JP7710425B2 - Method for controlling charging and discharging of lithium secondary battery - Google Patents
Method for controlling charging and discharging of lithium secondary batteryInfo
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Description
本発明は、リチウム二次電池の充放電制御方法に関する。 The present invention relates to a method for controlling charging and discharging a lithium secondary battery.
近年、高容量化等を目的として、負極にSi含有材料を含む二次電池が知られている。Si含有材料は、高い理論容量を有する一方で、充放電サイクルに伴う膨張収縮(体積変化)が大きく、充放電サイクルに伴う容量維持率の低下が課題である(特許文献1~4参照)。これに関連して、特許文献1には、負極にLiXSiで表される負極活物質を含んだリチウム二次電池を、上記Xの値が0≦X≦2.33となる範囲で充放電することにより、充放電サイクルに伴う容量維持率の低下を抑制し得ることが記載されている。 In recent years, secondary batteries containing Si-containing materials in the negative electrode have been known for the purpose of increasing capacity, etc. Although the Si-containing materials have a high theoretical capacity, they undergo large expansion and contraction (volume change) with charge-discharge cycles, and the decrease in capacity retention rate with charge-discharge cycles is an issue (see Patent Documents 1 to 4). In this regard, Patent Document 1 describes that a lithium secondary battery containing a negative electrode active material represented by Li x Si in the negative electrode can be charged and discharged within a range where the value of X is 0≦X≦2.33, thereby suppressing the decrease in capacity retention rate with charge-discharge cycles.
近年、リチウム二次電池には、さらなる高エネルギー密度化やサイクル特性の向上が望まれている。本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、充放電サイクルに伴う体積変化が抑えられ、高エネルギー密度を長期に亘って発揮できるリチウム二次電池の充放電制御方法を提供することにある。 In recent years, there has been a demand for lithium secondary batteries with even higher energy density and improved cycle characteristics. The present invention was made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to provide a method for controlling the charge and discharge of a lithium secondary battery that can suppress volumetric changes associated with charge and discharge cycles and maintain a high energy density for a long period of time.
本発明者の鋭意検討により、負極にSi含有材料を含むリチウム二次電池で大きな体積変化が生じる要因として、SiそのものがLiと反応した際の膨張収縮が大きいことに加え、充放電電圧の分極が大きく、Liの固体内拡散が遅くなるために、反応のムラが起こり易いことが新たに判明した。そこで、高エネルギー密度が得られる電池構成とし、膨張収縮と分極とが共に小さく抑えられるSiの使用範囲で、二次電池を充放電することに想到した。そして、鋭意検討を重ね、本発明を完成させた。 Through intensive research by the inventors, it was newly discovered that factors that cause large volume changes in lithium secondary batteries containing Si-containing materials in the negative electrode include the large expansion and contraction that occurs when Si itself reacts with Li, as well as the large polarization of the charge/discharge voltage, which slows down the diffusion of Li within the solid, making the reaction prone to unevenness. Therefore, the inventors came up with the idea of creating a battery configuration that can obtain a high energy density, and charging and discharging the secondary battery within the range of Si usage in which both expansion and contraction and polarization are kept small. After extensive research, the inventors have completed the present invention.
本発明により、正極および負極を含む電極体と、非水電解質と、を備え、上記正極は、リチウム遷移金属複合酸化物を含み、上記リチウム遷移金属複合酸化物は、Niを含み、かつ全遷移金属元素に対するNiのモル比が70mol%以上であり、上記負極は、黒鉛と、Si含有材料と、を含み、上記黒鉛および上記Si含有材料の合計の質量を100質量%としたときに、上記Si含有材料に含まれるSiの割合が、20質量%以上70質量%以下であり、充電時に上記SiにLiが吸蔵されてLi-Si合金(LixSi)となるとき、上記Siに対するLiのモル比Xの最大値が、1.3以上1.9以下となるように充電制御し、上記モル比Xの制御範囲において、上記正極の容量に対する上記負極の容量の比が、1.0以上1.3以下である、リチウム二次電池の充放電制御方法が提供される。 The present invention provides a method for controlling the charge and discharge of a lithium secondary battery, comprising an electrode body including a positive electrode and a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte, the positive electrode including a lithium transition metal composite oxide, the lithium transition metal composite oxide including Ni, and a molar ratio of Ni to all transition metal elements being 70 mol% or more, the negative electrode including graphite and a Si-containing material, the ratio of Si included in the Si-containing material being 20 mass% or more and 70 mass% or less when the total mass of the graphite and the Si-containing material is taken as 100 mass%, and when Li is absorbed into the Si during charging to form a Li-Si alloy (LixSi), charging is controlled so that the maximum value of the molar ratio X of Li to Si is 1.3 or more and 1.9 or less, and within the control range of the molar ratio X, the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is 1.0 or more and 1.3 or less.
本発明によれば、負極におけるSiの含有割合を20質量%以上に増やし、Siの使用範囲をSiのモル比で1.3~1.9まで(Li12Si7相当まで)とし、かつ負極の容量に合わせて正極の設計を行うことで、例えば黒鉛のみを使用する場合と同等かそれ以上の高エネルギー密度を実現できる。また、例えば特許文献1に比べて充放電サイクルに伴う体積変化が抑えられ、高エネルギー密度を長期に亘って発揮できる。 According to the present invention, by increasing the content of Si in the negative electrode to 20 mass% or more, setting the molar ratio of Si to 1.3 to 1.9 (equivalent to Li 12 Si 7 ), and designing the positive electrode according to the capacity of the negative electrode, it is possible to realize a high energy density equal to or higher than that when only graphite is used. In addition, the volume change caused by the charge/discharge cycle is suppressed compared to, for example, Patent Document 1, and a high energy density can be exhibited for a long period of time.
以下、図面を参照しながら、ここで開示される技術の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けない電池の一般的な構成および製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Below, preferred embodiments of the technology disclosed herein will be described with reference to the drawings. Note that matters other than those specifically mentioned in this specification that are necessary for implementing the present invention (for example, the general configuration and manufacturing process of a battery that do not characterize the present invention) can be understood as design matters for a person skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be implemented based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電が可能な蓄電デバイス全般を指す用語であって、リチウム二次電池等のいわゆる蓄電池(化学電池)と、電気二重層キャパシタ等のキャパシタ(物理電池)と、を包含する概念である。また、本明細書において「リチウム二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオン(Liイオン)を利用し、正負極間におけるLiイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池全般をいう。また、本明細書において範囲を示す「A~B」の表記は、A以上B以下の意と共に、「Aより大きい」および「Bより小さい」の意を包含するものとする。 In this specification, the term "secondary battery" refers to any power storage device that can be repeatedly charged and discharged, and is a concept that encompasses so-called storage batteries (chemical batteries) such as lithium secondary batteries, and capacitors (physical batteries) such as electric double-layer capacitors. In addition, in this specification, "lithium secondary battery" refers to any secondary battery that uses lithium ions (Li ions) as electrolyte ions and realizes charging and discharging by the transfer of charge associated with Li ions between the positive and negative electrodes. In addition, the notation "A to B" indicating a range in this specification includes the meaning of A or more and B or less, as well as "greater than A" and "smaller than B."
