JP7096724B2 - 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、地球環境の保全及び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の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。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。
In recent years, from the viewpoint of energy conservation and effective use of energy aiming at conservation of global environment, 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 of the 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 at the time of acceleration. There is. Currently, electric double layer capacitors, nickel-metal hydride batteries, and the like are being developed as high-output power storage devices.
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、上記の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。そのため、更なるエネルギー密度の向上が必要である。 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 above-mentioned field where high output is required. However, its energy density is only about 1 to 5 Wh / L. Therefore, 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。
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%が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、リチウムイオン電池の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。
上記のように、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。
キャパシタのエネルギーは1/2・C・V2(ここで、Cは静電容量、Vは電圧)で表される。
On the other hand, the nickel-metal hydride battery currently used in a hybrid electric vehicle 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, as well as to improve its durability (particularly, stability at high temperatures).
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 in a discharged state) of 50%. However, the 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, it is used in a range where the discharge depth is narrower than the range of 0 to 100%. Since the capacity that can actually be used becomes smaller, research is being vigorously pursued to further improve the durability of lithium-ion batteries.
As described above, there is a strong demand for practical use 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, there is a demand for a new power storage element that satisfies these technical requirements. As a promising candidate, a power storage element called a lithium ion capacitor has attracted attention and is being actively developed.
The energy of the capacitor is represented by 1/2 · C · V 2 (where C is the capacitance and V is the voltage).
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、電極に酸化物又は炭素材料を用い、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。
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。
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. -A power storage element that charges and discharges by a non-Faraday reaction due to 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 charging and discharging are performed by adsorption / desorption (non-Faraday reaction) of ions on the surface of activated carbon using a material such as activated carbon for the electrodes. 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.
As a combination of these electrode materials, the electric double-layer capacitor uses activated carbon (energy density 1 times) for the positive electrode and the negative electrode, and both the positive and negative electrodes are charged and discharged by a non-Faraday reaction, and have 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)であるが、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。
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。したがって、リチウムイオンキャパシタは、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 secondary batteries are 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 and negative electrodes by a Faraday reaction. Although the energy density is 10 times the positive electrode x 10 times the negative electrode = 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 a lithium ion secondary battery can use only 10 to 50% of its energy.
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. Therefore, it is necessary for a lithium ion capacitor to have a high energy density (1x positive electrode x 10x negative electrode = 10) while having high output and high durability, and to limit the discharge depth like a lithium ion secondary battery. The feature is that there is no such thing.
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優れた温度特性を有する必要がある。特に、高温における電解液の分解によるガス発生及び負極界面の劣化によって引き起こされる性能低下が問題となっている。このような課題に対する対策技術として、非水系電解液中に添加剤を加え、負極活物質の表面にその分解物から成る被膜を形成させることによって、以後の充放電に伴う非水系電解液の還元分解が抑制され、電池の耐久性を向上させる技術がある。 Examples of applications using lithium ion capacitors include electric storage for railways, construction machinery, and automobiles. In these applications, the operating environment is harsh, so the capacitors used must have excellent temperature characteristics. In particular, there is a problem of performance deterioration caused by gas generation due to decomposition of the electrolytic solution at high temperature and deterioration of the negative electrode interface. As a countermeasure against such problems, an additive is added to the non-aqueous electrolyte solution to form a film composed of its decomposition products on the surface of the negative electrode active material, thereby reducing the non-aqueous electrolyte solution with subsequent charge and discharge. There is a technology that suppresses disassembly and improves the durability of the battery.
これに関連する技術として、特許文献1では、特定の電位範囲で分解して負極上に被膜を形成する添加剤を加えることによって、高温環境下における電池内部でのガス発生を抑制している。特許文献3では、負極表面に酸化リチウムを含有する被膜を形成させることによって、電池のサイクル耐久性を向上させている。特許文献2では、環状エステルとスルホン酸エステル誘導体を同時に含有させて負極の被膜状態を最適化することによって、低温特性と高温耐久性の改善する技術が提案されている。特許文献4では、不飽和スルトン化合物とホスファゼン化合物を電解液中に含有させることによって、負極界面での還元分解反応を抑制し、高い容量維持率とガス抑制効果を発現させることが試みられている。 As a technique related to this, in Patent Document 1, gas generation inside a battery in a high temperature environment is suppressed by adding an additive that decomposes in a specific potential range to form a film on a negative electrode. In Patent Document 3, the cycle durability of the battery is improved by forming a film containing lithium oxide on the surface of the negative electrode. Patent Document 2 proposes a technique for improving low temperature characteristics and high temperature durability by simultaneously containing a cyclic ester and a sulfonic acid ester derivative to optimize the coating state of the negative electrode. In Patent Document 4, it is attempted to suppress the reduction decomposition reaction at the negative electrode interface by containing an unsaturated sultone compound and a phosphazene compound in the electrolytic solution, and to exhibit a high capacity retention rate and a gas suppressing effect. ..
特許文献5では、負極活物質層に特定の硫黄化合物を含有させ、さらに非水系電解液中に環状硫黄化合物を含有させることによって、低温特性と高温耐久性の両立を図っている。また、特許文献6では、負極活物質層及び正極活物質層に含まれる硫黄化合物の比率を一定の範囲内に制御することによって、低温特性の向上と高温時のガス発生及び抵抗増加の抑制とを両立している。特許文献7では、特定のリチウム塩とスルファート化合物及びビニルカーボネートを電解液中に含有させることによって、高温保存特性と高温サイクル特性を高く維持できるだけでなく、低温での電池抵抗を低めて低温出力特性も改善する技術が提案されている。 In Patent Document 5, a specific sulfur compound is contained in the negative electrode active material layer, and a cyclic sulfur compound is contained in the non-aqueous electrolyte solution to achieve both low temperature characteristics and high temperature durability. Further, in Patent Document 6, by controlling the ratio of the sulfur compound contained in the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer within a certain range, the low temperature characteristics are improved and the gas generation and the resistance increase at the high temperature are suppressed. Are compatible. In Patent Document 7, by containing a specific lithium salt, a sulfate compound and a vinyl carbonate in the electrolytic solution, not only the high temperature storage characteristic and the high temperature cycle characteristic can be maintained high, but also the battery resistance at a low temperature is lowered and the low temperature output characteristic is achieved. Techniques to improve are also proposed.
なお、本明細書において、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が、BJH法は非特許文献1において提唱されており、かつMP法は、「t-プロット法」(非特許文献2)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、非特許文献3において示される。 In the present specification, the mesopore amount is calculated by the BJH method and the micropore amount is calculated by the MP method. However, the BJH method is proposed in Non-Patent Document 1, and the MP method is "t-. It means a method of obtaining a micropore volume, a micropore area, and a distribution of micropores by using a "plot method" (Non-Patent Document 2), and is shown in Non-Patent Document 3.
特許文献1,3及び4に記載の技術は、高温環境下におけるガス発生及び電極劣化を抑制するものであるが、低温特性については言及されていない。特許文献2では、低温特性と高温耐久性の双方を改善する技術が提案されているが、車載用途では-30℃を下回る極低温環境下で高出力を維持できる蓄電素子が求められるため、低温特性が不十分であるといえる。また、これらの技術は、全て負極界面に被膜を形成することにより高温保存時のガス及び電極劣化を抑制するものであり、正極界面における電解液の酸化分解によって発生するガス、及び正極界面劣化によって引き起こされる性能低下については言及されていない。
特許文献5又は6に記載の技術は、いずれも低温特性の向上と高温時のガス発生及び抵抗増加の抑制とを両立させているが、高温環境下に置かれた際の容量劣化の抑制については効果が明記されていない。
特許文献7では、2種類の化合物と特定のリチウム塩を非水系電解液中に含ませることによって、負極界面へ保護被膜を形成し、低温特性と高温耐久性の両立を図っているが、4.0V以上の高電圧領域で高温環境下に置かれた場合の耐久性を向上させるためには、正極界面の酸化分解による劣化も考慮する必要がある。
The techniques described in Patent Documents 1, 3 and 4 suppress gas generation and electrode deterioration in a high temperature environment, but do not mention low temperature characteristics. Patent Document 2 proposes a technique for improving both low temperature characteristics and high temperature durability. However, since a power storage element capable of maintaining high output in an extremely low temperature environment below -30 ° C is required for in-vehicle use, the temperature is low. It can be said that the characteristics are insufficient. In addition, all of these techniques suppress the deterioration of gas and electrodes during high-temperature storage by forming a film on the negative electrode interface, and the gas generated by the oxidative decomposition of the electrolytic solution at the positive electrode interface and the deterioration of the positive electrode interface. No mention is made of the performance degradation caused.
The techniques described in Patent Documents 5 or 6 both improve low-temperature characteristics and suppress gas generation and resistance increase at high temperatures, but suppress capacity deterioration when placed in a high-temperature environment. The effect is not specified.
In Patent Document 7, a protective film is formed at the interface of the negative electrode by impregnating two kinds of compounds and a specific lithium salt in the non-aqueous electrolyte solution to achieve both low temperature characteristics and high temperature durability. In order to improve the durability when placed in a high temperature environment in a high voltage region of .0 V or higher, it is necessary to consider deterioration due to oxidative decomposition of the positive electrode interface.
以上のように、従来のリチウムイオンキャパシタは、低温特性、高温環境下におけるガス発生、若しくは抵抗増加のいずれかに着目しているもの、又は負極界面の劣化のみを抑制することによって、これらの課題解決を図ろうとしているものである。
しかしながら、キャパシタの自動車又は建機への搭載を考慮した場合、-30℃でも劣化がなく、かつ高出力を維持できる優れた低温特性に加え、高温環境下に長期間曝された後でも高出力と高容量を維持できる耐久性が求められる。特に、蓄電デバイスを高電圧及び高温環境下で使用した場合の容量劣化を抑制することによって、長期に亘って蓄電システムの機能を維持することが可能となる。
優れた低温特性を保持しながら十分な高温耐久性を得るためには負極界面及び正極界面の両方における電解液の分解を抑制する必要がある。上記の事情に鑑みて、本発明が解決しようとする課題は、4.0V以上の高電圧領域でも自動車又は建機で必要とされる十分な高温耐久性を付加させながら、優れた低温特性を示す非水系リチウム型蓄電素子を提供することである。
As described above, conventional lithium-ion capacitors focus on either low-temperature characteristics, gas generation in high-temperature environments, or increased resistance, or by suppressing only deterioration of the negative electrode interface, these problems We are trying to solve it.
However, when considering the mounting of capacitors in automobiles or construction machinery, in addition to excellent low-temperature characteristics that do not deteriorate even at -30 ° C and can maintain high output, high output even after long-term exposure to high-temperature environments. Durability that can maintain high capacity is required. In particular, by suppressing capacity deterioration when the power storage device is used in a high voltage and high temperature environment, it is possible to maintain the function of the power storage system for a long period of time.
In order to obtain sufficient high temperature durability while maintaining excellent low temperature characteristics, it is necessary to suppress decomposition of the electrolytic solution at both the negative electrode interface and the positive electrode interface. In view of the above circumstances, the problem to be solved by the present invention is to provide excellent low temperature characteristics while adding sufficient high temperature durability required for automobiles or construction machines even in a high voltage region of 4.0 V or higher. It is to provide the non-aqueous lithium type electricity storage element shown.
上記課題は、以下の技術的手段により解決されるものである。
[1]
負極、正極及びセパレータを有する電極積層体と、非水系電解液と、該電極積層体及び該非水系電解液を収容する外装体とを含む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、正極活物質を含む正極活物質層とを有し、該正極活物質は活性炭を含み、
該負極活物質層及び該正極活物質層は、下記式(1):
で表される硫黄化合物を含み、
該正極活物質層に含まれる上記式(1)で表される硫黄化合物の総量が、該正極活物質層の単位質量当たり0.10×10-5mol/g~50×10-5mol/gであり、
該負極活物質層に含まれる上記式(1)で表される硫黄化合物の総量が、該負極活物質層の単位質量当たり0.10×10-5mol/g~40×10-5mol/gであり、かつ
該正極活物質層の単位質量当たりの含有量をA、
該負極活物質層の単位質量当たりの含有量をB、
としたとき0.50≦A/B≦12である非水系リチウム型蓄電素子。
[2]
前記非水系電解液が、下記式(1-1):
で表される環状硫酸化合物を、前記非水系電解液の総量を基準として、0.1質量%~5質量%含有する、項目1に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[3]
前記非水系電解液が、下記式(1-2):
で表されるチオフェン化合物;
下記式(1-3):
で表されるスルトン化合物;
下記式(1-4):
で表されるスルトン化合物;
下記式(1-5):
で表される化合物;並びに
下記式(1-6):
で表される環状亜硫酸化合物から成る群から選択される少なくとも1つの含硫黄化合物を、前記非水系電解液の総量を基準として、0.1質量%~5質量%含有する、項目1又は2に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[4]
前記式(1-1)で表される環状硫酸化合物が、エチレンスルファート、1,2-プロピレンスルファート、またはトリメチレンスルファートである、項目1~3のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[5]
前記式(1-2)で表されるチオフェン化合物が、チオフェン、2-メチルチオフェン、3-メチルチオフェン、2-シアノチオフェン、3-シアノチオフェン、2,5-ジメチルチオフェン、2-メトキシチオフェン、3-メトキシチオフェン、2-クロロチオフェン、3-クロロチオフェン、2-アセチルチオフェン又は3-アセチルチオフェンであり、
前記式(1-3)で表されるスルトン化合物が、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-ペンタンスルトンであり、
前記式(1-4)で表されるスルトン化合物が、1,3-プロペンスルトン又は1,4-ブテンスルトンであり、
前記式(1-5)で表される化合物が、3-スルフォレンであり、かつ
前記式(1-6)で表される環状亜硫酸化合物が、亜硫酸エチレン、1,2-亜硫酸プロピレン又は1,3-亜硫酸プロピレンである、項目3に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[6]
前記非水系電解液が、下記式(2):
で表されるリン酸エステル化合物を、非水系電解液の総量を基準として、0.1質量%~3質量%含有する、項目1~5のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[7]
前記式(2)で表されるリン酸エステル化合物が、トリメチルホスフェート、トリエチルホスフェート、トリブチルホスフェート、リン酸トリス(トリメチルシリル)、トリトリルホスフェート、トリフェニルホスフェート、又はジオクチルホスフェートである、項目6に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[8]
前記非水系電解液に下記式(3):
R31-O-R32 (3)
{式中、R31は、ハロゲン原子又は炭素数1~12のハロゲン化アルキル基であり、かつR32は、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~12のアルキル基、又は炭素数1~12のハロゲン化アルキル基である。}
で表される非環状含ハロゲンエーテルを、前記非水系電解液の総量を基準として、0.1質量%~3質量%含有する、項目1~7のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[9]
前記式(3)で表される非環状含ハロゲンエーテルが、C2F5OC2F5、C3F7OC3F7、C4F9OC4F9、C6F13OC6F13、C2F5OCH3、C3F7OCH3、C4F9OCH3、C6F13OCH3、C2F5OCH5、C3F7OCH5、C4F9OC2H5、C2F5CF(OCH3)C3F7、CF3CH2OCF2CF2H、CHF2CF2OCH2CF3、CHF2CF2CH2OCF2CF2H、CF3CF2CH2OCF2CHF2、CF3CH2OCF2CHFCF3、及びC3HF6CH(CH3)OC3HF6から成る群から選ばれた少なくとも一種の化合物である、項目8に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[10]
前記非水系電解液が、LiPF6、LiClO4、及びLiBF4のうち少なくとも1種を含有する、項目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。
[11]
前記非水系電解液におけるLiN(SO2F)2の濃度が、前記非水系電解液の総量を基準として0.1mol/L以上1.5mol/L以下である、項目1~10のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[12]
前記非水系電解液が、ジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を含有し、かつ前記エチルメチルカーボネートに対する前記ジメチルカーボネートの体積比率(DMC/EMC)が、0.5以上8.0以下である、項目1~11のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[13]
前記正極がアルカリ金属炭酸塩を含有し、該アルカリ金属炭酸塩が、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム、及び炭酸セシウムから成る群から選ばれる1種以上であり、前記正極活物質の総量に対する該アルカリ金属炭酸塩の含有量が、1質量%以上50質量%以下である、項目1~12のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[14]
前記正極集電体及び前記負極集電体が無孔状の金属箔である、項目1~13のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[15]
前記負極活物質が、少なくとも2種類である、項目1~14のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[16]
前記負極活物質が少なくとも2種類であり、かつ少なくとも1種の負極活物質の平均粒子径が、1μm以上15μm以下である、項目1~15のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[17]
前記負極が、天然黒鉛、人造黒鉛、低結晶黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン、又はそれらのいずれかを基材として含む複合化炭素材料Aより選ばれる少なくとも1種の負極活物質Aを含有し、かつ、活性炭、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、又はそれらのいずれかを基材として含む複合化炭素材料Bより選ばれる少なくとも1種の負極活物質Bを含有する、項目1~16のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[18]
前記負極活物質Bの比率が、前記負極活物質層に含まれる前記負極活物質の総量を基準として、1.0質量%~45.0質量%である、項目17に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[19]
前記負極活物質AのBET比表面積が0.5m2/g以上35m2/g以下であり、かつ前記負極活物質BのBET比表面積が50m2/g以上1,500m2/g以下である、項目17又は18に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[20]
前記負極活物質A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520mAh/g以下である、項目17~19のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[21]
前記負極活物質B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、項目17~20のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[22]
前記正極活物質層に含まれる前記正極活物質が、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、項目1~21のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[23]
前記正極活物質層に含まれる前記正極活物質が、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、項目1~21のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[24]
前記正極活物質が、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な遷移金属酸化物を含む、項目1~23のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[25]
前記遷移金属酸化物が、層状構造、オリビン構造、又はスピネル構造を有するリチウム金属複合酸化物である、項目24に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[26]
前記遷移金属酸化物が、
Lix1CoO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1NiO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1NiyM1
(1-y)O2(式中、M1はCo、Mn、Al、Fe、Mg、及びTiから成る群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は、0≦x1≦2を満たし、かつyは0.2<y<0.97を満たす。)、
Lix1Ni1/3Co1/3Mn1/3O2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1MnO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
α-Lix1FeO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1VO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1CrO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1Mn2O4(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1M2
yMn(2-y)O4(M2はCo、Ni、Al、Fe、Mg、及びTiから成る群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は、0≦x1≦2を満たし、かつyは0.2<y<0.97を満たす。)、
Lix1NiaCobAl(1-a-b)O2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たし、かつa及びbは、それぞれ0.2<a<0.97、0.2<b<0.97を満たす。)、
Lix1NicCodMn(1-c-d)O2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たし、かつc及びdは、それぞれ0.2<c<0.97、0.2<d<0.97を満たす。)、
Lix1M3PO4(式中、M3はCo、Ni、Fe、Mn、及びCuから成る群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、かつx1は、0≦x1≦2を満たす。)、及び
LizV2(PO4)3(式中、zは0≦z≦3を満たす)から成る群より選ばれる少なくとも1種のリチウム金属複合酸化物を含む、項目24又は25に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[27]
前記遷移金属酸化物が、Lix2FePO4(式中、x2は、0≦x1≦2を満たす。)、Lix2CoPO4(式中、x2は、0≦x1≦2を満たす。)、及びLix2MnPO4(式中、x2は、0≦x1≦2を満たす。)から成る群より選ばれる少なくとも1種のリチウム金属複合酸化物を含む、項目24~26のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[28]
前記活性炭の平均粒子径が、2μm以上20μm以下であり、前記遷移金属酸化物の平均粒子径が、0.1μm以上20μm以下である、項目24~27のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[29]
前記遷移金属酸化物の含有率が、前記正極活物質層の総重量を基準として、1.0質量%~50.0質量%である、項目24~28のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[30]
セル電圧4.2Vでの初期の内部抵抗をRa(Ω)、静電容量をF(F)、電力量をE(Wh)、前記電極積層体を収納している前記外装体の体積をV(L)、環境温度-30℃における内部抵抗をRcとした時、以下の(a)、(b)及び(c)の要件:
(a)RaとFの積Ra・Fが0.5以上3.5以下である;
(b)E/Vが20以上80以下である;及び
(c)Rc/Raが30以下である;
を同時に満たす、項目1~29のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[31]
セル電圧4.2Vでの初期の内部抵抗をRa(Ω)、静電容量をFa(F)、セル電圧4.2V及び環境温度60℃において2か月間保存した後の25℃における内部抵抗をRb(Ω)及び静電容量をFb(F)としたとき、以下の(d)、(e)及び(f)の要件:
(d)Rb/Raが0.8以上3.0以下である;
(e)Fb/Faが0.5以上1.2以下である;並びに
(f)セル電圧4.2V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、項目1~30のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。
[32]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を構成する前記正極の前駆体である正極前駆体の製造方法であって、
前記正極前駆体は、集電体と前記集電体上に配置された正極活物質層とを有し、
前記正極活物質層は、正極活物質、及びアルカリ金属化合物を含み、
前記正極活物質は、炭素材料を含み、かつ
下記の工程1)、2)、3)、4)及び5):
1)前記炭素材料を含む前記正極活物質と、前記アルカリ金属化合物とを混錬して、塗工液を作製する塗工液作製工程;
2)前記塗工液を前記集電体に塗布して正極前駆体を作製する塗布工程;
3)前記正極前駆体を45℃以上200℃以下の温度で乾燥する一次乾燥工程;
4)前記正極前駆体を0.5kN/cm2以上20kN/cm2以下の線圧でプレスするプレス工程;及び
5)前記正極前駆体を160℃以上250℃以下の温度で乾燥する二次乾燥工程;
を含む正極前駆体の製造方法。
[33]
前記4)プレス工程の前に前記5)二次乾燥工程を行う、項目32に記載の正極前駆体の製造方法。
[34]
前記4)プレス工程の前に、前記3)一次乾燥工程と前記5)二次乾燥工程を一体化させた一体化乾燥工程を行う、項目32に記載の正極前駆体の製造方法。
[35]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を構成する前記負極の製造方法であって、
前記負極は、集電体と前記集電体上に配置された負極活物質層とを有し、
下記の工程1)、2)、3)、4)及び5):
1)炭素材料を含む負極活物質と、アルカリ金属化合物とを混錬して、塗工液を作製する塗工液作製工程;
2)前記塗工液を前記集電体に塗布して、負極を作製する塗布工程;
3)前記負極を45℃以上200℃以下の温度で乾燥する一次乾燥工程;
4)前記負極を0.5kN/cm2以上20kN/cm2以下の線圧でプレスするプレス工程;及び
5)前記負極を160℃以上250℃以下の温度で乾燥する二次乾燥工程;
を含む負極の製造方法。
[36]
前記4)プレス工程の前に前記5)二次乾燥工程を行う、項目35に記載の負極の製造方法。
[37]
前記4)プレス工程の前に、前記3)一次乾燥工程と前記5)二次乾燥工程を一体化させた一体化乾燥工程を行う、項目35に記載の負極の製造方法。
[38]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含む蓄電モジュール。
[39]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含む電力回生アシストシステム。
[40]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含む電力負荷平準化システム。
[41]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含む無停電電源システム。
[42]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含む非接触給電システム。
[43]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含むエナジーハーベストシステム。
[44]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含む蓄電システム。
[45]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子と、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池又は燃料電池とを直列又は並列に接続した蓄電システム。
[46]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含む太陽光発電蓄電システム。
[47]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含む電動パワーステアリングシステム。
[48]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含む非常用電源システム。
[49]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含むインホイールモーターシステム。
[50]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含むアイドリングストップシステム。
[51]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含む乗り物。
[52]
電気自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド自動車、又は電動バイクである、項目51に記載の乗り物。
[53]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含む急速充電システム。
[54]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含むスマートグリッドシステム。
[55]
項目1~31のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子を含むハイブリッドショベル。
The above problems are solved by the following technical means.
[1]
A non-aqueous lithium storage element including an electrode laminate having a negative electrode, a positive electrode and a separator, a non-aqueous electrolyte solution, and an exterior body accommodating the electrode laminate and the non-aqueous electrolyte solution.
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 provided on one side or both sides of the positive electrode current collector, and the positive electrode active material contains activated carbon.
The negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer have the following formula (1):
Contains sulfur compounds represented by
The total amount of the sulfur compound represented by the above formula (1) contained in the positive electrode active material layer is 0.10 × 10 -5 mol / g to 50 × 10 -5 mol / g per unit mass of the positive electrode active material layer. g,
The total amount of the sulfur compound represented by the above formula (1) contained in the negative electrode active material layer is 0.10 × 10 -5 mol / g to 40 × 10 -5 mol / g per unit mass of the negative electrode active material layer. g, and the content per unit mass of the positive electrode active material layer is A,
The content of the negative electrode active material layer per unit mass is B,
A non-aqueous lithium-type power storage element having 0.50 ≦ A / B ≦ 12.
[2]
The non-aqueous electrolyte solution has the following formula (1-1):
Item 2. The non-aqueous lithium power storage element according to Item 1, which contains the cyclic sulfuric acid compound represented by 1 in 0.1% by mass to 5% by mass based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution.
[3]
The non-aqueous electrolyte solution has the following formula (1-2):
Thiophene compound represented by;
The following formula (1-3):
Sultone compound represented by;
The following formula (1-4):
Sultone compound represented by;
The following formula (1-5):
The compound represented by; and the following formula (1-6):
Item 1 or 2 containing at least one sulfur-containing compound selected from the group consisting of the cyclic sulfite compound represented by the above in an amount of 0.1% by mass to 5% by mass based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. The non-aqueous lithium-type power storage element described.
[4]
Item 3. The non-aqueous system according to any one of Items 1 to 3, wherein the cyclic sulfuric acid compound represented by the formula (1-1) is ethylene sulfate, 1,2-propylene sulfate, or trimethylene sulfate. Lithium-type power storage element.
[5]
The thiophene compound represented by the above formula (1-2) is thiophene, 2-methylthiophene, 3-methylthiophene, 2-cyanothiophene, 3-cyanothiophene, 2,5-dimethylthiophene, 2-methoxythiophene, 3 -Methoxythiophene, 2-chlorothiophene, 3-chlorothiophene, 2-acetylthiophene or 3-acetylthiophene,
The sultone compound represented by the above formula (1-3) is 1,3-propane sultone, 2,4-butane sultone, 1,4-butane sultone, 1,3-butane sultone or 2,4-pentane sultone.
The sultone compound represented by the above formula (1-4) is 1,3-propene sultone or 1,4-butene sultone.
The compound represented by the formula (1-5) is 3-sulfolene, and the cyclic sulfite compound represented by the formula (1-6) is ethylene sulfite, 1,2-propylene sulfite or 1,3. -The non-aqueous lithium-type power storage element according to item 3, which is propylene sulfite.
[6]
The non-aqueous electrolyte solution has the following formula (2):
Item 2. The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of Items 1 to 5, which contains 0.1% by mass to 3% by mass of the phosphoric acid ester compound represented by ..
[7]
Item 6. The item 6 wherein the phosphoric acid ester compound represented by the formula (2) is trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tributyl phosphate, tris phosphate (trimethylsilyl), tritryl phosphate, triphenyl phosphate, or dioctyl phosphate. Non-aqueous lithium-type power storage element.
[8]
The following formula (3):
R 31 -OR 32 (3)
{In the formula, R 31 is a halogen atom or a halogenated alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, and R 32 is a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, or 1 to 12 carbon atoms. Halogen alkyl group. }
Item 2. The non-aqueous lithium type according to any one of Items 1 to 7, which contains the acyclic halogen-containing ether represented by 1 in 0.1% by mass to 3% by mass based on the total amount of the non-aqueous electrolytic solution. Storage element.
[9]
The acyclic halogen-containing ether represented by the above formula (3) is C 2 F 5 OC 2 F 5 , C 3 F 7 OC 3 F 7 , C 4 F 9 OC 4 F 9 , C 6 F 13 OC 6 F. 13 , C 2 F 5 OCH 3 , C 3 F 7 OCH 3 , C 4 F 9 OCH 3 , C 6 F 13 OCH 3 , C 2 F 5 OCH 5 , C 3 F 7 OCH 5 , C 4 F 9 OC 2 H 5 , C 2 F 5 CF (OCH 3 ) C 3 F 7 , CF 3 CH 2 OCF 2 CF 2 H, CHF 2 CF 2 OCH 2 CF 3 , CHF 2 CF 2 CH 2 OCF 2 CF 2 H, CF 3 28, which is at least one compound selected from the group consisting of CF 2 CH 2 OCF 2 CHF 2 , CF 3 CH 2 OCF 2 CHFCF 3 , and C 3 HF 6 CH (CH 3 ) OC 3 HF 6 . Non-aqueous lithium-type power storage element.
[10]
Item 2. The non-aqueous lithium storage element according to any one of Items 1 to 9, wherein the non-aqueous electrolyte solution contains at least one of LiPF 6 , LiClO 4 , and LiBF 4 .
[11]
Any one of items 1 to 10, wherein the concentration of LiN (SO 2 F) 2 in the non-aqueous electrolyte solution is 0.1 mol / L or more and 1.5 mol / L or less based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. The non-aqueous lithium-type power storage element according to the section.
[12]
The non-aqueous electrolyte solution contains dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC), and the volume ratio (DMC / EMC) of the dimethyl carbonate to the ethyl methyl carbonate is 0.5 or more and 8.0 or less. The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of items 1 to 11.
[13]
The positive electrode contains an alkali metal carbonate, and the alkali metal carbonate is at least one selected from the group consisting of lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, rubidium carbonate, and cesium carbonate, and the positive electrode active material. Item 2. The non-aqueous lithium power storage element according to any one of Items 1 to 12, wherein the content of the alkali metal carbonate with respect to the total amount is 1% by mass or more and 50% by mass or less.
[14]
Item 2. The non-aqueous lithium power storage element according to any one of Items 1 to 13, wherein the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are non-porous metal foils.
[15]
Item 2. The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of Items 1 to 14, wherein the negative electrode active material is at least two types.
[16]
Item 2. The non-aqueous lithium power storage element according to any one of Items 1 to 15, wherein the negative electrode active material has at least two types, and the average particle size of at least one type of negative electrode active material is 1 μm or more and 15 μm or less. ..
[17]
The negative electrode contains at least one negative electrode active material A selected from the composite carbon material A containing natural graphite, artificial graphite, low crystalline graphite, soft carbon, hard carbon, or any of them as a base material. It also contains at least one negative electrode active material B selected from the composite carbon material B containing activated carbon, carbon black, template porous carbon, high specific surface graphite, carbon nanoparticles, or any of them as a base material. , The non-aqueous lithium type power storage element according to any one of items 1 to 16.
[18]
Item 17. The non-aqueous lithium type according to Item 17, wherein the ratio of the negative electrode active material B is 1.0% by mass to 45.0% by mass based on the total amount of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer. Power storage element.
[19]
The BET specific surface area of the negative electrode active material A is 0.5 m 2 / g or more and 35 m 2 / g or less, and the BET specific surface area of the negative electrode active material B is 50 m 2 / g or more and 1,500 m 2 / g or less. , Item 17 or 18, a non-aqueous lithium-type power storage element.
[20]
Item 2. The non-aqueous lithium storage element according to any one of Items 17 to 19, wherein the amount of lithium ion doped in the negative electrode active material A is 50 mAh / g or more and 520 mAh / g or less per unit mass.
[21]
Item 2. The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of Items 17 to 20, wherein the amount of lithium ions doped in the negative electrode active material B is 530 mAh / g or more and 2,500 mAh / g or less per unit mass.
[22]
The amount of mesopores derived from pores having a diameter of 20 Å or more and 500 Å or less calculated by the BJH method for the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer is V1 (cc / g), and the diameter is less than 20 Å calculated by the MP method. When the amount of micropores derived from the pores 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 Items 1 to 21, 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.
[23]
The positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer has a mesopore amount V1 (cc / g) of 0.8 <V1 ≦ 2.5 derived from pores having a diameter of 20 Å or more and 500 Å or less calculated by the BJH method. The micropore amount V2 (cc / g) derived from the pores having a diameter of less than 20 Å calculated by the MP method satisfies 0.8 <V2 ≦ 3.0, and the specific surface area measured by the BET method is 2. The non-aqueous lithium power storage element according to any one of Items 1 to 21, which is an activated carbon exhibiting 300 m 2 / g or more and 4,000 m 2 / g or less.
