線近似にて外挿して得られる放電時間=0秒における電圧をEoとしたときに、降下電圧ΔE=3.8−Eo、及びRa=ΔE/(20C(電流値A))により算出される値である。
[Room temperature discharge internal resistance]
In the present specification, the room temperature discharge internal resistance Ra (Ω) is a value obtained by the following method:
First, the cell corresponding to the non-aqueous lithium-type power storage element is charged with a constant current at a current value of 20C until it reaches 3.8V in a constant temperature bath set at 25 ° C., and then a constant voltage of 3.8V is applied. Constant voltage charging is performed for a total of 30 minutes. Subsequently, a constant current discharge is performed up to 2.2 V with a current value of 20 C to obtain a discharge curve (time-voltage). In this discharge curve, when the voltage at the discharge time = 0 seconds obtained by extrapolating from the voltage values at the discharge times of 2 seconds and 4 seconds is set to Eo, the drop voltage ΔE = 3.8- It is a value calculated by Eo and Ra = ΔE / (20C (current value A)).
[高温保存試験]
本明細書では、高温保存試験時のガス発生量、及び高温保存試験後の常温放電内部抵抗上昇率は、以下の方法によって測定する:
先ず、非水系リチウム型蓄電素子と対応するセルを25℃に設定した恒温槽内で、100Cの電流値で4.0Vに到達するまで定電流充電し、続いて4.0Vの定電圧を印加する定電圧充電を10分間行う。その後、セルを60℃環境下に保存し、2週間毎に60℃環境下から取り出し、前述の充電工程にてセル電圧を4.0Vに充電した後、再びセルを60℃環境下で保存する。この工程を繰り返し行い、保存開始前のセル体積Va、保存試験2か月後のセル体積Vbをアルキメデス法によって測定する。Vb−Vaをセル電圧4.0V及び環境温度60℃において2か月間保存した際に発生するガス量とする。
前記高温保存試験後のセルに対して、前記常温放電内部抵抗と同様の測定方法を用いて得られる抵抗値を高温保存試験後の常温放電内部抵抗Rdとしたとき、高温保存試験開始前の常温放電内部抵抗Raに対する高温保存試験後の常温放電内部抵抗上昇率はRd/Raにより算出される。
[High temperature storage test]
In the present specification, the amount of gas generated during the high temperature storage test and the rate of increase in internal resistance of normal temperature discharge after the high temperature storage test are measured by the following methods:
First, the cell corresponding to the non-aqueous lithium-type power storage element is charged with a constant current in a constant temperature bath set at 25 ° C. until it reaches 4.0 V with a current value of 100 C, and then a constant voltage of 4.0 V is applied. Perform constant voltage charging for 10 minutes. Then, the cell is stored in a 60 ° C. environment, taken out from the 60 ° C. environment every two weeks, charged to 4.0 V in the cell voltage in the above-mentioned charging step, and then the cell is stored again in the 60 ° C. environment. .. This step is repeated, and the cell volume Va before the start of storage and the cell volume Vb 2 months after the storage test are measured by the Archimedes method. Let Vb-V be the amount of gas generated when stored for 2 months at a cell voltage of 4.0 V and an ambient temperature of 60 ° C.
When the resistance value obtained by using the same measurement method as the normal temperature discharge internal resistance for the cell after the high temperature storage test is the normal temperature discharge internal resistance Rd after the high temperature storage test, the normal temperature before the start of the high temperature storage test The rate of increase in the internal resistance of the room temperature discharge after the high temperature storage test with respect to the internal resistance Ra of the discharge is calculated by Rd / Ra.
[高負荷充放電サイクル試験後の常温放電内部抵抗上昇率]
本明細書中、高負荷充放電サイクル試験後の常温放電内部抵抗上昇率は、以下の方法によって測定する:
先ず、非水系リチウム型蓄電素子と対応するセルを25℃に設定した恒温槽内で、300Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて300Cの電流値で2.2Vに到達するまで定電流放電を行う。前記充放電工程を60000回繰り返し、試験開始前と、試験終了後に常温放電内部抵抗測定を行い、試験開始前の常温放電内部抵抗をRa(Ω)、試験終了後の常温放電内部抵抗をRe(Ω)としたとき、試験開始前に対する高負荷充放電サイクル試験後の抵抗上昇率はRe/Raにより算出される。
[Rate of increase in internal resistance of normal temperature discharge after high load charge / discharge cycle test]
In the present specification, the rate of increase in internal resistance of normal temperature discharge after a high load charge / discharge cycle test is measured by the following method:
First, the cell corresponding to the non-aqueous lithium-type power storage element is charged at a constant current in a constant temperature bath set at 25 ° C. until it reaches 3.8 V at a current value of 300 C, and then 2.2 V at a current value of 300 C. Constant current discharge is performed until reaches. The charge / discharge process is repeated 60,000 times, and the internal resistance of normal temperature discharge is measured before the start of the test and after the end of the test. When Ω) is set, the resistance increase rate after the high load charge / discharge cycle test before the start of the test is calculated by Re / Ra.
本実施形態の非水系リチウム型蓄電素子は、初期の常温放電内部抵抗をRa(Ω)、静電容量をF(F)としたとき、以下の:
(a)RaとFとの積Ra・Fが0.3以上3.0以下である;
を満たすものであることが好ましい。
When the initial room temperature discharge internal resistance is Ra (Ω) and the capacitance is F (F), the non-aqueous lithium storage element of the present embodiment has the following:
(A) The product Ra / F of Ra and F is 0.3 or more and 3.0 or less;
It is preferable that the condition is satisfied.
(a)について、Ra・Fは、大電流に対して十分な充電容量と放電容量とを発現させる観点から、3.0以下であることが好ましく、より好ましくは2.6以下であり、更に好ましくは2.4以下である。Ra・Fが上記の上限値以下であれば、優れた入出力特性を有する非水系リチウム型蓄電素子を得ることができる。そのため、非水系リチウム型蓄電素子を用いた蓄電システムと、例えば高効率エンジンと、を組み合わせること等によって該非水系リチウム型蓄電素子に印加される高負荷にも十分に耐え得ることとなり、好ましい。 Regarding (a), Ra and F are preferably 3.0 or less, more preferably 2.6 or less, and further, from the viewpoint of developing sufficient charge capacity and discharge capacity with respect to a large current. It is preferably 2.4 or less. When Ra and F are not more than the above upper limit values, a non-aqueous lithium-type power storage element having excellent input / output characteristics can be obtained. Therefore, by combining a power storage system using a non-aqueous lithium-type power storage element with, for example, a high-efficiency engine, it is possible to sufficiently withstand a high load applied to the non-aqueous lithium-type power storage element, which is preferable.
本実施形態の非水系リチウム型蓄電素子は、初期の常温放電内部抵抗をRa(Ω)、静電容量をF(F)、セル電圧4V及び環境温度60℃において2か月間保存した後の、常温放電内部抵抗をRd(Ω)としたとき、以下の:
(e)Rd/Raが0.9以上3.0以下である;及び
(f)セル電圧4V及び環境温度60℃において2か月間保存した時に発生するガス量が、25℃において30×10−3cc/F以下である;及び
を同時に満たすことが好ましい。
The non-aqueous lithium-type power storage element of the present embodiment has an initial room temperature discharge internal resistance of Ra (Ω), a capacitance of F (F), a cell voltage of 4 V, and a storage temperature of 60 ° C. for 2 months. When the internal resistance of room temperature discharge is Rd (Ω), the following:
(E) Rd / Ra is 0.9 or more and 3.0 or less; and (f) The amount of gas generated when stored for 2 months at a cell voltage of 4 V and an ambient temperature of 60 ° C. is 30 × 10 − at 25 ° C. It is less than or equal to 3 cc / F; and is preferably satisfied at the same time.