図1は、リチウム二次電池100(以下、単に「電池100」ということがある。)の斜視図である。図2は、図1のII-II線に沿う模式的な縦断面図である。なお、以下の説明において、図面中の符号L、R、F、Rr、U、Dは、左、右、前、後、上、下を表し、図面中の符号X、Y、Zは、電池100の長辺方向、上記長辺方向と直交する短辺方向、上下方向を、それぞれ表すものとする。短辺方向Yは積層方向の一例である。ただし、これらは説明の便宜上の方向に過ぎず、電池100の設置形態を何ら限定するものではない。 Figure 1 is a perspective view of a lithium secondary battery 100 (hereinafter sometimes simply referred to as "battery 100"). Figure 2 is a schematic longitudinal sectional view taken along line II-II in Figure 1. In the following description, the symbols L, R, F, Rr, U, and D in the drawings represent left, right, front, rear, top, and bottom, and the symbols X, Y, and Z in the drawings represent the long side direction of battery 100, the short side direction perpendicular to the long side direction, and the up-down direction, respectively. The short side direction Y is an example of a stacking direction. However, these directions are merely provided for the sake of convenience in the description, and do not limit the installation form of battery 100 in any way.
図2に示すように、電池100は、外装体10と、電極体20と、正極端子30と、負極端子40と、非水電解質(図示せず)と、を備えている。電池100は、電極体20と非水電解質とが外装体10の内部に収容されて構成されている。 As shown in FIG. 2, the battery 100 includes an exterior body 10, an electrode body 20, a positive electrode terminal 30, a negative electrode terminal 40, and a non-aqueous electrolyte (not shown). The battery 100 is configured such that the electrode body 20 and the non-aqueous electrolyte are housed inside the exterior body 10.
外装体10は、電極体20と図示しない非水電解質とを収容する筐体である。図1に示すように、外装体10は、ここでは扁平かつ有底の直方体形状(角形)に形成されている。電池100は、角形の外装体10を備えた角形二次電池であることが好ましい。ただし、外装体10の形状は角形に限定されず、円柱や袋状等の任意の形状であってよい。外装体10の材質は、従来から使用されているものと同じでよく、特に制限はない。外装体10は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼等の軽量で熱伝導性の良い金属材料で構成されている。外装体10は、所謂、ラミネートフィルム、例えば、アルミニウムを含む金属層と、樹脂を含む融着層と、を有するアルミラミネートフィルムであってもよい。 The exterior body 10 is a housing that contains the electrode body 20 and a non-aqueous electrolyte (not shown). As shown in FIG. 1, the exterior body 10 is formed in a flat, bottomed rectangular parallelepiped shape (square). The battery 100 is preferably a square secondary battery equipped with a square exterior body 10. However, the shape of the exterior body 10 is not limited to a square shape, and may be any shape such as a cylinder or a bag shape. The material of the exterior body 10 may be the same as that used conventionally, and is not particularly limited. The exterior body 10 is made of a lightweight metal material with good thermal conductivity, such as aluminum, an aluminum alloy, or stainless steel. The exterior body 10 may be a so-called laminate film, for example, an aluminum laminate film having a metal layer containing aluminum and a fusion layer containing resin.
図2に示すように、外装体10は、ここでは、開口部12hを有するケース本体12と、開口部12hを塞ぐ蓋体(封口板)14と、を備えている。ケース本体12は、図1に示すように、平板状の底壁12aと、底壁12aから延び相互に対向する一対の長側壁12bと、底壁12aから延び相互に対向する一対の短側壁12cと、を備えている。蓋体14は、ケース本体12の開口部12hを塞ぐようにケース本体12に取り付けられている。蓋体14は、ケース本体12の底壁12aと対向している。外装体10は、ケース本体12の開口部12hの周縁に蓋体14が接合(例えば溶接接合)されることによって、一体化されている。外装体10は、気密に封止(密閉)されている。 2, the exterior body 10 here includes a case body 12 having an opening 12h, and a lid (sealing plate) 14 that closes the opening 12h. As shown in FIG. 1, the case body 12 includes a flat bottom wall 12a, a pair of long side walls 12b that extend from the bottom wall 12a and face each other, and a pair of short side walls 12c that extend from the bottom wall 12a and face each other. The lid 14 is attached to the case body 12 so as to close the opening 12h of the case body 12. The lid 14 faces the bottom wall 12a of the case body 12. The exterior body 10 is integrated by joining (e.g., welding) the lid 14 to the periphery of the opening 12h of the case body 12. The exterior body 10 is hermetically sealed (sealed).
電極体20は、正極および負極(図示せず)を有する。電極体20は、例えば、方形状(典型的には矩形状)の正極と、方形状(典型的には矩形状)の負極とが、セパレータを介して積層方向に積み重ねられてなる積層電極体であってもよいし、帯状の正極と帯状の負極とが帯状のセパレータを介して積層され、捲回軸を中心として捲回されてなる捲回電極体であってもよい。 The electrode body 20 has a positive electrode and a negative electrode (not shown). The electrode body 20 may be, for example, a laminated electrode body in which a square-shaped (typically rectangular) positive electrode and a square-shaped (typically rectangular) negative electrode are stacked in the stacking direction with a separator between them, or a wound electrode body in which a strip-shaped positive electrode and a strip-shaped negative electrode are stacked with a strip-shaped separator between them and wound around a winding axis.
正極は、図2に示すように、正極集電体21と、正極集電体21の少なくとも一方の表面上に固着された正極活物質層(図示せず)と、を有する。正極集電体21は、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ステンレス鋼等の導電性金属からなっている。正極の密度(正極活物質層の平均充填密度)は、3.2g/cm3以上が好ましい。正極の密度を所定値以上とすることで、高容量の負極に合わせた正極の容量設計が容易となる。後述するSiの使用範囲において、正極の容量は180mAh/g以上であることが好ましい。 As shown in FIG. 2, the positive electrode has a positive electrode collector 21 and a positive electrode active material layer (not shown) fixed on at least one surface of the positive electrode collector 21. The positive electrode collector 21 is made of a conductive metal such as aluminum, an aluminum alloy, nickel, or stainless steel. The density of the positive electrode (average packing density of the positive electrode active material layer) is preferably 3.2 g/cm 3 or more. By setting the density of the positive electrode to a predetermined value or more, it becomes easy to design the capacity of the positive electrode in accordance with a high-capacity negative electrode. In the range of use of Si described later, the capacity of the positive electrode is preferably 180 mAh/g or more.