[24]
Item 2. The non-aqueous lithium storage element according to any one of Items 1 to 23, wherein the positive electrode active material contains a transition metal oxide capable of storing and releasing lithium ions.
[25]
The non-aqueous lithium power storage element according to item 24, wherein the transition metal oxide is a lithium metal composite oxide having a layered structure, an olivine structure, or a spinel structure.
[26]
The transition metal oxide
Li x1 CoO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 NiO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 Ny M 1 (1- y ) O 2 (In the formula, M 1 is at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Mg, and Ti, and x1 is 0. ≦ x1 ≦ 2 and y satisfies 0.2 <y <0.97),.
Li x1 Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 MnO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
α-Li x1 FeO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 VO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 CrO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 Mn 2 O 4 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 M 2 y Mn (2-y) O 4 (M 2 is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Al, Fe, Mg, and Ti, and x1 is 0 ≦ x 1 ≦. 2 and y satisfies 0.2 <y <0.97),
Li x1 Ni a Co b Al (1-ab) O 2 (In the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2, and a and b are 0.2 <a <0.97, 0., respectively. 2 <b <0.97),
Li x1 Ni c Cod Mn (1-c-d) O 2 (In the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2, and c and d are 0.2 <c <0.97, 0., respectively. 2 <d <0.97),
Li x1 M 3 PO 4 (In the formula, M 3 is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Mn, and Cu, and x1 satisfies 0≤x1≤2.) 24 or 25, comprising at least one lithium metal composite oxide selected from the group consisting of Li z V 2 (PO 4 ) 3 (where z satisfies 0 ≦ z ≦ 3). Non-aqueous lithium-type power storage element.
[27]
The transition metal oxide is Li x2 FePO 4 (where x2 satisfies 0≤x1≤2), Li x2 CoPO 4 (in the equation, x2 satisfies 0≤x1≤2), and. The item 1 of item 24 to 26, which comprises at least one lithium metal composite oxide selected from the group consisting of Li x2 MnPO 4 (where x2 satisfies 0≤x1≤2). Non-aqueous lithium type power storage element.
[28]
Item 2. Non-aqueous lithium according to any one of Items 24 to 27, wherein the activated carbon has an average particle size of 2 μm or more and 20 μm or less, and the transition metal oxide has an average particle size of 0.1 μm or more and 20 μm or less. Type storage element.
[29]
Item 2. The non-aqueous system according to any one of Items 24 to 28, wherein the content of the transition metal oxide is 1.0% by mass to 50.0% by mass based on the total weight of the positive electrode active material layer. Lithium-type power storage element.
[30]
The initial internal resistance at a cell voltage of 4.2 V is Ra (Ω), the capacitance is F (F), the amount of power is E (Wh), and the volume of the exterior body containing the electrode laminate is V. (L), where the internal resistance at an ambient temperature of −30 ° C. is Rc, the following requirements (a), (b) and (c):
(A) The product Ra / F of Ra and F is 0.5 or more and 3.5 or less;
(B) E / V is 20 or more and 80 or less; and (c) Rc / Ra is 30 or less;
Item 4. The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of Items 1 to 29, which simultaneously satisfies the above conditions.
[31]
The initial internal resistance at a cell voltage of 4.2 V is Ra (Ω), the capacitance is Fa (F), the cell voltage is 4.2 V, and the internal resistance at 25 ° C after storage at an ambient temperature of 60 ° C for 2 months. When Rb (Ω) and capacitance are Fb (F), the following requirements (d), (e) and (f) are:
(D) Rb / Ra is 0.8 or more and 3.0 or less;
(E) Fb / Fa is 0.5 or more and 1.2 or less; and (f) The amount of gas generated when stored for 2 months at a cell voltage of 4.2 V and an environmental temperature of 60 ° C. is 30 × at 25 ° C. 10 -3 cc / F or less;
Item 4. The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of Items 1 to 30, which simultaneously satisfies the above conditions.
[32]
A method for producing a positive electrode precursor, which is a precursor of the positive electrode constituting the non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of items 1 to 31.
The positive electrode precursor has a current collector and a positive electrode active material layer arranged on the current collector.
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material and an alkali metal compound, and contains.
The positive electrode active material contains a carbon material and has the following steps 1), 2), 3), 4) and 5) :.
1) A coating liquid preparation step of kneading the positive electrode active material containing the carbon material with the alkali metal compound to prepare a coating liquid;
2) A coating step of applying the coating liquid to the current collector to prepare a positive electrode precursor;
3) Primary drying step of drying the positive electrode precursor at a temperature of 45 ° C. or higher and 200 ° C. or lower;
4) Pressing step of pressing the positive electrode precursor at a linear pressure of 0.5 kN / cm 2 or more and 20 kN / cm 2 or less; and 5) Secondary drying of drying the positive electrode precursor at a temperature of 160 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. Process;
A method for producing a positive electrode precursor including.
[33]
The method for producing a positive electrode precursor according to item 32, wherein the 5) secondary drying step is performed before the 4) pressing step.
[34]
The method for producing a positive electrode precursor according to item 32, wherein an integrated drying step in which the 3) primary drying step and the 5) secondary drying step are integrated before the 4) pressing step is performed.
[35]
The method for manufacturing the negative electrode constituting the non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of items 1 to 31.
The negative electrode has a current collector and a negative electrode active material layer arranged on the current collector.
The following steps 1), 2), 3), 4) and 5):
1) A coating liquid preparation step of kneading a negative electrode active material containing a carbon material and an alkali metal compound to prepare a coating liquid;
2) A coating step of applying the coating liquid to the current collector to prepare a negative electrode;
3) Primary drying step of drying the negative electrode at a temperature of 45 ° C. or higher and 200 ° C. or lower;
4) Pressing step of pressing the negative electrode with a linear pressure of 0.5 kN / cm 2 or more and 20 kN / cm 2 or less; and 5) Secondary drying step of drying the negative electrode at a temperature of 160 ° C. or more and 250 ° C. or less;
A method for manufacturing a negative electrode including.
[36]
The method for manufacturing a negative electrode according to item 35, wherein the 5) secondary drying step is performed before the 4) pressing step.
[37]
Item 35. The method for manufacturing a negative electrode according to item 35, wherein an integrated drying step in which the 3) primary drying step and the 5) secondary drying step are integrated before the 4) pressing step is performed.
[38]
A power storage module including the non-aqueous lithium power storage element according to any one of items 1 to 31.
[39]
A power regeneration assist system including the non-aqueous lithium power storage element according to any one of items 1 to 31.
[40]
A power load leveling system including the non-aqueous lithium storage element according to any one of items 1 to 31.
[41]
An uninterruptible power supply system including the non-aqueous lithium power storage element according to any one of items 1 to 31.
[42]
A non-contact power feeding system including the non-aqueous lithium power storage element according to any one of items 1 to 31.
[43]
An energy harvesting system including the non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of items 1 to 31.
[44]
A power storage system including the non-aqueous lithium power storage element according to any one of items 1 to 31.
[45]
A power storage system in which a non-aqueous lithium power storage element according to any one of items 1 to 31 and a lead battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion secondary battery, or a fuel cell are connected in series or in parallel.
[46]
A photovoltaic power storage system including the non-aqueous lithium power storage element according to any one of items 1 to 31.
[47]
An electric power steering system including the non-aqueous lithium power storage element according to any one of items 1 to 31.
[48]
An emergency power supply system including the non-aqueous lithium power storage element according to any one of items 1 to 31.
[49]
An in-wheel motor system including the non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of items 1 to 31.
[50]
An idling stop system including the non-aqueous lithium power storage element according to any one of items 1 to 31.
[51]
A vehicle including the non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of items 1 to 31.
[52]
51. The vehicle according to item 51, which is an electric vehicle, a plug-in hybrid vehicle, a hybrid vehicle, or an electric motor vehicle.
[53]
A quick charging system including the non-aqueous lithium storage element according to any one of items 1 to 31.
[54]
A smart grid system including the non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of items 1 to 31.
[55]
A hybrid excavator including the non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of items 1 to 31.
本発明によれば、リチウムイオンキャパシタにおいて、負極活物質にリチウムイオンを吸蔵・放出できる炭素材料を含有させ、正極活物質として活性炭を使用し、負極活物質層中の上記式(1)で表される化合物の含有量と、正極活物質層中の上記式(1)で表される化合物の含有量との比率を一定の範囲内に制御することによって、幅広い温度範囲での高い入出力特性と、高温での電解液の分解によるガス発生及びこれによる性能低下の抑制とを両立することが可能となる。 According to the present invention, in a lithium ion capacitor, a negative electrode active material contains a carbon material capable of storing and releasing lithium ions, active carbon is used as the positive electrode active material, and the above formula (1) is used in the negative electrode active material layer. High input / output characteristics over a wide temperature range by controlling the ratio of the content of the compound to be obtained and the content of the compound represented by the above formula (1) in the positive electrode active material layer within a certain range. It is possible to achieve both the generation of gas due to the decomposition of the electrolytic solution at a high temperature and the suppression of performance deterioration due to this.
以下、本発明の実施形態(以下、「本実施形態」という。)を詳細に説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。本実施形態の各数値範囲における上限値及び下限値は任意に組み合わせて任意の数値範囲を構成することができる。
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 (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described in detail, but the present invention is not limited to the present embodiment. The upper limit value and the lower limit value in each numerical range of the present embodiment can be arbitrarily combined to form an arbitrary numerical range.
Non-aqueous lithium-type power storage elements generally include 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。リチウム化合物は、正極前駆体中にいかなる態様で含まれていてもよい。例えば、リチウム化合物は、正極集電体と正極活物質層との間に存在してもよく、正極活物質層の表面上に存在してもよい。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 assembling process, but the pre-doping method includes a positive electrode precursor containing the lithium compound, a negative electrode, a separator, and an exterior body. 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 electrolytic 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. The lithium compound may be contained in the positive electrode precursor in any embodiment. For example, the lithium compound may be present between the positive electrode current collector and the positive electrode active material layer, or may be present on the surface of the positive electrode active material layer. 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]
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むことが好ましく遷移金属酸化物を含むことがさらに好ましい。
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 preferably contains an optional component such as a conductive filler, a binder, and a dispersion stabilizer, and more preferably contains a transition metal oxide.
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、遷移金属酸化物を混合してもよい。
また、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好ましい。
[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 a transition metal oxide may be mixed in addition to the activated carbon.
Further, other carbon materials as described later may be used in combination. As the carbon material, it is preferable to use a carbon nanotube, a conductive polymer, or a porous carbon material.
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、本実施形態において、(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 materials. 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 20 Å or more and 500 Å 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 20 Å calculated by the MP method is used. When V2 (cc / g) is set, in the present embodiment, (1) for high input / output characteristics, 0.3 <V1 ≦ 0.8 and 0.5 ≦ V2 ≦ 1.0 are satisfied. Moreover, activated carbon having a specific surface area measured by the BET method of 1,500 m 2 / g or more and 3,000 m 2 / g or less (hereinafter, also referred to as activated carbon 1) is preferable, and (2) high energy density is obtained. For this purpose, 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 / g or more and 4,000 m 2 /. Activated carbon having a g or less (hereinafter, also referred to as activated carbon 2) is preferable.
以下、前記(1)活性炭1及び前記(2)活性炭2について、個別に順次説明していく。
[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。他方、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, the (1) activated carbon 1 and the (2) activated carbon 2 will be described individually in sequence.
[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 (V1 / V2) of the mesopore amount V1 to the micropore amount 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 deterioration of the 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. .. The more preferable range of V1 / V2 is 0.4 ≦ V1 / V2 ≦ 0.7, and the 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 diameter of the activated carbon 1 is preferably 17 Å or more, more preferably 18 Å or more, and most preferably 20 Å 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 25 Å 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。 The BET specific surface area of the activated carbon 1 is preferably 1,500 m 2 / g or more and 3,000 m 2 / g or less, and more preferably 1,500 m 2 / g or more and 2,500 m 2 / g or less. When the BET specific surface area is 1,500 m2 / g or more, a good energy density is likely to be obtained, while when the BET specific surface area is 3,000 m 2 / g or less, a binder is used to maintain the strength of the electrode. Since it is not necessary to add a large amount of energy, 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-mentioned characteristics can be obtained, for example, by using the raw materials and the treatment method 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, bagasse, waste sugar honey; peat, sub-charcoal, brown charcoal, bituminous charcoal, smokeless charcoal, petroleum distillation residue component, 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 using these raw materials as 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.
As a carbonization method for these raw materials, an inert gas such as nitrogen, carbon dioxide, helium, argon, xenone, neon, carbon monoxide, or combustion exhaust gas, or another gas containing these inert gases as a main component is used. 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 carbonized product obtained by the above carbonization method, a gas activation method in which calcination is performed 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 raise the temperature to 800 to 1,000 ° C. over time, more preferably 6 to 10 hours) for activation.
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 calcined 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 firing temperature and firing 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。一方で、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 easy to adapt 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.
他方、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、より好ましくは1.0cc/g超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。 On the other hand, 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 3.0 cc / g or less, more preferably more than 1.0 cc / g and 2.5 cc / g or less, from the viewpoint of increasing the density of activated carbon as an electrode and increasing the capacity per unit volume. More preferably, it is 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。他方、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。
なお、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 mesopore amount and micropore amount has a higher BET specific surface area than the activated carbon used for a conventional electric double layer capacitor or a lithium ion capacitor. 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. On the other hand, 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 is likely to be obtained, while when the BET specific surface area is 4,000 m 2 / g or less, the strength of the electrode is maintained. Since it is not necessary to add a large amount of binder, the performance per electrode volume is high.
Regarding the V1, V2 and BET specific surface areas of the activated carbon 2, the upper and lower limits of the suitable 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-mentioned 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. Fossil-based raw materials such as phenol resin, furan resin, vinyl chloride resin, vinyl acetate resin, melamine resin, urea resin, resorcinol resin and various synthetic resins 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 heating atmosphere, 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. The carbonization temperature is preferably 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 charcoal after the carbonization treatment include a gas activation method in which an activated gas such as steam, carbon dioxide, and oxygen is used for firing, and an alkali metal activation method in which a 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 mixture was mixed so that the mass ratio of the carbide to the alkali metal compound such as KOH or NaOH was 1: 1 or more (the amount of the alkali metal compound was the same as or larger than the amount of the carbide). Later, it is heated 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, and then 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。
なお、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。
It was mentioned earlier that the mass ratio of the charcoal to the alkali metal compound (= charcoal: alkali metal compound) is preferably 1: 1 or more. However, as the amount of the 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 1: 3 or more, and 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 it is preferably in the above range in consideration of the treatment efficiency such as subsequent cleaning.
In order to increase the amount of micropores and not the amount of mesopores, it is advisable to increase the amount of carbides at the time of activation 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、導電性高分子等))を含んでもよい。例示の態様において、正極活物質層中の活性炭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、つまり正極活物質層中の前記炭素材料の重量比をA1とするとき、A1が15質量%以上65質量%以下であることが好ましく、さらに好ましくは20質量%以上50質量%以下である。
[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.
The above-mentioned activated carbons 1 and 2 may be used by selecting one of them, or may be used by mixing both of them.
The positive electrode active material may contain a material other than activated carbons 1 and 2 (for example, activated carbon having no specific V 1 and / or V 2 or a material other than activated carbon (for example, a conductive polymer)). .. In an exemplary embodiment, the content of activated carbon 1 or the content of activated carbon 2 in the positive electrode active material layer, or the total content of activated carbons 1 and 2, that is, the weight ratio of the carbon material in the positive electrode active material layer is A 1 . In this case, A 1 is preferably 15% by mass or more and 65% by mass or less, and more preferably 20% by mass or more and 50% by mass or less.
[遷移金属酸化物]
遷移金属酸化物は層状構造、オリビン構造、又はスピネル構造を有する遷移金属酸化物であることが好ましい。
正極活物質として用いられる遷移金属酸化物には、特に制限はない。遷移金属酸化物としては、例えば、コバルト、ニッケル、マンガン、鉄、バナジウム、及びクロムから成る群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む酸化物が挙げられる。
[Transition metal oxide]
The transition metal oxide is preferably a transition metal oxide having a layered structure, an olivine structure, or a spinel structure.
The transition metal oxide used as the positive electrode active material is not particularly limited. Examples of transition metal oxides include oxides containing at least one element selected from the group consisting of cobalt, nickel, manganese, iron, vanadium, and chromium.
遷移金属酸化物として具体的には、例えば、
Lix1CoO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1NiO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1NiyM1
(1-y)O2(式中、M1はCo、Mn、Al、Fe、Mg、及びTiから成る群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は、0≦x1≦2を満たし、かつyは0.2<y<0.97を満たす。)、
Lix1Ni1/3Co1/3Mn1/3O2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1MnO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
α-Lix1FeO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1VO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1CrO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1Mn2O4(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1M2
yMn(2-y)O4(M2はCo、Ni、Al、Fe、Mg、及びTiから成る群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は、0≦x1≦2を満たし、かつyは0.2<y<0.97を満たす。)、
Lix1NiaCobAl(1-a-b)O2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たし、かつa及びbは、それぞれ0.2<a<0.97、0.2<b<0.97を満たす。)、
Lix1NicCodMn(1-c-d)O2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たし、かつc及びdは、それぞれ0.2<c<0.97、0.2<d<0.97を満たす。)、
Lix1M3PO4(式中、M3はCo、Ni、Fe、Mn、及びCuから成る群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、かつx1は、0≦x1≦2を満たす。)、及び
LizV2(PO4)3(式中、zは0≦z≦3を満たす。)
から成る群より選ばれる少なくとも1種のリチウム金属複合酸化物等が挙げられる。
本実施形態では、正極活物質とは異なるアルカリ金属化合物が正極前駆体に含まれていれば、プレドープによってアルカリ金属化合物がアルカリ金属のドーパント源となり負極にプレドープができるため、遷移金属化合物にあらかじめリチウムイオンが含まれていなくても(すなわち、上記遷移金属酸化物の一般式においてx1又はz=0であっても)、非水系リチウム蓄電素子として電気化学的な充放電をすることができる。
遷移金属酸化物としては、Lix2FePO4(式中、x2は、0≦x1≦2を満たす。)、Lix2CoPO4(式中、x2は、0≦x1≦2を満たす。)、及びLix2MnPO4(式中、x2は、0≦x1≦2を満たす。)から成る群より選ばれる少なくとも1種が好ましい。
Specifically, as a transition metal oxide, for example,
Li x1 CoO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 NiO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 Ny M 1 (1- y ) O 2 (In the formula, M 1 is at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Mg, and Ti, and x1 is 0. ≦ x1 ≦ 2 and y satisfies 0.2 <y <0.97),.
Li x1 Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 MnO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
α-Li x1 FeO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 VO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 CrO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 Mn 2 O 4 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 M 2 y Mn (2-y) O 4 (M 2 is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Al, Fe, Mg, and Ti, and x1 is 0≤x1≤. 2 and y satisfies 0.2 <y <0.97),
Li x1 Ni a Co b Al (1-ab) O 2 (In the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2, and a and b are 0.2 <a <0.97, 0., respectively. 2 <b <0.97),
Li x1 Ni c Cod Mn (1-c-d) O 2 (In the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2, and c and d are 0.2 <c <0.97, 0., respectively. 2 <d <0.97),
Li x1 M 3 PO 4 (In the formula, M 3 is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Mn, and Cu, and x1 satisfies 0≤x1≤2.) , And Li z V 2 (PO 4 ) 3 (in the equation, z satisfies 0 ≦ z ≦ 3).
Examples thereof include at least one lithium metal composite oxide selected from the group consisting of.
In the present embodiment, if the positive electrode precursor contains an alkali metal compound different from the positive electrode active material, the alkali metal compound becomes a dopant source for the alkali metal by predoping, and the negative electrode can be predoped. Therefore, lithium is previously added to the transition metal compound. Even if it does not contain ions (that is, even if x1 or z = 0 in the general formula of the transition metal oxide), it can be electrostatically charged and discharged as a non-aqueous lithium storage element.
The transition metal oxides include Li x2 FePO 4 (where x2 satisfies 0≤x1≤2), Li x2 CoPO 4 (in the equation, x2 satisfies 0≤x1≤2), and. At least one selected from the group consisting of Li x2 MnPO 4 (in the formula, x2 satisfies 0 ≦ x1 ≦ 2) is preferable.
リチウム遷移金属酸化物の平均粒子径は、0.1~20μmであることが好ましい。
前記平均粒子径が0.1μm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0.1μm以上であればそのような欠点が生じ難い。一方で、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。前記平均粒子径は、より好ましくは0.5~15μmであり、更に好ましくは1~10μmである。更に、前記リチウム遷移金属酸化物の平均粒子径が前記炭素材料の平均粒子径より小さいことが好ましい。リチウム遷移金属酸化物の平均粒子径が小さければ、平均粒子径の大きな炭素材料により形成される空隙にリチウム遷移金属酸化物が配置することができ、低抵抗化できる。
The average particle size of the lithium transition metal oxide is preferably 0.1 to 20 μm.
When the average particle size is 0.1 μm or more, the capacity per electrode volume tends to be high due to the high density of the active material layer. Here, if the average particle size is small, the durability may be low, but if the average particle size is 0.1 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 easy to adapt to high-speed charging / discharging. The average particle size is more preferably 0.5 to 15 μm, still more preferably 1 to 10 μm. Further, it is preferable that the average particle size of the lithium transition metal oxide is smaller than the average particle size of the carbon material. If the average particle size of the lithium transition metal oxide is small, the lithium transition metal oxide can be arranged in the voids formed by the carbon material having a large average particle size, and the resistance can be reduced.
[リチウム遷移金属酸化物の使用態様]
リチウム遷移金属酸化物は、1種であってもよいし、2種以上の材料の混合物であって前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。
正極活物質は、上記リチウム遷移金属酸化物以外の材料(例えば、導電性高分子等)を含んでもよい。例示の態様において、前記正極活物質層の総重量を基準として、リチウム遷移金属酸化物の含有比率をG1とするとき、G1が1重量%以上50重量%以下であり、好ましくは10重量%以上45重量%以下であり、より好ましくは15重量%以上40重量%以下である。該遷移金属酸化物の含有比率が1重量%以上であれば、蓄電素子のエネルギー密度をより高めることが可能であり、含有率が50重量%以下であれば蓄電素子を高出力化することができる。
[Usage of Lithium Transition Metal Oxide]
The lithium transition metal oxide may be one kind, or may be a mixture of two or more kinds of materials, and each of the above-mentioned characteristic values may be shown as a whole mixture.
The positive electrode active material may contain a material other than the above-mentioned lithium transition metal oxide (for example, a conductive polymer or the like). In an exemplary embodiment, when the content ratio of the lithium transition metal oxide is G 1 with reference to the total weight of the positive electrode active material layer, G 1 is 1% by weight or more and 50% by weight or less, preferably 10% by weight. % Or more and 45% by weight or less, more preferably 15% by weight or more and 40% by weight or less. When the content ratio of the transition metal oxide is 1% by weight or more, the energy density of the power storage element can be further increased, and when the content ratio is 50% by weight or less, the power storage element can be increased in output. can.
[正極活物質の使用態様]
正極活物質層中に占める前記炭素材料の重量比をA1とし、リチウム遷移金属酸化物の重量比をA2としたとき、前記リチウム遷移金属酸化物の含有量A2と、前記炭素材料の含有量A1との比A2/A1が0.1以上2.0以下であることが好ましい。更に好ましくは0.2以上1.2以下である。A2/A1が0.1以上であれば正極活物質層の嵩密度を高め、高容量化できる。A2/A1が2.0以下であれば活性炭間の電子伝導が高まるために低抵抗化でき、且つ活性炭とアルカリ金属化合物の接触面積が増えるためにアルカリ金属化合物の分解を促進できる。
[Usage of positive electrode active material]
When the weight ratio of the carbon material in the positive electrode active material layer is A 1 and the weight ratio of the lithium transition metal oxide is A 2 , the content A 2 of the lithium transition metal oxide and the carbon material It is preferable that the ratio A 2 / A 1 to the content A 1 is 0.1 or more and 2.0 or less. More preferably, it is 0.2 or more and 1.2 or less. When A 2 / A 1 is 0.1 or more, the bulk density of the positive electrode active material layer can be increased and the capacity can be increased. When A 2 / A 1 is 2.0 or less, the resistance can be lowered because the electron conduction between the activated carbons is increased, and the contact area between the activated carbon and the alkali metal compound can be increased, so that the decomposition of the alkali metal compound can be promoted.
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, 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, 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ことが好ましい。
本実施形態におけるリチウム化合物としては、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム、炭酸セシウム、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、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム、及び炭酸セシ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。非水系電解液として、後述するLiPF6等のリチウム塩を予め溶解させた電解液を用いる場合には、前記アルカリ金属炭酸塩を単独で用いることもできる。正極前駆体中に含まれるリチウム化合物は1種でもよく、2種以上のリチウム化合物を含んでいてもよく、リチウム化合物と他のアルカリ金属炭酸塩を混合して用いてもよい。
[Lithium compound]
It is preferable that the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor of the present embodiment contains a lithium compound other than the positive electrode active material. Further, it is preferable that 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.
Examples of the lithium compound in the present embodiment include lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, rubidium carbonate, cesium carbonate, lithium oxide, lithium hydroxide, lithium fluoride, lithium chloride, lithium oxalate, lithium iodide, lithium nitride, and shu. One or more selected from lithium acid and lithium acetate are preferably used. Among them, lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, rubidium carbonate, and cesium carbonate 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, so that the electrolytic solution has excellent retention and ionic conductivity. It is possible to form an excellent positive electrode. When an electrolytic solution in which a lithium salt such as LiPF 6 described later is dissolved in advance is used as the non-aqueous electrolytic solution, the alkali metal carbonate can also be used alone. The lithium compound contained in the positive electrode precursor may be one kind, may contain two or more kinds of lithium compounds, or may be used as a mixture of the lithium compound and another alkali metal carbonate.
また、本実施形態の正極前駆体としては少なくとも1種のリチウム化合物を含んでいればよく、リチウム化合物の他に、下記式におけるMをNa、K、Rb、及びCsから選ばれる1種以上として、
M2O等の酸化物、
MOH等の水酸化物、
MFやMCl等のハロゲン化物、
M2(CO2)2等の蓚酸塩、
RCOOM(式中、RはH、アルキル基、又はアリール基である)等のカルボン酸塩
を1種以上含んでいてもよい。
また、正極前駆体は、BeCO3、MgCO3、CaCO3、SrCO3、又はBaCO3から選ばれるアルカリ土類金属炭酸塩、並びにアルカリ土類金属酸化物、アルカリ土類金属水酸化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属シュウ酸塩、及びアルカリ土類金属カルボン酸塩を1種以上含んでいてもよい。
Further, the positive electrode precursor of the present embodiment may contain at least one lithium compound, and in addition to the lithium compound, M in the following formula may be one or more selected from Na, K, Rb, and Cs. ,
Oxides such as M2O ,
Hydroxides such as MOH,
Halides such as MF and MCl,
M 2 (CO 2 ) 2nd grade oxalate,
It may contain one or more carboxylates such as RCOM (in the formula, R is an H, an alkyl group, or an aryl group).
The positive electrode precursor is an alkaline earth metal carbonate selected from BeCO 3 , MgCO 3 , CaCO 3 , SrCO 3 , or BaCO 3 , as well as an alkaline earth metal oxide, an alkaline earth metal hydroxide, and an alkaline soil. It may contain one or more kinds of metal halides, alkaline earth metal oxalates, and alkaline earth metal carboxylates.
正極前駆体に含まれるアルカリ金属化合物の重量比が10質量%以上50質量%以下含まれるように正極前駆体を作製することが好ましい。10質量%以上であれば負極に十分な量のアルカリ金属イオンをプレドープすることができ、非水系リチウム蓄電素子の容量が高まる。50質量%以下であれば、正極前駆体中の電子伝導を高めることができるので、アルカリ金属化合物の分解を効率よく行うことができる。
正極前駆体が、リチウム金属化合物の他に上記2種以上のアルカリ金属化合物、又はアルカリ土類金属化合物を含む場合は、アルカリ金属化合物、及びアルカリ土類金属化合物の総量が、正極前駆体の片面当たり正極活物質層中に1質量%以上50質量%以下の割合で含まれるように正極前駆体を作製することが好ましい。
It is preferable to prepare the positive electrode precursor so that the weight ratio of the alkali metal compound contained in the positive electrode precursor is 10% by mass or more and 50% by mass or less. If it is 10% by mass or more, a sufficient amount of alkali metal ions can be pre-doped into the negative electrode, and the capacity of the non-aqueous lithium storage element is increased. When it is 50% by mass or less, the electron conduction in the positive electrode precursor can be enhanced, so that the alkali metal compound can be efficiently decomposed.
When the positive electrode precursor contains the above two or more kinds of alkali metal compounds or alkaline earth metal compounds in addition to the lithium metal compound, the total amount of the alkali metal compound and the alkaline earth metal compound is one side of the positive electrode precursor. It is preferable to prepare the positive electrode precursor so that it is contained in the positive electrode active material layer in a proportion of 1% by mass or more and 50% by mass or less.
[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。
[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, 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 the 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.
リチウム化合物の粉砕には、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、高圧ホモジナイザー等の、湿式及び/又は乾式のいずれの粉砕機であっても用いることができる。リチウム化合物を分散媒に分散させ、その分散液を用いて粉砕する湿式粉砕においては、粉砕後必要に応じて、加熱ミキサー等で分散媒を揮発させ、リチウム化合物を粉体化することができる。また、リチウム化合物の核成長には、CVD法;熱プラズマやレーザーアブソレーション等を用いるPVD法;沈殿や共沈、析出、昌析等の液相プロセス等を用いることができる。また、必要に応じて上記の方法を複数組み合わせてもよい。 For pulverizing the lithium compound, any wet and / or dry pulverizer such as a ball mill, a bead mill, a ring mill, a jet mill, a rod mill, a high pressure homogenizer, etc. can be used. In wet pulverization in which a lithium compound is dispersed in a dispersion medium and pulverized using the dispersion liquid, the dispersion medium can be volatilized with a heating mixer or the like as necessary after pulverization to pulverize the lithium compound. Further, for the nuclear growth of the lithium compound, a CVD method; a PVD method using thermal plasma, laser absorption, or the like; a liquid phase process such as precipitation, coprecipitation, precipitation, or positive deposition can be used. Further, a plurality of the above methods may be combined as needed.
[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ことが好ましい。本発明においては、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≦10.0μmであることが好ましい。リチウム化合物の平均粒子径の更に好ましい範囲は、0.5μm≦X1≦5.0μm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10.0μm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 preferably contains a lithium compound other than the positive electrode active material. In the present invention, when the average particle size of the lithium compound other than the positive electrode active material contained in the positive electrode is X1, it is preferably 0.1 μm ≦ X1 ≦ 10.0 μm. A more preferable range of the average particle size of the lithium compound is 0.5 μm ≦ X 1 ≦ 5.0 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 10.0 μm or less, the reaction area with the fluorine ions generated in the high load charge / discharge cycle increases, so that the adsorption of the fluorine ions can be efficiently performed.
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、高温環境下における正極上での電解液溶媒の分解反応を炭酸リチウムが抑制するため、高温耐久性が向上し、2.5質量%以上でその効果が顕著になる。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、35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 is more preferable. When the amount of the lithium compound is 1% by mass or more, lithium carbonate suppresses the decomposition reaction of the electrolytic solution solvent on the positive electrode in a high temperature environment, so that the high temperature durability is improved, and the effect is improved when the amount is 2.5% by mass or more. Becomes noticeable. 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 hindered by the lithium compound, so that it exhibits high input / output characteristics and is 35% 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.
[電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、正極重量の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、真空乾燥させた後に、SEM-EDX、ラマン分光法、及びXPSの解析を実施する。真空乾燥の条件は、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。
後述するイオンクロマトグラフィーでは、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。
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、7Li-固体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。
[Method for identifying lithium compounds in electrodes]
The method for identifying the lithium compound contained in the positive electrode is not particularly limited, but can be identified by, for example, 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, the non-aqueous lithium storage element may be disassembled in an argon box, the positive electrode may be taken out, and the electrolyte adhering to the positive electrode surface may be washed before the measurement. preferable. As for the method for cleaning the positive electrode, a carbonate solvent such as dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, or diethyl carbonate can be preferably used because the electrolyte adhering to the surface of the positive electrode may be washed away. As a cleaning method, for example, the positive electrode is immersed in a diethyl carbonate solvent having a weight 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. The positive electrode is then removed from diethyl carbonate, vacuum dried, and then analyzed for SEM-EDX, Raman spectroscopy, and XPS. The conditions for vacuum drying are such that the residual diethyl carbonate in the positive electrode is 1% by mass or less in the range of temperature: 0 to 200 ° C., pressure: 0 to 20 kPa, and time: 1 to 40 hours. The residual amount of diethyl carbonate can be quantified based on a calibration curve 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.