(e)について、Rd/Raは、高温環境下に長時間曝された場合に、大電流に対して十分な充電容量と放電容量とを発現させる観点から、3.0以下であることが好ましく、より好ましくは2.0以下であり、更に好ましくは1.5以下である。Rd/Raが上記の上限値以下であれば、長期間安定して優れた出力特性を得ることができるため、デバイスの長寿命化につながる。 Regarding (e), Rd / Ra is preferably 3.0 or less from the viewpoint of developing sufficient charge capacity and discharge capacity for a large current when exposed to a high temperature environment for a long time. , More preferably 2.0 or less, still more preferably 1.5 or less. When Rd / Ra is not more than the above upper limit value, stable and excellent output characteristics can be obtained for a long period of time, which leads to a long life of the device.
(f)について、セル電圧4.0V及び環境温度60℃において2か月間保存した際に発生するガス量は、発生したガスにより素子の特性を低下させないとの観点から、発生ガス量を25℃において測定した値として、30×10−3cc/F以下であることが好ましく、より好ましくは20×10−3cc/F以下であり、更に好ましくは15×10−3cc/F以下である。上記の条件下で発生するガス量が上記の上限値以下であれば、デバイスが長期間高温に曝された場合であっても、ガス発生によってセルが膨張するおそれがない。そのため、十分な安全性及び耐久性を有する蓄電素子を得ることができる。 Regarding (f), the amount of gas generated when stored at a cell voltage of 4.0 V and an environmental temperature of 60 ° C. for 2 months is 25 ° C. from the viewpoint that the generated gas does not deteriorate the characteristics of the device. The value measured in 1 is preferably 30 × 10 -3 cc / F or less, more preferably 20 × 10 -3 cc / F or less, and further preferably 15 × 10 -3 cc / F or less. .. If the amount of gas generated under the above conditions is equal to or less than the above upper limit, there is no possibility that the cell will expand due to gas generation even when the device is exposed to a high temperature for a long period of time. Therefore, a power storage element having sufficient safety and durability can be obtained.
本実施形態の非水系リチウム型蓄電素子は、初期の常温放電内部抵抗をRa(Ω)、環境温度25℃にて、セル電圧を2.2Vから3.8Vまで、300Cのレートでの充放電サイクルを60,000回行った後の常温放電内部抵抗をRe(Ω)としたとき、以下の:
(g)Re/Raが0.9以上2.0以下である;
を満たすことが好ましい。
The non-aqueous lithium-type power storage element of the present embodiment has an initial room temperature discharge internal resistance of Ra (Ω), an ambient temperature of 25 ° C., and a cell voltage of 2.2 V to 3.8 V at a rate of 300 C. When the internal resistance of room temperature discharge after 60,000 cycles is Re (Ω), the following:
(G) Re / Ra is 0.9 or more and 2.0 or less;
It is preferable to satisfy.
(g)について、高負荷充放電サイクル試験後の常温放電内部抵抗上昇率Re/Raは、2.0以下であることが好ましく、より好ましくは1.5以下であり、更に好ましくは1.2以下である。高負荷充放電サイクル試験後の抵抗上昇率が上記の上限値以下であれば、充放電を繰り返してもデバイスの特性が維持される。そのため、長期間安定して優れた出力特性を得ることができ、デバイスの長寿命化につながる。 Regarding (g), the normal temperature discharge internal resistance increase rate Re / Ra after the high load charge / discharge cycle test is preferably 2.0 or less, more preferably 1.5 or less, still more preferably 1.2. It is as follows. If the resistance increase rate after the high load charge / discharge cycle test is not more than the above upper limit value, the characteristics of the device are maintained even if charging / discharging is repeated. Therefore, it is possible to stably obtain excellent output characteristics for a long period of time, which leads to a long life of the device.
以下に、本発明を実施例及び比較例によって具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited thereto.
[炭酸リチウムの粉砕]
平均粒子径53μmの炭酸リチウム200gを、アイメックス社製の粉砕機(液体窒素ビーズミルLNM)を用い、液体窒素で−196℃に冷却化した後、ドライアイスビーズを用い、周速10.0m/sにて9分間粉砕した。−196℃で熱変性を防止し、脆性破壊することにより得られた炭酸リチウムについて平均粒子径を測定することで仕込みの炭酸リチウム粒子径を求めたところ、5.1μmであった。
[Crushing lithium carbonate]
200 g of lithium carbonate having an average particle size of 53 μm is cooled to -196 ° C. with liquid nitrogen using a crusher (liquid nitrogen bead mill LNM) manufactured by IMEX, and then using dry ice beads at a peripheral speed of 10.0 m / s. Was crushed for 9 minutes. The charged lithium carbonate particle size was determined by measuring the average particle size of the lithium carbonate obtained by preventing thermal denaturation at -196 ° C. and brittle fracture, and found to be 5.1 μm.
[正極活物質の調製]
[活性炭1の調製]
破砕されたヤシ殻炭化物を、小型炭化炉において窒素中、500℃において3時間炭化処理して炭化物を得た。得られた炭化物を賦活炉内へ入れ、1kg/hの水蒸気を予熱炉で加温した状態で前記賦活炉内へ導入し、900℃まで8時間かけて昇温して賦活した。賦活後の炭化物を取り出し、窒素雰囲気下で冷却して、賦活された活性炭を得た。得られた活性炭を10時間通水洗浄した後に水切りした。その後、115℃に保持された電気乾燥機内で10時間乾燥した後に、ボールミルで1時間粉砕を行うことにより、活性炭1を得た。
この活性炭1について、島津製作所社製レーザー回折式粒度分布測定装置(SALD−2000J)を用いて平均粒子径を測定した結果、4.2μmであった。また、ユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)を用いて細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積が2360m2/g、メソ孔量(V1)が0.52cc/g、マイクロ孔量(V2)が0.88cc/g、V1/V2=0.59であった。
[Preparation of positive electrode active material]
[Preparation of activated carbon 1]
The crushed coconut shell carbide was carbonized in nitrogen at 500 ° C. for 3 hours in a small carbonization furnace to obtain carbonized material. The obtained carbide was put into an activation furnace, and 1 kg / h of steam was introduced into the activation furnace in a state of being heated in the preheating furnace, and the temperature was raised to 900 ° C. over 8 hours for activation. The activated carbon was taken out and cooled in a nitrogen atmosphere to obtain activated activated carbon. The obtained activated carbon was washed with water for 10 hours and then drained. Then, after drying in an electric dryer maintained at 115 ° C. for 10 hours, activated carbon 1 was obtained by pulverizing with a ball mill for 1 hour.
As a result of measuring the average particle size of this activated carbon 1 using a laser diffraction type particle size distribution measuring device (SALD-2000J) manufactured by Shimadzu Corporation, it was 4.2 μm. In addition, the pore distribution was measured using a pore distribution measuring device (AUTOSORB-1 AS-1-MP) manufactured by Yuasa Ionics. As a result, the BET specific surface area was 2360 m 2 / g, the mesopore amount (V1) was 0.52 cc / g, the micropore amount (V2) was 0.88 cc / g, and V1 / V2 = 0.59.
[活性炭2の調製]
フェノール樹脂について、窒素雰囲気下、焼成炉中600℃において2時間の炭化処理を行った後、ボールミルにて粉砕し、分級を行って平均粒子径7.0μmの炭化物を得た。この炭化物とKOHとを、質量比1:5で混合し、窒素雰囲下、焼成炉中800℃において1時間加熱して賦活化を行った。その後濃度2mol/Lに調整した希塩酸中で1時間撹拌洗浄を行った後、蒸留水でpH5〜6の間で安定するまで煮沸洗浄した後に乾燥を行うことにより、活性炭2を得た。
この活性炭2について、島津製作所社製レーザー回折式粒度分布測定装置(SALD−2000J)を用いて平均粒子径を測定した結果、7.1μmであった。ユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)を用いて細孔分布を測定した。その結果、BET比表面積が3627m2/g、メソ孔量(V1)が1.50cc/g、マイクロ孔量(V2)が2.28cc/g、V1/V2=0.66であった。
[Preparation of activated carbon 2]
The phenol resin was carbonized in a firing furnace at 600 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere, then pulverized by a ball mill and classified to obtain a carbide having an average particle diameter of 7.0 μm. This carbide and KOH were mixed at a mass ratio of 1: 5, and activated by heating in a firing furnace at 800 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere. Then, activated carbon 2 was obtained by stirring and washing in dilute hydrochloric acid adjusted to a concentration of 2 mol / L for 1 hour, boiling and washing with distilled water until the pH became stable between 5 and 6, and then drying.