正極活物質層は、電荷担体を可逆的に吸蔵および放出可能な正極活物質を含んでいる。正極活物質は、高Ni含有リチウム遷移金属複合酸化物、すなわち、リチウム遷移金属複合酸化物は、Niを必須として含み、かつ全遷移金属元素に対するNiのモル比が70mol%以上であるリチウム遷移金属複合酸化物を含んでいる。高Ni含有リチウム遷移金属複合酸化物は、層状化合物であることが好ましく、LiaMO2(ただし、aは、0<a<2であり、Mは、Niを含む、1種または2種以上の遷移金属である。)で表される化合物であることがより好ましい。高Ni含有リチウム遷移金属複合酸化物において、全遷移金属元素に対するNiのモル比は、80mol%以上がより好ましく、85mol%以上がさらに好ましく、90mol%以上が特に好ましい。この理由について、図3を参照しつつ説明する。 The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material capable of reversibly absorbing and releasing charge carriers. The positive electrode active material is a high Ni-containing lithium transition metal composite oxide, that is, the lithium transition metal composite oxide contains Ni as an essential component and contains a lithium transition metal composite oxide having a molar ratio of Ni to all transition metal elements of 70 mol% or more. The high Ni-containing lithium transition metal composite oxide is preferably a layered compound, and more preferably a compound represented by Li a MO 2 (wherein a is 0<a<2, and M is one or more transition metals including Ni). In the high Ni-containing lithium transition metal composite oxide, the molar ratio of Ni to all transition metal elements is more preferably 80 mol% or more, even more preferably 85 mol% or more, and particularly preferably 90 mol% or more. The reason for this will be explained with reference to FIG. 3.
図3は、充放電中のNi含有リチウム遷移金属複合酸化物のc軸長の変化を表すグラフである。図3に示すように、本発明者の検討によれば、高Ni含有リチウム遷移金属複合酸化物、すなわち、Niのモル比が70mol%以上、さらには80mol%以上(図3のNi80)であると、リチウム金属基準の電位が4.1V(vs.Li/Li+)以上になったとき、c軸に大きな収縮が生じる。これにより、後述する負極の膨張を好適に吸収して、電極体20の体積変化を緩和できる。この傾向は、Niのモル比が57mol%(図3のNi57)の場合は生じない。また、Niのモル比が90mol%以上(図3のNi92)の場合は、さらに顕著になる。これはNi比率が高い組成では上記電位でH3構造が現れ、その際に大きな収縮が起きるためである。 Figure 3 is a graph showing the change in c-axis length of Ni-containing lithium transition metal composite oxide during charging and discharging. As shown in Figure 3, according to the inventor's study, in a high Ni-containing lithium transition metal composite oxide, that is, when the Ni molar ratio is 70 mol% or more, or even 80 mol% or more (Ni80 in Figure 3), a large contraction occurs in the c-axis when the lithium metal reference potential becomes 4.1 V (vs. Li/Li+) or more. This allows the expansion of the negative electrode, which will be described later, to be absorbed favorably, and the volume change of the electrode body 20 can be mitigated. This tendency does not occur when the Ni molar ratio is 57 mol% (Ni57 in Figure 3). Moreover, when the Ni molar ratio is 90 mol% or more (Ni92 in Figure 3), it becomes even more remarkable. This is because in a composition with a high Ni ratio, the H3 structure appears at the above potential, and large contraction occurs at that time.
正極活物質の全質量を100質量%としたときに、高Ni含有リチウム遷移金属複合酸化物の割合は、60質量%以上であることが好ましく、80質量%以上であることがより好ましく、85質量%以上であることがさらに好ましい。 When the total mass of the positive electrode active material is taken as 100 mass%, the proportion of the high Ni-containing lithium transition metal composite oxide is preferably 60 mass% or more, more preferably 80 mass% or more, and even more preferably 85 mass% or more.
正極活物質層は、高Ni含有リチウム遷移金属複合酸化物以外の正極活物質や、正極活物質以外の任意成分、例えば、導電材、正極バインダ、各種添加成分等を含んでいてもよい。導電材としては、例えばアセチレンブラック(AB)等の炭素材料を使用し得る。正極活物質層は、正極バインダを含むことが好ましい。正極バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素樹脂を使用し得、なかでもPVdFを含むことが好ましい。 The positive electrode active material layer may contain a positive electrode active material other than the high Ni-containing lithium transition metal composite oxide, or any other component than the positive electrode active material, such as a conductive material, a positive electrode binder, or various additive components. As the conductive material, for example, a carbon material such as acetylene black (AB) may be used. It is preferable that the positive electrode active material layer contains a positive electrode binder. As the positive electrode binder, for example, a fluororesin such as polyvinylidene fluoride (PVdF) may be used, and it is particularly preferable that the positive electrode binder contains PVdF.
負極は、図2に示すように、負極集電体22と、負極集電体22の少なくとも一方の表面上に固着された負極活物質層(図示せず)と、を有する。負極集電体22は、例えば銅、銅合金、ニッケル、ステンレス鋼等の導電性金属からなっている。負極の密度(負極活物質層の平均充填密度)は、典型的には正極活物質層よりも小さく、1.4g/cm3以上が好ましい。これにより、高容量の負極の容量設計が容易となる。 As shown in Fig. 2, the negative electrode has a negative electrode current collector 22 and a negative electrode active material layer (not shown) fixed on at least one surface of the negative electrode current collector 22. The negative electrode current collector 22 is made of a conductive metal such as copper, a copper alloy, nickel, or stainless steel. The density of the negative electrode (average packing density of the negative electrode active material layer) is typically smaller than that of the positive electrode active material layer, and is preferably 1.4 g/ cm3 or more. This makes it easier to design the capacity of a high-capacity negative electrode.