In 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 analytical method, other analytical methods include 7 Li-solid NMR, XRD (X-ray diffraction), TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry), and AES (Auger electron). Lithium compounds can also be identified by using spectroscopic), TPD / MS (mass spectrometry of heated gas), DSC (differential scanning calorimeter analysis) and the like.
[走査型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分析(SEM-EDX)]
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は、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とき、明部を面積で50%以上含む粒子をリチウム化合物とする。
[Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Analysis (SEM-EDX)]
The 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 can be measured as 10 kV, the emission current as 1 μA, the number of measurement pixels as 256 × 256 pixels, and the number of integrations as 50 times. 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 vapor deposition or sputtering. Regarding the measurement method of the SEM-EDX image, it is preferable to adjust the brightness and the 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%. When the obtained oxygen mapping is binarized based on the average value of brightness, the particles containing 50% or more of the bright part in area are defined as lithium compounds.
[顕微ラマン分光]
リチウム炭酸塩及び正極活物質は、観察倍率を1000倍~4000倍にして測定した正極前駆体表面の炭酸イオン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炭酸イオンの頻度分布から差し引く。
[Microscopic Raman spectroscopy]
The lithium carbonate and the positive electrode active material can be discriminated by Raman imaging of carbonate ions on the surface of the positive electrode precursor 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 lattice is 1800 gr / mm, the mapping method is point scanning (slit 65 mm, binning 5 fix), 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 to 1104 cm -1 , the area is calculated with a positive value from the baseline as the peak of carbonate ion, 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.
[X線光電分光法(XPS)]
XPSにより電子状態を解析することによりリチウム化合物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(リチウム元素)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またはLi-C結合、55~60eVのピークをLiF、Li2CO3、LixPOyFz(式中、x、y、及びzは、それぞれ1~6の整数である);
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(式中、xは1~4の整数である)、SiOx(式中、xは1~4の整数である)、533eVのピークをC-O、SiOx(式中、xは1~4の整数である);
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(式中、x、y、及びzは、それぞれ1~6の整数である)、PF6
-;
P2pの結合エネルギーについて、133eVのピークをPOx(式中、xは1~4の整数である)、134~136eVのピークをPFx(式中、xは1~6の整数である);
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(式中、x、及びyは、それぞれ任意の整数である)
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。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。
[X-ray Photoelectron spectroscopy (XPS)]
The bonding state of the lithium compound can be determined by analyzing the electronic state 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 element) 50 times (silicon), energy step can be measured under the condition of narrow scan: 0.25 eV. It is preferable to clean the surface of the positive electrode by sputtering before measuring XPS. As a sputtering condition, for example, the surface of the positive electrode can be cleaned under the condition of an acceleration voltage of 1.0 kV and a range of 2 mm × 2 mm for 1 minute (1.25 nm / min in terms of SiO 2 ).
About the obtained XPS spectrum
The peaks of the binding energy of Li1s of 50 to 54 eV are LiO 2 or Li—C bonds, and the peaks of 55 to 60 eV are LiF, Li 2 CO 3 , and Li x PO yF z (where x, y , and z are, respectively). It is an integer from 1 to 6);
The peak of C1s binding energy 285eV is CC-bonded, the peak of 286eV is CO - bonded, the peak of 288eV is COO, and the peak of 290-292eV is CO3-2- , CF-bonded;
The peaks of the binding energy of O1s of 527 to 530 eV are O 2- (Li 2 O), and the peaks of 513 to 532 eV are CO, CO 3 , OH, PO x (x is an integer of 1 to 4 in the formula), SiO. x (in the formula, x is an integer of 1 to 4), the peak of 533 eV is CO, SiO x (in the formula, x is an integer of 1 to 4);
The peak of the binding energy 685 eV of F1s is LiF, the peak of 687 eV is CF bond, Li x PO y F z (in the formula, x, y, and z are integers of 1 to 6, respectively) , PF 6- . ;
Regarding the binding energy of P2p, the peak of 133 eV is PO x (in the formula, x is an integer of 1 to 4), and the peak of 134 to 136 eV is PF x (in the formula, x is an integer of 1 to 6);
The peak of the binding energy 99eV of Si2p is Si, silicide, and the peak of 101 to 107eV is Si x Oy (in the formula, x and y are arbitrary integers, respectively).
Can be attributed as.
When the peaks of the obtained spectra 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 obtained electronic state measurement results and the existing element ratio results.
[イオンクロマトグラフィー]
正極前駆体を蒸留水で洗浄し、洗浄した後の水をイオンクロマトグラフィーで解析することにより、水中に溶出した炭酸イオン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器を検出器と組み合わせて測定することもできる。
サンプルの保持時間は、使用するカラム又は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、イオン種の濃度に比例する。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 washing the positive electrode precursor with distilled water and analyzing the washed water by ion chromatography, the carbonate ion eluted in the 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. It is also possible to measure by combining a mass spectrometer or a charged particle detector with a detector.
The retention time of the sample is constant for each ion species component if conditions such as the column or eluent to be used are determined, and the magnitude of the peak response differs for each ion species, but is proportional to the concentration of the ion species. .. By measuring in advance a standard solution with a known concentration that ensures traceability, it is possible to qualify and quantify the ionic species component.
上記方法で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。 If the lithium compound cannot be identified by the above 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 electron spectroscopy). ), TPD / MS (mass spectrometry of heated gas), DSC (differential scanning calorimeter analysis) and the like can also be used to identify the lithium compound.
[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、より好ましくは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よいため、有機溶媒は特に限定されないが、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。
[Lithium compound quantification method]
The method for quantifying the lithium compound contained in the positive electrode is described below.
The positive electrode can be washed with an organic solvent and then with distilled water, and the lithium compound can be quantified from the change in the mass of the positive electrode before and after washing with distilled water. The area of the positive electrode to be measured is not particularly limited, but is preferably 5 cm 2 or more and 200 cm 2 or less, and more preferably 25 cm 2 or more and 150 cm 2 or less, from the viewpoint of reducing variations in measurement. If the area is 5 cm 2 or more, the reproducibility of the measurement is ensured. If the area is 200 cm 2 or less, the handling of the sample is excellent. The cleaning with an organic solvent is not particularly limited as long as it can remove the non-aqueous electrolyte decomposition product deposited on the surface of the positive electrode, but the lithium compound can be washed by using an organic solvent having a solubility of 2% or less. It is preferable because the elution of the solvent is suppressed. For example, polar solvents such as methanol and acetone are preferably used.
正極の洗浄方法については、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等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。)、上述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割合Z(質量%)は、次式により算出できる。
Z=100×[1-(M1-M2)/(M0-M2)]
As for the method of cleaning the positive electrode, the positive electrode is sufficiently immersed 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 quantified by measuring the GC / MS of the water after washing with distilled water, which will be described later, based on the calibration line prepared in advance.), And 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 soaking for 3 days or more, the positive electrode is taken out from the distilled water (in the case of measuring the above-mentioned ion chromatography, the amount of the liquid is adjusted so that the amount of the distilled water becomes 100M 0 (g)), and the above-mentioned. Vacuum dry as in methanol washing. The mass of the positive electrode at this time is M 1 (g), and subsequently, in order to measure the mass of the obtained positive electrode current collector, a spatula, a brush, a brush, or the like is used to measure the positive electrode active material layer on the current collector. Get rid of. Assuming that the mass of the obtained positive electrode current collector is M 2 (g), the proportion Z (mass%) of the lithium compound contained in the positive electrode can be calculated by the following equation.
Z = 100 × [1- (M 1 -M 2 ) / (M 0 -M 2 )]
[リチウム化合物及び正極活物質の平均粒子径]
リチウム化合物の平均粒子径をX1とするとき、0.1μm≦X1≦10μmであり、正極活物質の平均粒子径をY1とするとき、2μm≦Y1≦20μmであり、かつX1<Y1であることが好ましい。より好ましくは、X1は、0.5μm≦X1≦5μmであり、Y1は、3μm≦Y1≦10μmである。X1が0.1μm以上の場合、リチウムプレドープ後の正極中にリチウム化合物を残存させることができるため、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耐久性が向上する。他方、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。Y1が2μm以上の場合、正極活物質間の電子伝導性を確保できる。他方、Y1が20μm以下の場合、電解質イオンとの反応面積が増加するために高い入出力特性が得られる。X1<Y1であれば、正極活物質間に生じる隙間にリチウム化合物が充填されるため、正極活物質間の電子伝導性を確保しつつ、エネルギー密度を高めることができる。
X1及びY1の測定方法は特に限定されないが、正極断面のSEM画像、及びSEM-EDX画像から算出することができる。正極断面の形成方法については、正極上部からArビームを照射し、試料直上に設置した遮蔽板の端部に沿って平滑な断面を作製するBIB加工を用いることができる。正極に炭酸リチウムを含有させる場合、正極断面のラマンイメージングを測定することで炭酸イオンの分布を求めることもできる。
[Average particle size of lithium compound and positive electrode active material]
When the average particle size of the lithium compound is X 1 , 0.1 μm ≤ X 1 ≤ 10 μm, and when the average particle size of the positive electrode active material is Y 1 , 2 μm ≤ Y 1 ≤ 20 μm, and X 1 <Y 1 is preferable. More preferably, X 1 is 0.5 μm ≤ X 1 ≤ 5 μm, and Y 1 is 3 μm ≤ Y 1 ≤ 10 μm. When X 1 is 0.1 μm or more, the lithium compound can remain in the positive electrode after lithium predoping. Therefore, the durability of the high load charge / discharge cycle is achieved by adsorbing the fluorine ions generated in the high load charge / discharge cycle. Is improved. On the other hand, 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 the fluorine ions can be efficiently performed. When Y 1 is 2 μm or more, electron conductivity between the positive electrode active materials can be ensured. On the other hand, when Y 1 is 20 μm or less, high input / output characteristics can be obtained because the reaction area with the electrolyte ion increases. When X 1 <Y 1 , the lithium compound is filled in the gaps formed between the positive electrode active materials, so that the energy density can be increased while ensuring the electron conductivity between the positive electrode active materials.
The measuring method of X 1 and Y 1 is not particularly limited, but can be calculated from the SEM image of the positive electrode cross section and the SEM-EDX image. As a method for forming the positive electrode cross section, BIB processing can be used in which an Ar beam is irradiated from the upper part of the positive electrode to form a smooth cross section along the end portion of the shielding plate installed directly above the sample. When lithium carbonate is contained in the positive electrode, the distribution of carbonate ions can be obtained by measuring Raman imaging of the cross section of the positive electrode.
[リチウム化合物と正極活物質の判別方法]
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断面の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。
[Method of distinguishing between lithium compound and positive electrode active material]
The lithium compound and the positive electrode active material can be identified by oxygen mapping using an SEM-EDX image of the positive electrode cross section measured at an observation magnification of 1000 to 4000 times. Regarding the measurement method of the SEM-EDX image, it is preferable to adjust the brightness and the 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 the bright part binarized with respect to the obtained oxygen mapping based on the average value of brightness are defined as lithium compounds.
[X1及びY1の算出方法]
X1及びY1は、正極断面SEMと同視野にて測定した正極断面SEM-EDXから得られた画像を、画像解析することで求めることができる。正極断面のSEM画像にて判別されたリチウム化合物の粒子X、及びそれ以外の粒子を正極活物質の粒子Yとし、断面SEM画像中に観察されるX、Yそれぞれの粒子全てについて、断面積Sを求め、次式により粒子径dを求める(円周率をπとする。)。
d=2×(S/π)1/2
得られた粒子径dを用いて、次式により体積平均粒子径X0及びY0を求める。
X0(Y0)=Σ[4/3π×(d/2)3×d]/Σ[4/3π×(d/2)3]
正極断面の視野を変えて5ヶ所以上測定し、それぞれのX0及びY0の平均値をもって平均粒子径X1及びY1とする。
[Calculation method of X 1 and Y 1 ]
X 1 and Y 1 can be obtained by image analysis of images obtained from the positive electrode cross section SEM-EDX measured in the same field as the positive electrode cross section SEM. The lithium compound particles X and the other particles identified in the SEM image of the positive electrode cross section are defined as the positive electrode active material particles Y, and the cross-sectional area S is obtained for all the X and Y particles observed in the cross-sectional SEM image. Is obtained, and the particle diameter d is obtained by the following equation (the circumference ratio is π).
d = 2 × (S / π) 1/2
Using the obtained particle size d, the volume average particle size X 0 and Y 0 are obtained by the following equation.
X 0 (Y 0 ) = Σ [4 / 3π × (d / 2) 3 × d] / Σ [4 / 3π × (d / 2) 3 ]
Measure at 5 or more points by changing the field of view of the positive electrode cross section, and take the average value of X 0 and Y 0 , respectively, as the average particle diameter X 1 and Y 1 .
[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。一方で結着剤の使用量が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 and the like. 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 ingress / egress 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 ingress / egress 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。
該金属箔は凹凸又は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。
特に、電極作製の容易性、高い電子伝導性の観点から、本実施形態における正極集電体は、無孔状であることが好ましい。本明細書において、「無孔状の正極集電体」とは、少なくとも正極活物質層の塗工された領域において、リチウムイオンが正極集電体を通過して正極の表裏でリチウムイオンが均一化する程度の孔を有しない正極集電体を意味する。したがって、本発明の効果を奏する範囲内において、極めて小径又は微量の孔を有する正極集電体、及び正極活物質層の塗工されていない領域に孔を有する正極集電体をも排除するものではない。また、本実施形態において、正極集電体のうち少なくとも正極活物質層が塗工された領域は無孔状であり、正極集電体のうち正極活物質層が塗工されていない余剰部分には孔があってもよいし、無くてもよい。
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, but is not particularly limited. Foil is preferred. Aluminum foil is particularly preferable as the positive electrode current collector in the non-aqueous lithium storage element of the present embodiment.
The metal foil may be a normal metal leaf having no irregularities or through holes, a metal leaf 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.
In particular, from the viewpoint of ease of electrode production and high electron conductivity, the positive electrode current collector in the present embodiment is preferably non-porous. In the present specification, the “non-porous positive electrode current collector” means that lithium ions pass through the positive electrode current collector and the lithium ions are uniform on the front and back surfaces of the positive electrode, at least in the coated region of the positive electrode active material layer. It means a positive electrode current collector that does not have a hole to the extent that it becomes an ion. Therefore, within the range in which the effect of the present invention is exhibited, the positive electrode current collector having extremely small diameter or a small amount of holes and the positive electrode current collector having holes in the uncoated region of the positive electrode active material layer are also excluded. is not. Further, in the present embodiment, at least the region where the positive electrode active material layer is coated is non-porous in the positive electrode current collector, and the surplus portion of the positive electrode current collector where the positive electrode active material layer is not coated is covered. May or may not have holes.
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 to be 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-like coating liquid, and this coating liquid is collected as a positive electrode. A positive electrode precursor can be obtained by applying a coating film on one or both sides of an electric body to form a coating film and drying the coating film. 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, as well as other optional components used as needed, are dry mixed, the resulting mixture is press molded and then conductively bonded. It is also possible to attach the agent to the positive electrode current collector.
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 in them. The liquid or slurry-like substance may be added and prepared. Further, various material powders containing a positive electrode active material may be added to a liquid or slurry-like substance in which a binder or a dispersion stabilizer is dissolved or dispersed in water or an organic solvent to prepare a coating liquid. 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 so that the lithium compound having low conductivity is coated with the conductive filler. You may do. This facilitates the decomposition of the lithium compound 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 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又は多軸分散機、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又は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 homodisper or a multi-axis disperser, a planetary mixer, a disperser such as a thin film swirling high-speed mixer or the like is used. Can be done. In order to obtain a coating liquid in a good 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, it is preferable because various materials are satisfactorily 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 dispersity 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 at the time of preparing 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 formation of the coating film is suppressed, and the width and film thickness of the coating film 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 thickness. 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又はコンマコーター、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 or 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.
[1次乾燥]
正極前駆体の塗膜の乾燥は、好ましくは熱風乾燥、赤外線(IR)乾燥等の乾燥方法を用いて、より好ましくは遠赤外線、近赤外線、又は50℃以上の熱風で行なわれる。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又はマイグレーションによる結着剤の偏在、正極集電体又は正極活物質層の酸化を抑制できる。
1次乾燥後の正極前駆体に含まれる水分は、正極活物質層の質量を100%として1%以上10%以下であることが好ましい。水分が1%以上であれば、過剰な乾燥による正極前駆体のひび割れを抑え、低抵抗化できる。水分が10%以下であれば、非水系リチウム蓄電素子におけるアルカリ金属イオンの失活を抑え、高エネルギー密度化できる。
正極前駆体に含まれる水分は、例えばカールフィッシャー滴定法(JIS 0068(2001)「化学製品の水分測定方法」)により測定することができる。
[Primary drying]
The coating film of the positive electrode precursor is preferably dried by a drying method such as hot air drying or infrared (IR) drying, and more preferably far infrared rays, near infrared rays, or hot air at 50 ° C. or higher. 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 drying temperature is 200 ° C. or lower, it is possible to suppress cracking of 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 or the positive electrode active material layer.
The water content in the positive electrode precursor after the primary drying is preferably 1% or more and 10% or less, with the mass of the positive electrode active material layer as 100%. When the water content is 1% or more, cracking of the positive electrode precursor due to excessive drying can be suppressed and the resistance can be lowered. When the water content is 10% or less, the deactivation of alkali metal ions in the non-aqueous lithium storage element can be suppressed and the energy density can be increased.
The water content contained in the positive electrode precursor can be measured, for example, by the Karl Fischer titration method (JIS 0068 (2001) “Method for measuring water content of chemical products”).
[プレス]
正極前駆体のプレスには、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。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、プレスロール間の隙間、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、プレス圧力が20kN/cm以下であれば、正極前駆体に撓み又はシワが生じることがなく、所望の正極活物質層膜厚又は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又は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又は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、結着剤の融点マイナス60℃以上が好ましく、より好ましくは結着剤の融点マイナス45℃以上、さらに好ましくは結着剤の融点マイナス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、より好ましくは結着剤融点プラス30℃以下、さらに好ましくは結着剤の融点プラス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、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。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℃まで昇温したときに、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。
[press]
A press machine such as a hydraulic press machine or a vacuum press machine can be preferably used for pressing the positive electrode precursor. The film thickness, bulk density and electrode strength of the positive electrode active material layer can be adjusted by the press pressure described later, the gap between the press rolls, and the surface temperature of the press portion. 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 film thickness or 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 or bulk density of the positive electrode active material layer. Further, the pressing speed can be set to any speed at which the positive electrode precursor 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 in the case of heating is preferably the melting point of the binder of -60 ° C or higher, more preferably the melting point of the binder of -40 ° C or higher, and further preferably the melting point of the binder of -30 ° C or higher. Is. On the other hand, the upper limit of the surface temperature of the pressed portion when heating is preferably preferably the melting point of the binder to be used plus 50 ° C. or lower, more preferably the melting point of the binder plus 30 ° C. or lower, and further preferably the melting point of the binder plus. It is 20 ° C. or lower. For example, when PVdF (polyvinylidene fluoride: melting point 150 ° C.) is used as the binder, it is preferable to heat it to 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. It is to heat to 170 ° C. or lower. The melting point of the binder can be determined from the endothermic peak position of DSC (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. When the temperature is raised, the heat absorption 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.
[2次乾燥]
正極前駆体の塗膜の乾燥は、好ましくは真空乾燥、熱風乾燥、赤外線(IR)乾燥等の乾燥方法を用いて行われる。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、160℃以上250℃以下が好ましく、180℃以上240℃以下であれば、更に好ましい。2次乾燥の目的は、1次乾燥で揮発しきらずに残存した分散媒又は吸湿した大気中の水分を乾燥させることである。乾燥後の正極前駆体に含まれる分散媒は、正極活物質層の質量を100%として0.01%以上3%以下であることが好ましい。分散媒が0.01%以上であれば、過剰な乾燥による結着剤の劣化を抑え、低抵抗化できる。分散媒が3%以下であれば、非水系リチウム蓄電素子におけるアルカリ金属イオンの失活を抑え、高容量化できる。2次乾燥後は、露点-30℃以下の環境に保管することが好ましい。
[Secondary drying]
The coating film of the positive electrode precursor is preferably dried by using a drying method such as vacuum drying, hot air drying, and infrared (IR) drying. 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 160 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, and more preferably 180 ° C. or higher and 240 ° C. or lower. The purpose of the secondary drying is to dry the dispersion medium or the moisture in the air that has absorbed moisture that remains without being completely volatilized in the primary drying. The dispersion medium contained in the dried positive electrode precursor is preferably 0.01% or more and 3% or less with the mass of the positive electrode active material layer as 100%. When the dispersion medium is 0.01% or more, deterioration of the binder due to excessive drying can be suppressed and the resistance can be lowered. When the dispersion medium is 3% or less, the deactivation of alkali metal ions in the non-aqueous lithium storage element can be suppressed and the capacity can be increased. After the secondary drying, it is preferable to store in an environment with a dew point of −30 ° C. or lower.
[乾燥及びプレスの工程順序]
前述した正極前駆体の製造は、好ましくは[1次乾燥]→[プレス]→[2次乾燥]の順序で実施することであり、1次乾燥後は、結着剤が分散媒を十分に含むため柔軟性が高く、プレスによる結着剤の構造破壊を抑制し、活物質間の導電性が担保される。そのため、正極活物質層に形成される硫黄化合物の量が均一化され、高出力化が可能となる。
より好ましくは、[1次乾燥]→[2次乾燥]→[プレス]の順序で実施することであり、プレスを最後に行うことによって2次乾燥による正極前駆体の膜厚増加を抑制し、充放電時の膨潤収縮が緩和される。そのため、正極活物質層に形成された硫黄化合物の安定性を高めることによって、高温耐久性を向上することができる。それに加えて、プレス条件の最適化により、結着剤の構造破壊も抑制され、高出力化もされる。
また、[1次乾燥]と[2次乾燥]は、正極前駆体の剥離強度低下とひび割れが生じない条件であれば、一体化することもできる。
[Process sequence of drying and pressing]
The above-mentioned production of the positive electrode precursor is preferably carried out in the order of [primary drying] → [press] → [secondary drying], and after the primary drying, the binder sufficiently provides a dispersion medium. Since it is contained, it has high flexibility, suppresses structural destruction of the binder by pressing, and ensures conductivity between active materials. Therefore, the amount of the sulfur compound formed in the positive electrode active material layer is made uniform, and high output is possible.
More preferably, it is carried out in the order of [primary drying] → [secondary drying] → [pressing], and by performing the pressing last, the increase in the film thickness of the positive electrode precursor due to the secondary drying is suppressed. The swelling and contraction during charging and discharging is alleviated. Therefore, the high temperature durability can be improved by increasing the stability of the sulfur compound formed in the positive electrode active material layer. In addition, by optimizing the press conditions, structural destruction of the binder is suppressed and the output is increased.
Further, [primary drying] and [secondary drying] can be integrated as long as the peel strength of the positive electrode precursor is not lowered and cracks do not occur.
前記正極活物質層の目付は、正極集電体の片面当たり20g・m-2以上150g・m-2以下であることが好ましく、より好ましくは片面当たり25g・m-2以上120g・m-2以下であり、更に好ましくは30g・m-2以上80g・m-2以下である。この目付が20g・m-2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、この目付が150g・m-2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るため、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目付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 texture of the positive electrode active material layer is preferably 20 g · m -2 or more and 150 g · m -2 or less per one side of the positive electrode current collector, and more preferably 25 g · m -2 or more and 120 g · m -2 per one side. It is less than or equal to, and more preferably 30 g · m -2 or more and 80 g · m -2 or less. If the basis weight is 20 g · m -2 or more, a sufficient charge / discharge capacity can be developed. On the other hand, if the basis weight is 150 g · m -2 or less, the ion diffusion resistance in the electrode can be kept low. Therefore, sufficient output characteristics can be obtained, and the cell volume can be reduced, so that the energy density can be increased. The upper and lower limits of the basis weight range of the positive electrode active material layer can be arbitrarily combined.
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く、より好ましくは片面当たり25μm以上140μm以下であり、更に好ましくは30μm以上100μm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るため、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。なお、集電体が貫通孔又は凹凸を有する場合における正極活物質層の膜厚とは、集電体の貫通孔又は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, more preferably 25 μm or more and 140 μm or less per one side, and further preferably 30 μm or more and 100 μm or less. 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, and the cell volume can be reduced, so that 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 means the average value of the film thickness per surface 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。他方、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. On the other hand, 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.
[正極活物質層中の炭素材料、リチウム遷移金属酸化物]
正極活物質層中に含まれる炭素材料の重量比をA1、リチウム遷移金属酸化物の重量比をA2、その他の成分の重量比をA3としたとき、これらの値の定量方法は特に限定されないが、例えば下記の方法により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、より好ましくは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。
まず、非水系リチウム型蓄電素子を23℃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正極を取り出す。取り出した正極を、ジメチルカーボネート(DMC)で浸漬洗浄した後、大気非暴露を維持した状態下で、サイドボックス中で真空乾燥させる。真空乾燥後に得られた正極について、重量(M0)を測定する。続いて、正極の重量の100~150倍の蒸留水に3日間以上浸漬させ、炭素材料とリチウム遷移金属酸化物以外の成分を水中に溶出させる。浸漬の間、蒸留水が揮発しないよう容器に蓋をすることが好ましい。3日間以上浸漬させた後、蒸留水から正極を取り出し、上記と同様に真空乾燥する。得られた正極の重量(M1)を測定する。続いて、スパチュラ、ブラシ、刷毛等を用いて正極集電体の片面、または両面に塗布された正極活物質層を取り除く。残った正極集電体の重量(M2)を測定し、以下の(1)式でA3を算出する。
A3=(M0-M1)/(M0-M2)×100 (1)式
続いて、A1、A2を算出するため、上記アルカリ金属化合物を取り除いて得られた正極活物質層について、以下の条件にてTG曲線を測定する。
・試料パン:白金
・ガス:大気雰囲気下、又は圧縮空気
・昇温速度:0.5℃/min以下
・温度範囲:25℃~500℃以上リチウム遷移金属酸化物の融点マイナス50℃の温度以下
得られるTG曲線の25℃の質量をM3とし、500℃以上の温度にて質量減少速度がM3×0.01/min以下となった最初の温度における質量をM4とする。
炭素材料は、酸素含有雰囲気(例えば、大気雰囲気)下では500℃以下の温度で加熱することですべて酸化・燃焼する。他方、リチウム遷移金属酸化物は酸素含有雰囲気下でもリチウム遷移金属酸化物の融点マイナス50℃の温度までは質量減少することがない。
そのため、正極活物質層におけるリチウム遷移金属酸化物の含有量A2は以下の(2)式で算出できる。
A2=(M4/M3)×{1-(M0-M1)/(M0-M2)}×100 (2)式
また、正極活物質層における炭素材料の含有量A1は以下の(3)式で算出できる。
A1={(M3-M4)/M3}×{1-(M0-M1)/(M0-M2)}×100 (3)式
[Carbon material in positive electrode active material layer, lithium transition metal oxide]
When the weight ratio of the carbon material contained in the positive electrode active material layer is A 1 , the weight ratio of the lithium transition metal oxide is A 2 , and the weight ratio of other components is A 3 , the method for quantifying these values is particularly effective. Although not limited, it can be quantified by, for example, the following method.
The area of the positive electrode to be measured is not particularly limited, but is preferably 5 cm 2 or more and 200 cm 2 or less, and more preferably 25 cm 2 or more and 150 cm 2 or less, from the viewpoint of reducing variations in measurement. If the area is 5 cm 2 or more, the reproducibility of the measurement is ensured. If the area is 200 cm 2 or less, the handling of the sample is excellent.
First, the non-aqueous lithium-type power storage element is disassembled in an Ar box installed in a room at 23 ° C. and controlled at a dew point of −90 ° C. or lower and an oxygen concentration of 1 ppm or less, and the positive electrode is taken out. The removed positive electrode is immersed and washed with dimethyl carbonate (DMC), and then vacuum dried in a side box while maintaining no exposure to the atmosphere. The weight (M 0 ) of the positive electrode obtained after vacuum drying is measured. Subsequently, the mixture is immersed in distilled water having a weight of 100 to 150 times the weight of the positive electrode for 3 days or more to elute components other than the carbon material and the lithium transition metal oxide into the water. It is preferable to cover the container so that the distilled water does not volatilize during the immersion. After soaking for 3 days or more, the positive electrode is taken out from the distilled water and vacuum dried in the same manner as above. The weight (M 1 ) of the obtained positive electrode is measured. Subsequently, the positive electrode active material layer applied to one side or both sides of the positive electrode current collector is removed using a spatula, a brush, a brush, or the like. The weight (M 2 ) of the remaining positive electrode current collector is measured, and A 3 is calculated by the following equation (1).
A 3 = (M 0 -M 1 ) / (M 0 -M 2 ) × 100 (1) Equation Next, in order to calculate A 1 and A 2 , the positive electrode active material obtained by removing the above alkali metal compound. For the layer, the TG curve is measured under the following conditions.
・ Sample pan: Platinum ・ Gas: Atmospheric atmosphere or compressed air ・ Temperature rise rate: 0.5 ° C / min or less ・ Temperature range: 25 ° C to 500 ° C or more The mass of the obtained TG curve at 25 ° C. is defined as M3 , and the mass at the initial temperature at which the mass reduction rate becomes M3 × 0.01 / min or less at a temperature of 500 ° C. or higher is defined as M4 .
All carbon materials are oxidized and burned by heating at a temperature of 500 ° C. or lower in an oxygen-containing atmosphere (for example, an atmospheric atmosphere). On the other hand, the mass of the lithium transition metal oxide does not decrease up to the temperature of minus 50 ° C., which is the melting point of the lithium transition metal oxide, even in an oxygen-containing atmosphere.
Therefore, the content A2 of the lithium transition metal oxide in the positive electrode active material layer can be calculated by the following equation ( 2 ).
A 2 = (M 4 / M 3 ) x {1- (M 0 -M 1 ) / (M 0 -M 2 )} x 100 (2) formula The content of carbon material in the positive electrode active material layer A 1 Can be calculated by the following equation (3).
A 1 = {(M 3 -M 4 ) / M 3 } x {1- (M 0 -M 1 ) / (M 0 -M 2 )} x 100 (3)
[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%でよいが、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%以下であることが好ましい。
[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 may be 100% by mass, but from the viewpoint of obtaining a good effect by using other materials in combination, for example, it is preferably 90% by mass or less, and preferably 80% by mass or less.
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 ion doped in the negative electrode active material mainly includes three forms.
The first form is lithium ion, which is preliminarily occluded as a design value in the negative electrode active material before manufacturing the non-aqueous lithium-type power storage element.
The second form is lithium ions stored 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 refractory carbon materials; easily graphitizable carbon materials; carbon black; carbon nanoparticles; activated carbon; artificial graphite; natural graphite; graphitized mesophase carbon spherules; graphite whiskers; polyacenese-based substances. Amorphous carbonaceous materials such as; petroleum-based pitches, coal-based pitches, mesocarbon microbeads, coke, carbonic materials such as 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 used. A composite carbon material in which a carbon material derived from the quality material precursor is combined 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 substrate 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 to be 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 higher, 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.
[負極活物質層]
本実施形態において、負極活物質層は、炭素材料から成る第1負極活物質および第2負極活物質を含有する、
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。
2種類の負極活物質のうち、少なくとも1種の負極活物質の平均粒子径が、1μm以上15μm以下であることが好ましく、1.5μm以上10μm以下であることがさらに好ましい。平均粒径が1μm以上の負極活物質を含有することで、負極の電極強度を高め、蓄電素子の高負荷充放電特性を向上させることが出来る。平均粒径が15μm以下の負極活物質を含有することで、負極のかさ密度を高めることが出来るため、蓄電素子のエネルギー密度を高めることができる。
[Negative electrode active material layer]
In the present embodiment, the negative electrode active material layer contains a first negative electrode active material and a second negative electrode active material made of a carbon material.