The average particle size of this activated carbon 2 was measured using a laser diffraction type particle size distribution measuring device (SALD-2000J) manufactured by Shimadzu Corporation and found to be 7.1 μm. The pore distribution was measured using a pore distribution measuring device (AUTOSORB-1 AS-1-MP) manufactured by Yuasa Ionics. As a result, the BET specific surface area was 3627 m 2 / g, the mesopore amount (V1) was 1.50 cc / g, the micropore amount (V2) was 2.28 cc / g, and V1 / V2 = 0.66.
[正極塗工液(組成a)の調製]
正極活物質として上記で得た活性炭1又は2を、仕込みのリチウム化合物として上記で得た炭酸リチウムを用いて下記方法で正極塗工液(組成a)を製造した。
活性炭1又は2を59.5質量部、炭酸リチウムを28.0質量部、ケッチェンブラックを3.0質量部、PVP(ポリビニルピロリドン)を1.5質量部、及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を8.0質量部、並びにNMP(N−メチルピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサーフィルミックスを用いて、周速17.0m/sの条件で分散して塗工液を得た。
[Preparation of positive electrode coating liquid (composition a)]
The positive electrode coating liquid (composition a) was produced by the following method using the activated carbon 1 or 2 obtained above as the positive electrode active material and the lithium carbonate obtained above as the charged lithium compound.
59.5 parts by mass of activated carbon 1 or 2, 28.0 parts by mass of lithium carbonate, 3.0 parts by mass of Ketjen Black, 1.5 parts by mass of PVP (polyvinylpyrrolidone), and PVDF (polyvinylidene fluoride). 8.0 parts by mass and NMP (N-methylpyrrolidone) are mixed, and the mixture is dispersed and coated under the condition of peripheral speed of 17.0 m / s using a thin film swirling high-speed mixer fill mix manufactured by PRIMIX. Obtained liquid.
[正極塗工液(組成b)の調製]
正極活物質として上記で得た活性炭1又は2を、仕込みのリチウム化合物として上記で得た炭酸リチウムを用いて下記方法で正極塗工液(組成b)を製造した。
活性炭1又は2を34.5質量部、炭酸リチウムを56.0質量部、ケッチェンブラックを2.0質量部、PVP(ポリビニルピロリドン)を1.5質量部、及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を6.0質量部、並びにNMP(N−メチルピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサーフィルミックスを用いて、周速17.0m/sの条件で分散して塗工液を得た。
[Preparation of positive electrode coating liquid (composition b)]
The positive electrode coating liquid (composition b) was produced by the following method using the activated carbon 1 or 2 obtained above as the positive electrode active material and the lithium carbonate obtained above as the charged lithium compound.
Activated carbon 1 or 2 is 34.5 parts by mass, lithium carbonate is 56.0 parts by mass, Ketjen Black is 2.0 parts by mass, PVP (polyvinylpyrrolidone) is 1.5 parts by mass, and PVDF (polyvinylidene fluoride) is added. 6.0 parts by mass and NMP (N-methylpyrrolidone) are mixed, and the mixture is dispersed and coated at a peripheral speed of 17.0 m / s using a thin film swirling high-speed mixer fill mix manufactured by PRIMIX. Obtained liquid.
[正極塗工液(組成c)の調製]
正極活物質として上記で得た活性炭1又は2を、仕込みのリチウム化合物を用いずに、下記方法で正極塗工液(組成c)を製造した。
活性炭1又は2を78.4質量部、ケッチェンブラックを4.6質量部、PVP(ポリビニルピロリドン)を3.4質量部、及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を13.6質量部、並びにNMP(N−メチルピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサーフィルミックスを用いて、周速17.0m/sの条件で分散して塗工液を得た。
[Preparation of positive electrode coating liquid (composition c)]
The activated carbon 1 or 2 obtained above as the positive electrode active material was used to produce a positive electrode coating liquid (composition c) by the following method without using the charged lithium compound.
Activated carbon 1 or 2 is 78.4 parts by mass, Ketjen Black is 4.6 parts by mass, PVP (polyvinylpyrrolidone) is 3.4 parts by mass, PVDF (polyvinylidene fluoride) is 13.6 parts by mass, and NMP ( N-Methylpyrrolidone) was mixed and dispersed using a thin film swirl type high-speed mixer fill mix manufactured by PRIMIX under the condition of a peripheral speed of 17.0 m / s to obtain a coating liquid.
[正極前駆体の調製]
上記塗工液を東レエンジニアリング社製のダイコーターを用いて厚み15μmのアルミニウム箔の片面又は両面に塗工速度1m/sの条件で塗工し、乾燥温度100℃で乾燥して正極前駆体を得た。得られた正極前駆体についてロールプレス機を用いて圧力4kN/cm、プレス部の表面温度25℃の条件でプレスを実施した。
[Preparation of positive electrode precursor]
The above coating liquid is applied to one or both sides of an aluminum foil having a thickness of 15 μm using a die coater manufactured by Toray Engineering Co., Ltd. at a coating speed of 1 m / s, and dried at a drying temperature of 100 ° C. to obtain a positive electrode precursor. Obtained. The obtained positive electrode precursor was pressed using a roll press machine under the conditions of a pressure of 4 kN / cm and a surface temperature of the press portion of 25 ° C.
[負極1の調製]
平均粒子径3.0μm、BET比表面積が1,780m2/gの市販のヤシ殻活性炭150gをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ(軟化点:50℃)270gを入れたステンレス製バットの上に置き、両者を電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置して、熱反応を行うことにより、複合炭素材料1aを得た。この熱処理は窒素雰囲気下で行い、600℃まで8時間で昇温し、同温度で4時間保持する方法によった。続いて自然冷却により60℃まで冷却した後、複合炭素材料1を炉から取り出した。
得られた複合炭素材料1について、上記と同様の方法で平均粒子径及びBET比表面積を測定した。その結果、平均粒子径は3.2μm、BET比表面積は262m2/gであった。石炭系ピッチ由来の炭素質材料の活性炭に対する質量比率は78%であった。
[Preparation of negative electrode 1]
Made of stainless steel containing 150 g of commercially available coconut shell activated carbon with an average particle size of 3.0 μm and a BET specific surface area of 1,780 m 2 / g in a stainless steel mesh cage and 270 g of coal-based pitch (softening point: 50 ° C.). The composite carbon material 1a was obtained by placing it on a bat, placing both of them in an electric furnace (effective size in the furnace 300 mm × 300 mm × 300 mm), and conducting a thermal reaction. This heat treatment was carried out in a nitrogen atmosphere, the temperature was raised to 600 ° C. in 8 hours, and the temperature was maintained at the same temperature for 4 hours. Subsequently, after cooling to 60 ° C. by natural cooling, the composite carbon material 1 was taken out from the furnace.
For the obtained composite carbon material 1, the average particle size and the BET specific surface area were measured by the same method as described above. As a result, the average particle size was 3.2 μm and the BET specific surface area was 262 m 2 / g. The mass ratio of the carbonaceous material derived from the carbonaceous pitch to the activated carbon was 78%.