負極活物質層は、電荷担体を可逆的に吸蔵および放出可能な負極活物質を含んでいる。負極活物質は、黒鉛と、シリコンを含む化合物(Si含有材料)と、を含んでいる。Si含有材料としては、例えば、SiC、SiOx等、従来この種の用途に用いられている化合物を特に限定なく使用し得る。なかでも、SiCが好ましい。黒鉛は、例えばSiCのようにSi含有材料にコンポジット化された状態であってもよいし、Si含有材料とは別体でもよい。本実施形態では、黒鉛およびSi含有材料の合計の質量を100質量%としたときに、Si含有材料に含まれるSiの割合が、20~70質量%である。この理由について、表1、図4を参照しつつ説明する。 The negative electrode active material layer contains a negative electrode active material capable of reversibly absorbing and releasing charge carriers. The negative electrode active material contains graphite and a compound containing silicon (Si-containing material). As the Si-containing material, for example, compounds conventionally used for this type of application, such as SiC and SiOx, can be used without any particular limitations. Among them, SiC is preferable. The graphite may be in a composite state with the Si-containing material, such as SiC, or may be separate from the Si-containing material. In this embodiment, when the total mass of the graphite and the Si-containing material is 100 mass%, the proportion of Si contained in the Si-containing material is 20 to 70 mass%. The reason for this will be explained with reference to Table 1 and FIG. 4.
表1は、Siの含有割合と容量、エネルギー密度を纏めた表である。図4は、Siの含有割合とエネルギー密度との関係を表すグラフである。表1および図4に示すように、本発明者の検討によれば、Siの割合を20質量%以上に高めることにより、後述するSiの使用範囲を限定した充放電制御であっても、黒鉛のみを使用する場合(容量:372mAh/g、エネルギー密度:1.38Wh/g-負極活物質)と同等か、それ以上の高エネルギー密度を実現できる。Siの割合は、負極の膨張を抑制する観点から、70質量%であり、概ね50質量%以下、例えば30質量%以下であってもよい。 Table 1 is a table summarizing the Si content, capacity, and energy density. Figure 4 is a graph showing the relationship between the Si content and energy density. As shown in Table 1 and Figure 4, according to the inventor's study, by increasing the Si content to 20 mass% or more, a high energy density equivalent to or higher than that when only graphite is used (capacity: 372 mAh/g, energy density: 1.38 Wh/g-negative electrode active material) can be achieved, even with charge/discharge control that limits the range of Si use, as described below. The Si content is 70 mass% from the viewpoint of suppressing expansion of the negative electrode, and may be approximately 50 mass% or less, for example 30 mass% or less.
負極活物質層は、黒鉛およびSi含有材料以外の負極活物質や、負極活物質以外の任意成分、例えば、導電材、負極バインダ、各種添加成分等を含んでいてもよい。負極活物質層は、導電材を含むことが好ましい。導電材としては、例えば、アセチレンブラック(AB)やケッチェンブラック等のカーボンブラック、カーボンナノチューブ(CNT)、気相法炭素繊維(VGCF)等の炭素繊維、活性炭、黒鉛等の炭素材料を好適に使用し得、なかでも、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、および炭素繊維のうちの少なくとも1つを含むことが好ましい。これにより、Si含有材料の導電性を好適に高めて内部抵抗を低減すると共に、体積変化を緩和できる。 The negative electrode active material layer may contain a negative electrode active material other than graphite and a Si-containing material, or any other component than the negative electrode active material, such as a conductive material, a negative electrode binder, or various additive components. The negative electrode active material layer preferably contains a conductive material. As the conductive material, for example, carbon black such as acetylene black (AB) or Ketjen black, carbon nanotubes (CNT), carbon fibers such as vapor grown carbon fiber (VGCF), activated carbon, graphite, or other carbon materials can be suitably used, and among them, it is preferable to include at least one of carbon black, carbon nanotubes, and carbon fibers. This can suitably increase the conductivity of the Si-containing material, reduce internal resistance, and mitigate volume change.
負極活物質層は、負極バインダを含むことが好ましい。負極バインダとしては、例えば、セルロース系バインダ、ポリアクリル系バインダ、ゴム系バインダ、等を使用し得る。これらの負極バインダとしては、従来からリチウム二次電池で用いられているものを特に制限なく使用できる。負極活物質層は、セルロース系バインダ、ポリアクリル系バインダ、およびゴム系バインダのうちの少なくとも1つを含むことが好ましく、セルロース系バインダと、ポリアクリル系バインダと、ゴム系バインダと、をいずれも含むことがより好ましい。また、負極の固形分全体を100質量%としたときに、セルロース系バインダ、ポリアクリル系バインダ、およびゴム系バインダの割合は、それぞれ、0.5~3質量%であることが好ましい。これにより、充放電に伴うSi含有材料の膨張・収縮に追従しやすくなり、サイクル特性を向上できる。 The negative electrode active material layer preferably contains a negative electrode binder. For example, a cellulose-based binder, a polyacrylic-based binder, a rubber-based binder, etc. can be used as the negative electrode binder. Any negative electrode binder that has been used in lithium secondary batteries can be used as the negative electrode binder without any particular restrictions. The negative electrode active material layer preferably contains at least one of a cellulose-based binder, a polyacrylic-based binder, and a rubber-based binder, and more preferably contains all of a cellulose-based binder, a polyacrylic-based binder, and a rubber-based binder. In addition, when the total solid content of the negative electrode is taken as 100 mass%, the proportions of the cellulose-based binder, the polyacrylic-based binder, and the rubber-based binder are preferably 0.5 to 3 mass%, respectively. This makes it easier to follow the expansion and contraction of the Si-containing material accompanying charge and discharge, and improves the cycle characteristics.
セルロース系バインダは、β-グルコースを少なくとも繰り返し単位として含む直鎖の重合体およびその誘導体の全般を包含する。典型的には、繰り返し単位であるβ-グルコース構造におけるヒドロキシ基の一部または全部をアルコキシ基に置換した化合物およびその誘導体である。セルロース系バインダとしては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、カルボキシエチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等を使用し得、なかでもCMCが好ましい。 Cellulosic binders include all linear polymers containing at least β-glucose as a repeating unit and their derivatives. Typically, they are compounds in which some or all of the hydroxyl groups in the β-glucose structure, which is the repeating unit, are replaced with alkoxy groups, and their derivatives. Examples of cellulose binders that can be used include carboxymethyl cellulose (CMC), carboxyethyl cellulose, and hydroxyethyl cellulose, with CMC being the most preferred.