Examples of the carbon material include refractory carbon materials; easily graphitizable carbon materials; carbon black; carbon nanoparticles; activated carbon; artificial graphite; natural graphite; graphitized mesophase carbon spherules; graphite whiskers; polyacenese-based substances. Amorphous carbonaceous materials such as; petroleum-based pitches, coal-based pitches, mesocarbon microbeads, coke, carbonaceous materials obtained by heat-treating carbon precursors such as synthetic resins (eg, phenolic resins, etc.); Thermal decomposition products of resins or novolak resins; fullerene; carbon nanophones; and composite carbon materials thereof can be mentioned.
Of the two types of negative electrode active materials, the average particle size of at least one type of negative electrode active material is preferably 1 μm or more and 15 μm or less, and more preferably 1.5 μm or more and 10 μm or less. By containing a negative electrode active material having an average particle size of 1 μm or more, it is possible to increase the electrode strength of the negative electrode and improve the high load charge / discharge characteristics of the power storage element. By containing the negative electrode active material having an average particle size of 15 μm or less, the bulk density of the negative electrode can be increased, so that the energy density of the power storage element can be increased.
本実施形態において、負極活物質層は、該負極活物質重量を基準として、BET法により算出した比表面積が0.5m2/g以上35m2/g以下である第1負極活物質と、BET法により算出した比表面積が、50m2/g以上1,500m2/g以下である第2負極活物質を含むことが好ましい。
第2負極活物質の比率が、前記負極活物質層に含まれる負極活物質の総量を基準として、1.0質量%~45.0質量%であることが好ましい。より好ましくは2.0質量%~35.0質量%であり、さらに好ましくは1.0質量%~20.0質量%である。第2負極活物質の比率が1.0質量%以上であれば、負極活物質層内のLiイオン拡散速度を高めることができ、蓄電素子を高出力化することができる。第2負極活物質の比率が45質量%以下であれば、単位面積当たりへのLiドープ量を増加させることが出来るため、後述のリチウムドープ工程において、負極電位を十分に下げることができる。これにより、蓄電素子のエネルギー密度を高めることができる。
In the present embodiment, the negative electrode active material layer includes a first negative electrode active material having a specific surface area of 0.5 m 2 / g or more and 35 m 2 / g or less calculated by the BET method based on the weight of the negative electrode active material, and BET. It is preferable to include a second negative electrode active material having a specific surface area calculated by the method of 50 m 2 / g or more and 1,500 m 2 / g or less.
The ratio of the second negative electrode active material is preferably 1.0% by mass to 45.0% by mass based on the total amount of the negative electrode active material contained in the negative electrode active material layer. It is more preferably 2.0% by mass to 35.0% by mass, and further preferably 1.0% by mass to 20.0% by mass. When the ratio of the second negative electrode active material is 1.0% by mass or more, the Li ion diffusion rate in the negative electrode active material layer can be increased, and the power storage element can be increased in output. When the ratio of the second negative electrode active material is 45% by mass or less, the Li-doped amount per unit area can be increased, so that the negative electrode potential can be sufficiently lowered in the lithium doping step described later. This makes it possible to increase the energy density of the power storage element.
前記第1負極活物質のリチウムイオンドープ量が単位質量当たり50mAh/g以上520mAh/g以下であることが好ましい。より好ましくは150mAh/g以上46000mAh/g以下である。
また、前記第2負極活物質のリチウムイオンドープ量が単位質量当たり530mAh/g以上2500mAh/g以下であることが好ましい。より好ましくは600mAh/g以上2000mAh/g以下である。
前記第1負極活物質及び第2負極活物質のリチウムイオンドープ量が上記範囲内であれば、2種の炭素材料を混合した場合においても、後述のリチウムドープ工程において、負極電位を十分に下げることができる。これにより、蓄電素子のエネルギー密度を高めることができる。
It is preferable that the lithium ion doping amount of the first negative electrode active material is 50 mAh / g or more and 520 mAh / g or less per unit mass. More preferably, it is 150 mAh / g or more and 46000 mAh / g or less.
Further, it is preferable that the lithium ion doping amount of the second negative electrode active material is 530 mAh / g or more and 2500 mAh / g or less per unit mass. More preferably, it is 600 mAh / g or more and 2000 mAh / g or less.
If the lithium ion dope amount of the first negative electrode active material and the second negative electrode active material is within the above range, the negative electrode potential is sufficiently lowered in the lithium dope step described later even when two kinds of carbon materials are mixed. be able to. This makes it possible to increase the energy density of the power storage element.
前記第1負極活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、低結晶黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボン小球体、黒鉛ウイスカ、ソフトカーボン、ハードカーボン、又はそれらのいずれかを基材とした複合化炭素材料などを使用することができる。
前記負極活物質Aに使用される黒鉛系材料としては、特に制限はないが、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、高比表面積黒鉛などを使用することができる。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。第1負極活物質として上述した黒鉛系材料を用いてもよいが、低抵抗化の観点から後述するような複合化処理を施すとさらに好適に使用できる。
前記第1負極活物質に使用される炭素質材料前駆体は、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、熱処理により黒鉛系材料と複合化するものであれば特に制限はないが、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。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2,500℃以下、より好ましくは500℃以上2,000℃以下、さらに好ましくは550℃以上1,500℃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。
Examples of the first negative electrode active material include natural graphite, artificial graphite, low crystalline graphite, graphitized mesophase carbon globules, graphite whiskers, soft carbon, hard carbon, or a composite carbon material based on any one of them. Can be used.
The graphite-based material used for the negative electrode active material A is not particularly limited, and for example, artificial graphite, natural graphite, graphitized mesophase carbon spherules, graphite whisk, high specific surface area graphite, or 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. The above-mentioned graphite-based material may be used as the first negative electrode active material, but it can be more preferably used by performing a composite treatment as described later from the viewpoint of reducing resistance.
The carbonaceous material precursor used in the first negative electrode active material is a solid, liquid, or solvent-soluble organic material that can be combined with a carbonaceous material by heat treatment. The carbonaceous material precursor is not particularly limited as long as it is composited with a graphite-based material by heat treatment, and examples thereof include pitch, mesocarbon microbeads, coke, and synthetic resin (for example, phenol resin). be able to. Among these carbonaceous material precursors, it is preferable to use an inexpensive pitch in terms of manufacturing cost. Pitches are roughly divided into petroleum-based pitches and coal-based pitches. 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. The substrate 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 to be used becomes the carbonaceous material, but is preferably 400 ° C. or higher and 2,500 ° C. or lower, more preferably. It is 500 ° C. or higher and 2,000 ° C. or lower, more preferably 550 ° C. or higher and 1,500 ° C. or lower. The atmosphere in which the heat treatment is performed is not particularly limited, but a non-oxidizing atmosphere is preferable.
前記第2負極活物質としては、活性炭、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、又はそれらのいずれかを基材とした複合化炭素材料などを使用することができる。
前記第2負極活物質に使用される炭素質材料前駆体は、熱処理することにより、非晶質炭素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、熱処理により非晶質炭素材料と複合化するものであれば特に制限はないが、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。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2,500℃以下、より好ましくは500℃以上2,000℃以下、さらに好ましくは550℃以上1,500℃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。
As the second negative electrode active material, activated carbon, carbon black, template porous carbon, high specific surface area graphite, carbon nanoparticles, or a composite carbon material using any one of them as a base material can be used.
The carbonaceous material precursor used in the second negative electrode active material is an organic material that can be dissolved in a solid, liquid, or solvent, in which the carbonaceous material can be compounded with the amorphous carbon material by heat treatment. Is. The carbonaceous material precursor is not particularly limited as long as it is composited with an amorphous carbon material by heat treatment, but for example, pitch, mesocarbon microbeads, coke, synthetic resin (for example, phenol resin, etc.) and the like. Can be mentioned. Among these carbonaceous material precursors, it is preferable to use an inexpensive pitch in terms of manufacturing cost. Pitches are roughly divided into petroleum-based pitches and coal-based pitches. 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. The substrate 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 to be used becomes the carbonaceous material, but is preferably 400 ° C. or higher and 2,500 ° C. or lower, more preferably. It is 500 ° C. or higher and 2,000 ° C. or lower, more preferably 550 ° C. or higher and 1,500 ° C. or lower. The atmosphere in which the heat treatment is performed is not particularly limited, but a non-oxidizing atmosphere is preferable.
本実施形態において、負極活物質層は、該負極活物質重量を基準として、BET法により算出した比表面積が4m2/g以上75m2/g以下であることが好ましい。BET法により算出した比表面積の下限値は、好ましくは5m2/g以上、さらに好ましくは6m2/g以上、特に好ましくは7m2/g以上である。BET法により算出した比表面積の下限値は、60m2/g以下、さらに好ましくは40m2/g以下、特に好ましくは30m2/g以下である。 In the present embodiment, the negative electrode active material layer preferably has a specific surface area of 4 m 2 / g or more and 75 m 2 / g or less calculated by the BET method based on the weight of the negative electrode active material. The lower limit of the specific surface area calculated by the BET method is preferably 5 m 2 / g or more, more preferably 6 m 2 / g or more, and particularly preferably 7 m 2 / g or more. The lower limit of the specific surface area calculated by the BET method is 60 m 2 / g or less, more preferably 40 m 2 / g or less, and particularly preferably 30 m 2 / g or less.
本実施形態において、負極活物質層は、ラマン分光法により得られる該負極活物質層のラマンマッピングで、1350±15cm-1に現れるDバンドのピーク強度IDと、1585±15cm-1に現れるGバンドのピーク強度IGの比ID/IGが0.5以上1.3以下であるマッピング面積のマッピング全体面積に対する割合A1が50%以上95%以下であることが好ましい。A1の下限値は、好ましくは60%以上、更に好ましくは65%以上である。A1の上限値は、好ましくは90%以下、85%以下である。
本実施形態の負極は、負極活物質層におけるBET法により算出した比表面積、負極活物質層表面のラマン分光法により得られるラマンマッピングにおいて、1350±15cm-1に現れるDバンドのピーク強度IDと、1585±15cm-1に現れるGバンドのピーク強度IGの比ID/IGの分布の分布を特定の範囲に調整することで優れた高負荷充放電サイクル特性と高電圧における優れた高温保存特性が得られる。その原理は明らかではなく、理論に限定されないが、次のように推察される。
BET法により算出した比表面積が4m2/g以上であり、かつA1が60%以上であれば、高負荷充放電サイクルが向上する。原理は必ずしも明らかではないが、前記の範囲にすることで、大電流で充電する際のリチウムを受入れる負極活物質層の表面積が大きく、かつ炭素材料の結晶化度が低いため、充放電に際してリチウムイオンの拡散が速く、Li受入れ性が向上するために、大電流で充電する際のリチウム析出が抑制され、高負荷充放電サイクル特性が向上すると考えられる。特に、正極前駆体にリチウム化合物を含有する場合、リチウム化合物の分解物が負極表面に堆積し、リチウムの受入れ性が低下するため、リチウムが析出し易いが、前記の範囲にすることで、リチウムの析出を抑制できる。
一方で、BET法により算出した比表面積が75m2/g以下であり、かつA1が95%以下であれば、高電圧における優れた高温保存特性を発現する。原理は必ずしも明らかではないが、前記の範囲にすることで、負極表面での電解液の分解反応を抑制できるため高電圧における優れた高温保存特性を発現できる。特に、正極前駆体にリチウム化合物を含有する場合、高電圧化でリチウム化合物が分解し、負極表面の被膜を破壊し、高温でガス発生し易いが、前記の範囲にすることで、優れた高電圧高温保存特性を発現できる。
また、A1が60%以上95%以下であれば2種の炭素材料が均一に混合できていることを意味し、負極活物質層内での抵抗の分布が小さいため、高負荷充放電サイクル特性が向上する。
In the present embodiment, the negative electrode active material layer appears at the peak intensity ID of the D band appearing at 1350 ± 15 cm -1 and 1585 ± 15 cm -1 in the Raman mapping of the negative electrode active material layer obtained by Raman spectroscopy. The ratio A1 of the mapping area in which the ratio ID / IG of the peak intensity IG of the G band is 0.5 or more and 1.3 or less to the total mapping area is preferably 50% or more and 95% or less. The lower limit of A1 is preferably 60% or more, more preferably 65% or more. The upper limit of A1 is preferably 90% or less and 85% or less.
The negative electrode of the present embodiment has a specific surface area calculated by the BET method in the negative electrode active material layer, and a peak intensity ID of the D band appearing at 1350 ± 15 cm -1 in Raman mapping obtained by Raman spectroscopy on the surface of the negative electrode active material layer. By adjusting the distribution of the G band peak intensity IG ratio ID / IG distribution appearing at 1585 ± 15 cm -1 to a specific range, excellent high load charge / discharge cycle characteristics and excellent high voltage High temperature storage characteristics can be obtained. The principle is not clear and is not limited to theory, but it is inferred as follows.
When the specific surface area calculated by the BET method is 4 m 2 / g or more and A1 is 60% or more, the high load charge / discharge cycle is improved. The principle is not always clear, but by setting it within the above range, the surface area of the negative electrode active material layer that receives lithium when charging with a large current is large, and the degree of crystallization of the carbon material is low, so lithium is charged and discharged. It is considered that the diffusion of ions is fast and the acceptability of Li is improved, so that lithium precipitation is suppressed when charging with a large current, and the high load charge / discharge cycle characteristics are improved. In particular, when the positive electrode precursor contains a lithium compound, decomposition products of the lithium compound are deposited on the surface of the negative electrode and the acceptability of lithium is lowered, so that lithium is likely to precipitate. Precipitation can be suppressed.
On the other hand, when the specific surface area calculated by the BET method is 75 m 2 / g or less and A1 is 95% or less, excellent high-temperature storage characteristics at high voltage are exhibited. Although the principle is not always clear, by setting it within the above range, the decomposition reaction of the electrolytic solution on the surface of the negative electrode can be suppressed, so that excellent high temperature storage characteristics at high voltage can be exhibited. In particular, when the positive electrode precursor contains a lithium compound, the lithium compound decomposes at high voltage, destroys the coating film on the negative electrode surface, and easily generates gas at high temperature. Can exhibit high voltage storage characteristics.
Further, if A1 is 60% or more and 95% or less, it means that the two carbon materials can be uniformly mixed, and since the resistance distribution in the negative electrode active material layer is small, the high load charge / discharge cycle characteristics. Is improved.
本実施形態において負極活物質層は、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。 In the present embodiment, the negative electrode active material layer may contain optional components such as a conductive filler, a binder, and a dispersion stabilizer, if necessary, in addition to the negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium ions.
本実施形態の負極は、負極活物質層における前記ID/IGが1.0以上1.3以下であるマッピング面積のマッピング全体面積に対する割合A2が3%以上70%以下であることが好ましい。A2の下限値は、より好ましくは4%以上、さらに好ましくは5%以上である。A2の上限値は、より好ましくは50%以下、さらに好ましくは30%以下である。A2が3%以上であれば、室温での抵抗に優れ、70%以下であれば、エネルギー密度に優れる。 In the negative electrode of the present embodiment, the ratio A2 of the mapping area in which the ID / IG of the negative electrode active material layer is 1.0 or more and 1.3 or less to the total mapping area is preferably 3% or more and 70% or less. .. The lower limit of A2 is more preferably 4% or more, still more preferably 5% or more. The upper limit of A2 is more preferably 50% or less, still more preferably 30% or less. When A2 is 3% or more, the resistance at room temperature is excellent, and when A2 is 70% or less, the energy density is excellent.
本実施形態の負極における、負極活物質層は、該負極活物質重量を基準として、BJH法により算出した直径2nm以上50nm以下の細孔に由来する空孔量をVm1(cc/g)、直径20nm以上50nm以下の細孔に由来する空孔量をVm2(cc/g)とするとき、0.6≦Vm1/(Vm1+Vm2)≦0.8を満たすことが好ましい。Vm1/(Vm1+Vm2)の下限値はさらに好ましくは0.63以上である。Vm1/(Vm1+Vm2)の上限値はさらに好ましくは0.75以下である。Vm1/(Vm1+Vm2)が0.6以上であれば、室温での抵抗に優れ、Vm1/(Vm1+Vm2)が0.7以下であれば、エネルギー密度に優れる。 In the negative electrode of the present embodiment, the negative electrode active material layer has a pore amount of V m1 (cc / g) derived from pores having a diameter of 2 nm or more and 50 nm or less calculated by the BJH method based on the weight of the negative electrode active material. When the amount of pores derived from pores having a diameter of 20 nm or more and 50 nm or less is V m2 (cc / g), it is preferable to satisfy 0.6 ≦ V m1 / (V m1 + V m2 ) ≦ 0.8. The lower limit of V m1 / (V m1 + V m2 ) is more preferably 0.63 or more. The upper limit of V m1 / (V m1 + V m2 ) is more preferably 0.75 or less. When V m1 / (V m1 + V m2 ) is 0.6 or more, the resistance at room temperature is excellent, and when V m1 / (V m1 + V m2 ) is 0.7 or less, the energy density is excellent.
本実施形態の負極における負極活物質層は、窒素脱着時の等温線をBJH法で解析して得られる、細孔分布曲線において、直径20nm以上50nm以下の領域に少なくとも1つのピークを有することが好ましい。直径20nm以上50nm以下の領域に少なくとも1つのピークを有することで低温での抵抗に優れる。
本実施形態の負極における負極活物質層の剥離強度は、0.40N/cm以上2.00N/cm以下である。剥離強度が0.40N/cm以上であれば、負極活物質層の欠落を抑制し、微短絡を抑制することができる。剥離強度が2.00N/cm以下であれば、負極活物質層内に過剰な結着剤等が存在しないことを意味するため、電解液の拡散性が向上して低抵抗化できる。
本発明に係る負極活物質層の剥離強度は、後述のプレスを施す場合は、プレス後に測定する値である。複数回プレスを実施する場合は、最終プレス後に測定する値である。プレスを実施しない負極の場合は、未プレスの状態で測定する値である。
本発明の剥離強度は既知の方法で測定することができる。例えば、JIS Z0237(2009)「粘着テープ・粘着シート試験方法」に準拠した剥離試験を用いてもよい。または、後述する実施例で用いた試験方法を用いてもよい。
The negative electrode active material layer in the negative electrode of the present embodiment may have at least one peak in a region having a diameter of 20 nm or more and 50 nm or less in the pore distribution curve obtained by analyzing the isotherm at the time of nitrogen desorption by the BJH method. preferable. Having at least one peak in a region having a diameter of 20 nm or more and 50 nm or less is excellent in resistance at low temperatures.
The peel strength of the negative electrode active material layer in the negative electrode of the present embodiment is 0.40 N / cm or more and 2.00 N / cm or less. When the peel strength is 0.40 N / cm or more, it is possible to suppress the loss of the negative electrode active material layer and suppress a slight short circuit. When the peel strength is 2.00 N / cm or less, it means that there is no excessive binder or the like in the negative electrode active material layer, so that the diffusibility of the electrolytic solution can be improved and the resistance can be lowered.
The peel strength of the negative electrode active material layer according to the present invention is a value measured after pressing when the pressing described later is performed. When pressing multiple times, it is a value measured after the final pressing. In the case of a negative electrode that is not pressed, it is a value measured in an unpressed state.
The peel strength of the present invention can be measured by a known method. For example, a peeling test based on JIS Z0237 (2009) "Adhesive Tape / Adhesive Sheet Test Method" may be used. Alternatively, the test method used in the examples described later may be used.
負極活物質としては、リチウムと合金を形成する材料(以下、「合金系負極材料」ともいう。)であってもよい。好ましくはケイ素、ケイ素化合物、錫、錫化合物、及びこれらと炭素又は炭素質材料との複合材料から成る群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。負極活物質としては、ケイ素化合物はケイ素酸化物が好ましく、SiOx(式中、0.01≦x≦1)であることがより好ましい。 The negative electrode active material may be a material that forms an alloy with lithium (hereinafter, also referred to as “alloy-based negative electrode material”). It is preferable to include at least one selected from the group consisting of silicon, a silicon compound, tin, a tin compound, and a composite material of these and a carbon or a carbonaceous material. As the negative electrode active material, the silicon compound is preferably a silicon oxide, and more preferably SiO x (0.01 ≦ x ≦ 1 in the formula).
複合材料は、好ましくはケイ素、ケイ素化合物、錫、及び錫化合物から成る群から選択される少なくとも1種の基材と、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;人工黒鉛;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;から成る群から選択される少なくとも1種の炭素又は炭素質材料とを熱処理等により複合させた材料である。 The composite material comprises at least one substrate preferably selected from the group consisting of silicon, silicon compounds, tin, and tin compounds, and non-graphitizable carbon materials; easily graphitizable carbon materials; carbon black; carbon nanos. Particles; Activated carbon; Artificial graphite; Natural graphite; Graphitized mesophase carbon globules; Graphite whiskers; Amorphous carbonaceous materials such as polyacene-based substances; Petroleum-based pitch, coal-based pitch, mesocarbon microbeads, coke, synthetic resin ( At least one selected from the group consisting of a carbonaceous material obtained by heat-treating a carbonaceous material precursor (eg, phenol resin, etc.); a thermal decomposition product of a full frill alcohol resin or a novolak resin; fullerene; carbon nanophones; It is a material obtained by combining the carbon or carbonaceous material of the above by heat treatment or the like.
これらの中でも、上記の基材1種以上と石油系のピッチ又は石炭系のピッチとを共存させた状態で熱処理をして得ることができる複合材料が特に好ましい。熱処理を行う前に、ピッチの融点より高い温度において、基材とピッチとを混合してもよい。熱処理温度は、使用するピッチが揮発又は熱分解して発生する成分が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, a composite material that can be obtained by heat treatment in a state where one or more of the above-mentioned base materials and a petroleum-based pitch or a coal-based pitch coexist is particularly preferable. The substrate and pitch may be mixed at a temperature above the melting point of the pitch prior to the heat treatment. The heat treatment temperature may be any temperature as long as the pitch used is a temperature at which the component generated by volatilization or thermal decomposition becomes a carbonaceous material, but is preferably 400 ° C. or higher and 2500 ° C. or lower, more preferably 500 ° C. or higher and 2000 ° C. or lower, and further. It is 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.
合金系負極材料の平均粒子径は、0.01μm以上30μm以下であることが好ましい。平均粒子径が0.01μm以上であれば、非水系電解液との接触面積が増えるためにリチウムイオン二次電池の抵抗を下げることができる。負極活物質の平均粒子径が30μm以下であれば、負極活物質層を十分に薄膜化できるため、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を向上できる。 The average particle size of the alloy-based negative electrode material is preferably 0.01 μm or more and 30 μm or less. When the average particle size is 0.01 μm or more, the contact area with the non-aqueous electrolyte solution increases, so that the resistance of the lithium ion secondary battery can be reduced. When the average particle size of the negative electrode active material is 30 μm or less, the negative electrode active material layer can be sufficiently thinned, so that the energy density of the lithium ion secondary battery can be improved.
合金系負極材料の平均粒子径は、分級機内臓の湿式及び乾式ジェットミル、撹拌型ボールミル等を用いて粉砕することにより調整することができる。粉砕機は遠心力分級機を備えており、窒素、アルゴン等の不活性ガス環境下で粉砕された微粒子は、サイクロン又は集塵機で捕集することができる。 The average particle size of the alloy-based negative electrode material can be adjusted by pulverizing using a wet and dry jet mill built in a classifier, a stirring ball mill, or the like. The crusher is equipped with a centrifugal force classifier, and fine particles crushed in an inert gas environment such as nitrogen and argon can be collected by a cyclone or a dust collector.
負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵、放出可能なチタン酸リチウム及び酸化チタンから成る群から選択される少なくとも1種を含んでいても良い。前記チタン酸リチウムとしては、一般式LixTiyO4(0.8≦x≦1.4、1.6≦y≦2.2)で表されるチタン酸リチウムが挙げられ、前記酸化チタンとしてはルチル型の酸化チタン、アナターゼ型の酸化チタン等が挙げられる。この中でも、Liイオンの挿入脱離に伴う反応抵抗の上昇が小さく、低温環境下でも高出力を維持できるという観点からLi4/3Ti5/3O4を含ませることが好ましい。 The negative electrode active material may contain at least one selected from the group consisting of lithium titanate and titanium oxide capable of occluding and releasing lithium ions. Examples of the lithium titanate include lithium titanate represented by the general formula LixTiyO4 (0.8 ≦ x ≦ 1.4, 1.6 ≦ y ≦ 2.2), and the titanium oxide is a rutile type. Examples thereof include titanium oxide and anatase-type titanium oxide. Among these, it is preferable to include Li4 / 3Ti5 / 3O4 from the viewpoint that the increase in reaction resistance due to the insertion and desorption of Li ions is small and high output can be maintained even in a low temperature environment.
本発明に係る負極活物質層は、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質量部以下である。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。
The negative electrode active material layer according to the present invention may contain an optional component such as a conductive filler, a binder, and a dispersion stabilizer, in addition to the negative electrode active material, if necessary.
The type of the conductive filler is not particularly limited, and examples thereof include acetylene black, ketjen black, and vapor phase 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 with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. It is 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 or less.
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質量部以下である。結着剤の使用量は、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。一方で結着剤の量が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 and the like. Can be used. The amount of the binder used is preferably 1 part by mass or more and 30 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the negative electrode active material. The amount of the binder used is 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 or less. When the amount of the binder is 1 part by mass or more, sufficient electrode strength is developed. 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]
本発明における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。
該金属箔は凹凸又は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。
特に、電極作製の容易性、高い電子伝導性の観点から、本実施形態における負極集電体は、無孔状であることが好ましい。本明細書において、「無孔状の負極集電体」とは、少なくとも負極活物質層の塗工された領域において、リチウムイオンが負極集電体を通過して負極の表裏でリチウムイオンが均一化する程度の孔を有しない負極集電体を意味する。したがって、本発明の効果を奏する範囲内において、極めて小径又は微量の孔を有する負極集電体、又は負極活物質層の塗工されていない領域に孔を有する負極集電体をも排除するものではない。また、本実施形態において、負極集電体のうち少なくとも負極活物質層が塗工された領域は無孔状であり、負極集電体のうち負極活物質層が塗工されていない余剰部分には孔があってもよいし、無くてもよい。
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。なお、負極集電体が孔又は凹凸を有するときには、孔又は凹凸が存在しない部分に基づいて負極集電体の厚みを測定するものとする。
[Negative current collector]
The material constituting the negative electrode current collector in the present invention is preferably a metal foil having high electron conductivity and not deteriorated by elution into a non-aqueous electrolyte solution and reaction with an electrolyte or ions. The metal foil is not particularly limited, and examples thereof include aluminum foil, copper foil, nickel foil, and stainless steel foil. A copper foil is preferable as the negative electrode current collector in the non-aqueous lithium storage element of the present embodiment.
The metal foil may be a normal metal leaf having no irregularities or through holes, a metal leaf 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.
In particular, from the viewpoint of ease of electrode production and high electron conductivity, the negative electrode current collector in the present embodiment is preferably non-porous. In the present specification, the “non-porous negative electrode current collector” means that lithium ions pass through the negative electrode current collector and the lithium ions are uniform on the front and back surfaces of the negative electrode, at least in the coated region of the negative electrode active material layer. It means a negative electrode current collector that does not have enough holes to be converted. Therefore, within the range in which the effect of the present invention is exhibited, a negative electrode current collector having an extremely small diameter or a small amount of holes, or a negative electrode current collector having holes in an uncoated region of the negative electrode active material layer is also excluded. is not. Further, in the present embodiment, at least the region where the negative electrode active material layer is coated is non-porous in the negative electrode current collector, and the surplus portion of the negative electrode current collector where the negative electrode active material layer is not coated is covered. May or may not have holes.
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. When the negative electrode current collector has holes or irregularities, the thickness of the negative electrode current collector shall be measured based on the portion where the holes or irregularities do not exist.
[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出来る。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又は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-like 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 or 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. be.
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整してもよい。また、水又は有機溶媒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又は多軸分散機、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。 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 or a dispersion in which a binder or a dispersion stabilizer is dissolved or dispersed. 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-like 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 homodisper or a multi-axis disperser, a planetary mixer, a disperser such as a thin film swirl type high-speed mixer and the like can be preferably used. In order to obtain a coating liquid in a good dispersed state, it is preferable to disperse at a peripheral speed of 1 m / s or more and 50 m / s or less. A peripheral speed of 1 m / s or more is preferable because various materials are satisfactorily 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.
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。粘度(ηb)は、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、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以上が好ましい。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. The viscosity (ηb) 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 formation of the coating film is suppressed, and the width and film thickness of the coating film 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. It is more preferably 1.2 or more, still more 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又はコンマコーター、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い。塗工速度は、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、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 a single-layer coating or a multi-layer coating. Further, the coating speed is preferably 0.1 m / min or more and 100 m / min or less. The coating speed is 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.
[1次乾燥]
負極の塗膜の乾燥は、好ましくは熱風乾燥、赤外線(IR)乾燥等の乾燥方法を用いて、より好ましくは遠赤外線、近赤外線、又は50℃以上の熱風で行なわれる。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140℃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又はマイグレーションによる結着剤の偏在、負極集電体又は負極活物質層の酸化を抑制できる。
1次乾燥後の負極に含まれる水分は、負極活物質層の質量を100%として1%以上10%以下であることが好ましい。水分が1%以上であれば、過剰な乾燥による負極のひび割れを抑え、低抵抗化できる。水分が10%以下であれば、非水系リチウム蓄電素子におけるアルカリ金属イオンの失活を抑え、高エネルギー密度化できる。
負極に含まれる水分は、例えばカールフィッシャー滴定法(JIS 0068(2001)「化学製品の水分測定方法」)により測定することができる。
[Primary drying]
The coating film of the negative electrode is preferably dried by a drying method such as hot air drying or infrared (IR) drying, and more preferably far infrared rays, near infrared rays, or hot air at 50 ° C. or higher. 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 140 ° 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, it is possible to suppress cracking of 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 or the negative electrode active material layer.
The water content in the negative electrode after the primary drying is preferably 1% or more and 10% or less, with the mass of the negative electrode active material layer as 100%. When the water content is 1% or more, cracking of the negative electrode due to excessive drying can be suppressed and the resistance can be lowered. When the water content is 10% or less, the deactivation of alkali metal ions in the non-aqueous lithium storage element can be suppressed and the energy density can be increased.
The water content contained in the negative electrode can be measured by, for example, the Karl Fischer titration method (JIS 0068 (2001) “Method for measuring water content of chemical products”).
[プレス]
負極のプレスには、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、プレスロール間の隙間、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、プレス圧力が20kN/cm以下であれば、負極に撓み又はシワが生じることがなく、所望の負極活物質層膜厚又は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又は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又は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、結着剤の融点マイナス60℃以上が好ましく、より好ましくは結着剤の融点マイナス45℃以上、さらに好ましくは結着剤の融点マイナス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、より好ましくは結着剤融点プラス30℃以下、さらに好ましくは結着剤の融点プラス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、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。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℃まで昇温したときに、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。
[press]
A press machine such as a hydraulic press machine or a vacuum press machine can be preferably used for pressing the negative electrode. The film thickness, bulk density and electrode strength of the negative electrode active material layer can be adjusted by the press pressure described later, the gap between the press rolls, and the surface temperature of the press portion. 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 negative electrode does not bend or wrinkle, and the film thickness or 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 or bulk density of the negative electrode active material layer. Further, the pressing speed can be set to any 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 in the case of heating is preferably the melting point of the binder of -60 ° C or higher, more preferably the melting point of the binder of -40 ° C or higher, and further preferably the melting point of the binder of -30 ° C or higher. Is. On the other hand, the upper limit of the surface temperature of the pressed portion when heating is preferably preferably the melting point of the binder to be used plus 50 ° C. or lower, more preferably the melting point of the binder plus 30 ° C. or lower, and further preferably the melting point of the binder plus. It is 20 ° C. or lower. For example, when PVdF (polyvinylidene fluoride: melting point 150 ° C.) is used as the binder, it is preferable to heat it to 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. It is to heat to 170 ° C. or lower. The melting point of the binder can be determined from the endothermic peak position of DSC (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. When the temperature is raised, the heat absorption 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.