次いで複合炭素材料1aを負極活物質として用いて負極を製造した。
複合炭素材料1aを85質量部、アセチレンブラックを10質量部、及びPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を5質量部、並びにNMP(N−メチルピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサーフィルミックスを用いて、周速15m/sの条件で分散して塗工液を得た。得られた塗工液の粘度(ηb)及びTI値を東機産業社のE型粘度計TVE−35Hを用いて測定した。その結果、粘度(ηb)は2,789mPa・s、TI値は4.3であった。上記塗工液を東レエンジニアリング社製のダイコーターを用いて厚さ10μmの電解銅箔の両面に塗工速度1m/sの条件で塗工し、乾燥温度85℃で乾燥して負極1を得た。得られた負極1についてロールプレス機を用いて圧力4kN/cm、プレス部の表面温度25℃の条件でプレスを実施した。上記で得られた負極1の負極活物質層の膜厚を小野計器社製膜厚計Linear Gauge Sensor GS−551を用いて、負極1の任意の10か所で測定した厚さの平均値から、銅箔の厚さを引いて求めた。その結果、負極1の負極活物質層の膜厚は片面あたり40μmであった。
Next, a negative electrode was manufactured using the composite carbon material 1a as the negative electrode active material.
85 parts by mass of composite carbon material 1a, 10 parts by mass of acetylene black, 5 parts by mass of PVdF (polyvinylidene fluoride), and NMP (N-methylpyrrolidone) are mixed and mixed with a thin film swirl type high speed manufactured by PRIMIX Corporation. A coating liquid was obtained by dispersing under the condition of a peripheral speed of 15 m / s using a mixer fill mix. The viscosity (ηb) and TI value of the obtained coating liquid were measured using an E-type viscometer TVE-35H manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. As a result, the viscosity (ηb) was 2,789 mPa · s, and the TI value was 4.3. The above coating liquid is applied to both sides of an electrolytic copper foil having a thickness of 10 μm using a die coater manufactured by Toray Engineering Co., Ltd. at a coating speed of 1 m / s, and dried at a drying temperature of 85 ° C. to obtain a negative electrode 1. It was. The obtained negative electrode 1 was pressed using a roll press machine under the conditions of a pressure of 4 kN / cm and a surface temperature of the pressed portion of 25 ° C. The film thickness of the negative electrode active material layer of the negative electrode 1 obtained above was measured from the average value of the thickness measured at any 10 locations of the negative electrode 1 using a film thickness meter Linear Gauge Sensor GS-551 manufactured by Ono Keiki Co., Ltd. , Calculated by subtracting the thickness of the copper foil. As a result, the film thickness of the negative electrode active material layer of the negative electrode 1 was 40 μm per one side.
[負極2と3の調製例]
以下の表1に示す基材及びその量、石炭系ピッチの量、熱処理温度となるように調整した他は、負極1の調製と同様にして、負極活物質の製造及び評価を行った。また、上記で得た負極活物質を用いて、表1に記載の塗工液となるように調整をした他は、負極1の調製と同様にして、負極の製造及び評価を行った。その結果を以下の表1に示す。
[Preparation example of negative electrodes 2 and 3]
The negative electrode active material was produced and evaluated in the same manner as in the preparation of the negative electrode 1, except that the base material and its amount shown in Table 1 below, the amount of coal-based pitch, and the heat treatment temperature were adjusted. Further, the negative electrode was manufactured and evaluated in the same manner as the preparation of the negative electrode 1 except that the negative electrode active material obtained above was used and adjusted to obtain the coating liquid shown in Table 1. The results are shown in Table 1 below.
[実施例1]
[電解液の調製]
有機溶媒として、プロピレンカーボネート=100(体積比)の単独溶媒を用い、全電解液に対してLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度比が25:75(モル比)であり、かつLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度の和が1.2mol/Lとなるようにそれぞれの電解質塩を溶解して得た溶液を非水系電解液として使用した。
ここで調製した電解液におけるLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度は、それぞれ、0.3mol/L及び0.9mol/Lであったため、MA=0.9mol/L、MB=0.3mol/Lであり、MA/(MA+MB)=0.75であった。
[Example 1]
[Preparation of electrolyte]
As the organic solvent, a single solvent of propylene carbonate = 100 (volume ratio) is used, and the concentration ratio of LiN (SO 2 F) 2 and LiPF 6 to the total electrolytic solution is 25:75 (molar ratio) and LiN. A solution obtained by dissolving each electrolyte salt so that the sum of the concentrations of (SO 2 F) 2 and LiPF 6 was 1.2 mol / L was used as the non-aqueous electrolyte solution.
Here were prepared LiN in the electrolytic solution (SO 2 F) concentration of 2 and LiPF 6, since each was 0.3 mol / L and 0.9mol / L, M A = 0.9mol / L, M B = a 0.3 mol / L, were M a / (M a + M B) = 0.75.
[非水系リチウム型蓄電素子の調製]
[組立工程]
得られた両面負極1と両面正極前駆体1を10cm×10cm(100cm2)にカットした。最上面と最下面は片面正極前駆体1を用い、更に両面負極1を21枚と両面正極前駆体1を20枚とを用い、負極と正極前駆体との間に、厚み15μmの微多孔膜セパレータを挟んで積層した。その後、負極と正極前駆体とに、それぞれ、負極端子と正極端子を超音波溶接にて接続して電極積層体とした。この電極積層体を、温度80℃、圧力50Paで、乾燥時間60hrの条件で真空乾燥した。乾燥した電極積層体を露点−45℃のドライ環境下にて、アルミラミネート包材からなる外装体内に収納し、電極端子部およびボトム部の外装体3方を、温度180℃、シール時間20sec、シール圧1.0MPaの条件でヒートシールした。
[Preparation of non-aqueous lithium-type power storage element]
[Assembly process]
The obtained double-sided negative electrode 1 and double-sided positive electrode precursor 1 were cut into 10 cm × 10 cm (100 cm 2 ). A single-sided positive electrode precursor 1 is used for the uppermost surface and the lowermost surface, 21 double-sided negative electrode 1s and 20 double-sided positive electrode precursors 1 are used, and a microporous film having a thickness of 15 μm is used between the negative electrode and the positive electrode precursor. Laminated with a separator in between. Then, the negative electrode terminal and the positive electrode terminal were connected to the negative electrode and the positive electrode precursor by ultrasonic welding, respectively, to form an electrode laminate. This electrode laminate was vacuum dried at a temperature of 80 ° C. and a pressure of 50 Pa under the conditions of a drying time of 60 hr. The dried electrode laminate is housed in an exterior body made of an aluminum laminate packaging material under a dry environment with a dew point of −45 ° C., and the three outer bodies of the electrode terminal portion and the bottom portion are placed at a temperature of 180 ° C. and a sealing time of 20 sec. Heat sealing was performed under the condition of a sealing pressure of 1.0 MPa.
[注液、含浸、封止工程]
アルミラミネート包材の中に収納された電極積層体に、温度25℃、露点−40℃以下のドライエアー環境下にて、上記非水系電解液約80gを大気圧下で注入した。続いて、減圧チャンバーの中に前記非水系リチウム型蓄電素子を入れ、常圧から−87kPaまで減圧した後、大気圧に戻し、5分間静置した。その後、常圧から−87kPaまで減圧した後、大気圧に戻す工程を4回繰り返した後、15分間静置した。さらに、常圧から−91kPaまで減圧した後、大気圧に戻した。同様に減圧し、大気圧に戻す工程を合計7回繰り返した(それぞれ、−95,96,97,81,97,97,97kPaまで減圧した)。以上の工程により、非水系電解液を電極積層体に含浸させた。
その後、非水系リチウム型蓄電素子を減圧シール機に入れ、−95kPaに減圧した状態で、180℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることによりアルミラミネート包材を封止した。
[Liquid injection, impregnation, sealing process]
Approximately 80 g of the non-aqueous electrolyte solution was injected under atmospheric pressure into the electrode laminate housed in the aluminum laminate packaging material in a dry air environment at a temperature of 25 ° C. and a dew point of −40 ° C. or lower. Subsequently, the non-aqueous lithium-type power storage element was placed in the decompression chamber, the pressure was reduced from normal pressure to −87 kPa, the pressure was returned to atmospheric pressure, and the mixture was allowed to stand for 5 minutes. Then, the pressure was reduced from normal pressure to −87 kPa, the process of returning to atmospheric pressure was repeated 4 times, and then the mixture was allowed to stand for 15 minutes. Further, the pressure was reduced from normal pressure to -91 kPa, and then returned to atmospheric pressure. Similarly, the steps of depressurizing and returning to atmospheric pressure were repeated 7 times in total (reduced pressure to -95, 96, 97, 81, 97, 97, 97 kPa, respectively). Through the above steps, the electrode laminate was impregnated with the non-aqueous electrolytic solution.