ポリアクリル系バインダは、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステルおよびアクリロニトリルからなる群より選択される少なくとも1種の単量体が重合することにより形成された高分子化合物の全般を包含する。ポリアクリル系バインダとしては、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル、アクリル酸塩、またはメタクリル酸塩の単位(以下「アクリル単位」という)を含む重合体(単独重合体または共重合体)等を使用し得、なかでもポリアクリル酸(PAA)が好ましい。共重合体としては、アクリル単位とスチレン単位を含む共重合体、アクリル単位とシリコン単位を含む共重合体、等を使用し得る。負極バインダにポリアクリル系バインダを含むことで、接着性を向上でき、充放電に伴って負極をスムーズに膨張・収縮させることができる。 The polyacrylic binder includes all polymeric compounds formed by polymerization of at least one monomer selected from the group consisting of acrylic acid esters, methacrylic acid esters, and acrylonitrile. As the polyacrylic binder, for example, a polymer (homopolymer or copolymer) containing units of acrylic acid, methacrylic acid, acrylic acid esters, methacrylic acid esters, acrylic acid salts, or methacrylic acid salts (hereinafter referred to as "acrylic units") can be used, and polyacrylic acid (PAA) is particularly preferred. As a copolymer, a copolymer containing acrylic units and styrene units, a copolymer containing acrylic units and silicon units, etc. can be used. By including a polyacrylic binder in the negative electrode binder, the adhesiveness can be improved, and the negative electrode can be smoothly expanded and contracted with charging and discharging.
ゴム系バインダは、主鎖に炭素-炭素二重結合を含むゴム状高分子材料全般を包含する。ゴム系バインダとしては、例えば、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ブチルゴム(IIR)、ブタジエンゴム(BR)、アクリロニトリルブタジエンゴム(NBR)等を使用し得る。負極バインダにゴム系バインダを含むことで、引張強度や弾性率を向上でき、特にポリアクリル系バインダと併用することで、サイクル劣化を効果的に抑制できる。また、内部抵抗の上昇が抑えられ、エネルギー密度やサイクル特性を向上できる。 Rubber-based binders include all rubber-like polymeric materials that contain carbon-carbon double bonds in the main chain. Examples of rubber-based binders that can be used include styrene butadiene rubber (SBR), butyl rubber (IIR), butadiene rubber (BR), and acrylonitrile butadiene rubber (NBR). By including a rubber-based binder in the negative electrode binder, the tensile strength and elastic modulus can be improved, and by using it in combination with a polyacrylic binder in particular, cycle deterioration can be effectively suppressed. In addition, an increase in internal resistance can be suppressed, and energy density and cycle characteristics can be improved.
セパレータは、正極の正極活物質層と負極の負極活物質層との間に介在し、これらを絶縁する部材である。セパレータとしては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン樹脂からなる樹脂製の多孔性シートが好適である。セパレータは、総厚みが20μm以下であることが好ましい。セパレータは、PEやPP等の樹脂製の多孔性シートからなる基材部と、基材部の少なくとも一方の表面上に設けられた耐熱層と、を有する耐熱セパレータであることが好ましい。 The separator is a member that is interposed between the positive electrode active material layer of the positive electrode and the negative electrode active material layer of the negative electrode, and insulates them. A suitable separator is, for example, a resin porous sheet made of a polyolefin resin such as polyethylene (PE) or polypropylene (PP). The separator preferably has a total thickness of 20 μm or less. The separator is preferably a heat-resistant separator having a substrate portion made of a resin porous sheet such as PE or PP, and a heat-resistant layer provided on at least one surface of the substrate portion.
図2に示すように、電極体20の長辺方向Xの中央部(斜線部)には、正極活物質層と負極活物質層とが絶縁された状態で積層された積層部が形成されている。一方、電極体20の長辺方向Xの左端部には、正極集電体21の一部分(正極集電体露出部)が積層部からはみ出している。正極集電体露出部には、正極リード部材23が付設されている。また、電極体20の長辺方向Xの右端部には、負極集電体22の一部分(負極集電体露出部)が積層部からはみ出している。負極集電体露出部には、負極リード部材24が付設されている。 As shown in FIG. 2, a laminated portion is formed in the center (shaded portion) of the long side direction X of the electrode body 20, in which the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer are laminated in an insulated state. Meanwhile, at the left end of the long side direction X of the electrode body 20, a part of the positive electrode collector 21 (positive electrode collector exposed portion) protrudes from the laminated portion. A positive electrode lead member 23 is attached to the positive electrode collector exposed portion. Also, at the right end of the long side direction X of the electrode body 20, a part of the negative electrode collector 22 (negative electrode collector exposed portion) protrudes from the laminated portion. A negative electrode lead member 24 is attached to the negative electrode collector exposed portion.
正極端子30および負極端子40は、図1に示すように、蓋体14の長辺方向Xの両端部に配置されている。正極端子30および負極端子40は、外装体10の外部に突出している。正極端子30および負極端子40は、ここでは、外装体10の同じ面(具体的には蓋体14)からそれぞれ突出している。ただし、正極端子30および負極端子40は、外装体10の異なる面からそれぞれ突出していてもよい。図2に示すように、正極端子30は、外装体10の内部で、正極リード部材23を介して、電極体20の正極と電気的に接続されている。負極端子40は、外装体10の内部で、負極リード部材24を介して、電極体20の負極と電気的に接続されている。 As shown in FIG. 1, the positive electrode terminal 30 and the negative electrode terminal 40 are disposed at both ends of the long side direction X of the lid 14. The positive electrode terminal 30 and the negative electrode terminal 40 protrude to the outside of the exterior body 10. Here, the positive electrode terminal 30 and the negative electrode terminal 40 each protrude from the same surface of the exterior body 10 (specifically, the lid 14). However, the positive electrode terminal 30 and the negative electrode terminal 40 may each protrude from different surfaces of the exterior body 10. As shown in FIG. 2, the positive electrode terminal 30 is electrically connected to the positive electrode of the electrode body 20 through the positive electrode lead member 23 inside the exterior body 10. The negative electrode terminal 40 is electrically connected to the negative electrode of the electrode body 20 through the negative electrode lead member 24 inside the exterior body 10.
非水電解質は従来と同様でよく、特に制限はない。非水電解質は、例えば、非水系溶媒と支持塩とを含有する液状電解質(非水電解液)である。非水系溶媒は、例えば、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等のカーボネート類を含んでいる。支持塩は、例えば、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)等のフッ素含有リチウム塩である。ただし、非水電解質は、固体状(固体電解質)で、電極体20に一体化されていてもよい。 The non-aqueous electrolyte may be the same as that used in the past, and is not particularly limited. The non-aqueous electrolyte is, for example, a liquid electrolyte (non-aqueous electrolyte solution) containing a non-aqueous solvent and a supporting salt. The non-aqueous solvent contains, for example, carbonates such as ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate. The supporting salt is, for example, a fluorine-containing lithium salt such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ). However, the non-aqueous electrolyte may be in a solid state (solid electrolyte) and integrated with the electrode body 20.