[2次乾燥]
負極の塗膜の乾燥は、好ましくは真空乾燥、熱風乾燥、赤外線(IR)乾燥等の乾燥方法を用いて行われる。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、160℃以上250℃以下が好ましく、180℃以上240℃以下であれば、更に好ましい。2次乾燥の目的は、1次乾燥で揮発しきらずに残存した分散媒、又は吸湿した大気中の水分を乾燥させることである。乾燥後の負極に含まれる分散媒は、負極活物質層の質量を100%として0.01%以上3%以下であることが好ましい。分散媒が0.01%以上であれば、過剰な乾燥による結着剤の劣化を抑え、低抵抗化できる。分散媒が3%以下であれば、非水系リチウム蓄電素子におけるアルカリ金属イオンの失活を抑え、高容量化できる。2次乾燥後は、露点-30℃以下の環境に保管することが好ましい。
[Secondary drying]
The coating film of the negative electrode is preferably dried by using a drying method such as vacuum drying, hot air drying, and infrared (IR) drying. 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 160 ° C. or higher and 250 ° C. or lower, and more preferably 180 ° C. or higher and 240 ° C. or lower. The purpose of the secondary drying is to dry the dispersion medium that has not completely volatilized in the primary drying or the moisture in the air that has absorbed moisture. The dispersion medium contained in the negative electrode after drying is preferably 0.01% or more and 3% or less with the mass of the negative electrode active material layer as 100%. When the dispersion medium is 0.01% or more, deterioration of the binder due to excessive drying can be suppressed and the resistance can be lowered. When the dispersion medium is 3% or less, the deactivation of alkali metal ions in the non-aqueous lithium storage element can be suppressed and the capacity can be increased. After the secondary drying, it is preferable to store in an environment with a dew point of −30 ° C. or lower.
[乾燥及びプレスの工程順序]
前述した負極の製造は、好ましくは[1次乾燥]→[プレス]→[2次乾燥]の順序で実施することであり、1次乾燥後は、結着剤が分散媒を十分に含むため柔軟性が高く、プレスによる結着剤の構造破壊を抑制し、活物質間の導電性が担保される。そのため、負極活物質層に形成される硫黄化合物の量が均一化され、高出力化が可能となる。
更に好ましくは、[1次乾燥]→[2次乾燥]→[プレス]の順序で実施することであり、プレスを最後にすることで2次乾燥による負極の膜厚増加を抑制し、充放電時の膨潤収縮が緩和される。そのため、負極活物質層に形成された硫黄化合物の安定性を高めることで高温耐久性を向上することができる。重ねてプレス条件の最適化により、結着剤の構造破壊も抑制され高出力化もされる。
また、[1次乾燥]と[2次乾燥]は、負極の剥離強度低下とひび割れが生じない条件であれば、一体化することもできる。
[Process sequence of drying and pressing]
The above-mentioned production of the negative electrode is preferably carried out in the order of [primary drying] → [press] → [secondary drying], and after the primary drying, the binder sufficiently contains the dispersion medium. It has high flexibility, suppresses structural destruction of the binder by pressing, and ensures conductivity between active materials. Therefore, the amount of the sulfur compound formed in the negative electrode active material layer is made uniform, and high output is possible.
More preferably, it is carried out in the order of [primary drying] → [secondary drying] → [pressing], and by finishing the pressing, the increase in the film thickness of the negative electrode due to the secondary drying is suppressed, and charging / discharging is performed. The swelling and contraction of time is alleviated. Therefore, the high temperature durability can be improved by increasing the stability of the sulfur compound formed in the negative electrode active material layer. Again, by optimizing the press conditions, structural destruction of the binder is suppressed and the output is increased.
Further, [primary drying] and [secondary drying] can be integrated as long as the peel strength of the negative electrode is not lowered and cracks do not occur.
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). 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 rises, and the heat absorption peak temperature in the temperature rise 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.
[測定項目]
本発明における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られる値である。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(非特許文献1)。
また、MP法とは、「t-プロット法」(非特許文献2)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、R.S.Mikhail, Brunauer, Bodorにより考案された方法である(非特許文献3)。
[Measurement item]
The BET specific surface area, the average pore diameter, the mesopore amount, and the micropore amount in the present invention are values obtained by the following methods, respectively. The sample is vacuum-dried at 200 ° C. for a whole day and night, and the isotherms of adsorption and desorption are measured using nitrogen as an adsorbent. Using the isotherms on the adsorption side 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 analysis of mesopores, and has been proposed by Barrett, Joiner, Hallenda et al. (Non-Patent Document 1).
The MP method means a method for obtaining the micropore volume, the micropore area, and the distribution of micropores by using the "t-plot method" (Non-Patent Document 2). S. This is a method devised by Mikhair, Brunauer, and Bodor (Non-Patent Document 3).
本発明における平均粒子径は、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 in the present invention is the particle size 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 the particle size distribution measuring device (that is,). Refers to 50% diameter (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 ion 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 a negative electrode active material layer after extraction 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 using, for example, ICP-MS (inductively coupled plasma mass spectrometer), and the amount thereof is quantified. By obtaining the total, the amount of lithium ions 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 in the above unit.
本発明における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 in the present invention, 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. However, it can be obtained by a method in which the value obtained by arithmetically averaging these 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 is 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 depth of the groove at a uniform speed for 1 to 2 seconds, and shine light at an angle of 20 ° or more and 30 ° or less within 3 seconds after the pulling is completed. Observe and read the depth at which the grain appears in the groove of the grain gauge.
本発明における粘度(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良いし、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 in the present invention 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 of TI value = ηa / ηb. When increasing the shear rate from 2s-1 to 20s-1, it may be increased in one step, or the shear rate may be increased in multiple steps within the above range, and the viscosity may be increased while appropriately acquiring the viscosity at the shear rate. You may let me.
前記負極活物質層の目付は、負極集電体の片面当たり10g・m-2以上100g・m-2以下であることが好ましく、より好ましくは片面当たり12g・m-2以上80g・m-2以下であり、更に好ましくは15g・m-2以上50g・m-2以下である。この目付が10g・m-2以上であれば、高負荷充放電特性を向上させることができる。他方、この目付が100g・m-2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可能となり、エネルギー密度を高めることができる。上記負極活物質層の目付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 texture of the negative electrode active material layer is preferably 10 g · m -2 or more and 100 g · m -2 or less per one side of the negative electrode current collector, and more preferably 12 g · m -2 or more and 80 g · m -2 per one side. It is less than or equal to, and more preferably 15 g · m -2 or more and 50 g · m -2 or less. If the basis weight is 10 g · m -2 or more, the high load charge / discharge characteristics can be improved. On the other hand, if the basis weight is 100 g · m -2 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 the energy density can be increased. The upper and lower limits of the basis weight range of the negative electrode active material layer can be arbitrarily combined.
負極活物質層の膜厚は、片面当たり10μm以上150μm以下が好ましい。該負極活物質層の膜厚の下限は、より好ましくは12μm以上であり、さらに好ましくは15μm以上である。該負極活物質層の膜厚の上限は、より好ましくは120μm以下であり、さらに好ましくは80μm以下である。この膜厚が10μm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150μm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、集電体が貫通孔又は凹凸を有する場合における負極活物質層の膜厚とは、集電体の貫通孔又は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 10 μm or more and 150 μm or less per one side. The lower limit of the film thickness of the negative electrode active material layer is more preferably 12 μm or more, still more preferably 15 μm or more. The upper limit of the film thickness of the negative electrode active material layer is more preferably 120 μm or less, still more preferably 80 μm or less. When this film thickness is 10 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 150 μm or less, 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 means the average value of the film thickness per surface 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、嵩密度が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. .45 g / cm 3 or more and 1.3 g / 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, when the bulk density 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.
[正極活物質層中の化合物]
本発明に係る正極活物質層は、下記式(1):
で表される硫黄化合物の総量が、正極活物質の単位質量当たり0.10×10-5mol/g~50×10-5mol/gである。
[Compounds in the positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer according to the present invention has the following formula (1):
The total amount of the sulfur compound represented by is 0.10 × 10 -5 mol / g to 50 × 10 -5 mol / g per unit mass of the positive electrode active material.
式(1)中、電気化学的安定性の点から、
X1が、水素、リチウム、炭素数1~4のアルキル基、炭素数1~4のモノ若しくはポリヒドロキシアルキル基又はそのリチウムアルコキシドであり、そして
X2が、水素、リチウム、又は炭素数1~3のアルキル基である化合物が好ましい。
In equation (1), from the viewpoint of electrochemical stability
X 1 is hydrogen, lithium, an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, a mono or polyhydroxyalkyl group having 1 to 4 carbon atoms or a lithium alkoxide thereof, and X 2 is hydrogen, lithium, or an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. A compound which is an alkyl group of 3 is preferable.
より好ましくは、式(1)で表される硫黄化合物のうち、
X1が、炭素数1~3のアルキル基、炭素数1~3のモノ若しくはポリヒドロキシアルキル基又はそのリチウムアルコキシドであり、そして
X2が、水素、リチウム、又は炭素数1~3のアルキル基である化合物が好ましい。
More preferably, among the sulfur compounds represented by the formula (1),
X 1 is an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, a mono or polyhydroxyalkyl group having 1 to 3 carbon atoms or a lithium alkoxide thereof, and X 2 is a hydrogen, lithium or an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms. The compound is preferable.
式(1)で表される硫黄化合物として特に好ましいスルホン酸誘導体は、以下の:
LiOCH2CH2OSO3X11{式中、X11は、水素、リチウム、又は炭素数1~2のアルキル基である。}、CH3CH2OSO3X11{式中、X11は、水素、リチウム、又は炭素数1~2のアルキル基である。}、及びCH3OSO3X11{式中、X11は、水素、リチウム、又は炭素数1~2のアルキル基である。}で表される化合物である。
The sulfonic acid derivative particularly preferable as the sulfur compound represented by the formula (1) is as follows:
LiOCH 2 CH 2 OSO 3 X 11 {In the formula, X 11 is hydrogen, lithium, or an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms. }, CH 3 CH 2 OSO 3 X 11 {In the formula, X 11 is hydrogen, lithium, or an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms. }, And CH 3 OSO 3 X 11 {In the formula, X 11 is hydrogen, lithium, or an alkyl group having 1 to 2 carbon atoms. } Is a compound represented by.
上記で示された硫黄化合物の総量は、前記正極活物質層の単位質量当たり、0.30×10-5mol/g以上であることが好ましく、0.50×10-5mol/g以上であることがより好ましく、1.5×10-5mol/g以上であることがさらに好ましい。硫黄化合物の総量が正極活物質層の単位質量当たり0.10×10-5mol/g以上であれば、非水系電解液が正極活物質に接することがない。そのため、非水系電解液が酸化分解することで形成される堆積物により活物質界面の活性点が失活することなく、正極の容量を長期に亘って保持することができる。 The total amount of the sulfur compound shown above is preferably 0.30 × 10-5 mol / g or more, preferably 0.50 × 10-5 mol / g or more, per unit mass of the positive electrode active material layer. It is more preferably present, and more preferably 1.5 × 10 -5 mol / g or more. When the total amount of the sulfur compound is 0.10 × 10-5 mol / g or more per unit mass of the positive electrode active material layer, the non-aqueous electrolyte solution does not come into contact with the positive electrode active material. Therefore, the capacity of the positive electrode can be maintained for a long period of time without deactivating the active points at the active material interface due to the deposits formed by the oxidative decomposition of the non-aqueous electrolyte solution.
また、前記硫黄化合物の総量は、前記正極活物質層の単位質量当たり、45×10-5mol/g以下であることが好ましく、40×10-5mol/g以下であることがより好ましく、35×10-5mol/g以下であることが更に好ましい。硫黄化合物の総量が正極活物質層の単位質量当たり50×10-5mol/g以下であれば、正極活物質界面におけるLiイオンの拡散を阻害することがなく、高い入出力特性を発現することができる。 The total amount of the sulfur compound is preferably 45 × 10 -5 mol / g or less, more preferably 40 × 10 -5 mol / g or less, per unit mass of the positive electrode active material layer. It is more preferably 35 × 10 -5 mol / g or less. When the total amount of the sulfur compound is 50 × 10-5 mol / g or less per unit mass of the positive electrode active material layer, the diffusion of Li ions at the interface of the positive electrode active material is not hindered and high input / output characteristics are exhibited. Can be done.
[負極活物質層中の化合物]
本発明に係る負極活物質層は、上記式(1)で表される硫黄化合物の総量が、負極活物質層の単位質量当たり0.10×10-5mol/g~40×10-5mol/gである。
[Compounds in the negative electrode active material layer]
In the negative electrode active material layer according to the present invention, the total amount of the sulfur compound represented by the above formula (1) is 0.10 × 10 -5 mol / g to 40 × 10 -5 mol per unit mass of the negative electrode active material layer. / G.
負極活物質層中の硫黄化合物の総量は、負極活物質層の単位質量当たり、0.30×10-5mol/g以上であることが好ましく、0.50×10-5mol/g以上であることがより好ましく、1.5×10-5mol/g以上であることがさらに好ましい。硫黄化合物の総量が負極活物質層の単位質量当たり0.10×10-5mol/g以上であれば、非水系電解液が負極活物質に接することがない。そのため、非水系電解液が還元分解することで負極内にドープされているLiが失活することを防ぎ、負極の容量を長期に亘って保持することができる。 The total amount of sulfur compounds in the negative electrode active material layer is preferably 0.30 × 10-5 mol / g or more, preferably 0.50 × 10-5 mol / g or more, per unit mass of the negative electrode active material layer. It is more preferably present, and more preferably 1.5 × 10 -5 mol / g or more. When the total amount of the sulfur compound is 0.10 × 10-5 mol / g or more per unit mass of the negative electrode active material layer, the non-aqueous electrolyte solution does not come into contact with the negative electrode active material. Therefore, it is possible to prevent the Li doped in the negative electrode from being inactivated by the reduction decomposition of the non-aqueous electrolyte solution, and to maintain the capacity of the negative electrode for a long period of time.
また、上記で示された硫黄化合物の総量は、負極活物質層の単位質量当たり、35×10-5mol/g以下であることが好ましく、30×10-5mol/g以下であることがより好ましく、20×10-5mol/g以下であることが更に好ましい。硫黄化合物の総量が負極活物質層の単位質量当たり40×10-5mol/g以下であれば、負極活物質界面におけるLiイオンの拡散を阻害することがなく、高い入出力特性を発現することができる。 The total amount of the sulfur compound shown above is preferably 35 × 10-5 mol / g or less, and preferably 30 × 10-5 mol / g or less, per unit mass of the negative electrode active material layer. More preferably, it is 20 × 10 -5 mol / g or less. When the total amount of the sulfur compound is 40 × 10-5 mol / g or less per unit mass of the negative electrode active material layer, the diffusion of Li ions at the negative electrode active material interface is not hindered and high input / output characteristics are exhibited. Can be done.
上記で示された硫黄化合物を負極活物質層、及び正極活物質層に発現させるための方法としては、例えば、
負極活物質層、及び正極活物質層に含硫黄化合物を混合する方法、
負極活物質層、及び正極活物質層に含硫黄化合物を吸着させる方法、
負極活物質層、及び正極活物質層に含硫黄化合物を電気化学的に析出させる方法
等が挙げられる。
中でも、非水系電解液中に、分解して前記硫黄化合物を生成し得る前駆体を含有させておき、蓄電素子を作製する工程における分解反応を利用して、負極活物質層、及び正極活物質層内に前記化合物を堆積させる方法が好ましく、更に、後述の正極前駆体中のアルカリ金属化合物を高電位で酸化分解させる工程を経て前記化合物を堆積させる方法は、原理は定かではないが低温環境下でも高い入出力特性を維持することができる被膜が形成されるため、より好ましい。
前記化合物を生成し得る前駆体としては、下記式(1-1):
で表される環状硫酸化合物、例えば、エチレンスルファート、1,2-プロピレンスルファート、トリメチレンスルファートなどが挙げられ、これらの中から選択される少なくとも1種以上を、非水系電解液の総量を基準として、0.1質量%~5質量%を非水系電解液に含有させることが更に好ましい。
As a method for expressing the sulfur compound shown above in the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer, for example,
A method of mixing a sulfur-containing compound in a negative electrode active material layer and a positive electrode active material layer,
A method of adsorbing a sulfur-containing compound on a negative electrode active material layer and a positive electrode active material layer,
Examples thereof include a method of electrochemically precipitating a sulfur-containing compound on the negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer.
Above all, the negative electrode active material layer and the positive electrode active material are contained in the non-aqueous electrolytic solution by containing a precursor capable of decomposing to produce the sulfur compound, and utilizing the decomposition reaction in the step of producing the power storage element. A method of depositing the compound in the layer is preferable, and a method of depositing the compound through a step of oxidatively decomposing the alkali metal compound in the positive electrode precursor described later at a high potential is not clear in principle, but is in a low temperature environment. It is more preferable because a film that can maintain high input / output characteristics is formed even underneath.
As a precursor capable of producing the compound, the following formula (1-1):
Examples of the cyclic sulfuric acid compound represented by, for example, ethylene sulphate, 1,2-propylene sulphate, trimethylene sulphate, etc., may be mentioned, and at least one selected from these may be used as the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. It is more preferable to contain 0.1% by mass to 5% by mass in the non-aqueous electrolytic solution.
本発明に係る前記硫黄化合物の、正極活物質層の単位質量当たりの含有量Aと前記負極活物質層の単位質量当たりの含有量Bの比A/Bは、0.50以上12以下である。A/Bは、0.7以上8.5以下であることがより好ましく、0.9以上6.0以下であることが更に好ましい。A/Bが0.50以上であることで、非水系電解液が正極界面で酸化分解して正極活物質が劣化することがなく、かつ、負極界面でLiイオンの拡散を阻害することがない。また、A/Bが12以下であることで、非水系電解液が負極界面で還元分解して負極活物質が劣化することがなく、かつ、正極界面でLiイオンの拡散を阻害することがない。そのため、A/Bが0.50以上12以下であることによって十分な高温耐久性と幅広い温度での高い入出力特性を両立することができる。なお、A/Bが比を表すため、含有量AとBの単位は、それぞれ任意でよく、例えば、それぞれmol/gであることができる。 The ratio A / B of the sulfur compound according to the present invention to the content A per unit mass of the positive electrode active material layer and the content B per unit mass of the negative electrode active material layer is 0.50 or more and 12 or less. .. The A / B is more preferably 0.7 or more and 8.5 or less, and further preferably 0.9 or more and 6.0 or less. When the A / B is 0.50 or more, the non-aqueous electrolyte solution is not oxidatively decomposed at the positive electrode interface to deteriorate the positive electrode active material, and the diffusion of Li ions is not hindered at the negative electrode interface. .. Further, when the A / B is 12 or less, the non-aqueous electrolyte solution is not reduced and decomposed at the negative electrode interface to deteriorate the negative electrode active material, and the diffusion of Li ions is not hindered at the positive electrode interface. .. Therefore, when the A / B is 0.50 or more and 12 or less, it is possible to achieve both sufficient high temperature durability and high input / output characteristics in a wide range of temperatures. Since A / B represents the ratio, the units of the contents A and B may be arbitrary, and may be, for example, mol / g, respectively.
[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ことが好ましい。
[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 preferably 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、例えば、(LiN(SO2F)2)、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C2F5)、LiN(SO2CF3)(SO2C2F4H)、LiC(SO2F)3、LiC(SO2CF3)3、LiC(SO2C2F5)3、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiPF6、LiBF4等を単独で用いることができ、2種以上を混合して用いてもよい。高い伝導度を発現できることから、非水系電解液は、LiPF6、LiN(SO2F)2及びLiBF4から成る群から選択される少なくとも1つを含むことが好ましく、LiPF6及び/又はLiBF4とLiN(SO2F)2とを含むことがより好ましい。
非水系電解液中のリチウム塩濃度は、該非水系電解液の総量を基準として、0.5mol/L以上であることが好ましく、0.5mol/L以上2.0mol/L以下の範囲がより好ましい。リチウム塩濃度が0.5mol/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。また、リチウム塩濃度が2.0mol/L以下である場合、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 has, as lithium salts, for example, (LiN (SO 2 F) 2 ), LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , 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 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 , etc. can be used alone, or two or more of them may be mixed and used. The non-aqueous electrolyte solution preferably contains at least one selected from the group consisting of LiPF 6 , LiN (SO 2 F) 2 and LiBF 4 because of its ability to exhibit high conductivity, and LiPF 6 and / or LiBF 4 And LiN (SO 2 F) 2 are more preferable.
The lithium salt concentration in the non-aqueous electrolyte solution is preferably 0.5 mol / L or more, more 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. .. When the lithium salt concentration is 0.5 mol / L or more, anions are sufficiently present, so that the capacity of the power storage element can be sufficiently increased. Further, 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, and the conductivity is lowered. It is preferable because it does not deteriorate the output characteristics.
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、LiN(SO2F)2の濃度は、より好ましくは0.3mol/L以上1.2mol/L以下である。LiN(SO2F)2濃度が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、この濃度が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. The concentration of SO 2 F) 2 is more preferably 0.3 mol / L or more and 1.2 mol / L or less. When the LiN (SO 2 F) 2 concentration is 0.1 mol / L or more, the ionic conductivity of the electrolytic solution is increased, and an appropriate amount of the electrolyte film is deposited on the negative electrode interface, whereby the gas due to the decomposition of the electrolytic solution is released. Can be reduced. On the other hand, when this concentration 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、好ましくは、環状カーボネートを含有する。非水系電解液が環状カーボネートを含有することは、所望の濃度のリチウム塩を溶解させる点、及び正極活物質層にリチウム化合物を適量堆積させる点で有利である。環状カーボネートとしては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート等が挙げられる。
環状カーボネートの合計含有量は、非水系電解液の総量基準で、好ましくは15質量%以上、より好ましくは20質量%以上である。上記合計含有量が15質量%以上であれば、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。さらに正極活物質層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。
[Non-aqueous solvent]
The non-aqueous electrolyte solution of the present embodiment contains a cyclic carbonate as a non-aqueous solvent. The inclusion of the cyclic carbonate in the non-aqueous electrolyte solution is advantageous in that it dissolves a lithium salt having a desired concentration and that an appropriate amount of the lithium compound is deposited in the positive electrode active material layer. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate and the like.
The total content of the cyclic carbonate is preferably 15% by mass or more, more preferably 20% by mass or more, based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. When the total content is 15% by mass or more, it is possible to dissolve a lithium salt having a desired concentration, and high lithium ion conductivity can be exhibited. Further, an appropriate amount of the lithium compound can be deposited on the positive electrode active material layer, and oxidative decomposition of the electrolytic solution can be suppressed.
本実施形態の非水系電解液は、非水溶媒として、鎖状カーボネート化合物であるジメチルカーボネート(DMC)及びエチルメチルカーボネート(EMC)を含有することが好ましい。前記ジメチルカーボネートに対する前記エチルメチルカーボネートの体積比率(DMC/EMC)が0.5以上8.0以下であることが好ましく、0.8以上6.0以下であることがより好ましく、1.0以上4.0以下であることがさらに好ましい。DMC/EMCが0.5以上であれば、電解液の低粘度化が可能であり、高いリチウムイオン伝導度を発現することができる。DMC/EMCが8.0以下であれば、混合溶媒の融点を低く保つことが可能となり、低温環境下でも高い入出力特性を発揮することが出来る。 The non-aqueous electrolyte solution of the present embodiment preferably contains dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC), which are chain carbonate compounds, as the non-aqueous solvent. The volume ratio (DMC / EMC) of the ethylmethyl carbonate to the dimethyl carbonate is preferably 0.5 or more and 8.0 or less, more preferably 0.8 or more and 6.0 or less, and 1.0 or more. It is more preferably 4.0 or less. When the DMC / EMC is 0.5 or more, the viscosity of the electrolytic solution can be reduced and high lithium ion conductivity can be exhibited. When DMC / EMC is 8.0 or less, the melting point of the mixed solvent can be kept low, and high input / output characteristics can be exhibited even in a low temperature environment.
また、本実施形態の非水系電解液は、非水溶媒として、その他の鎖状カーボネートを含んでいてもよい。その他の鎖状カーボネートとしては、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート等に代表されるジアルキルカーボネート化合物が挙げられる。ジアルキルカーボネート化合物は典型的には非置換である。
鎖状カーボネートの合計含有量は、非水系電解液の総量基準で、好ましくは30質量%以上、より好ましくは35質量%以上であり、好ましくは95質量%以下、より好ましくは90質量%以下である。上記鎖状カーボネートの含有量が30質量%以上であれば、電解液の低粘度化が可能であり、高いリチウムイオン伝導度を発現することができる。上記合計濃度が95質量%以下であれば、電解液が、後述する添加剤をさらに含有することができる。
Further, the non-aqueous electrolyte solution of the present embodiment may contain other chain carbonate as the non-aqueous solvent. Examples of other chain carbonates include dialkyl carbonate compounds typified by diethyl carbonate, dipropyl carbonate, dibutyl carbonate and the like. Dialkyl carbonate compounds are typically unsubstituted.
The total content of the chain carbonate is preferably 30% by mass or more, more preferably 35% by mass or more, preferably 95% by mass or less, and more preferably 90% by mass or less, based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. be. When the content of the chain carbonate is 30% by mass or more, the viscosity of the electrolytic solution can be reduced and high lithium ion conductivity can be exhibited. When the total concentration is 95% by mass or less, the electrolytic solution can further contain the additives described later.
[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、含硫黄化合物、リン酸エステル化合物、非環状含ハロゲンエーテル、環状ホスファゼン、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。
これらの中でも、下記式(1-2):
で表されるチオフェン化合物;
下記式(1-3):
で表されるスルトン化合物;
下記式(1-4):
で表されるスルトン化合物;
下記式(1-5):
で表される化合物;並びに
下記式(1-6):
で表される環状亜硫酸化合物から成る群から選択される少なくとも1つの含硫黄化合物、下記式(2):
で表されるリン酸エステル化合物、又は下記式(3):
R31-O-R32 (3)
{式中、R31は、ハロゲン原子又は炭素数1~12のハロゲン化アルキル基であり、かつR32は、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~12のアルキル基、又は炭素数1~12のハロゲン化アルキル基である。}
で表される非環状含ハロゲンエーテルが好ましい。
[Additive]
The non-aqueous electrolytic solution of the present embodiment may further contain an additive. The additive is not particularly limited, and is, for example, a sulfur-containing compound, a phosphoric acid ester compound, an acyclic halogen-containing ether, a cyclic phosphazene, a fluorocyclic carbonate, a cyclic carbonate ester, a cyclic carboxylic acid ester, a cyclic acid anhydride and the like. Can be used alone, or two or more of them may be mixed and used.
Among these, the following formula (1-2):
Thiophene compound represented by;
The following formula (1-3):
Sultone compound represented by;
The following formula (1-4):
Sultone compound represented by;
The following formula (1-5):
The compound represented by; and the following formula (1-6):
At least one sulfur-containing compound selected from the group consisting of cyclic sulfurous acid compounds represented by the following formula (2):
Phosphoric acid ester compound represented by, or the following formula (3):
R 31 -OR 32 (3)
{In the formula, R 31 is a halogen atom or a halogenated alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, and R 32 is a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, or 1 to 12 carbon atoms. Halogen alkyl group. }
The acyclic halogen-containing ether represented by is preferable.
一般式(1-2)~(1-6)で表される化合物の中から選択される含硫黄化合物を電解液に含有させるのが好ましい。より好ましくは、式(1-2)で表されるチオフェン化合物が、チオフェン、2-メチルチオフェン、3-メチルチオフェン、2-シアノチオフェン、3-シアノチオフェン、2,5-ジメチルチオフェン、2-メトキシチオフェン、3-メトキシチオフェン、2-クロロチオフェン、3-クロロチオフェン、2-アセチルチオフェン、又は、3-アセチルチオフェンであり、式(1-3)で表されるスルトン化合物が、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-ペンタンスルトンであり、式(1-4)で表されるスルトン化合物が、1,3-プロペンスルトン又は1,4-ブテンスルトンであり、式(1-5)で表される化合物が、3-スルフォレンであり、かつ/又は式(1-6)で表される環状亜硫酸化合物が、亜硫酸エチレン、1,2-亜硫酸プロピレン、又は1,3-亜硫酸プロピレンであり、さらに好ましくは、これらの中から選択される化合物の1種以上を電解液に含有させる。 It is preferable that the electrolytic solution contains a sulfur-containing compound selected from the compounds represented by the general formulas (1-2) to (1-6). More preferably, the thiophene compound represented by the formula (1-2) is thiophene, 2-methylthiophene, 3-methylthiophene, 2-cyanothiophene, 3-cyanothiophene, 2,5-dimethylthiophene, 2-methoxy. Thiophene, 3-methoxythiophene, 2-chlorothiophene, 3-chlorothiophene, 2-acetylthiophene, or 3-acetylthiophene, and the sultone compound represented by the formula (1-3) is 1,3-propane. Sultone, 2,4-butane sultone, 1,4-butane sultone, 1,3-butane sultone or 2,4-pentane sultone, and the sultone compound represented by the formula (1-4) is 1,3-propen sultone or 1,4-Butensultone, the compound represented by the formula (1-5) is 3-sulfolene, and / or the cyclic sulfite compound represented by the formula (1-6) is ethylene sulfite, 1, It is propylene 2-sultone or propylene 1,3-sultone, and more preferably, one or more of the compounds selected from these are contained in the electrolytic solution.
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含硫黄化合物の総含有量は、非水系電解液の総量を基準として、0.1質量%以上5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0.1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。一方で、この総含有量が5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0.3質量%以上4質量%以下であり、より好ましくは0.5質量%以上3質量%以下である。 The total content of the sulfur-containing compound in the non-aqueous electrolyte solution of the non-aqueous lithium-type power storage element in the present embodiment is 0.1% by mass or more and 5% by mass or less based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. preferable. When the total content of the sultone compound in the non-aqueous electrolytic solution is 0.1% 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 5% 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 sulton compound present in the non-aqueous electrolyte solution of the non-aqueous lithium-type power storage element is preferably 0.3% by mass or more and 4% by mass or less from the viewpoint of achieving both high input / output characteristics and durability. , More preferably 0.5% by mass or more and 3% by mass or less.
[リン酸エステル化合物]
下記式(2):
で表されるリン酸エステル化合物を非水系電解液に含有させることが好ましい。
前記式(2)で表されるリン酸エステル化合物としては、例えば、トリメチルホスフェート、トリエチルホスフェート、トリブチルホスフェート、リン酸トリス(トリメチルシリル)、トリトリルホスフェート、トリフェニルホスフェート、ジオクチルホスフェート、トリオクチルホスフェート、リン酸トリス(4-ニトロフェニル)等を挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上が好ましい。
[Phosphate ester compound]
The following formula (2):
It is preferable to include the phosphoric acid ester compound represented by (1) in the non-aqueous electrolyte solution.
Examples of the phosphoric acid ester compound represented by the formula (2) include trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tributyl phosphate, tris phosphate (trimethylsilyl), tritryl phosphate, triphenyl phosphate, dioctyl phosphate, trioctyl phosphate and phosphorus. Tris (4-nitrophenyl) acid and the like can be mentioned, and one or more selected from these is preferable.
リン酸エステル化合物の含有量は、該非水系電解液の総量を基準として、0.1質量%以上3質量%以下が好ましく、0.3質量%以上2.5質量%以下であることが更に好ましい。リン酸エステル化合物の含有量が0.1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、高温時の容量劣化を抑制できる。他方、リン酸エステル化合物の含有量が3質量%以下であれば、正極と電解液界面の反応抵抗を低く保つことができるため、高度の入出力特性を発現することが可能となる。尚、リン酸エステル化合物は、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。 The content of the phosphoric acid ester compound is preferably 0.1% by mass or more and 3% by mass or less, more preferably 0.3% by mass or more and 2.5% by mass or less, based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. .. When the content of the phosphoric acid ester compound is 0.1% by mass or more, the stability of the non-aqueous electrolyte solution against oxidative decomposition is enhanced, and the capacity deterioration at high temperature can be suppressed. On the other hand, when the content of the phosphoric acid ester compound is 3% by mass or less, the reaction resistance at the interface between the positive electrode and the electrolytic solution can be kept low, so that high input / output characteristics can be exhibited. The phosphoric acid ester compound may be used alone or in combination of two or more.