Then, the non-aqueous lithium-type power storage element was placed in a vacuum sealing machine, and the aluminum laminate packaging material was sealed by sealing at 180 ° C. for 10 seconds at a pressure of 0.1 MPa with the pressure reduced to −95 kPa.
[リチウムドープ工程]
得られた非水系リチウム型蓄電素子に対して、東洋システム社製の充放電装置(TOSCAT−3100U)を用いて、25℃環境下、電流値50mAで電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を72時間継続する手法により初期充電を行い、負極にリチウムドープを行った。
[Lithium dope process]
The obtained non-aqueous lithium-type power storage element is charged with a constant current using a charging / discharging device (TOSCAT-3100U) manufactured by Toyo Systems Co., Ltd. in a 25 ° C environment at a current value of 50 mA until a voltage of 4.5 V is reached. After that, the initial charge was continuously performed by a method of continuing 4.5 V constant voltage charging for 72 hours, and lithium doping was performed on the negative electrode.
[第一エージング工程]
リチウムドープ後の非水系リチウム型蓄電素子を25℃環境下、1.0Aで電圧3.0Vに到達するまで定電流放電を行った後、3.0V定電流放電を1時間行うことにより電圧を3.0Vに調整した。その後、非水系リチウム型蓄電素子を60℃の恒温槽に60時間保管した。これを第一エージング工程とした。
[First aging process]
The non-aqueous lithium power storage device after lithium doping is subjected to constant current discharge at 1.0 A at 1.0 A until the voltage reaches 3.0 V, and then 3.0 V constant current discharge is performed for 1 hour to increase the voltage. Adjusted to 3.0V. Then, the non-aqueous lithium-type power storage element was stored in a constant temperature bath at 60 ° C. for 60 hours. This was designated as the first aging step.
[第二エージング工程]
エージング後の非水系リチウム型蓄電素子を45℃環境下、1.0Aで電圧4.7Vに達するまで定電流充電を行った後、1.0Aで電圧3.0Vまで定電流放電するサイクルを12サイクル継続した。これを第二エージングとした。
[Second aging process]
After aging, the non-aqueous lithium-type power storage element is charged with a constant current at 1.0 A until it reaches a voltage of 4.7 V in a 45 ° C environment, and then discharged at a constant current of 1.0 A to a voltage of 3.0 V. The cycle continued. This was designated as the second aging.
[ガス抜き工程]
エージング後の非水系リチウム型蓄電素子を、温度25℃、露点−40℃のドライエアー環境下でアルミラミネート包材の一部を開封した。次いで、減圧チャンバーの中に前記非水系リチウム型蓄電素子を入れ、KNF社製のダイヤフラムポンプ(N816.3KT.45.18)を用いて大気圧から−80kPaまで3分間かけて減圧した後、3分間かけて大気圧に戻す工程を合計3回繰り返した。その後、減圧シール機に非水系リチウム型蓄電素子を入れ、−90kPaに減圧した後、200℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることによりアルミラミネート包材を封止した。
以上の工程により、非水系リチウム型蓄電素子が完成した。
[Degassing process]
A part of the aluminum laminate packaging material was opened in a dry air environment at a temperature of 25 ° C. and a dew point of −40 ° C. for the aged non-aqueous lithium-type power storage element. Next, the non-aqueous lithium-type power storage element is placed in the decompression chamber, and the pressure is reduced from atmospheric pressure to -80 kPa using a diaphragm pump (N816.3KT.45.18) manufactured by KNF for 3 minutes, and then 3 The process of returning to atmospheric pressure over a minute was repeated a total of 3 times. Then, a non-aqueous lithium-type power storage element was placed in a vacuum sealing machine, the pressure was reduced to −90 kPa, and the aluminum laminate packaging material was sealed by sealing at 200 ° C. for 10 seconds at a pressure of 0.1 MPa.
Through the above steps, the non-aqueous lithium-type power storage element was completed.
[蓄電素子の評価]
[静電容量の測定]
得られた蓄電素子について、25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、20Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電を行い、次いで、3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分行った。2.2Vまで2Cの電流値で定電流放電を施した際の容量をQとし、F=Q/(3.8−2.2)により算出した静電容量Fは、1000Fであった。
[Evaluation of power storage element]
[Measurement of capacitance]
The obtained power storage element is fixed in a constant temperature bath set at 25 ° C. using a charging / discharging device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Limited until it reaches 3.8V at a current value of 20C. Current charging was performed, and then constant voltage charging to which a constant voltage of 3.8 V was applied was performed for a total of 30 minutes. The capacitance F when constant current discharge was performed with a current value of 2C up to 2.2V was defined as Q, and the capacitance F calculated by F = Q / (3.8-2.2) was 1000F.
[Ra・Fの算出]
得られた蓄電素子について、25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、20Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、次いで、3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分間行い、次いで、20Cの電流値で2.2Vまで定電流放電を行って、放電カーブ(時間−電圧)を得た。この放電カーブにおいて、放電時間2秒及び4秒の時点における電圧値から、直線近似にて外挿して得られる放電時間=0秒における電圧をEoとし、降下電圧ΔE=3.8−Eo、及びR=ΔE/(20C(電流値A))により常温放電内部抵抗Raを算出した。
静電容量Fと常温放電内部抵抗Raとの積Ra・Fは1.40ΩFであった。
[Calculation of Ra / F]
The obtained power storage element is fixed in a constant temperature bath set at 25 ° C. using a charging / discharging device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Co., Ltd. until it reaches 3.8V at a current value of 20C. Current charging, then constant voltage charging to apply a constant voltage of 3.8V for a total of 30 minutes, then constant current discharge to 2.2V with a current value of 20C, discharge curve (time-voltage) Got In this discharge curve, the voltage at the discharge time = 0 seconds obtained by extrapolating from the voltage values at the time points of the discharge times of 2 seconds and 4 seconds is defined as Eo, the drop voltage ΔE = 3.8-Eo, and The room temperature discharge internal resistance Ra was calculated from R = ΔE / (20C (current value A)).
The product Ra and F of the capacitance F and the normal temperature discharge internal resistance Ra was 1.40 ΩF.
[高温保存試験後のRd/Raの算出]
得られた蓄電素子について、25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、100Cの電流値で4.0Vに到達するまで定電流充電し、続いて4.0Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で10分間行った。その後、セルを60℃環境下に保存し、2週間毎に60℃環境下から取り出し、同様の充電工程にてセル電圧を4.0Vに充電した後、再びセルを60℃環境下で保存した。この工程を2か月間繰り返し実施した。高温保存試験後の蓄電素子に対して、前記[Ra・Fの算出]と同様にして高温保存試験後の常温放電内部抵抗Rdを算出した。このRd(Ω)を、前記[Ra・Fの算出]で求めた高温保存試験前の常温放電内部抵抗Ra(Ω)で除して算出した比Rd/Raは1.21であった。
[Calculation of Rd / Ra after high temperature storage test]
The obtained power storage element is fixed in a constant temperature bath set at 25 ° C. using a charging / discharging device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Limited until it reaches 4.0V at a current value of 100C. Current charging was followed by constant voltage charging to which a constant voltage of 4.0 V was applied for a total of 10 minutes. After that, the cell was stored in a 60 ° C environment, taken out from the 60 ° C environment every two weeks, charged to 4.0 V in the cell voltage in the same charging step, and then the cell was stored again in the 60 ° C environment. .. This process was repeated for 2 months. For the power storage element after the high temperature storage test, the normal temperature discharge internal resistance Rd after the high temperature storage test was calculated in the same manner as in the above [Calculation of Ra and F]. The ratio Rd / Ra calculated by dividing this Rd (Ω) by the normal temperature discharge internal resistance Ra (Ω) before the high temperature storage test obtained in the above [Calculation of Ra / F] was 1.21.