以上のような電池100を充電すると、負極ではSiにLiが吸蔵され、Siが、Li-Si合金(LixSi)となる。図5は、Li-Si合金のLi挿入容量と膨張率(体積変化率)との関係を表すグラフである。図5に示すように、Siは、Liのモル比Xが大きい程、Li挿入容量が高くなるが、その一方で膨張率も大きくなる。そこで、本実施形態では、充電時のSiの使用範囲を、Siに対するLiのモル比Xの最大値が1.3~1.9となるよう(Li12Si7相当まで)に制御する。これにより、充放電サイクルに伴う体積変化が抑えられ、高エネルギー密度を長期に亘って発揮できる。上記効果を高いレベルで発揮する観点から、モル比Xの最大値は、1.5~1.8の範囲がより好ましい。高エネルギー密度化の観点から、モル比Xの最大値は、1.6以上、1.7以上であってもよい。 When the battery 100 described above is charged, Li is absorbed in Si at the negative electrode, and Si becomes a Li-Si alloy (LixSi). FIG. 5 is a graph showing the relationship between the Li insertion capacity and the expansion rate (volume change rate) of the Li-Si alloy. As shown in FIG. 5, the larger the molar ratio X of Li, the higher the Li insertion capacity of Si, but on the other hand, the expansion rate also increases. Therefore, in this embodiment, the range of use of Si during charging is controlled so that the maximum value of the molar ratio X of Li to Si is 1.3 to 1.9 (up to Li 12 Si 7 ). This suppresses volume change associated with charge and discharge cycles, and high energy density can be exhibited for a long period of time. From the viewpoint of exhibiting the above effect at a high level, the maximum value of the molar ratio X is more preferably in the range of 1.5 to 1.8. From the viewpoint of increasing energy density, the maximum value of the molar ratio X may be 1.6 or more, or 1.7 or more.
一方、電池100を放電すると、負極ではLi-Si合金(LixSi)からLiが放出される。放電時のSiの使用範囲は、Siに対するLiのモル比Xの最小値が0となるよう(Si相当まで)に制御してもよい。 On the other hand, when the battery 100 is discharged, Li is released from the Li-Si alloy (LixSi) at the negative electrode. The range of Si used during discharge may be controlled so that the minimum value of the molar ratio X of Li to Si is 0 (up to the equivalent of Si).
充放電は、電圧制御が望ましい。図6は、負極にSi含有材料を含む二次電池の微分容量(dQ/dV)と電圧との関係を表すグラフである。「微分容量(dQ/dV)」は、単位電圧あたりの容量変化量を示す。dQ/dVが上昇しているピークは、何らかの原因で充放電が他の電圧領域に比べて活発に行われたことを示している。このような知見に基づいて、電圧制御においては、dQ/dVが上昇するピーク(図6の反応ピーク)を超えないように、例えば図6の矢印の電圧範囲で、充放電電圧を設定すればよい。充放電レート(Cレート)は、0.2C以上であるとよく、0.3C以上がより好ましい。充放電レートは、2C以下が好ましく、1C以下がさらに好ましい。 Voltage control is desirable for charging and discharging. Figure 6 is a graph showing the relationship between differential capacity (dQ/dV) and voltage for a secondary battery containing a Si-containing material in the negative electrode. "Differential capacity (dQ/dV)" indicates the amount of capacity change per unit voltage. The peak where dQ/dV is rising indicates that charging and discharging was more active than other voltage regions for some reason. Based on this knowledge, in voltage control, the charging and discharging voltage may be set, for example, within the voltage range indicated by the arrow in Figure 6 so as not to exceed the peak where dQ/dV is rising (the reaction peak in Figure 6). The charging and discharging rate (C rate) is preferably 0.2C or more, and more preferably 0.3C or more. The charging and discharging rate is preferably 2C or less, and even more preferably 1C or less.
なお、Siに対するLiのモル比Xが1.3~1.9の場合の負極容量は、簡易には、Siの含有量に対する理論容量(表1参照)で求めることができる。また、より詳細には、Si含有材料を用いてLi金属を対極としたハーフセルを作製して初回充放電を行い、dQ/dV曲線(図6参照)ないしdV/dQ曲線を表すと、Si→Li2Siのピークと、Li2Si→Li3.25Siのピークとが、二つに分かれることから、これに基いてx=2.0(Li2Si)の容量(図6の矢印の範囲)を算出し、容量比率からモル比Xが1.3~1.9の場合の負極容量(初回負極放電容量)を求めることもできる。 In addition, the negative electrode capacity when the molar ratio X of Li to Si is 1.3 to 1.9 can be simply obtained from the theoretical capacity relative to the Si content (see Table 1). More specifically, when a half cell is prepared using a Si-containing material with Li metal as the counter electrode and the initial charge and discharge is performed, the dQ/dV curve (see FIG. 6) or the dV/dQ curve shows that the peak of Si→Li 2 Si and the peak of Li 2 Si→Li 3.25 Si are separated into two peaks. Based on this, the capacity (the range of the arrow in FIG. 6) at x=2.0 (Li 2 Si) can be calculated, and the negative electrode capacity (initial negative electrode discharge capacity) when the molar ratio X is 1.3 to 1.9 can also be obtained from the capacity ratio.
本実施形態では、上記モル比Xの制御範囲において、正極の容量に対する負極の容量の比(正負極容量比)が、1.0~1.3である。正負極容量比を上げるために負極の目付量を増やすと、エネルギー密度が低下する。そのため、正負極容量比は、1.3以上とする。また、正負極容量比が1.0未満になると、Li析出が起こりやすくなり、サイクル特性が低下する。そのため、正負極容量比は、1.0以上とする。上記効果を高いレベルで発揮する観点から、正負極容量比は、1.0~1.2がより好ましい。正負極容量比は、例えば高電流充放電時の容量比率の変化等を考慮すると、1.05以上が好ましく、1.1以上がさらに好ましい。 In this embodiment, in the control range of the molar ratio X, the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode (positive/negative electrode capacity ratio) is 1.0 to 1.3. If the weight of the negative electrode is increased to increase the positive/negative electrode capacity ratio, the energy density decreases. Therefore, the positive/negative electrode capacity ratio is set to 1.3 or more. Furthermore, if the positive/negative electrode capacity ratio is less than 1.0, Li deposition is likely to occur, and cycle characteristics decrease. Therefore, the positive/negative electrode capacity ratio is set to 1.0 or more. From the viewpoint of exerting the above effect at a high level, the positive/negative electrode capacity ratio is more preferably 1.0 to 1.2. Considering, for example, changes in the capacity ratio during high current charging/discharging, the positive/negative electrode capacity ratio is preferably 1.05 or more, and more preferably 1.1 or more.