[非環状含ハロゲンエーテル]
下記式(3):
R31-O-R32 (3)
{式中、R31は、ハロゲン原子又は炭素数1~12のハロゲン化アルキル基であり、かつR32は、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~12のアルキル基、又は炭素数1~12のハロゲン化アルキル基である。}
で表される非環状含ハロゲンエーテルを電解液に含有させることが好ましい。
式(3)で表される非環状含ハロゲンエーテルとしては、例えば、C2F5OC2F5、C3F7OC3F7、C4F9OC4F9、C6F13OC6F13、C2F5OCH3、C3F7OCH3、C4F9OCH3、C6F13OCH3、C2F5OCH5、C3F7OCH5、C4F9OC2H5、C2F5CF(OCH3)C3F7、CF3CH2OCF2CF2H、CHF2CF2OCH2CF3、CHF2CF2CH2OCF2CF2H、CF3CF2CH2OCF2CHF2、CF3CH2OCF2CHFCF3、及びC3HF6CH(CH3)OC3HF6等を挙げることができ、これらのうちから選択される1種以上が好ましい。
[Acyclic halogen-containing ether]
The following formula (3):
R 31 -OR 32 (3)
{In the formula, R 31 is a halogen atom or a halogenated alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, and R 32 is a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, or 1 to 12 carbon atoms. Halogen alkyl group. }
It is preferable that the electrolytic solution contains the acyclic halogen-containing ether represented by.
Examples of the acyclic halogen-containing ether represented by the formula (3) include C 2 F 5 OC 2 F 5 , C 3 F 7 OC 3 F 7 , C 4 F 9 OC 4 F 9 , C 6 F 13 OC. 6 F 13 , C 2 F 5 OCH 3 , C 3 F 7 OCH 3 , C 4 F 9 OCH 3 , C 6 F 13 OCH 3 , C 2 F 5 OCH 5 , C 3 F 7 OCH 5 , C 4 F 9 OC 2 H 5 , C 2 F 5 CF (OCH 3 ) C 3 F 7 , CF 3 CH 2 OCF 2 CF 2 H, CHF 2 CF 2 OCH 2 CF 3 , CHF 2 CF 2 CH 2 OCF 2 CF 2 H, CF 3 CF 2 CH 2 OCF 2 CHF 2 , CF 3 CH 2 OCF 2 CHFCF 3 , and C 3 HF 6 CH (CH 3 ) OC 3 HF 6 etc. can be mentioned, and one selected from these. The above is preferable.
非環状含ハロゲン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、0.1質量%以上3質量%以下が好ましく、0.3質量%以上2.5質量%以下であることが更に好ましい。非環状含ハロゲンエーテルの含有量が0.1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、高温時の容量劣化を抑制できる。他方、非環状含ハロゲンエーテルの含有量が3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、非環状含ハロゲンエーテルは、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 halogen-containing ether is preferably 0.1% by mass or more and 3% by mass or less, and further preferably 0.3% by mass or more and 2.5% by mass or less, based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. preferable. When the content of the acyclic halogen-containing ether is 0.1% by mass or more, the stability of the non-aqueous electrolyte solution against oxidative decomposition is enhanced, and the capacity deterioration at high temperature can be suppressed. On the other hand, when the content of the acyclic halogen-containing ether is 3% 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 input / output characteristics. The acyclic halogen-containing ether may be used alone or in combination of two or more.
[環状ホスファゼン]
環状ホスファゼンとしては、例えば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等を挙げることができ、これらの内から選択される1種以上が好ましい。
[Circular phosphazene]
Examples of the cyclic phosphazene include ethoxypentafluorocyclotriphosphazene, diethoxytetrafluorocyclotriphosphazene, phenoxypentafluorocyclotriphosphazene and the like, and one or more selected from these is preferable.
非水系電解液中の環状ホスファゼンの含有率は、該非水系電解液の総量を基準として、0.5質量%以上20質量%以下であることが好ましい。この値が0.5重量%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、この値が20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。環状ホスファゼンの含有率は、より好ましくは2質量%以上15質量%以下であり、更に好ましくは4質量%以上12質量%以下である。
尚、これらの環状ホスファゼンは、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。
The content of cyclic phosphazene in the non-aqueous electrolyte solution is preferably 0.5% by mass or more and 20% by mass or less based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. When this value is 0.5% by weight or more, it is possible to suppress the decomposition of the electrolytic solution at high temperature and suppress the gas generation. On the other hand, when this value is 20% 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. The content of cyclic phosphazene is more preferably 2% by mass or more and 15% by mass or less, and further preferably 4% by mass or more and 12% by mass or less.
These cyclic phosphazenes 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 electrolytic 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 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 develop 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]
環状炭酸エステルについては、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 carbonic acid ester]
For 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 kept high, so that the input / output is 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。環状酸無水物の含有量が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、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 delta-valerolactone, gamma caprolactone, and epsilon caprolactone, 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 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, durability at high temperatures is achieved. A high power storage element can be obtained. On the other hand, when the content of the cyclic carboxylic acid ester 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. It is possible to develop 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、従って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 because the production cost of the electrolytic solution can be suppressed due to industrial availability and the solubility in a non-aqueous electrolytic solution is easy.
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 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, and therefore a high degree of input / output can be maintained. 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、ポリエステル系樹脂を含む不織布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成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成る膜は、1μm以上10μm以下が好ましい。有機または無機の微粒子から成る膜を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。
本実施形態のセパレータの空孔率は、30%~75%が好ましく、より好ましくは、55~70%である。空孔率を30%以上とすることは、高速充放電時のリチウムイオンの急速な移動に追従する観点からも好ましい。他方、空孔率を70%以下とすることは、膜強度を向上する観点から好ましく、電極表面の凹凸又は異物による蓄電素子の内部短絡を抑制することが出来る。
[Separator]
The positive electrode precursor and the negative electrode are laminated or wound via a separator, and an electrode laminate or an electrode wound body having the positive electrode precursor, the negative electrode and the separator is formed.
As the separator, a polyethylene microporous film or polypropylene microporous film used for a lithium ion secondary battery, a cellulose non-woven paper used for an electric double layer capacitor, a non-woven fabric containing a polyester resin, or the like can be used. 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 micro shorts 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 storage element tend to be high.
The film made of organic or inorganic fine particles is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. It is preferable to make the film made of organic or inorganic fine particles having a thickness of 1 μm or more 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 storage element tend to be improved.
The porosity of the separator of the present embodiment is preferably 30% to 75%, more preferably 55 to 70%. It is preferable that the porosity is 30% or more from the viewpoint of following the rapid movement of lithium ions during high-speed charging / discharging. On the other hand, setting the porosity to 70% or less is preferable from the viewpoint of improving the film strength, and it is possible to suppress the internal short circuit of the power storage element due to the unevenness of the electrode surface or foreign matter.
[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 electrolyte 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。積層型電極にすることで、外装体に収納した際に、正極と負極の距離を均一化することが出来るため、内部抵抗が低減し、蓄電素子を高出力化することができる。
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が、パック化する際の蓄電素子の充填率を向上させる観点から、扁平型であることが好ましい。捲回型電極にすることで、セル組立工程に要する時間を短縮することができるため、生産効率が向上する。
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、抵抗溶接又は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. By using the laminated electrode, the distance between the positive electrode and the negative electrode can be made uniform when the electrode is housed in the exterior body, so that the internal resistance can be reduced and the power storage element can be increased in output.
Further, the electrode winding body is formed by winding a positive electrode precursor and a negative electrode via a separator, and connecting a positive electrode terminal and a negative electrode terminal to the winding body. The shape of the electrode winding body may be cylindrical or flat, but it is preferably flat from the viewpoint of improving the filling rate of the power storage element at the time of packing. By using a wound electrode, the time required for the cell assembly process can be shortened, so that the production efficiency is improved.
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。
金属缶は、アルミニウム又はアルミニウム合金で形成されているものが好ましい。金属缶の蓋体には、安全弁が設けられていることが好ましい。安全弁が設置されていることで、ガス発生により電池の内圧が上昇した場合に、ガスを放出することが出来る。金属缶を用いることで、外装体内の電極積層体の充填率を高めることが出来るため、エネルギー密度を向上させることができる。
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。ラミネート包材を用いることで、蓄電素子の放熱性を高めることができ、高温耐久性を向上させることが出来る。
[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 or an aluminum alloy. It is preferable that the lid of the metal can is provided with a safety valve. By installing a safety valve, gas can be released when the internal pressure of the battery rises due to gas generation. By using a metal can, the filling rate of the electrode laminate in the exterior body can be increased, so that the energy density can be improved.
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 a foil of copper, aluminum, stainless steel or the like can be preferably used. Further, the interior resin film is intended to protect the metal foil from the non-aqueous electrolytic solution stored inside and to melt and seal the exterior body at the time of heat sealing, and polyolefins, acid-modified polyolefins and the like can be preferably used. By using the laminated packaging material, the heat dissipation of the power storage element can be improved, and the high temperature durability can be improved.
[外装体への収納]
乾燥した電極積層体又は電極捲回体は、金属缶又は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。電極捲回体の場合、外装体へ収納する前に、プレス機を用いて扁平上に成形することが好ましい。この際、加圧時に加温してもよい。捲回体を扁平上に成形した後に、外装体へ収納する。外装体と電極捲解体の密着性を向上させるという観点から、収納後に再度プレス機を用いて加圧、及び加温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、ヒートシール又は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 laminated body or electrode wound body is housed in an exterior body typified by a metal can or a laminated packaging material, and sealed with only one opening left. In the case of the electrode wound body, it is preferable to form it flat on a press machine before storing it in the outer body. At this time, it may be heated at the time of pressurization. After forming the wound body flat, it is stored in the outer body. From the viewpoint of improving the adhesion between the exterior body and the electrode unwound body, it is preferable to pressurize and heat the electrode again using a press machine after storage.
The sealing method of the exterior 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当たり、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、自己放電特性又はサイクル特性を悪化させるため、好ましくない。
[Drying]
It is preferable that the electrode laminated body 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 or the 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、ラミネート包材を用いる場合は、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。金属缶を用いる場合は、溶接又はカシメ等の封口手段を用いる。
[Liquid injection, impregnation, sealing process]
After the assembly process is completed, the non-aqueous electrolyte solution is injected into the electrode laminate or the 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 electrolyte 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 the electrode winding body after injection is installed in a decompression chamber with the outer body open, and the inside of the chamber is filled with a vacuum pump. It is possible to use a method of reducing the pressure and returning the pressure to atmospheric pressure again. After the impregnation step is completed, when the laminated packaging material is used, the electrode laminated body or the electrode wound body with the outer body open is sealed by sealing while reducing the pressure. When using a metal can, a sealing means such as welding or caulking is used.
[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 preferred 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 discharge means such as a gas vent valve or a gas permeation film is previously installed in the part of the exterior body. A method of applying a voltage with the above;
[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エージングを行うことが好ましい。エージング工程において非水系電解液中の溶媒が電極-電解液界面で分解し、電極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。
[Aging process]
After the lithium doping step is completed, it is preferable to perform aging on the electrode laminate or the electrode wound body. In the aging step, the solvent in the non-aqueous electrolyte solution is decomposed at the electrode-electrolyte solution interface, and a lithium ion permeable solid polymer film is formed on the electrode.
The 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.
[追加充放電工程]
本発明の非水系リチウム型蓄電素子は、エージング後に、電極積層体又は電極捲回体に追加充放電を行うことが好ましい。追加充放電を行うことで、リチウムドープ工程時のリチウム化合物分解反応により生成される活性炭表面の表面官能基が安定化し、Liイオンと可逆的に相互作用する活性点が形成される。これによって、正極活物質中の活性炭が元来持っている活物質容量以上に電気を蓄えることが可能となるため、電池容量を向上させることができる。また、前記Liイオンと可逆的に相互作用する活性点は、Liイオンとの相互作用エネルギーが低いため、低温環境下でもLiイオンの拡散が阻害されることがなく、高出力を維持することが可能となる。
[Additional charge / discharge process]
In the non-aqueous lithium storage element of the present invention, it is preferable that the electrode laminate or the electrode wound body is additionally charged and discharged after aging. By performing additional charge / discharge, the surface functional groups on the surface of the activated carbon generated by the lithium compound decomposition reaction during the lithium doping step are stabilized, and active points that reversibly interact with Li ions are formed. This makes it possible to store more electricity than the activated carbon originally possessed by the activated carbon in the positive electrode active material, so that the battery capacity can be improved. Further, since the active point that reversibly interacts with the Li ion has a low interaction energy with the Li ion, the diffusion of the Li ion is not hindered even in a low temperature environment, and high output can be maintained. It will be possible.
[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 storage element increases.
The method for degassing 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 opened, and the inside of the chamber is depressurized by using a vacuum pump. A method or the like can be used.
[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4.2Vに到達するまで定電流充電を行い、次いで、4.2V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/(4.2-2.2)により算出される値をいう。
[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 storage element is set to 25 ° C, constant current charging is performed until the current value of 20C reaches 4.2V, and then a constant voltage of 4.2V is applied. The constant voltage charging to be applied is performed for a total of 30 minutes. After that, let Q be the capacity when a constant current discharge is performed with a current value of 2C up to 2.2V. It means a value calculated by F = Q / (4.2-2.2) using the Q obtained here.
[電力量]
本明細書中、電力量E(Wh)とは、以下の方法によって得られる値である:
先に述べた方法で算出された静電容量F(F)を用いて、F×(4.2-2.2)/2/3600により算出される値をいう。
[Electric energy]
In the present specification, the electric energy E (Wh) is a value obtained by the following method:
It refers to a value calculated by F × (4.2-2.2) / 2/3600 using the capacitance F (F) calculated by the method described above.
[体積]
非水系リチウム型蓄電素子の体積は、特に指定はないが、電極積層体又は電極捲回体のうち、正極活物質層及び負極活物質層が積重された領域が、外装体によって収納された部分の体積を指す。
例えば、ラミネートフィルムによって収納された電極積層体又は電極捲回体の場合は、電極積層体又は電極捲回体のうち、正極活物質層および負極活物質層が存在する領域が、カップ成形されたラミネートフィルムの中に収納されるが、この非水系リチウム型蓄電素子の体積(V11)は、このカップ成形部分の外寸長さ(l1)、外寸幅(w1)、及びラミネートフィルムを含めた非水系リチウム型蓄電素子の厚み(t1)により、V11=l1×w1×t1で計算される。
角型の金属缶に収納された電極積層体又は電極捲回体の場合は、非水系リチウム型蓄電素子の体積としては、単にその金属缶の外寸での体積を用いる。すなわち、この非水系リチウム型蓄電素子の体積(V22)は、角型の金属缶の外寸長さ(l2)と外寸幅(w2)、外寸厚み(t2)により、V22=l2×w2×t2で計算される。
また、円筒型の金属缶に収納された電極捲回体の場合においても、非水系リチウム型蓄電素子の体積としては、その金属缶の外寸での体積を用いる。すなわち、この非水系リチウム型蓄電素子の体積(V33)は、円筒型の金属缶の底面または上面の外寸半径(r)、外寸長さ(l3)により、V33=3.14×r×r×l3で計算される。
[volume]
The volume of the non-aqueous lithium-type power storage element is not particularly specified, but the region in which the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer are stacked in the electrode laminate or the electrode wound body is housed by the exterior body. Refers to the volume of the part.
For example, in the case of an electrode laminate or an electrode wound body housed by a laminated film, a region of the electrode laminated body or the electrode wound body in which the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer are present is cup-molded. Although housed in the laminated film, the volume (V11) of the non-aqueous lithium storage element includes the outer dimension length (l1), the outer dimension width (w1), and the laminated film of the cup molded portion. It is calculated by V11 = l1 × w1 × t1 according to the thickness (t1) of the non-aqueous lithium-type power storage element.
In the case of an electrode laminate or an electrode winding body housed in a square metal can, the volume of the non-aqueous lithium-type power storage element is simply the volume of the outer size of the metal can. That is, the volume (V22) of this non-aqueous lithium-type power storage element depends on the outer dimension length (l2), outer dimension width (w2), and outer dimension thickness (t2) of the square metal can, and V22 = l2 × w2. It is calculated by × t2.
Further, even in the case of an electrode winding body housed in a cylindrical metal can, the volume of the non-aqueous lithium-type power storage element is the volume of the outer dimension of the metal can. That is, the volume (V33) of this non-aqueous lithium type power storage element is V33 = 3.14 × r × depending on the outer dimension radius (r) and the outer dimension length (l3) of the bottom surface or the upper surface of the cylindrical metal can. It is calculated by r × l3.
[エネルギー密度]
本明細書中、エネルギー密度とは、電気量Eと体積Vii(i=1、2、3)を用いてE/Vi(Wh/L)の式により得られる値である。
[Energy density]
In the present specification, the energy density is a value obtained by the formula of E / Vi (Wh / L) using the electric energy E and the volume Vii (i = 1, 2, 3).
[常温内部抵抗]
本明細書では、常温内部抵抗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4.2Vに到達するまで定電流充電し、続いて4.2V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=4.2-Eo、及びRa=ΔE/(20C(電流値A))により算出される値である。
[Room temperature internal resistance]
In the present specification, the room temperature 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 in a constant temperature bath set at 25 ° C. until it reaches 4.2 V with a current value of 20 C, and then a constant voltage of 4.2 V is applied. Perform constant voltage charging for a total of 30 minutes. Subsequently, a constant current discharge is performed up to 2.2 V at 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 second obtained by extrapolating from the voltage values at the time points of the discharge time of 2 seconds and 4 seconds is set to Eo, the voltage drop ΔE = 4.2. It is a value calculated by Eo and Ra = ΔE / (20C (current value A)).
[低温内部抵抗]
本明細書では、低温内部抵抗Rc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-30℃に設定した恒温槽内に2時間放置する。その後、恒温槽を-30℃に保ったまま、1.0Cの電流値で4.2Vに到達するまで定電流充電し、続いて4.2Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で2時間行う。続いて、10C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=4.2-Eo、及びRc=ΔE/(10C(電流値A))により算出される値である。
[Low temperature internal resistance]
As used herein, the low temperature internal resistance Rc is a value obtained by the following method:
First, the cell corresponding to the non-aqueous lithium-type power storage element is left in a constant temperature bath set at −30 ° C. for 2 hours. After that, while keeping the constant temperature bath at -30 ° C, constant current charging is performed with a current value of 1.0 C until it reaches 4.2 V, and then constant voltage charging with a constant voltage of 4.2 V is applied for a total of 2 Do time. Subsequently, a constant current discharge is performed up to 2.2 V with a current value of 10 C to obtain a discharge curve (time-voltage). In this discharge curve, when the voltage at the discharge time = 0 second obtained by extrapolating from the voltage values at the time points of the discharge time of 2 seconds and 4 seconds is set to Eo, the voltage drop ΔE = 4.2. It is a value calculated by Eo and Rc = ΔE / (10C (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内部抵抗上昇率、容量維持率は、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4.2Vに到達するまで定電流充電し、続いて4.2V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4.2V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4.2V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内部抵抗Rb、前記静電容量と同様の測定方法を用いて得られる静電容量を高温保存試験後の静電容量Fb、としたとき、高温保存試験開始前の常温内部抵抗Raに対する高温保存試験後の常温内部抵抗上昇率をRb/Ra、高温保存試験開始前の静電容量Faに対する高温保存試験後の静電容量維持率をFb/Faにより算出できる。
[High temperature storage test]
In the present specification, the amount of gas generated during the high temperature storage test, the room temperature internal resistance increase rate after the high temperature storage test, and the capacity retention rate 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 4.2 V with a current value of 100 C, and then a constant voltage of 4.2 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, the cell voltage is charged to 4.2 V 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-Va be the amount of gas generated when stored for 2 months at a cell voltage of 4.2 V and an environmental temperature of 60 ° C.
For the cell after the high temperature storage test, the resistance value obtained by using the same measurement method as the normal temperature internal resistance is measured by using the same measurement method as the normal temperature internal resistance Rb after the high temperature storage test and the capacitance. When the obtained capacitance is the capacitance Fb after the high temperature storage test, the rate of increase in the normal temperature internal resistance after the high temperature storage test is Rb / Ra, and the high temperature storage test is started with respect to the normal temperature internal resistance Ra before the start of the high temperature storage test. The capacitance retention rate after the high temperature storage test for the previous capacitance Fa can be calculated by Fb / Fa.
本実施形態に係る非水系リチウム型蓄電素子は、初期の常温内部抵抗をRa(Ω)、静電容量をF(F)、電力量をE(Wh)、蓄電素子の体積をV(L)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;及び
(b)E/Vが20以上80以下である;及び
(c)Rc/Raが30以下である;
を同時に満たすものであることが好ましい。
In the non-aqueous lithium-type power storage element according to the present embodiment, the initial room temperature internal resistance is Ra (Ω), the capacitance is F (F), the electric power is E (Wh), and the volume of the power storage element is V (L). When, the following:
(A) The product Ra / F of Ra and F is 0.3 or more and 3.0 or less; and (b) E / V is 20 or more and 80 or less; and (c) Rc / Ra is 30 or less. be;
It is preferable that the above conditions are satisfied at the same time.
(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 for a large current. It is preferably 2.4 or less. When Ra / F is not more than the above upper limit value, a non-aqueous lithium 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.
(b)について、E/Vは十分な充電容量と放電容量とを発現させる観点から、20以上であることが好ましく、より好ましくは25以上であり、更に好ましくは30以上である。E/Vが上記の下限値以上であれば、優れた体積エネルギー密度を有する蓄電素子を得ることができる。そのため、蓄電素子を用いた蓄電システムを、例えば、自動車のエンジンと組み合わせて使用する場合に、自動車内の限られた狭いスペースに蓄電システムを設置することが可能となり、好ましい。 Regarding (b), the E / V is preferably 20 or more, more preferably 25 or more, and further preferably 30 or more, from the viewpoint of developing a sufficient charge capacity and discharge capacity. When the E / V is equal to or higher than the above lower limit value, a power storage element having an excellent volumetric energy density can be obtained. Therefore, when a power storage system using a power storage element is used in combination with, for example, an engine of an automobile, it is possible to install the power storage system in a limited narrow space in the automobile, which is preferable.
(c)について、Rc/Raは、-30℃という低温環境下においても十分な充電容量と放電容量とを発現させる観点から、30以下であることが好ましく、より好ましくは26以下であり、更に好ましくは22以下である。Rc/Raが上記の上限値以下であれば、低温環境下においても優れた出力特性を有する蓄電素子を得ることができる。そのため、低温環境下での自動車・バイク等のエンジン始動時に、モーターを駆動するための十分な電力を与える蓄電素子を得ることが可能となる。 Regarding (c), Rc / Ra is preferably 30 or less, more preferably 26 or less, and further preferably 26 or less, from the viewpoint of developing sufficient charge capacity and discharge capacity even in a low temperature environment of −30 ° C. It is preferably 22 or less. When Rc / Ra is not more than the above upper limit value, a power storage element having excellent output characteristics can be obtained even in a low temperature environment. Therefore, when starting an engine of an automobile, a motorcycle, or the like in a low temperature environment, it is possible to obtain a power storage element that gives sufficient electric power to drive a motor.
本実施形態に係る非水系リチウム型蓄電素子は、
初期の常温内部抵抗をRa(Ω)、静電容量をFa(F)、セル電圧4.2V及び環境温度60℃において2か月間保存した後の25℃における内部抵抗をRb(Ω)、静電容量をFb(F)、並びに環境温度-30℃における内部抵抗をRcとした時、以下の(d)、(e)及び(f)の要件:
(d)Rb/Raが0.8以上3.0以下である;
(e)Fb/Faが0.5以上1.2以下である;及び
(f)セル電圧4.2V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が更に好ましい。
The non-aqueous lithium storage element according to this embodiment is
The initial room temperature internal resistance is Ra (Ω), the capacitance is Fa (F), the cell voltage is 4.2 V, and the internal resistance at 25 ° C after storage at an ambient temperature of 60 ° C for 2 months is Rb (Ω), static. When the capacitance is Fb (F) and the internal resistance at an ambient temperature of -30 ° C is Rc, the following requirements (d), (e) and (f) are:
(D) Rb / Ra is 0.8 or more and 3.0 or less;
(E) Fb / Fa is 0.5 or more and 1.2 or less; and (f) The amount of gas generated when stored for 2 months at a cell voltage of 4.2 V and an environmental temperature of 60 ° C. is 30 × at 25 ° C. 10 -3 cc / F or less;
It is more preferable to satisfy at the same time.
(d)について、Rb/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。Rb/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 (d), Rb / 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 Rb / 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.
(e)について、Fb/Faは、高温環境下に長時間曝された場合に、十分な充電容量と放電容量とを発現させ、蓄電システムの機能を維持する観点から、0.5以上であることが好ましく、より好ましくは0.6以上であり、更に好ましくは0.7以上である。Fb/Faが上記の下限値以上であれば、長期間安定して一定の電力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), Fb / Fa is 0.5 or more from the viewpoint of developing sufficient charge capacity and discharge capacity when exposed to a high temperature environment for a long time and maintaining the function of the power storage system. It is preferable, more preferably 0.6 or more, still more preferably 0.7 or more. If Fb / Fa is equal to or higher than the above lower limit value, a constant power can be stably obtained for a long period of time, which leads to a longer life of the device.
(f)について、セル電圧4.2V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 for 2 months at a cell voltage of 4.2 V and an environmental temperature of 60 ° C. is 25 ° C. from the viewpoint that the generated gas does not deteriorate the characteristics of the element. 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. When the amount of gas generated under the above conditions is not more than the above upper limit value, 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, it is possible to obtain a power storage element having sufficient safety and durability.
[非水系アルカリ金属型蓄電素子の用途]
本実施形態に係る複数個の非水系アルカリ金属型蓄電素子を直列又は並列に接続することにより蓄電モジュールを作製することができる。また、本実施形態の非水系アルカリ金属型蓄電素子及び蓄電モジュールは、高い入出力特性と高温での安全性とを両立することができるので、電力回生アシストシステム、電力負荷平準化システム、無停電電源システム、非接触給電システム、エナジーハーベストシステム、蓄電システム、電動パワーステアリングシステム、非常用電源システム、インホイールモーターシステム、アイドリングストップシステム、急速充電システム、スマートグリッドシステム等に使用されることができる。
[Use of non-aqueous alkali metal type power storage element]
A power storage module can be manufactured by connecting a plurality of non-aqueous alkali metal type power storage elements according to the present embodiment in series or in parallel. Further, since the non-aqueous alkali metal type power storage element and the power storage module of the present embodiment can achieve both high input / output characteristics and safety at high temperature, a power regeneration assist system, a power load leveling system, and no power failure occur. It can be used in power supply systems, contactless power supply systems, energy harvest systems, power storage systems, electric power steering systems, emergency power supply systems, in-wheel motor systems, idling stop systems, quick charging systems, smart grid systems, and the like.
蓄電システムは太陽光発電又は風力発電等の自然発電に、電力負荷平準化システムはマイクログリッド等に、無停電電源システムは工場の生産設備等に、それぞれ好適に利用される。非接触給電システムにおいて、非水系アルカリ金属型蓄電素子は、マイクロ波送電又は電界共鳴等の電圧変動の平準化及びエネルギーの蓄電のために、エナジーハーベストシステムにおいて、非水系アルカリ金属型蓄電素子は、振動発電等で発電した電力を使用するために、それぞれ好適に利用される。
蓄電システムにおいては、セルスタックとして、複数個の非水系アルカリ金属型蓄電素子が直列又は並列に接続されるか、又は非水系アルカリ金属型蓄電素子と、鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池又は燃料電池とが直列又は並列に接続される。
The power storage system is preferably used for natural power generation such as solar power generation or wind power generation, the power load leveling system is preferably used for microgrids, and the non-disruptive power supply system is preferably used for production equipment in factories. In the non-contact power supply system, the non-aqueous alkali metal energy storage element is used for leveling voltage fluctuations such as microwave power transmission or electric field resonance and for storing energy. In the energy harvest system, the non-aqueous alkali metal energy storage element is used. In order to use the electric power generated by vibration power generation or the like, each is suitably used.
In a power storage system, a plurality of non-aqueous alkali metal storage elements are connected in series or in parallel as a cell stack, or a non-aqueous alkali metal storage element is connected to a lead battery, a nickel hydrogen battery, and a lithium ion secondary battery. Batteries or fuel cells are connected in series or in parallel.
また、本実施形態に係る非水系リチウム型蓄電素子は、高い入出力特性と高温での安全性とを両立することができるので、例えば、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド自動車、電動バイク、ハイブリッドショベル等の乗り物に搭載されることができる。上記で説明された電力回生アシストシステム、電動パワーステアリングシステム、非常用電源システム、インホイールモーターシステム、アイドリングストップシステム、又はこれらの組み合わせが、乗り物に好適に搭載される。 Further, the non-aqueous lithium power storage element according to the present embodiment can achieve both high input / output characteristics and safety at high temperatures, and therefore, for example, an electric vehicle, a plug-in hybrid vehicle, a hybrid vehicle, an electric motorcycle, etc. It can be mounted on vehicles such as hybrid excavators. The power regeneration assist system, the electric power steering system, the emergency power supply system, the in-wheel motor system, the idling stop system, or a combination thereof described above are suitably mounted on the vehicle.
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.
(実施例1) (Example 1)
<炭酸リチウムの粉砕>
BET比表面積が0.9m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの炭酸リチウムを用い、炭酸リチウムを15質量部とIPA(イソプロパノール)を85質量部とをホモディスパーで混合し、炭酸リチウム懸濁液を得た。この炭酸リチウム懸濁液を湿式ビーズミルで2時間粉砕を行い、リチウム化合物含有スラリーを得た。得られたリチウム化合物含有スラリーを加熱ミキサーで減圧状態で50℃に加熱し、3時間撹拌しながら乾燥することで、炭酸リチウムを調製した。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、0.5μmであった。
<Crushing lithium carbonate>
Using lithium carbonate having a BET specific surface area of 0.9 m 2 / g and a pore volume P of 0.001 cc / g, 15 parts by mass of lithium carbonate and 85 parts by mass of IPA (isopropanol) were mixed with a homodisper. A lithium carbonate suspension was obtained. This lithium carbonate suspension was pulverized with a wet bead mill for 2 hours to obtain a lithium compound-containing slurry. The obtained lithium compound-containing slurry was heated to 50 ° C. under reduced pressure with a heating mixer and dried while stirring for 3 hours to prepare lithium carbonate. When the average particle size of the obtained lithium carbonate was measured to determine the charged lithium carbonate particle size, it was 0.5 μm.
<正極活物質の調製>
[正極活物質A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Aを得た。
この活性炭A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 positive electrode active material A]
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 carbonized material 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 for 10 hours in an electric dryer kept at 115 ° C., activated carbon A was obtained by pulverizing with a ball mill for 1 hour.
The average particle size of this activated carbon A was 4.2 μm as a result of measuring the average particle size using a laser diffraction type particle size distribution measuring device (SALD-2000J) manufactured by Shimadzu Corporation. 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.
[正極活物質B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径7μm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、窒素雰囲気下、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Bを得た。
この活性炭Bについて、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 positive electrode active material B]
The phenol resin was carbonized in a firing furnace at 600 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere, then pulverized with a ball mill and classified to obtain a carbide having an average particle size of 7 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 B 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 pore distribution of this activated carbon B 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.
<正極前駆体A,Bの製造>
上記で得た活性炭Aを正極活物質として用いて正極前駆体を製造した。
活性炭Aを87.5質量部、リチウム化合物として平均粒径0.5μmの炭酸リチウムを30質量部、KB(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17m/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2,700mPa・s、TI値は3.5であった。また、得られた塗工液の分散度をヨシミツ精機社製の粒ゲージを用いて測定した。その結果、粒度は35μm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、1次乾燥工程として乾燥温度100℃で熱風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。その後、2次乾燥工程として乾燥温度200℃で真空乾燥して得られた正極前駆体の正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、正極前駆体の任意の10か所で測定した厚さの平均値から、アルミニウム箔の厚さを引いて求めた。その結果、正極活物質層の膜厚は片面当たり170μmであった。上述の方法で目付を算出した結果、正極活物質層の目付は片面当たり50g・m-2であった。
以下、活性炭Aを用いた片面正極前駆体および両面正極前駆体を、それぞれ片面正極前駆体Aおよび両面正極前駆体A(総称して「正極前駆体A」)という。同様にして、活性炭Bを用いて作製した片面正極前駆体および両面正極前駆体を、それぞれ片面正極前駆体Bおよび両面正極前駆体B(総称して「正極前駆体B」)という。
<Manufacturing of positive electrode precursors A and B>
The activated carbon A obtained above was used as a positive electrode active material to produce a positive electrode precursor.