[高温保存試験後のガス発生量]
得られた蓄電素子について、25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、100Cの電流値で4.0Vに到達するまで定電流充電し、続いて4.0Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で10分間行った。その後、セルを60℃環境下に保存し、2週間毎に60℃環境下から取り出し、同様の充電工程にてセル電圧を4.0Vに充電した後、再びセルを60℃環境下で保存した。この工程を2か月間繰り返し実施し、保存試験開始前のセル体積Va、保存試験2か月後のセルの体積Vbをアルキメデス法によって測定した。静電容量Fを用いて、(Vb−Va)/Fにより求めたガス発生量は14.7×10−3cc/Fであった。
[Gas generated after high temperature storage test]
The obtained power storage element is fixed in a constant temperature bath set at 25 ° C. using a charging / discharging device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Limited until it reaches 4.0V at a current value of 100C. Current charging was followed by constant voltage charging to which a constant voltage of 4.0 V was applied for a total of 10 minutes. After that, the cell was stored in a 60 ° C environment, taken out from the 60 ° C environment every two weeks, charged to 4.0 V in the cell voltage in the same charging step, and then the cell was stored again in the 60 ° C environment. .. This step was repeated for 2 months, and the cell volume Va before the start of the preservation test and the cell volume Vb 2 months after the preservation test were measured by the Archimedes method. Using the capacitance F, the amount of gas generated by (Vb-Va) / F was 14.7 × 10 -3 cc / F.
[高負荷充放電サイクル試験後の常温放電内部抵抗上昇率]
得られた蓄電素子について、25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、300Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて300Cの電流値で2.2Vに到達するまで定電流放電を行う充放電工程を60000回繰り返した。高負荷充放電サイクル試験後に前記[Ra・Fの算出]と同様にして高負荷充放電サイクル試験後の常温放電内部抵抗Reを算出した。このRe(Ω)を、前記[Ra・Fの算出]で求めた高負荷充放電サイクル試験前の内部抵抗Ra(Ω)で除して算出した比Re/Raは1.51であった。
[Rate of increase in internal resistance of normal temperature discharge after high load charge / discharge cycle test]
The obtained power storage element is fixed in a constant temperature bath set at 25 ° C. using a charging / discharging device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Limited until it reaches 3.8V at a current value of 300C. The charging / discharging step of charging with a current and then performing a constant current discharge with a current value of 300 C until reaching 2.2 V was repeated 60,000 times. After the high load charge / discharge cycle test, the normal temperature discharge internal resistance Re after the high load charge / discharge cycle test was calculated in the same manner as in the above [Calculation of Ra / F]. The ratio Re / Ra calculated by dividing this Re (Ω) by the internal resistance Ra (Ω) before the high load charge / discharge cycle test obtained in the above [Calculation of Ra / F] was 1.51.
[電解液の引火点測定]
得られた非水系リチウム型蓄電素子について、複数の素子を2.9Vに調整した後、25℃の部屋に設置された露点−90℃以下、酸素濃度1ppm以下で管理されているArボックス内で解体して非水系電解液を取り出し、合計で50ccの非水系電解液を得た。
この非水系電解液の引火点を、JIS K 2265−1−2007で規定されるタグ密閉法によって測定したところ、90℃以上であった。
[Measurement of flash point of electrolyte]
Regarding the obtained non-aqueous lithium-type power storage element, after adjusting a plurality of elements to 2.9 V, the dew point is -90 ° C or less and the oxygen concentration is 1 ppm or less, which is controlled in an Ar box installed in a room at 25 ° C. It was disassembled and the non-aqueous electrolyte solution was taken out to obtain a total of 50 cc of the non-aqueous electrolyte solution.
The flash point of this non-aqueous electrolyte solution was measured by the tag sealing method specified in JIS K 2265-1-2007 and found to be 90 ° C. or higher.
[釘刺し試験]
試験機:島津オートグラフAG−X
釘:φ2.5mm−SUS304
評価方法:得られた蓄電素子を水平に固定し、蓄電素子中央部の釘刺し位置に、10mm/secの速度で釘を貫通するまで刺した。その後、キャパシタへの着火有無、及びキャパシタの開封有無を観察した。評価結果を以下の表3に示す。
[Nail piercing test]
Testing machine: Shimadzu Autograph AG-X
Nail: φ2.5mm-SUS304
Evaluation method: The obtained power storage element was fixed horizontally and stabbed at the nail piercing position in the center of the power storage element at a speed of 10 mm / sec until the nail was pierced. After that, the presence or absence of ignition of the capacitor and the presence or absence of opening of the capacitor were observed. The evaluation results are shown in Table 3 below.
[固体7Li−NMR測定]
得られた非水系リチウム型蓄電素子の正極につき、正極活物質層の固体7Li−NMR測定を行った。
先ず、上記で製造した非水系リチウム型蓄電素子に対して、アスカ電子製の充放電装置(ACD−01)を用いて、環境温度25℃の下で、50mAの電流で2.9Vまで定電流充電した後、2.9Vの定電圧を印加する定電流定電圧充電を2時間行った。
次いで、正極活物質層の採取をアルゴン雰囲気下で行った。非水系リチウム型蓄電素子をアルゴン雰囲気下で解体し、正極を取り出した。続いて、得られた正極をジエチルカーボネートに2分以上浸漬してリチウム塩等を除去した。同様の条件でジエチルカーボネートへの浸漬をもう1度行った後、風乾した。
その後、正極から正極活物質層を採取した。
得られた正極活物質層を試料として、固体7Li−NMR測定を行った。測定装置としてJEOL RESONANCE社製ECA700(7Li−NMRの共鳴周波数は272.1MHzである)を用い、室温環境下において、マジックアングルスピニングの回転数を14.5kHz、照射パルス幅を45°パルスとして、シングルパルス法により測定した。観測範囲は−400ppm〜400ppmの範囲とし、ポイント数は4096点とした。その他の繰り返し待ち時間以外の測定条件、例えば、積算回数、レシーバーゲインなどをすべて同一としたうえで、繰り返し待ち時間を10秒とした場合と3000秒とした場合についてそれぞれ測定を行い、NMRスペクトルを得た。シフト基準として1mol/L塩化リチウム水溶液を用い、外部標準として別途測定したそのシフト位置を0ppmとした。塩化リチウム水溶液測定時には試料を回転させず、照射パルス幅を45°パルスとして、シングルパルス法により測定した。
上記の方法によって得られた正極活物質層の固体7Li−NMRスペクトルから上述した方法によりb/aを算出した。結果を以下の表3に示す。
[Solid 7 Li-NMR measurement]
The solid 7 Li-NMR measurement of the positive electrode active material layer was performed on the positive electrode of the obtained non-aqueous lithium type power storage element.
First, for the non-aqueous lithium-type power storage element manufactured above, a constant current of up to 2.9 V at a current of 50 mA at an ambient temperature of 25 ° C. using a charging / discharging device (ACD-01) manufactured by Asuka Electronics. After charging, constant current constant voltage charging was performed for 2 hours by applying a constant voltage of 2.9 V.
Next, the positive electrode active material layer was collected in an argon atmosphere. The non-aqueous lithium-type power storage device was disassembled in an argon atmosphere, and the positive electrode was taken out. Subsequently, the obtained positive electrode was immersed in diethyl carbonate for 2 minutes or more to remove lithium salts and the like. After another immersion in diethyl carbonate under the same conditions, it was air-dried.
Then, the positive electrode active material layer was collected from the positive electrode.