なお、正負極容量比は、正極の容量と負極の容量とを別々に求め、次式:負極の容量÷正極容量;で求めることができる。正極の容量は、Li金属を対極としたハーフセルを作製して、フルセルと対応する電圧範囲(例えば2.5~4.3V)の電圧範囲で初回充電を行ったときの容量(初回正極充電容量)で求められる。負極の容量は、上記したSi使用容量(Siに対するLiのモル比Xが1.3~1.9の場合の初回負極放電容量)と、Siの使用電圧範囲(上記モル比Xの制御範囲)における黒鉛の容量)と、を合計することで求められる。なお、負極の充放電の不可逆容量が正極よりも多い場合には、不可逆容量を引いた上で求めることが好ましい。 The positive/negative electrode capacity ratio can be calculated by calculating the capacity of the positive electrode and the capacity of the negative electrode separately and using the following formula: negative electrode capacity ÷ positive electrode capacity. The capacity of the positive electrode is calculated by preparing a half cell with Li metal as the counter electrode and performing the initial charge in a voltage range corresponding to the full cell (for example, 2.5 to 4.3 V) (initial positive electrode charge capacity). The capacity of the negative electrode is calculated by adding up the above-mentioned Si usage capacity (initial negative electrode discharge capacity when the molar ratio X of Li to Si is 1.3 to 1.9) and the graphite capacity in the Si usage voltage range (control range of the above molar ratio X). When the irreversible capacity of the charge/discharge of the negative electrode is greater than that of the positive electrode, it is preferable to calculate the capacity after subtracting the irreversible capacity.
電池100は各種用途に利用可能であるが、例えば、乗用車、トラック等の車両に搭載されるモータ用の動力源(駆動用電源)として好適に用いることができる。車両の種類は特に限定されないが、例えば、プラグインハイブリッド自動車(PHEV;Plug-in Hybrid Electric Vehicle)、ハイブリッド自動車(HEV;Hybrid Electric Vehicle)、電気自動車(BEV;Battery Electric Vehicle)等が挙げられる。 The battery 100 can be used for various purposes, but can be suitably used, for example, as a power source (driving power source) for a motor mounted on a vehicle such as a passenger car or truck. The type of vehicle is not particularly limited, but examples include a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV), a hybrid electric vehicle (HEV), and a battery electric vehicle (BEV).
以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に限定することを意図したものではない。 The following describes some examples of the present invention, but is not intended to limit the present invention to these examples.
まず、正極活物質としてのNi含有リチウム遷移金属複合酸化物と、正極バインダとしてのPVdFと、を含む正極活物質層(密度:3.5g/cm3)を備えた正極を作製した。なお、Ni含有リチウム遷移金属複合酸化物は、全遷移金属元素に対するNiのモル比(%)を、表2に示す通りとした。また、表2に示す負極活物質と、負極バインダとしてのCMCとSBRとPAAと、導電材としてのカーボンブラックと、を含む負極活物質層(密度:1.6g/cm3)を備えた負極を作製した。なお、負極活物質全体に占めるSiの割合は、表2に示す通りとした。次に、これら正極および負極を矩形状に切りだし、セパレータを介して交互に積層して、表2に示す正負極容量比の電極体を作製した。 First, a positive electrode was prepared having a positive electrode active material layer (density: 3.5 g/cm 3 ) containing a Ni-containing lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material and PVdF as a positive electrode binder. The Ni-containing lithium transition metal composite oxide had a molar ratio (%) of Ni to all transition metal elements as shown in Table 2. A negative electrode was also prepared having a negative electrode active material layer (density: 1.6 g/cm 3 ) containing a negative electrode active material shown in Table 2, CMC, SBR, and PAA as negative electrode binders, and carbon black as a conductive material. The ratio of Si to the entire negative electrode active material was as shown in Table 2. Next, these positive and negative electrodes were cut into rectangular shapes and stacked alternately with separators interposed therebetween to prepare an electrode body having a positive and negative electrode capacity ratio as shown in Table 2.
次に、電池ケースとして、袋状のアルミラミネートフィルムを用意した。そして、ラミネートフィルムに、電極体と、電極体が浸漬する量の非水電解液を入れて封止した。これにより、ラミネートセルを作製した。 Next, a bag-shaped aluminum laminate film was prepared as a battery case. The electrode body and an amount of nonaqueous electrolyte that would immerse the electrode body were placed in the laminate film and sealed. This produced a laminate cell.
<初期特性の評価> 次に、作製したラミネートセルの上に、ラミネートセルを覆う面積の金属板(SUS板)を置き、その上に厚さ計を当てた。そして、0.2Cの充放電レートで、Siに対するLiのモル比Xが表2に示す範囲となるように初回充放電を行い、このときのエネルギー密度と、ラミネートセルの膨張率(厚みの変化率)を計測した。なお、比較例6については、実施例1と同様の電圧範囲で充放電を行った。結果を表2に示す。なお、表2において、エネルギー密度は、負極活物質の単位質量当たりで表している。また、膨張率は、充電時のものであり、充電前の厚みを基準(100%)とした割合で表している。 <Evaluation of initial characteristics> Next, a metal plate (SUS plate) with an area covering the laminate cell was placed on top of the prepared laminate cell, and a thickness gauge was placed on top of it. Then, the initial charge and discharge was performed at a charge and discharge rate of 0.2C so that the molar ratio X of Li to Si was in the range shown in Table 2, and the energy density and the expansion rate (rate of change in thickness) of the laminate cell at this time were measured. Note that for Comparative Example 6, charge and discharge were performed in the same voltage range as in Example 1. The results are shown in Table 2. Note that in Table 2, the energy density is expressed per unit mass of the negative electrode active material. Also, the expansion rate is during charging, and is expressed as a percentage of the thickness before charging (100%).
表2に示すように、負極活物質中のSiの割合が10質量%と低い比較例1、Siの使用範囲を、0≦x≦1.2と狭くした比較例2、正負極容量比を1.4と高くした比較例4、Niのモル比が57mol%と低い比較例5は、負極活物質として黒鉛のみを用いた比較例6に比べてエネルギー密度が低かった。また、Siの使用範囲を、0≦x≦2.0と広くした比較例3、負極活物質として黒鉛のみを用いた比較例6は、膨張率が高かった。比較例6(黒鉛100%)で膨張率が高かった理由として、黒鉛はSiと同様にStage構造を取り、中間のStage2以外は、Siほどではないものの膨張収縮を生じたことが考えられる。 As shown in Table 2, Comparative Example 1, in which the proportion of Si in the negative electrode active material is low at 10 mass%, Comparative Example 2, in which the range of Si use is narrowed to 0≦x≦1.2, Comparative Example 4, in which the positive/negative electrode capacity ratio is high at 1.4, and Comparative Example 5, in which the molar ratio of Ni is low at 57 mol%, had lower energy densities than Comparative Example 6, in which only graphite was used as the negative electrode active material. In addition, Comparative Example 3, in which the range of Si use is widened to 0≦x≦2.0, and Comparative Example 6, in which only graphite was used as the negative electrode active material, had high expansion coefficients. The reason for the high expansion coefficient in Comparative Example 6 (100% graphite) is that graphite has a stage structure like Si, and expansion and contraction occurred except for the intermediate Stage 2, although not as much as Si.