87.5 parts by mass of activated carbon A, 30 parts by mass of lithium carbonate having an average particle size of 0.5 μm as a lithium compound, 3.0 parts by mass of KB (Ketchen Black), and 1.5 parts by mass of PVP (polyvinylpyrrolidone). , And PVDF (polyfluorovinylidene) in an amount of 8.0 parts by mass, and NMP (N-methylpyrrolidone) were mixed, and the mixture was mixed with a thin film swirling high-speed mixer fill mix manufactured by PRIMIX at a peripheral speed of 17 m / s. The coating liquid was obtained by dispersing under the conditions. 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 2,700 mPa · s, and the TI value was 3.5. In addition, the degree of dispersion of the obtained coating liquid was measured using a grain gauge manufactured by Yoshimitsu Seiki Co., Ltd. As a result, the particle size was 35 μm. The above coating liquid is applied to one or both sides of a 15 μm thick aluminum foil using a die coater manufactured by Toray Engineering Co., Ltd. under the condition of a coating speed of 1 m / s, and hot air is applied at a drying temperature of 100 ° C. as a primary drying step. It was dried to obtain a positive electrode precursor. 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 pressed portion of 25 ° C. Then, as a secondary drying step, the film thickness of the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor obtained by vacuum drying at a drying temperature of 200 ° C. was measured using a film thickness meter Linear Gauge Sensor GS-551 manufactured by Ono Keiki Co., Ltd. It was obtained by subtracting the thickness of the aluminum foil from the average value of the thickness measured at any 10 points on the body. As a result, the film thickness of the positive electrode active material layer was 170 μm per one side. As a result of calculating the basis weight by the above method, the basis weight of the positive electrode active material layer was 50 g · m -2 per one side.
Hereinafter, the single-sided positive electrode precursor and the double-sided positive electrode precursor using the activated carbon A are referred to as a single-sided positive electrode precursor A and a double-sided positive electrode precursor A (collectively, “positive electrode precursor A”). Similarly, the single-sided positive electrode precursor and the double-sided positive electrode precursor produced by using the activated carbon B are referred to as a single-sided positive electrode precursor B and a double-sided positive electrode precursor B (collectively, “positive electrode precursor B”).
<遷移金属酸化物を含有する正極前駆体Cの作製>
活性炭Aを43.1質量部、リチウム遷移金属酸化物として平均粒子径が3.5μmのLiFePO4を14.4質量部、炭酸リチウムを30.0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、並びに固形分の重量比が24.5%になるようにNMP(N-メチル-2-ピロリドン)を混合し、その混合物をPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて、周速20m/sの条件で3分間分散して正極塗工液1を得た。
得られた正極塗工液1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2,690mPa・s、TI値は6.6であった。また、得られた正極塗工液1の分散度をヨシミツ精機社製の粒ゲージを用いて測定した。その結果、粒度は23μmであった。
東レエンジニアリング社製の両面ダイコーターを用いて、厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に正極塗工液1を塗工速度1m/sの条件で塗工し、乾燥炉の温度を70℃、90℃、110℃、130℃の順番に調整し、その後IRヒーターで1次乾燥して正極前駆体Cを得た。得られた正極前駆体Cを、ロールプレス機を用いて圧力6kN/cm、プレス部の表面温度25℃の条件でプレスした。その後、2次乾燥工程として乾燥温度200℃で真空乾燥して得られた正極前駆体Cの全厚を、小野計器社製膜厚計Linear Gauge Sensor GS-551を用いて、正極前駆体Cの任意の10か所で測定した。アルミニウム箔の厚さを引いて求めた正極活物質層の膜厚は片面当たり70μmであった。上述の方法で目付を算出した結果、正極活物質層の目付は片面当たり45g・m-2であった。
<Preparation of positive electrode precursor C containing transition metal oxide>
43.1 parts by mass of activated carbon A, 14.4 parts by mass of LiFePO 4 having an average particle diameter of 3.5 μm as a lithium transition metal oxide, 30.0 parts by mass of lithium carbonate, and 3.0 parts by mass of Ketjen Black. , PVP (polyvinylpyrrolidone) by 1.5 parts by mass, PVDF (polyvinylidene fluoride) by 8.0 parts by mass, and NMP (N-methyl-2-) so that the weight ratio of solid content is 24.5%. Pyrrolidone) is mixed, and the mixture is dispersed for 3 minutes at a peripheral speed of 20 m / s using a thin film swirl type high-speed mixer “Fillmix (registered trademark)” manufactured by PRIMIX to obtain a positive electrode coating liquid 1. rice field.
The viscosity (ηb) and TI value of the obtained positive electrode coating liquid 1 were measured using an E-type viscometer TVE-35H manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. As a result, the viscosity (ηb) was 2,690 mPa · s, and the TI value was 6.6. Further, the degree of dispersion of the obtained positive electrode coating liquid 1 was measured using a grain gauge manufactured by Yoshimitsu Seiki Co., Ltd. As a result, the particle size was 23 μm.
Using a double-sided die coater manufactured by Toray Engineering Co., Ltd., the positive electrode coating liquid 1 was applied to both sides of a 15 μm-thick aluminum foil at a coating speed of 1 m / s, and the temperatures of the drying furnaces were set to 70 ° C and 90 ° C. , 110 ° C. and 130 ° C. in this order, and then primary drying with an IR heater to obtain a positive electrode precursor C. The obtained positive electrode precursor C was pressed using a roll press machine under the conditions of a pressure of 6 kN / cm and a surface temperature of the pressed portion of 25 ° C. Then, as a secondary drying step, the total thickness of the positive electrode precursor C obtained by vacuum drying at a drying temperature of 200 ° C. was measured by using a film thickness meter Liner Gauge Sensor GS-551 manufactured by Ono Keiki Co., Ltd. to obtain the positive electrode precursor C. Measurements were made at any 10 locations. The film thickness of the positive electrode active material layer obtained by subtracting the thickness of the aluminum foil was 70 μm per side. As a result of calculating the basis weight by the above method, the basis weight of the positive electrode active material layer was 45 g · m -2 per one side.
<負極活物質の調製>
[負極活物質Aの調製]
平均粒子径が6.2μm、かつBET比表面積が7.2m2/gの人造黒鉛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:65℃)15g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)内に設置した。これを窒素雰囲気下、1,250℃まで8時間で昇温し、同温度で4時間保持することにより熱反応させ、負極活物質Aを得た。得られた負極活物質Aを自然冷却により60℃まで冷却した後、電気炉から取り出した。
得られた負極活物質A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6.4μm、BET比表面積は5.2m2/gであった。
<Preparation of negative electrode active material>
[Preparation of negative electrode active material A]
A stainless steel bat containing 150 g of artificial graphite having an average particle diameter of 6.2 μm and a BET specific surface area of 7.2 m 2 / g in a stainless steel mesh cage and 15 g of coal-based pitch (softening point: 65 ° C.). Both were placed in an electric furnace (effective size in the furnace 300 mm × 300 mm × 300 mm). This was heated to 1,250 ° C. in a nitrogen atmosphere in 8 hours and kept at the same temperature for 4 hours to cause a thermal reaction to obtain a negative electrode active material A. The obtained negative electrode active material A was cooled to 60 ° C. by natural cooling, and then taken out from the electric furnace.
For the obtained negative electrode active material A, 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 6.4 μm and the BET specific surface area was 5.2 m 2 / g.
<負極Aの製造>
次いで負極活物質Aを用いて負極を製造した。
負極活物質A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の貫通孔を持たない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Aを得た。得られた負極A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A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A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Aの負極活物質層の片面当たりの目付は30g/m2、膜厚は40μmであった。
<Manufacturing of negative electrode A>
Next, a negative electrode was manufactured using the negative electrode active material A.
85 parts by mass of negative electrode active material A, 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. Using a mixer fill mix, a coating liquid was obtained by dispersing under the condition of a peripheral speed of 15 m / s. 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 was applied to both sides of an electrolytic copper foil having a thickness of 10 μm and having no through holes 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. Obtained a negative electrode A. The obtained negative electrode A 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 A obtained above was measured from the average value of the thickness measured at any 10 points of the negative electrode A 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 basis weight per one side of the negative electrode active material layer of the negative electrode A was 30 g / m 2 , and the film thickness was 40 μm.
[負極単位重量当たり容量の測定]
得られた負極Aを1.4cm×2.0cm(2.8cm2)の大きさに1枚切り出し、銅箔の両面に塗工された負極活物質層の片方の層をスパチュラ、ブラシ、刷毛を用いて除去して作用極とした。対極及び参照極としてそれぞれ金属リチウムを用い、電解液としてエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)の体積比1:1混合溶媒に、LiPF6を1.0mol/Lの濃度で溶解させた非水系溶液を用いて、アルゴンボックス中で電気化学セルを作製した。
得られた電気化学セルについて、東洋システム社製の充放電装置(TOSCAT-3100U)を用いて、以下の手順で初期充電容量を測定した。
電気化学セルに対して、温度25℃において、電流値0.5mA/cm2で電圧値が0.01Vになるまで定電流充電を行った後、更に電流値が0.01mA/cm2になるまで定電圧充電を行った。この定電流充電及び定電圧充電の時の充電容量を初回充電容量として評価したところ、負極Aの単位質量当たりの容量(リチウムイオンのドープ量)は400mAh/gであった。
[Measurement of capacity per unit weight of negative electrode]
One of the obtained negative electrode A was cut into a size of 1.4 cm × 2.0 cm (2.8 cm 2 ), and one layer of the negative electrode active material layer coated on both sides of the copper foil was formed with a spatula, a brush, and a brush. Was removed to make a working electrode. LiPF 6 was dissolved at a concentration of 1.0 mol / L in a 1: 1 mixed solvent having a volume ratio of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) as an electrolytic solution, using metallic lithium as a counter electrode and a reference electrode, respectively. An electrochemical cell was made in an argon box using a non-aqueous solution.
The initial charge capacity of the obtained electrochemical cell was measured by the following procedure using a charging / discharging device (TOSCAT-3100U) manufactured by Toyo System Co., Ltd.
After constantly charging the electrochemical cell at a temperature of 25 ° C. at a current value of 0.5 mA / cm 2 until the voltage value reaches 0.01 V, the current value further becomes 0.01 mA / cm 2 . Constant voltage charging was performed until. When the charge capacity at the time of constant current charging and constant voltage charging was evaluated as the initial charge capacity, the capacity per unit mass of the negative electrode A (lithium ion doping amount) was 400 mAh / g.
[負極活物質Bの調製]
平均粒子径30nm、BET比表面積254m2/gのカーボンブラック(CB1)100重量部と、軟化点110℃及びメタフェーズ量(QI量)13%の光学的等方性ピッチ(P1)50重量部とを加熱ニーダ-で混捏して得られた混捏物を、非酸化性雰囲気下、1,000℃で焼成した。得られた焼成物を平均粒子径(D50)7μmに粉砕することにより、負極活物質Bとして複合多孔性材料Bを得た。得られた負極活物質Bについて、上記と同様の方法でBET比表面積を測定した。その結果BET比表面積は180m2/gであった。
[Preparation of negative electrode active material B]
100 parts by weight of carbon black (CB1) with an average particle diameter of 30 nm and a BET specific surface area of 254 m 2 / g, and 50 parts by weight of an optically isotropic pitch (P1) with a softening point of 110 ° C. and a metaphase amount (QI amount) of 13%. The kneaded product obtained by kneading and kneaded with a heating kneader was calcined at 1,000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere. The obtained fired product was pulverized to an average particle size (D50) of 7 μm to obtain a composite porous material B as a negative electrode active material B. The BET specific surface area of the obtained negative electrode active material B was measured by the same method as described above. As a result, the BET specific surface area was 180 m 2 / g.
<負極Bの製造>
上記で得た負極活物質Bを負極活物質として用いたこと以外は負極Aと同様にして負極Bを製造した。負極Aと同様にリチウムイオンのドープ量を測定した結果、負極Bは1300mAh/gであった。
<Manufacturing of negative electrode B>
The negative electrode B was manufactured in the same manner as the negative electrode A except that the negative electrode active material B obtained above was used as the negative electrode active material. As a result of measuring the doping amount of lithium ions in the same manner as the negative electrode A, the negative electrode B was 1300 mAh / g.
<2種類の活物質を含む負極Cの製造>
負極活物質Aを76質量部、負極活物質Bを4質量部、アセチレンブラックを8質量部、及びPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を12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の貫通孔を持たない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Cを得た。得られた負極C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C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C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Cの負極活物質層の片面当たりの目付は28g/m2、膜厚は40μmであった。
<Manufacturing of negative electrode C containing two types of active materials>
76 parts by mass of the negative electrode active material A, 4 parts by mass of the negative electrode active material B, 8 parts by mass of acetylene black, 12 parts by mass of PVdF (polyfluorinated vinylidene), and NMP (N-methylpyrrolidone) are mixed. Was dispersed under the condition of a peripheral speed of 15 m / s using a thin film swirl type high-speed mixer fill mix manufactured by PRIMIX to obtain a coating liquid. 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 was applied to both sides of an electrolytic copper foil having a thickness of 10 μm and having no through holes 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. Obtained a negative electrode C. The obtained negative electrode C 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 C obtained above was measured from the average value of the thickness measured at any 10 points of the negative electrode C 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 basis weight per one side of the negative electrode active material layer of the negative electrode C was 28 g / m 2 , and the film thickness was 40 μm.
<電解液の調製>
有機溶媒として、エチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC):メチルエチルカーボネート(EMC)=34:44:22(体積比)の混合溶媒を用い、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。また、添加剤として全電解液に対して0.1質量%となる量のエチレンスルファートを溶解して非水系電解液1を得た。
<Preparation of electrolytic solution>
As an organic solvent, a mixed solvent of ethylene carbonate (EC): dimethyl carbonate (DMC): methyl ethyl carbonate (EMC) = 34: 44: 22 (volume ratio) was used, and LiN (SO 2 F) was used with respect to the total electrolytic solution. Each electrolyte salt was dissolved so that the concentration ratio of 2 and LiPF 6 was 25:75 (molar ratio) and the sum of the concentrations of LiN (SO 2 F) 2 and LiPF 6 was 1.2 mol / L. ..
The concentrations of LiN (SO 2 F) 2 and LiPF 6 in the electrolytic solution prepared here were 0.3 mol / L and 0.9 mol / L, respectively. Further, as an additive, ethylene sulfate in an amount of 0.1% by mass with respect to the total electrolytic solution was dissolved to obtain a non-aqueous electrolytic solution 1.
<蓄電素子の組立>
得られた両面負極Aおよび両面正極前駆体A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を用い、更に両面負極21枚と両面正極前駆体20枚とを用い、負極と正極前駆体との間に、厚み15μm及び空孔率65%のポリエチレン製微多孔膜セパレータAを挟んで積層した。
<端子の溶接>
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を形成した。この電極積層体を80℃及び50Paで、60hr.に亘って真空乾燥した。この電極積層体を、露点-45℃のドライ環境下にて、ラミネート包材から成る外装体内に挿入し、電極端子部およびボトム部の外装体3方を180℃、20sec及び1.0MPaでヒートシールした。非水系電解液を注入して該外装体を密閉することにより、非水系リチウム型蓄電素子を組立てた。
<Assembly of power storage element>
The obtained double-sided negative electrode A and double-sided positive electrode precursor A were cut into 10 cm × 10 cm (100 cm 2 ). A single-sided positive electrode precursor is used for the uppermost surface and the lowermost surface, and 21 double-sided negative electrodes and 20 double-sided positive electrode precursors are used. The microporous membrane separator A was sandwiched and laminated.
<Welding of terminals>
Then, the negative electrode terminal and the positive electrode terminal were connected to the negative electrode and the positive electrode precursor by ultrasonic welding to form an electrode laminate. This electrode laminate was subjected to 60 hr. At 80 ° C. and 50 Pa. Was vacuum dried. This electrode laminate is inserted into an exterior body made of a laminated packaging material in 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 heated at 180 ° C., 20 sec, and 1.0 MPa. Sealed. A non-aqueous lithium-type power storage element was assembled by injecting a non-aqueous electrolyte solution and sealing the exterior body.
<蓄電素子の注液、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℃及び露点-40℃以下のドライエアー環境下にて、上記非水系電解液1を大気圧下で約80g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 of power storage element>
About 80 g of the non-aqueous electrolyte solution 1 was injected into the electrode laminate housed in the aluminum laminate packaging material under a dry air environment having a temperature of 25 ° C. and a dew point of −40 ° C. or lower under atmospheric pressure. 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, after reducing the pressure 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 the pressure was returned to atmospheric pressure. Similarly, the steps of depressurizing and returning to atmospheric pressure were repeated 7 times in total (decompressed to -95, -96, -97, -81, -97, -97, and -97 kPa, respectively). By the above steps, the electrode laminate was impregnated with the non-aqueous electrolyte 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0.7Aで電圧4.4Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.4V定電圧充電を10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>
For the obtained non-aqueous lithium type power storage element, a charging / discharging device (TOSCAT-3100U) manufactured by Toyo System Co., Ltd. is used, and the voltage is fixed until the voltage reaches 4.4 V at a current value of 0.7 A in a 25 ° C environment. After the current charge, the initial charge was continuously performed by the method of continuing the 4.4 V constant voltage charge for 10 hours, and the negative electrode was lithium-doped.
<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、0.7Aで電圧3.0Vに到達するまで定電流放電を行った後、4.0Vまで定電流定電圧充電を1時間行うことにより電圧を4.0Vに調整した。続いて、非水系リチウム型蓄電素子を60℃の恒温槽に20時間保管した。
<追加充放電工程>
エージング後の非水系リチウム型蓄電素子を25℃環境下、10Aで電圧2.5Vに到達するまで定電流放電を行った後、2.5Vから3.9Vまで10Aで充電し、その後、10Aで2.5Vまで放電するという充放電工程を5回繰り返した。
<Aging process>
The non-aqueous lithium-type power storage element after lithium doping is subjected to constant current discharge at 0.7 A until the voltage reaches 3.0 V, and then constant current constant voltage charge up to 4.0 V for 1 hour. The voltage was adjusted to 4.0V. Subsequently, the non-aqueous lithium-type power storage element was stored in a constant temperature bath at 60 ° C. for 20 hours.
<Additional charge / discharge process>
After aging, the non-aqueous lithium-type power storage element is discharged at 10 A at 10 A with a constant current until it reaches a voltage of 2.5 V, then charged at 10 A from 2.5 V to 3.9 V, and then charged at 10 A. The charge / discharge process of discharging to 2.5 V was repeated 5 times.
<ガス抜き工程>
追加充放電工程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。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、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。
<Degassing process>
A part of the aluminum laminate packaging material was opened in a dry air environment with a temperature of 25 ° C. and a dew point of −40 ° C. for the non-aqueous lithium-type power storage element after the additional charge / discharge step. Subsequently, the non-aqueous lithium-type power storage element was placed in the decompression chamber, and the pressure was reduced from atmospheric pressure to -80 kPa using a diaphragm pump (N816.3KT.45.18) manufactured by KNF for 3 minutes. The process of returning to atmospheric pressure over 3 minutes 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 then the aluminum laminate packaging material was sealed by sealing at 200 ° C. for 10 seconds at a pressure of 0.1 MPa.
<正極活物質層、及び負極活物質層の解析>
完成した非水系リチウム型蓄電素子を2.9Vに調整した後、23℃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正極を取り出した。取り出した正極を、ジメチルカーボネート(DMC)で浸漬洗浄した後、大気非暴露を維持した状態でサイドボックス中で真空乾燥させた。
乾燥後の正極を、大気非暴露を維持した状態でサイドボックスからArボックスに移し、重水で浸漬抽出して、正極抽出液を得た。抽出液の解析は、IC/MSにて行い、求めた正極抽出液中の各化合物の濃度A(mol/ml)、抽出に用いた重水の体積B(ml)、及び抽出に用いた正極活物質層の質量C(g)から、下記数式1:
なお、抽出に用いた正極活物質層の質量は、以下の方法によって求めた。
重水抽出後に残った正極の集電体から正極活物質層を剥がし取り、該剥がし取った正極活物質層を、水洗した後、真空乾燥した。真空乾燥して得た正極活物質層を、NMP又はDMFにより洗浄した。続いて、得られた正極活物質層を再度真空乾燥した後、秤量することにより、抽出に用いた正極活物質層の質量を調べた。
<Analysis of positive electrode active material layer and negative electrode active material layer>
After adjusting the completed non-aqueous lithium-type power storage element to 2.9V, disassemble it in an Ar box installed in a room at 23 ° C and controlled at a dew point of -90 ° C or less and an oxygen concentration of 1 ppm or less, and take out the positive electrode. rice field. The removed positive electrode was immersed and washed with dimethyl carbonate (DMC), and then vacuum dried in a side box while maintaining no exposure to the atmosphere.
The dried positive electrode was transferred from the side box to the Ar box while being not exposed to the atmosphere, and immersed in heavy water for extraction to obtain a positive electrode extract. The extract was analyzed by IC / MS, and the concentration A (mol / ml) of each compound in the obtained positive electrode extract, the volume B (ml) of the heavy water used for the extraction, and the positive activity used for the extraction. From the mass C (g) of the material layer, the following formula 1:
The mass of the positive electrode active material layer used for extraction was determined by the following method.
The positive electrode active material layer was peeled off from the positive electrode current collector remaining after heavy water extraction, and the peeled positive electrode active material layer was washed with water and then vacuum dried. The positive electrode active material layer obtained by vacuum drying was washed with NMP or DMF. Subsequently, the obtained positive electrode active material layer was vacuum-dried again and then weighed to examine the mass of the positive electrode active material layer used for extraction.
以下、抽出液の解析方法を示す。
(IC/MS)
正極抽出液のIC/MS測定条件を以下に示す。
<IC>
装置:Tosoh, IC-2001
分離カラム:Tosoh, TSKgel Super IC-AP (4.6mmI.D.×75mm)
溶離液:1.7mM NaHCO3 + 1.8mM Na2CO3
流量:0.8mL/min
恒温槽:40℃
注入量:30μL
<MS>
装置:Waters, Synapt G2
イオン化:エレクトロスプレーイオン化(ESI)
スキャンレンジ:m/z 50~179
The analysis method of the extract is shown below.
(IC / MS)
The IC / MS measurement conditions of the positive electrode extract are shown below.
<IC>
Equipment: Tosoh, IC-2001
Separation column: Tosoh, TSKgel Super IC-AP (4.6 mm ID x 75 mm)
Eluent: 1.7 mM NaHCO 3 + 1.8 mM Na 2 CO 3
Flow rate: 0.8 mL / min
Constant temperature bath: 40 ° C
Injection volume: 30 μL
<MS>
Equipment: Waters, Synapt G2
Ionization: Electrospray ionization (ESI)
Scan range: m / z 50-179
前記条件で正極抽出液のIC/MS測定を実施したところ、主としてHOCH2CH2OSO3
-、CH3CH2OSO3
-、及びCH3OSO3
-が検出された。次いで、市販の試薬CH3CH2CH2SO3Naを用いた絶対検量線法による半定量により、各化合物の濃度Aを求めた。
なお、IC/MS分析結果からは、検出されたHOCH2CH2OSO3
-がLiOCH2CH2OSO3Li由来かHOCH2CH2OSO3Li由来かHOCH2CH2OSO3H由来かが判別できず、また、CH3CH2OSO3
-がCH3CH2OSO3Li由来かCH3CH2OSO3
-H由来かが判別できず、また、CH3OSO3
-がCH3OSO3Li由来かCH3OSO3H由来かが判別できない。しかしながら、電解質の存在を考慮して、それぞれ、LiOCH2CH2OSO3Li由来化合物、CH3CH2OSO3Li由来化合物、及びCH3OSO3Li由来化合物として取り扱った。
When IC / MS measurement of the positive electrode extract was carried out under the above conditions, HOCH 2 CH 2 OSO 3- , CH 3 CH 2 OSO 3- , and CH 3 OSO 3- were mainly detected. Next, the concentration A of each compound was determined by semi-quantification by an absolute calibration curve method using a commercially available reagent CH 3 CH 2 CH 2 SO 3 Na.
From the IC / MS analysis results, it is determined whether the detected HOCH 2 CH 2 OSO 3 − is derived from LiOCH 2 CH 2 OSO 3 Li or HOCH 2 CH 2 OSO 3 Li or HOCH 2 CH 2 OSO 3 H. It cannot be determined whether CH 3 CH 2 OSO 3 − is derived from CH 3 CH 2 OSO 3 Li or CH 3 CH 2 OSO 3 − H, and CH 3 OSO 3 − is derived from CH 3 OSO 3 Li. It cannot be determined whether it is derived from CH 3 OSO 3 H. However, considering the presence of the electrolyte, they were treated as LiOCH 2 CH 2 OSO 3 Li-derived compounds, CH 3 CH 2 OSO 3 Li-derived compounds, and CH 3 OSO 3 Li-derived compounds, respectively.
上記(IC/MS)の解析により求めた各化合物の抽出液中の濃度、及び抽出に用いた重水の体積、抽出に用いた正極活物質層質量より、上記の正極活物質層には、正極活物質層の単位質量当たりXOCH2CH2OSO3X(化合物(A))が0.50×10-5mol/g、CH3CH2OSO3X(化合物(B))が0.20×10-5mol/g、及びCH3OSO3X(化合物(C))が0.20×10-5mol/g存在した。
正極活物質層に含まれる化合物(A)~(C)の総量は0.9×10-5mol/gであった。
同様にして負極活物質層に含まれる化合物(A)~(C)の総量を求めたところ、0.4×10-5mol/gであった。
Based on the concentration of each compound in the extract obtained by the above (IC / MS) analysis, the volume of heavy water used for extraction, and the mass of the positive electrode active material layer used for extraction, the positive positive substance layer has a positive electrode. XOCH 2 CH 2 OSO 3 X (compound (A)) is 0.50 × 10-5 mol / g, CH 3 CH 2 OSO 3 X (compound (B)) is 0.20 × per unit mass of the active material layer. 10-5 mol / g and CH 3 OSO 3 X (compound (C)) were present at 0.20 × 10-5 mol / g.
The total amount of the compounds (A) to (C) contained in the positive electrode active material layer was 0.9 × 10-5 mol / g.
Similarly, when the total amount of the compounds (A) to (C) contained in the negative electrode active material layer was determined, it was 0.4 × 10 -5 mol / g.
[エネルギー密度の算出]
前記工程で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、2Cの電流値で4.2Vに到達するまで定電流充電を行い、続いて4.2Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分行った。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とし、F=Q/(4.2-2.2)により算出された静電容量F(F)を用いて、
E/V=F×(4.22-2.22)/2/3600/Vによりエネルギー密度を算出したところ47.9Wh/Lであった。
[Calculation of energy density]
The power storage element obtained in the above step reaches 4.2V at a current value of 2C using a charging / discharging device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Limited in a constant temperature bath set at 25 ° C. Constant current charging was performed until the voltage was increased, and then constant voltage charging was performed for a total of 30 minutes by applying a constant voltage of 4.2 V. After that, let Q be the capacitance when constant current discharge is performed with a current value of 2C up to 2.2V, and use the capacitance F (F) calculated by F = Q / (4.2-2.2). hand,
The energy density was calculated by E / V = F × (4.22-2-22) / 2/3600 / V and found to be 47.9 Wh / L.
[Ra・Fの算出]
前記工程で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4.2Vに到達するまで定電流充電し、続いて4.2Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分間行い、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=4.2-Eo、及びR=ΔE/(20C(電流値A))により常温内部抵抗Raを算出した。
静電容量Fと25℃における内部抵抗Raとの積Ra・Fは1.92ΩFであった。
[Calculation of Ra / F]
The power storage element obtained in the above step reaches 4.2V at a current value of 20C using a charging / discharging device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Co., Ltd. in a constant temperature bath set at 25 ° C. The constant current charge is performed until the current value is increased, and then the constant voltage charge of applying a constant voltage of 4.2 V is performed for a total of 30 minutes, and then the constant current discharge is performed at a current value of 20 C to 2.2 V, and the discharge curve ( Time-voltage) was obtained. In this discharge curve, the voltage at the discharge time = 0 second obtained by extrapolating from the voltage values at the time points of the discharge time of 2 seconds and 4 seconds is defined as Eo, the voltage drop ΔE = 4.2-Eo, and. The room temperature internal resistance Ra was calculated by R = ΔE / (20C (current value A)).
The product Ra · F of the capacitance F and the internal resistance Ra at 25 ° C. was 1.92 ΩF.
[Rc/Raの算出]
前記工程で得られた蓄電素子について、-30℃に設定した恒温槽内に2時間放置した後、恒温槽を-30℃に保ったまま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、1.0Cの電流値で4.2Vに到達するまで定電流充電し、続いて4.2Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で2時間行った。続いて、120C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)を得て、前記内部抵抗算出方法により低温内部抵抗Rcを算出した。
-30℃における内部抵抗Rcと25℃における内部抵抗Raの比Rc/Raは13.1であった。
[Calculation of Rc / Ra]
The power storage element obtained in the above step was left in a constant temperature bath set at -30 ° C for 2 hours, and then a charging / discharging device (5V, 5V, manufactured by Fujitsu Telecom Networks Limited) was maintained at the constant temperature bath at -30 ° C. Using 360A), constant current charging was performed with a current value of 1.0C until 4.2V was reached, followed by constant voltage charging to which a constant voltage of 4.2V was applied for a total of 2 hours. Subsequently, a constant current discharge was performed up to 2.2 V with a current value of 120 C to obtain a discharge curve (time-voltage), and the low temperature internal resistance Rc was calculated by the internal resistance calculation method.
The ratio Rc / Ra of the internal resistance Rc at −30 ° C. and the internal resistance Ra at 25 ° C. was 13.1.
[高温保存試験後のガス発生量]
前記工程で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3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3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。Vb-Vaにより求めたガス発生量は22.1×10-3cc/Fであった。
[Gas generation amount after high temperature storage test]
The power storage element obtained in the above step reaches 4.0 V at a current value of 100 C using a charging / discharging device (5V, 360A) manufactured by Fujitsu Telecom Networks Limited in a constant temperature bath set at 25 ° C. It was charged with a constant current until it was charged, and then a constant voltage charge of applying a constant voltage of 4.0 V was performed for a total of 10 minutes. Then, 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 3 months, and the cell volume Va before the start of the storage test and the cell volume Vb 3 months after the storage test were measured by the Archimedes method. The amount of gas generated by Vb-Va was 22.1 × 10 -3 cc / F.
[Rb/Raの算出]
前記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内部抵抗Rbを算出した。
このRb(Ω)を、前記[Ra・Fの算出]で求めた高温保存試験前の内部抵抗Ra(Ω)で除して算出した比Rb/Raは1.18であった。
[Fb/Faの算出]
前記高温保存試験後の蓄電素子に対して、前記[エネルギー密度の算出]と同様にして高温保存試験後の静電容量Fbを算出した。
このFb(Ω)を、前記[Ra・Fの算出]で求めた高温保存試験前の静電容量Fa(Ω)で除して算出した比Fb/Faは0.76であった。
[Calculation of Rb / Ra]
For the power storage element after the high temperature storage test, the room temperature internal resistance Rb after the high temperature storage test was calculated in the same manner as in the above [Calculation of Ra and F].
The ratio Rb / Ra calculated by dividing this Rb (Ω) by the internal resistance Ra (Ω) before the high temperature storage test obtained in the above [Calculation of Ra / F] was 1.18.
[Calculation of Fb / Fa]
For the power storage element after the high temperature storage test, the capacitance Fb after the high temperature storage test was calculated in the same manner as in the above [Calculation of energy density].
The ratio Fb / Fa calculated by dividing this Fb (Ω) by the capacitance Fa (Ω) before the high temperature storage test obtained in the above [Calculation of Ra / F] was 0.76.