Using the obtained positive electrode active material layer as a sample, solid 7 Li-NMR measurement was performed. Using JEOL RESONANCE ECA700 (resonance frequency of 7 Li-NMR is 272.1 MHz) as a measuring device, the rotation speed of magic angle spinning is 14.5 kHz and the irradiation pulse width is 45 ° pulse in a room temperature environment. , Measured by the single pulse method. The observation range was in the range of -400ppm to 400ppm, and the number of points was 4096 points. After making all other measurement conditions other than the repetition waiting time, for example, the number of integrations and the receiver gain the same, measurements are performed when the repetition waiting time is 10 seconds and 3000 seconds, respectively, and the NMR spectrum is obtained. Obtained. A 1 mol / L lithium chloride aqueous solution was used as a shift reference, and the shift position measured separately as an external standard was set to 0 ppm. When measuring the lithium chloride aqueous solution, the sample was not rotated, and the irradiation pulse width was set to 45 ° pulse, and the measurement was performed by the single pulse method.
From the solid 7 Li-NMR spectrum of the positive electrode active material layer obtained by the above method, b / a was calculated by the above method. The results are shown in Table 3 below.
[正極試料の調製]
得られた残りの非水系リチウム型蓄電素子を露点温度−72℃のアルゴンボックス中で解体し、両面に正極活物質層が塗工された正極を10cm×5cmの大きさに切り出し、30gのジエチルカーボネート溶媒に浸し、時折ピンセットで正極を動かし、10分間洗浄した。続いて正極を取り出し、アルゴンボックス中で5分間風乾させ、新たに用意した30gのジエチルカーボネート溶媒に正極を浸し、前記と同様の方法にて10分間洗浄した。正極をアルゴンボックスから取り出し、真空乾燥機(ヤマト科学製、DP33)を用いて、温度25℃、圧力1kPaの条件にて20時間乾燥し、正極試料を得た。
[Preparation of positive electrode sample]
The remaining non-aqueous lithium-type power storage element was disassembled in an argon box having a dew point temperature of −72 ° C., and the positive electrode coated with the positive electrode active material layer on both sides was cut into a size of 10 cm × 5 cm, and 30 g of diethyl was obtained. Immersed in carbonate solvent, occasionally moving the positive electrode with tweezers and washing for 10 minutes. Subsequently, the positive electrode was taken out, air-dried in an argon box for 5 minutes, the positive electrode was immersed in a newly prepared 30 g of diethyl carbonate solvent, and washed for 10 minutes in the same manner as described above. The positive electrode was taken out from the argon box and dried using a vacuum dryer (manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd., DP33) at a temperature of 25 ° C. and a pressure of 1 kPa for 20 hours to obtain a positive electrode sample.
[リチウム化合物の定量]
正極試料を5cm×5cmの大きさ(重量0.256g)に切り出し、20gのメタノールに浸し、容器に蓋をして25℃環境下、3日間静置した。その後正極を取り出し、120℃、5kPaの条件にて10時間真空乾燥した。この時の正極重量M0は0.249gであり、洗浄後のメタノール溶液について、予め検量線を作成した条件にてGC/MSを測定し、ジエチルカーボネートの存在量が1%未満であることを確認した。続いて、25.00gの蒸留水に正極を含浸させ、容器に蓋をして45℃環境下、3日間静置した。3日間静置後の蒸留水の重量は24.65gであったため、蒸留水を0.35g追加した。その後正極を取り出し、150℃、3kPaの条件にて12時間真空乾燥した。この時の正極重量M1は0.233gであり、洗浄後の蒸留水について、予め検量線を作成した条件にてGC/MSを測定し、メタノールの存在量が1%未満であることを確認した。その後、スパチュラ、ブラシ、刷毛を用いて正極集電体上の活物質層を取り除き、正極集電体の重量M2を測定したところ0.099gであった。前記した式(3)により正極中の炭酸リチウムを定量したところ10.7質量%であった。
[Quantification of lithium compounds]
The positive electrode sample was cut into a size of 5 cm × 5 cm (weight 0.256 g), immersed in 20 g of methanol, the container was covered, and the sample was allowed to stand in an environment of 25 ° C. for 3 days. Then, the positive electrode was taken out and vacuum dried at 120 ° C. and 5 kPa for 10 hours. At this time, the positive electrode weight M 0 was 0.249 g, and the GC / MS of the methanol solution after washing was measured under the condition that a calibration curve was prepared in advance, and the abundance of diethyl carbonate was less than 1%. confirmed. Subsequently, 25.00 g of distilled water was impregnated with a positive electrode, the container was covered, and the container was allowed to stand in an environment of 45 ° C. for 3 days. Since the weight of distilled water after standing for 3 days was 24.65 g, 0.35 g of distilled water was added. Then, the positive electrode was taken out and vacuum dried at 150 ° C. and 3 kPa for 12 hours. At this time, the positive electrode weight M 1 was 0.233 g, and GC / MS was measured on the distilled water after washing under the condition that a calibration curve was prepared in advance, and it was confirmed that the abundance of methanol was less than 1%. did. Then, a spatula, a brush, remove the active material layer on the positive electrode current collector by using a brush, it was 0.099g was weighed M 2 of the positive electrode current collector. When lithium carbonate in the positive electrode was quantified by the above formula (3), it was 10.7% by mass.
[正極断面SEM及びEDX測定]
正極試料1から1cm×1cmの小片を切り出し、日本電子製のSM−09020CPを用い、アルゴンガスを使用し、加速電圧4kV、ビーム径500μmの条件にて正極試料1の面方向に垂直な断面を作製した。その後、以下に示す条件にて、大気暴露下で正極断面SEM及びEDXを測定した。
[Measurement of positive electrode cross section SEM and EDX]
A small piece of 1 cm × 1 cm is cut out from the positive electrode sample 1, and a cross section perpendicular to the plane direction of the positive electrode sample 1 is formed under the conditions of an acceleration voltage of 4 kV and a beam diameter of 500 μm using SM-09020CP manufactured by JEOL Ltd. and argon gas. Made. Then, under the conditions shown below, the positive electrode cross sections SEM and EDX were measured under atmospheric exposure.
[SEM−EDX測定条件]
・測定装置:日立ハイテクノロジー製、電解放出型走査型電子顕微鏡 FE−SEM S−4700
・加速電圧:10kV
・エミッション電流:1μA
・測定倍率:2000倍
・電子線入射角度:90°
・X線取出角度:30°
・デッドタイム:15%
・マッピング元素:C,O,F
・測定画素数:256×256ピクセル
・測定時間:60sec.
・積算回数:50回
・明るさは最大輝度に達する画素がなく、明るさの平均値が輝度40%〜60%の範囲に入るように輝度及びコントラストを調整した。
[SEM-EDX measurement conditions]
-Measuring device: Electron emission scanning electron microscope FE-SEM S-4700 manufactured by Hitachi High-Technology
・ Acceleration voltage: 10kV
・ Emission current: 1μA
・ Measurement magnification: 2000 times ・ Electron beam incident angle: 90 °
・ X-ray extraction angle: 30 °
・ Dead time: 15%
-Mapping elements: C, O, F
-Number of measurement pixels: 256 x 256 pixels-Measurement time: 60 sec.
-Number of integrations: 50 times-The brightness and contrast were adjusted so that there were no pixels that reached the maximum brightness and the average value of the brightness was within the range of 40% to 60%.
[X1の算出]
前記したように測定した正極断面SEM及びEDXから得られた画像を、画像解析ソフト(ImageJ)を用いて画像解析することでX1を算出した。得られた酸素マッピングに対し、明るさの平均値を基準に二値化した明部を面積50%以上含む粒子をリチウム化合物の粒子Xとし、断面SEM画像中に観察されるXの粒子全てについて、断面積Sを求め、下記式(8):
d=2×(S/π)1/2 ...式(8)
により算出される粒子径dを求めた(円周率をπとする)。
得られた粒子径dを用いて、下記式(9):
X0(Y0)=Σ[4/3π×(d/2)]3×d]/Σ[4/3π×(d/2)]3] ...式(9)
により体積平均粒子径X0を求めた。
正極断面の視野を変えて合計5ヶ所測定し、X0の平均値である平均粒子径X1は2.9μmであった。
[Calculation of X 1 ]
X 1 was calculated by image-analyzing the images obtained from the positive electrode cross-section SEM and EDX measured as described above using image analysis software (ImageJ). With respect to the obtained oxygen mapping, particles containing 50% or more of bright areas binarized based on the average value of brightness are defined as lithium compound particles X, and all the particles of X observed in the cross-sectional SEM image are defined. , The cross-sectional area S is obtained, and the following equation (8):
d = 2 × (S / π) 1/2 . .. .. Equation (8)
The particle diameter d calculated by (the circumference ratio is π) was obtained.