(実施例2~34、及び比較例1~5)
実施例1において、負極、正極前駆体、非水系電解液中の添加剤をそれぞれ表1、3に記載のとおりとした他は、実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。評価結果は表2、4に示した。
(Examples 2 to 34 and Comparative Examples 1 to 5)
In Example 1, a non-aqueous lithium storage element was produced in the same manner as in Example 1 except that the additives in the negative electrode, the positive electrode precursor, and the non-aqueous electrolyte solution were as shown in Tables 1 and 3, respectively. , Various evaluations were performed. The evaluation results are shown in Tables 2 and 4.
(実施例35)
以下に記載するリチウムドープ工程以外は、実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。評価結果は表2に示した。
<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0.7Aで電圧4.7Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.7V定電圧充電を10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。
(Example 35)
A non-aqueous lithium-type power storage device was produced in the same manner as in Example 1 except for the lithium-doped step described below, and various evaluations were performed. The evaluation results are shown in Table 2.
<Lithium dope process>
For the obtained non-aqueous lithium type power storage element, use a charging / discharging device (TOSCAT-3100U) manufactured by Toyo System Co., Ltd. under a 25 ° C environment, with a current value of 0.7 A, until the voltage reaches 4.7 V. After the current charge, the initial charge was continuously performed by a method of continuing 4.7 V constant voltage charge for 10 hours, and the negative electrode was lithium-doped.
(実施例36)
以下に記載するリチウムドープ工程以外は、実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。評価結果は表2に示した。
<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0.7A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10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。
(Example 36)
A non-aqueous lithium-type power storage device was produced in the same manner as in Example 1 except for the lithium-doped step described below, and various evaluations were performed. The evaluation results are shown in Table 2.
<Lithium dope process>
For the obtained non-aqueous lithium type power storage element, use a charging / discharging device (TOSCAT-3100U) manufactured by Toyo Systems Co., Ltd. under a 25 ° C environment and a current value of 0.7 A until the voltage reaches 4.5 V. After the current charge, the initial charge was performed by the method of continuing the 4.5 V constant voltage charge for 10 hours, and the negative electrode was lithium-doped.
(実施例37)
以下に記載するリチウムドープ工程以外は、実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。評価結果は表2に示した。
<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0.7Aで電圧4.3Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.3V定電圧充電を10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。
(Example 37)
A non-aqueous lithium-type power storage device was produced in the same manner as in Example 1 except for the lithium-doped step described below, and various evaluations were performed. The evaluation results are shown in Table 2.
<Lithium dope process>
For the obtained non-aqueous lithium type power storage element, use a charging / discharging device (TOSCAT-3100U) manufactured by Toyo System Co., Ltd. under a 25 ° C environment and a current value of 0.7 A until the voltage reaches 4.3 V. After the current charge, the initial charge was continuously carried out by a method of continuing the 4.3 V constant voltage charge for 10 hours, and the negative electrode was lithium-doped.
(比較例6)
以下に記載するリチウムドープ工程以外は、実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。評価結果は表4に示した。
<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0.7Aで電圧4.9Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.9V定電圧充電を10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。
(Comparative Example 6)
A non-aqueous lithium-type power storage device was produced in the same manner as in Example 1 except for the lithium-doped step described below, and various evaluations were performed. The evaluation results are shown in Table 4.
<Lithium dope process>
For the obtained non-aqueous lithium type power storage element, use a charging / discharging device (TOSCAT-3100U) manufactured by Toyo System Co., Ltd. under a 25 ° C environment and a current value of 0.7 A until the voltage reaches 4.9 V. After the current charge, the initial charge was continuously performed by the method of continuing the 4.9 V constant voltage charge for 10 hours, and the negative electrode was lithium-doped.
(比較例7)
以下に記載するリチウムドープ工程以外は、実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。評価結果は表4に示した。
<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0.7Aで電圧4.1Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.1V定電圧充電を10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。
(Comparative Example 7)
A non-aqueous lithium-type power storage device was produced in the same manner as in Example 1 except for the lithium-doped step described below, and various evaluations were performed. The evaluation results are shown in Table 4.
<Lithium dope process>
For the obtained non-aqueous lithium type power storage element, use a charging / discharging device (TOSCAT-3100U) manufactured by Toyo Systems Co., Ltd. under a 25 ° C environment and a current value of 0.7 A until the voltage reaches 4.1 V. After the current charge, the initial charge was continuously carried out by a method of continuing 4.1 V constant voltage charge for 10 hours, and the negative electrode was lithium-doped.
(実施例38)
以下に記載するエージング工程以外は、実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。評価結果は表2に示した。
<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、0.7Aで電圧3.0Vに到達するまで定電流放電を行った後、4.2Vまで定電流定電圧充電を1時間行うことにより電圧を4.2Vに調整した。続いて、非水系リチウム型蓄電素子を60℃の恒温槽に20時間保管した。
(Example 38)
A non-aqueous lithium-type power storage device was produced in the same manner as in Example 1 except for the aging step described below, and various evaluations were performed. The evaluation results are shown in Table 2.
<Aging process>
The non-aqueous lithium-type power storage element after lithium doping is subjected to constant current discharge at 0.7 A until the voltage reaches 3.0 V, and then constant current constant voltage charge up to 4.2 V for 1 hour. The voltage was adjusted to 4.2V. Subsequently, the non-aqueous lithium-type power storage element was stored in a constant temperature bath at 60 ° C. for 20 hours.
(実施例39)
以下に記載するエージング工程以外は、実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。評価結果は表2に示した。
<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、0.7Aで電圧3.0Vに到達するまで定電流放電を行った後、3.6Vまで定電流定電圧充電を1時間行うことにより電圧を3.6Vに調整した。続いて、非水系リチウム型蓄電素子を60℃の恒温槽に20時間保管した。
(Example 39)
A non-aqueous lithium-type power storage device was produced in the same manner as in Example 1 except for the aging step described below, and various evaluations were performed. The evaluation results are shown in Table 2.
<Aging process>
The non-aqueous lithium-type power storage element after lithium doping is subjected to constant current discharge at 0.7 A until the voltage reaches 3.0 V, and then constant current constant voltage charge up to 3.6 V for 1 hour. The voltage was adjusted to 3.6V. Subsequently, the non-aqueous lithium-type power storage element was stored in a constant temperature bath at 60 ° C. for 20 hours.
(比較例8)
エージング工程を無くしたこと以外は、実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。評価結果は表4に示した。
(比較例9)
以下に記載するエージング工程以外は、実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。評価結果は表4に示した。
<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、0.7Aで電圧3.0Vに到達するまで定電流放電を行った後、4.4Vまで定電流定電圧充電を1時間行うことにより電圧を4.4Vに調整した。続いて、非水系リチウム型蓄電素子を60℃の恒温槽に20時間保管した。
(Comparative Example 8)
A non-aqueous lithium storage element was produced in the same manner as in Example 1 except that the aging step was eliminated, and various evaluations were performed. The evaluation results are shown in Table 4.
(Comparative Example 9)
A non-aqueous lithium-type power storage device was produced in the same manner as in Example 1 except for the aging step described below, and various evaluations were performed. The evaluation results are shown in Table 4.
<Aging process>
The non-aqueous lithium-type power storage element after lithium doping is subjected to constant current discharge at 0.7 A until the voltage reaches 3.0 V, and then constant current constant voltage charge up to 4.4 V for 1 hour. The voltage was adjusted to 4.4V. Subsequently, the non-aqueous lithium-type power storage element was stored in a constant temperature bath at 60 ° C. for 20 hours.
(実施例40)
[遷移金属酸化物を含有する正極前駆体Dの作製]
リチウム遷移金属酸化物として平均粒子径が4.0μmのLiNi0.80Co0.15Al0.05O2を用いたこと以外は正極前駆体Cと同様の方法で正極前駆体Dを作製し、実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。
(実施例41)
[遷移金属酸化物を含有する正極前駆体Eの作製]
リチウム遷移金属酸化物として平均粒子径が3.0μmのLiNi0.33Co0.33Mn0.33O2を用いたこと以外は正極前駆体Cと同様の方法で正極前駆体Eを作製し、実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。
(Example 40)
[Preparation of positive electrode precursor D containing transition metal oxide]
A positive electrode precursor D was prepared in the same manner as the positive electrode precursor C except that LiNi 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 having an average particle diameter of 4.0 μm was used as the lithium transition metal oxide. , A non-aqueous lithium-type power storage element was produced in the same manner as in Example 1, and various evaluations were performed.
(Example 41)
[Preparation of positive electrode precursor E containing transition metal oxide]
A positive electrode precursor E was prepared in the same manner as the positive electrode precursor C except that LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 having an average particle diameter of 3.0 μm was used as the lithium transition metal oxide. , A non-aqueous lithium-type power storage element was produced in the same manner as in Example 1, and various evaluations were performed.
(実施例42~51)
前記正極前駆体Aの製造工程において、塗工後の1次乾燥工程、プレス工程、2次乾燥工程をそれぞれ表5に示すとおりにしたこと以外は、実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。評価結果は表6に示した。
(Examples 42 to 51)
In the manufacturing process of the positive electrode precursor A, the non-aqueous lithium type is the same as in Example 1 except that the primary drying step, the pressing step, and the secondary drying step after coating are as shown in Table 5, respectively. A power storage element was manufactured and various evaluations were performed. The evaluation results are shown in Table 6.
(比較例10)
<正極前駆体Fの製造>
上記で得た活性炭Aを正極活物質として用いて正極前駆体を製造した。
活性炭Aを87.5質量部、KB(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2,500mPa・s、TI値は4.5であった。また、得られた塗工液の分散度をヨシミツ精機社製の粒ゲージを用いて測定した。その結果、粒度は35μm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。上記で得られた正極前駆体の正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、正極前駆体の任意の10か所で測定した厚さの平均値から、アルミニウム箔の厚さを引いて求めた。その結果、正極活物質層の膜厚は片面当たり110μmであった。上述の方法で目付を算出した結果、正極活物質層の目付は片面当たり52g・m-2であった。
(Comparative Example 10)
<Manufacturing of positive electrode precursor F>
The activated carbon A obtained above was used as a positive electrode active material to produce a positive electrode precursor.
87.5 parts by mass of activated carbon A, 3.0 parts by mass of KB (Ketchen Black), 1.5 parts by mass of PVP (polyvinylpyrrolidone), 8.0 parts by mass of PVDF (polyvinylidene fluoride), and NMP. (N-Methylpyrrolidone) was mixed, and the mixture was dispersed using a thin film swirl type high-speed mixer fill mix manufactured by PRIMIX under the condition of a peripheral speed of 15 m / s to obtain a coating liquid. 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 2,500 mPa · s, and the TI value was 4.5. In addition, the degree of dispersion of the obtained coating liquid was measured using a grain gauge manufactured by Yoshimitsu Seiki Co., Ltd. As a result, the particle size was 35 μm. The above coating liquid is applied to one or both sides of a 15 μm thick aluminum foil using a die coater manufactured by Toray Engineering Co., Ltd. under a coating speed of 1 m / s, dried at a drying temperature of 100 ° C., and a positive electrode precursor. Got 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 pressed portion of 25 ° C. The average thickness of the positive electrode active material layer of the positive electrode precursor obtained above was measured at any 10 points of the positive electrode precursor using a film thickness meter Linear Gauge Sensor GS-551 manufactured by Ono Keiki Co., Ltd. It was calculated by subtracting the thickness of the aluminum foil from the value. As a result, the film thickness of the positive electrode active material layer was 110 μm per one side. As a result of calculating the basis weight by the above method, the basis weight of the positive electrode active material layer was 52 g · m -2 per one side.
<負極Dの製造>
前記負極Aの製造において、負極集電体を厚さ15μmの貫通孔を持つ銅箔とした以外は同様の方法で負極Dを製造した。その結果、負極Cの負極活物質層の膜厚は片面当たりの厚さは40μmであった。
<負極Eの製造>
前記負極Cの製造において、負極集電体を厚さ15μmの貫通孔を持つ銅箔とした以外は同様の方法で負極Eを製造した。その結果、負極Dの負極活物質層の膜厚は片面当たりの厚さは25μmであった。
<蓄電素子の組立>
両面負極Dおよび両面正極前駆体を10cm×10cm(100cm2)にカットした。この両面負極Dの片面に、負極活物質Aの単位質量当たり380mAh/gに相当するリチウム金属箔を貼り付けた。最上面と最下面は片面正極前駆体を用い、更に前記リチウム貼り付け工程を経た両面負極21枚と両面正極前駆体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80℃、50Paで、60hr真空乾燥した。この電極積層体を、露点-45℃のドライ環境下にて、ラミネートフィルムから成る外装体内に挿入し、電極端子部およびボトム部の外装体3方を180℃、20sec、1.0MPaでヒートシールした。非水系電解液を注入して該外装体を密閉することにより、非水系リチウム型蓄電素子を組立てた。
<Manufacturing of negative electrode D>
In the production of the negative electrode A, the negative electrode D was manufactured by the same method except that the negative electrode current collector was a copper foil having a through hole with a thickness of 15 μm. As a result, the film thickness of the negative electrode active material layer of the negative electrode C was 40 μm per one side.
<Manufacturing of negative electrode E>
In the production of the negative electrode C, the negative electrode E was manufactured by the same method except that the negative electrode current collector was a copper foil having a through hole with a thickness of 15 μm. As a result, the film thickness of the negative electrode active material layer of the negative electrode D was 25 μm per one side.
<Assembly of power storage element>
The double-sided negative electrode D and the double-sided positive electrode precursor were cut into 10 cm × 10 cm (100 cm 2 ). A lithium metal foil corresponding to 380 mAh / g per unit mass of the negative electrode active material A was attached to one side of the double-sided negative electrode D. A single-sided positive electrode precursor is used for the uppermost surface and the lowermost surface, and 21 double-sided negative electrodes and 20 double-sided positive electrode precursors that have undergone the lithium pasting step are used. Laminated with a porous membrane separator sandwiched between them. 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 80 ° C. and 50 Pa for 60 hr. This electrode laminate is inserted into an exterior body made of a laminated film 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 heat-sealed at 180 ° C., 20 sec, and 1.0 MPa. did. A non-aqueous lithium-type power storage element was assembled by injecting a non-aqueous electrolyte solution and sealing the exterior body.
<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、45℃に設定した恒温槽内で21時間放置することで、負極にリチウムドープを行った。
<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セル電圧3.0Vに調整した後、45℃に設定した恒温槽内で24時間保存した。続いて、アスカ電子製の充放電装置を用いて、充電電流10A、放電電流10Aとし、下限電圧2.0V、上限電圧4.0Vの間で定電流充電、定電流放電による充放電サイクルを2回繰り返した。
蓄電素子組立、リチウムドープ工程、エージング工程を上記に記載する方法にした以外は実施例1と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。評価結果は表4に示した。
<Lithium dope process>
The obtained non-aqueous lithium-type power storage element was left to stand for 21 hours in a constant temperature bath set at 45 ° C. to perform lithium doping on the negative electrode.
<Aging process>
The lithium-doped non-aqueous lithium-type power storage device was adjusted to a cell voltage of 3.0 V, and then stored in a constant temperature bath set at 45 ° C. for 24 hours. Subsequently, using a charging / discharging device manufactured by Asuka Electronics, the charging current is 10A and the discharging current is 10A, and a constant current charging and a constant current discharging charging / discharging cycle are performed between the lower limit voltage of 2.0 V and the upper limit voltage of 4.0 V. Repeated times.
A non-aqueous lithium-type storage element was produced in the same manner as in Example 1 except that the method described above was used for the storage element assembly, the lithium doping process, and the aging process, and various evaluations were performed. The evaluation results are shown in Table 4.
<比較例11~13>
比較例15において、負極、正極前駆体、非水系電解液中の添加剤をそれぞれ表3に記載のとおりとした他は、比較例10と同様にして非水系リチウム型蓄電素子を作製し、各種の評価を行った。評価結果は表4に示した。
<Comparative Examples 11 to 13>
In Comparative Example 15, a non-aqueous lithium-type power storage element was produced in the same manner as in Comparative Example 10, except that the negative electrode, the positive electrode precursor, and the additives in the non-aqueous electrolyte solution were each as shown in Table 3. Was evaluated. The evaluation results are shown in Table 4.
表1又は3における添加剤の略称は、それぞれ以下の意味である。
[添加剤]
ESF:エチレンスルファート
PSF:1,2-プロピレンスルファート
TP:チオフェン
SFL:3-スルフォレン
PS:1,3-プロパンスルトン
PES:1-プロペン 1,3-スルトン
TEP:リン酸トリエチル
TMSP:ン酸トリス(トリメチルシリル)
TTPE:1,1,2,2テトラフルオロエチル2,2,3,3-テトラフルオロプロピルエーテル
TFEE:2,2,2-トリフルオロエチルエーテル
The abbreviations for additives in Table 1 or 3 have the following meanings, respectively.
[Additive]
ESF: Ethylene sultone PSF: 1,2-propylene sultone TP: Thiophene SFL: 3-Sulfolene PS: 1,3-Propane sultone PES: 1-Propene 1,3-Sultone TEP: Triethyl phosphate TMSP: Tris oxyphosphate (Trimethylsilyl)
TTPE: 1,1,2,2 tetrafluoroethyl 2,2,3,3-tetrafluoropropyl ether TFEE: 2,2,2-trifluoroethyl ether
本発明の非水系リチウム蓄電素子は、複数個の非水系リチウム蓄電素子を直列、又は並列に接続して蓄電モジュールを作ることができる。本発明の非水系リチウム蓄電素子及び前記蓄電モジュールは、高負荷充放電サイクル特性が求められる自動車のハイブリット駆動システムの電力回生システム、太陽光発電若しくは風力発電等の自然発電又はマイクログリッド等における電力負荷平準化システム、工場の生産設備等における無停電電源システム、マイクロ波送電又は電解共鳴等の電圧変動の平準化及びエネルギーの蓄電を目的とした非接触給電システム、振動発電等で発電した電力の利用を目的としたエナジーハーベストシステムに好適に利用できる。
本発明の非水系リチウム蓄電素子は、リチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン二次電池として適用したときに、本発明の効果が最大限に発揮されるため、好ましい。
In the non-aqueous lithium storage element of the present invention, a plurality of non-aqueous lithium storage elements can be connected in series or in parallel to form a storage module. The non-aqueous lithium power storage element and the power storage module of the present invention are a power regeneration system of a hybrid drive system of an automobile, which is required to have high load charge / discharge cycle characteristics, a natural power generation such as solar power generation or wind power generation, or a power load in a microgrid or the like. Leveling system, non-disruptive power supply system in factory production equipment, non-contact power supply system for leveling voltage fluctuations such as microwave transmission or electrolytic resonance and storage of energy, utilization of power generated by vibration power generation, etc. It can be suitably used for an energy harvest system for the purpose of.
The non-aqueous lithium storage element of the present invention is preferable because the effect of the present invention is maximized when applied as a lithium ion capacitor or a lithium ion secondary battery.
Claims (55)
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、正極活物質を含む正極活物質層とを有し、該正極活物質は活性炭を含み、
該負極活物質層及び該正極活物質層は、下記式(1):
で表される硫黄化合物を含み、
該正極活物質層に含まれる上記式(1)で表される硫黄化合物の総量が、該正極活物質層の単位質量当たり0.10×10-5mol/g~50×10-5mol/gであり、
該負極活物質層に含まれる上記式(1)で表される硫黄化合物の総量が、該負極活物質層の単位質量当たり0.10×10-5mol/g~40×10-5mol/gであり、かつ
該正極活物質層の単位質量当たりの含有量をA、
該負極活物質層の単位質量当たりの含有量をB、
としたとき0.50≦A/B≦12である非水系リチウム型蓄電素子。 A non-aqueous lithium storage element including an electrode laminate having a negative electrode, a positive electrode and a separator, a non-aqueous electrolyte solution, and an exterior body accommodating the electrode laminate and the non-aqueous electrolyte solution.
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 provided on one side or both sides of the positive electrode current collector, and the positive electrode active material contains activated carbon.
The negative electrode active material layer and the positive electrode active material layer have the following formula (1):
Contains sulfur compounds represented by
The total amount of the sulfur compound represented by the above formula (1) contained in the positive electrode active material layer is 0.10 × 10 -5 mol / g to 50 × 10 -5 mol / g per unit mass of the positive electrode active material layer. g,
The total amount of the sulfur compound represented by the above formula (1) contained in the negative electrode active material layer is 0.10 × 10 -5 mol / g to 40 × 10 -5 mol / g per unit mass of the negative electrode active material layer. g, and the content per unit mass of the positive electrode active material layer is A,
The content of the negative electrode active material layer per unit mass is B,
A non-aqueous lithium-type power storage element having 0.50 ≦ A / B ≦ 12.
で表される環状硫酸化合物を、前記非水系電解液の総量を基準として、0.1質量%~5質量%含有する、請求項1に記載の非水系リチウム型蓄電素子。 The non-aqueous electrolyte solution has the following formula (1-1):
The non-aqueous lithium-type power storage element according to claim 1, which contains the cyclic sulfuric acid compound represented by 1 in 0.1% by mass to 5% by mass based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution.
で表されるチオフェン化合物;
下記式(1-3):
で表されるスルトン化合物;
下記式(1-4):
で表されるスルトン化合物;
下記式(1-5):
で表される化合物;並びに
下記式(1-6):
で表される環状亜硫酸化合物から成る群から選択される少なくとも1つの含硫黄化合物を、前記非水系電解液の総量を基準として、0.1質量%~5質量%含有する、請求項1又は2に記載の非水系リチウム型蓄電素子。 The non-aqueous electrolyte solution has the following formula (1-2):
Thiophene compound represented by;
The following formula (1-3):
Sultone compound represented by;
The following formula (1-4):
Sultone compound represented by;
The following formula (1-5):
The compound represented by; and the following formula (1-6):
Claim 1 or 2 containing at least one sulfur-containing compound selected from the group consisting of the cyclic sulfite compound represented by the above in an amount of 0.1% by mass to 5% by mass based on the total amount of the non-aqueous electrolyte solution. The non-aqueous lithium-type power storage element described in 1.
前記式(1-3)で表されるスルトン化合物が、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-ペンタンスルトンであり、
前記式(1-4)で表されるスルトン化合物が、1,3-プロペンスルトン又は1,4-ブテンスルトンであり、
前記式(1-5)で表される化合物が、3-スルフォレンであり、かつ
前記式(1-6)で表される環状亜硫酸化合物が、亜硫酸エチレン、1,2-亜硫酸プロピレン又は1,3-亜硫酸プロピレンである、請求項3に記載の非水系リチウム型蓄電素子。 The thiophene compound represented by the above formula (1-2) is thiophene, 2-methylthiophene, 3-methylthiophene, 2-cyanothiophene, 3-cyanothiophene, 2,5-dimethylthiophene, 2-methoxythiophene, 3 -Methoxythiophene, 2-chlorothiophene, 3-chlorothiophene, 2-acetylthiophene or 3-acetylthiophene,
The sultone compound represented by the above formula (1-3) is 1,3-propane sultone, 2,4-butane sultone, 1,4-butane sultone, 1,3-butane sultone or 2,4-pentane sultone.
The sultone compound represented by the above formula (1-4) is 1,3-propene sultone or 1,4-butene sultone.
The compound represented by the formula (1-5) is 3-sulfolene, and the cyclic sulfite compound represented by the formula (1-6) is ethylene sulfite, 1,2-propylene sulfite or 1,3. -The non-aqueous lithium-type power storage element according to claim 3, which is propylene sulfite.
で表されるリン酸エステル化合物を、非水系電解液の総量を基準として、0.1質量%~3質量%含有する、請求項1~5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 formula (2):
The non-aqueous lithium-type storage storage according to any one of claims 1 to 5, which contains 0.1% by mass to 3% by mass of the phosphoric acid ester compound represented by element.
R31-O-R32 (3)
{式中、R31は、ハロゲン原子又は炭素数1~12のハロゲン化アルキル基であり、かつR32は、水素原子、ハロゲン原子、炭素数1~12のアルキル基、又は炭素数1~12のハロゲン化アルキル基である。}
で表される非環状含ハロゲンエーテルを、前記非水系電解液の総量を基準として、0.1質量%~3質量%含有する、請求項1~7のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。 The following formula (3):
R 31 -OR 32 (3)
{In the formula, R 31 is a halogen atom or a halogenated alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, and R 32 is a hydrogen atom, a halogen atom, an alkyl group having 1 to 12 carbon atoms, or 1 to 12 carbon atoms. Halogen alkyl group. }
The non-aqueous lithium according to any one of claims 1 to 7, wherein the acyclic halogen-containing ether represented by 1 is contained in an amount of 0.1% by mass to 3% by mass based on the total amount of the non-aqueous electrolytic solution. Type storage element.
Lix1CoO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1NiO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1NiyM1 (1-y)O2(式中、M1はCo、Mn、Al、Fe、Mg、及びTiから成る群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は、0≦x1≦2を満たし、かつyは0.2<y<0.97を満たす。)、
Lix1Ni1/3Co1/3Mn1/3O2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1MnO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
α-Lix1FeO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1VO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1CrO2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1Mn2O4(式中、x1は、0≦x1≦2を満たす。)、
Lix1M2 yMn(2-y)O4(M2はCo、Ni、Al、Fe、Mg、及びTiから成る群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は、0≦x1≦2を満たし、かつyは0.2<y<0.97を満たす。)、
Lix1NiaCobAl(1-a-b)O2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たし、かつa及びbは、それぞれ0.2<a<0.97、0.2<b<0.97を満たす。)、
Lix1NicCodMn(1-c-d)O2(式中、x1は、0≦x1≦2を満たし、かつc及びdは、それぞれ0.2<c<0.97、0.2<d<0.97を満たす。)、
Lix1M3PO4(式中、M3はCo、Ni、Fe、Mn、及びCuから成る群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、かつx1は、0≦x1≦2を満たす。)、及び
LizV2(PO4)3(式中、zは0≦z≦3を満たす)から成る群より選ばれる少なくとも1種のリチウム金属複合酸化物を含む、請求項24又は25に記載の非水系リチウム型蓄電素子。 The transition metal oxide
Li x1 CoO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 NiO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 Ny M 1 (1- y ) O 2 (In the formula, M 1 is at least one element selected from the group consisting of Co, Mn, Al, Fe, Mg, and Ti, and x1 is 0. ≦ x1 ≦ 2 and y satisfies 0.2 <y <0.97),.
Li x1 Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 MnO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
α-Li x1 FeO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 VO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 CrO 2 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 Mn 2 O 4 (in the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2),
Li x1 M 2 y Mn (2-y) O 4 (M 2 is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Al, Fe, Mg, and Ti, and x1 is 0 ≦ x 1 ≦. 2 and y satisfies 0.2 <y <0.97),
Li x1 Ni a Co b Al (1-ab) O 2 (In the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2, and a and b are 0.2 <a <0.97, 0., respectively. 2 <b <0.97),
Li x1 Ni c Cod Mn (1-c-d) O 2 (In the formula, x1 satisfies 0≤x1≤2, and c and d are 0.2 <c <0.97, 0., respectively. 2 <d <0.97),
Li x1 M 3 PO 4 (In the formula, M 3 is at least one element selected from the group consisting of Co, Ni, Fe, Mn, and Cu, and x1 satisfies 0≤x1≤2.) 24 or 25, wherein the lithium metal composite oxide is selected from the group consisting of Li z V 2 (PO 4 ) 3 (where z satisfies 0 ≦ z ≦ 3). Non-aqueous lithium-type power storage element.
(a)RaとFの積Ra・Fが0.5以上3.5以下である;
(b)E/Vが20以上80以下である;及び
(c)Rc/Raが30以下である;
を同時に満たす、請求項1~29のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。 The initial internal resistance at a cell voltage of 4.2 V is Ra (Ω), the capacitance is F (F), the amount of power is E (Wh), and the volume of the exterior body containing the electrode laminate is V. (L), where the internal resistance at an ambient temperature of −30 ° C. is Rc, the following requirements (a), (b) and (c):
(A) The product Ra / F of Ra and F is 0.5 or more and 3.5 or less;
(B) E / V is 20 or more and 80 or less; and (c) Rc / Ra is 30 or less;
The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of claims 1 to 29, which simultaneously satisfies the above conditions.
(d)Rb/Raが0.8以上3.0以下である;
(e)Fb/Faが0.5以上1.2以下である;並びに
(f)セル電圧4.2V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、請求項1~30のいずれか1項に記載の非水系リチウム型蓄電素子。 The initial internal resistance at a cell voltage of 4.2 V is Ra (Ω), the capacitance is Fa (F), the cell voltage is 4.2 V, and the internal resistance at 25 ° C after storage at an ambient temperature of 60 ° C for 2 months. When Rb (Ω) and capacitance are Fb (F), the following requirements (d), (e) and (f) are:
(D) Rb / Ra is 0.8 or more and 3.0 or less;
(E) Fb / Fa is 0.5 or more and 1.2 or less; and (f) The amount of gas generated when stored for 2 months at a cell voltage of 4.2 V and an environmental temperature of 60 ° C. is 30 × at 25 ° C. 10 -3 cc / F or less;
The non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of claims 1 to 30, which simultaneously satisfies the above conditions.
前記正極前駆体は、集電体と前記集電体上に配置された正極活物質層とを有し、
前記正極活物質層は、正極活物質、及びアルカリ金属化合物を含み、
前記正極活物質は、炭素材料を含み、かつ
下記の工程1)、2)、3)、4)及び5):
1)前記炭素材料を含む前記正極活物質と、前記アルカリ金属化合物とを混錬して、塗工液を作製する塗工液作製工程;
2)前記塗工液を前記集電体に塗布して正極前駆体を作製する塗布工程;
3)前記正極前駆体を45℃以上200℃以下の温度で乾燥する一次乾燥工程;
4)前記正極前駆体を0.5kN/cm2以上20kN/cm2以下の線圧でプレスするプレス工程;及び
5)前記正極前駆体を160℃以上250℃以下の温度で乾燥する二次乾燥工程;
を含む正極前駆体の製造方法。 A method for producing a positive electrode precursor, which is a precursor of the positive electrode constituting the non-aqueous lithium-type power storage element according to any one of claims 1 to 31.
The positive electrode precursor has a current collector and a positive electrode active material layer arranged on the current collector.
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material and an alkali metal compound, and contains.
The positive electrode active material contains a carbon material and has the following steps 1), 2), 3), 4) and 5) :.
1) A coating liquid preparation step of kneading the positive electrode active material containing the carbon material with the alkali metal compound to prepare a coating liquid;
2) A coating step of applying the coating liquid to the current collector to prepare a positive electrode precursor;
3) Primary drying step of drying the positive electrode precursor at a temperature of 45 ° C. or higher and 200 ° C. or lower;
4) Pressing step of pressing the positive electrode precursor at a linear pressure of 0.5 kN / cm 2 or more and 20 kN / cm 2 or less; and 5) Secondary drying of drying the positive electrode precursor at a temperature of 160 ° C. or higher and 250 ° C. or lower. Process;
A method for producing a positive electrode precursor including.
前記負極は、集電体と前記集電体上に配置された負極活物質層とを有し、
下記の工程1)、2)、3)、4)及び5):
1)炭素材料を含む負極活物質と、アルカリ金属化合物とを混錬して、塗工液を作製する塗工液作製工程;
2)前記塗工液を前記集電体に塗布して、負極を作製する塗布工程;
3)前記負極を45℃以上200℃以下の温度で乾燥する一次乾燥工程;
4)前記負極を0.5kN/cm2以上20kN/cm2以下の線圧でプレスするプレス工程;及び
5)前記負極を160℃以上250℃以下の温度で乾燥する二次乾燥工程;
を含む負極の製造方法。 The method for manufacturing a negative electrode constituting the non-aqueous lithium storage element according to any one of claims 1 to 31.
The negative electrode has a current collector and a negative electrode active material layer arranged on the current collector.
The following steps 1), 2), 3), 4) and 5):
1) A coating liquid preparation step of kneading a negative electrode active material containing a carbon material and an alkali metal compound to prepare a coating liquid;
2) A coating step of applying the coating liquid to the current collector to prepare a negative electrode;
3) Primary drying step of drying the negative electrode at a temperature of 45 ° C. or higher and 200 ° C. or lower;
4) Pressing step of pressing the negative electrode with a linear pressure of 0.5 kN / cm 2 or more and 20 kN / cm 2 or less; and 5) Secondary drying step of drying the negative electrode at a temperature of 160 ° C. or more and 250 ° C. or less;
A method for manufacturing a negative electrode including.
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