Using the obtained particle diameter d, the following equation (9):
X 0 (Y 0 ) = Σ [4 / 3π × (d / 2)] 3 × d] / Σ [4 / 3π × (d / 2)] 3 ]. .. .. Equation (9)
The volume average particle diameter X 0 was determined by
A total of 5 points were measured by changing the field of view of the positive electrode cross section, and the average particle size X 1 which is the average value of X 0 was 2.9 μm.
[実施例2〜53並びに比較例1〜20]
作製条件を、それぞれ、以下の表2に示す通りとした他は、実施例1と同様にして、実施例2〜53と比較例1〜20の非水系リチウム型蓄電素子をそれぞれ作製し、各種の評価を行った。得られた非水系リチウム型蓄電素子の評価結果を以下の表3に示す。
[Examples 2-53 and Comparative Examples 1-20]
The non-aqueous lithium-type power storage elements of Examples 2 to 53 and Comparative Examples 1 to 20 were produced in the same manner as in Example 1 except that the production conditions were as shown in Table 2 below. Was evaluated. The evaluation results of the obtained non-aqueous lithium-type power storage element are shown in Table 3 below.
尚、表2における略称等は、それぞれ以下の意味である。
[非水溶媒]
溶媒1:プロピレンカーボネート
溶媒2:エチレンカーボネート
溶媒3:メチルエチルカーボネート
溶媒4:ジメチルカーボネート
溶媒5:ジエチルカーボネート
[リチウム塩]
塩A1:LiPF6
塩A2:LiBF4
塩B1:LiN(SO2F)2
[添加剤]
PN-A:モノエトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン
PN-B:ジエトキシテトラフルオロシクロトリホスファゼン
PN-C:フェノキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン
PN-D:ヘキサフェノキシシクロトリホスファゼン
エーテル1:1,2−ジメトキシエタン
エーテル2:1,2−ジエトキシエタン
エーテル3:1,2−ジプロポキシエタン
[引火点]
70℃未満:電解液の引火点が70℃に至らなかった場合
70℃以上:電解液の引火点が70℃以上80℃未満であった場合
80℃以上:電解液の引火点が80℃以上90℃未満であった場合
90℃以上:電解液の引火点が90℃以上であった場合
The abbreviations and the like in Table 2 have the following meanings.
[Non-aqueous solvent]
Solvent 1: Propylene carbonate solvent 2: Ethyl carbonate solvent 3: Methyl ethyl carbonate solvent 4: Dimethyl carbonate solvent 5: Diethyl carbonate [lithium salt]
Salt A1: LiPF 6
Salt A2: LiBF 4
Salt B1: LiN (SO 2 F) 2
[Additive]
PN-A: Monoethoxypentafluorocyclotriphosphazene
PN-B: Diethoxytetrafluorocyclotriphosphazene
PN-C: Phenoxypentafluorocyclotriphosphazene
PN-D: Hexaphenoxycyclotriphosphazene ether 1: 1,2-dimethoxyethane ether 2: 1,2-diethoxyethane ether 3: 1,2-dipropoxyethane [flash point]
Less than 70 ° C: When the flash point of the electrolyte does not reach 70 ° C
70 ° C or higher: When the flash point of the electrolytic solution is 70 ° C or higher and lower than 80 ° C
80 ° C or higher: When the flash point of the electrolytic solution is 80 ° C or higher and lower than 90 ° C
90 ° C or higher: When the flash point of the electrolyte is 90 ° C or higher
以上の実施例により、本実施形態の蓄電素子は、優れた初期入出力特性、高負荷充放電サイクル特性、高温保存耐久性に加えて高い安全性を有する非水系リチウム型蓄電素子であることが検証された。 According to the above embodiment, the power storage element of the present embodiment is a non-aqueous lithium power storage element having excellent initial input / output characteristics, high load charge / discharge cycle characteristics, high temperature storage durability, and high safety. Verified.
本発明に係る非水系リチウム型蓄電素子は、高い初期入出力特性、高負荷充放電サイクル特性、高温保存耐久性とともに高い安全性を備えているため、例えば、自動車において、内燃機関又は燃料電池、モーター、及び蓄電素子を組み合わせたハイブリット駆動システムの分野、更には瞬間電力ピークのアシスト用途等で好適に利用できる。 The non-aqueous lithium-type power storage element according to the present invention has high initial input / output characteristics, high load charge / discharge cycle characteristics, high temperature storage durability, and high safety. Therefore, for example, in an automobile, an internal combustion engine or a fuel cell, It can be suitably used in the field of hybrid drive systems in which motors and power storage elements are combined, and also in applications such as assisting instantaneous power peaks.
Claims (11)
該負極が、負極集電体と、該負極集電体の片面上又は両面上に設けられた、負極活物質を含む負極活物質層とを有し、該負極活物質はリチウムイオンを吸蔵・放出できる炭素材料を含み、
該正極が、正極集電体と、該正極集電体の片面上又は両面上に設けられた、活性炭からなる正極活物質を含む正極活物質層とを有し、
該正極が、該正極活物質層の全質量を基準として、炭酸リチウムを1質量%以上50質量%以下含有し、
該非水系電解液が、プロピレンカーボネートを、該非水系電解液に含まれる有機溶媒の総量を基準として、70vol%以上含有し、かつ、リチウム塩として、LiN(SO2F)2、LiN(SO2CF3)2、及びLiN(SO2C2F5)2のうちの少なくとも1種を含有することを特徴とする、前記非水系リチウム型蓄電素子。 A non-aqueous lithium-type power storage device including a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte solution containing lithium ions.
The negative electrode has a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material provided on one side or both sides of the negative electrode current collector, and the negative electrode active material stores lithium ions. Contains carbon material that can be released
The positive electrode has a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material made of activated carbon provided on one side or both sides of the positive electrode current collector.
The positive electrode contains 1% by mass or more and 50% by mass or less of lithium carbonate based on the total mass of the positive electrode active material layer.
The non-aqueous electrolyte solution contains propylene carbonate in an amount of 70 vol% or more based on the total amount of organic solvents contained in the non-aqueous electrolyte solution, and LiN (SO 2 F) 2 and LiN (SO 2 CF) as lithium salts. 3) 2, and LiN (SO 2 C 2 F 5 ) , characterized in that it contains at least one of 2, the non-aqueous lithium-type storage element.
R1−O−R2 (2)
{式中、R1及びR2は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1〜12のアルキル基、又は−Ra−O−Rb(ここで、Raは、メチレン基又は炭素数2〜6のアルキレン基であり、そしてRbは、水素原子又は炭素数1〜6のアルキル基である。)であり、互いに同一であっても異なっていてもよいが、R1及びR2がともに水素原子であることはない。}で表されるエーテル化合物を少なくとも1種以上含有し、そして該エーテル化合物の総量が、非水系電解液全体に対して1質量%以上10質量%以下である、請求項1〜9のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。 The non-aqueous electrolyte solution has the following general formula (2):
R 1- O-R 2 (2)
{In the formula, R 1 and R 2 are independently hydrogen atoms, alkyl groups having 1 to 12 carbon atoms, or -Ra-O-Rb (where Ra is a methylene group or having 2 to 6 carbon atoms. an alkylene group and Rb is a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms.), and may also being the same or different, R 1 and R 2 are both hydrogen atoms There is no such thing. } Is contained at least one kind of ether compound, and the total amount of the ether compound is 1% by mass or more and 10% by mass or less with respect to the whole non-aqueous electrolyte solution, according to any one of claims 1 to 9. The non-aqueous lithium-type power storage element according to item 1.
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