<サイクル特性の評価> 次に、0.2Cの充放電レートで、200サイクルの充放電サイクル試験を行い、サイクル膨張速度と容量維持率を測定した。なお、サイクル膨張速度は、横軸を√サイクルにした時の膨張量(%/Ah)の傾きである。結果を表2に示す。また、一例として、図7~図9には、15サイクルまでの結果を表している。図7は、実施例1と比較例6(黒鉛100%)のセルの厚さの推移を表すグラフである。図8は、比較例6(Siの使用範囲:0≦x≦2.0)のセルの厚さの推移を表すグラフである。また、図9は、実施例1と比較例6(黒鉛100%)の容量と容量維持率の推移を表すグラフである。なお、上述の通り、比較例6については、実施例1と同様の電圧範囲で充放電を行った。 <Evaluation of cycle characteristics> Next, a charge/discharge cycle test was performed for 200 cycles at a charge/discharge rate of 0.2C, and the cycle expansion rate and capacity retention rate were measured. The cycle expansion rate is the slope of the expansion amount (%/Ah) when the horizontal axis is √ cycles. The results are shown in Table 2. As an example, Figs. 7 to 9 show the results up to 15 cycles. Fig. 7 is a graph showing the change in cell thickness for Example 1 and Comparative Example 6 (100% graphite). Fig. 8 is a graph showing the change in cell thickness for Comparative Example 6 (Si use range: 0≦x≦2.0). Fig. 9 is a graph showing the change in capacity and capacity retention rate for Example 1 and Comparative Example 6 (100% graphite). As mentioned above, for Comparative Example 6, charging and discharging were performed in the same voltage range as for Example 1.
表2、図7に示すように、負極活物質として黒鉛のみを用いた比較例6は、Siを30質量%含んだ実施例1に比べてグラフの傾きが大きく、すなわち相対的にサイクル膨張速度が大きかった。また、表2、図7、図8に示すように、Siの使用範囲を、0≦x≦2.0として(Li13Si4相当までとして)充放電サイクルを行った比較例3は、Siの使用範囲を、0≦x≦1.7として(Li12Si7相当までとして)充放電サイクルを行った実施例1に比べてグラフの傾きが大きく、すなわち相対的にサイクル膨張速度が大きかった。また、表2、図9に示すように、比較例6(黒鉛100%)は、実施例1に比べて相対的に容量維持率が低かった。 As shown in Table 2 and FIG. 7, Comparative Example 6, which used only graphite as the negative electrode active material, had a larger gradient of the graph than Example 1, which contained 30 mass% Si, i.e., the cycle expansion rate was relatively high. Also, as shown in Table 2, FIG. 7 and FIG. 8, Comparative Example 3, which performed a charge-discharge cycle with the Si usage range of 0≦x≦2.0 (up to Li 13 Si 4 equivalent), had a larger gradient of the graph than Example 1, which performed a charge-discharge cycle with the Si usage range of 0≦x≦1.7 (up to Li 12 Si 7 equivalent), i.e., the cycle expansion rate was relatively high. Also, as shown in Table 2 and FIG. 9, Comparative Example 6 (100% graphite) had a relatively low capacity retention rate compared to Example 1.
これら比較例1~6に対して、実施例1、すなわち、Niのモル比が70mol%以上(ここでは85mol%)であり、Siの割合が20質量%以上(ここでは30質量%)であり、Siの使用範囲を0≦x≦1.7として(Li12Si7相当までとして)充放電サイクルを行い、かつ、正負極容量比を1.0以上(ここでは1.1)とした電池セルでは、比較例6(黒鉛100%)よりも絶対容量が多いにも関わらず、サイクル膨張速度が小さく、かつ容量維持率も優れていた。かかる結果は、ここに開示される技術の意義を示すものである。 In contrast to these Comparative Examples 1 to 6, Example 1, i.e., a battery cell in which the molar ratio of Ni is 70 mol% or more (here 85 mol%), the ratio of Si is 20 mass% or more (here 30 mass%), the range of Si use is 0≦x≦1.7 (up to Li 12 Si 7 equivalent), charge/discharge cycles are performed, and the positive/negative electrode capacity ratio is 1.0 or more (here 1.1), had a smaller cycle expansion rate and a superior capacity retention rate, despite having a larger absolute capacity than Comparative Example 6 (100% graphite). Such results demonstrate the significance of the technology disclosed herein.
以上の通り、ここで開示される技術の具体的な態様として、以下の各項に記載のものが挙げられる。
項1:正極および負極を含む電極体と、非水電解質と、を備え、上記正極は、リチウム遷移金属複合酸化物を含み、上記リチウム遷移金属複合酸化物は、Niを含み、かつ全遷移金属元素に対するNiのモル比が70mol%以上であり、上記負極は、黒鉛と、Si含有材料と、を含み、上記黒鉛および上記Si含有材料の合計の質量を100質量%としたときに、上記Si含有材料に含まれるSiの割合が、20質量%以上70質量%以下であり、充電時に上記SiにLiが吸蔵されてLi-Si合金(LixSi)となるとき、上記Siに対するLiのモル比Xの最大値が、1.3以上1.9以下となるように充電制御し、上記モル比Xの制御範囲において、上記正極の容量に対する上記負極の容量の比が、1.0以上1.3以下である、リチウム二次電池の充放電制御方法。
項2:上記負極は、負極バインダとして、セルロース系バインダ、ポリアクリル系バインダ、およびゴム系バインダのうちの少なくとも1つを含む、
項1に記載の充放電制御方法。
項3:上記負極バインダは、セルロース系バインダと、ポリアクリル系バインダと、ゴム系バインダと、を含み、上記負極の固形分全体を100質量%としたときに、上記セルロース系バインダ、上記ポリアクリル系バインダ、および上記ゴム系バインダの割合が、それぞれ、0.5質量%以上3質量%以下である、
項1または項2に記載の充放電制御方法。
項4:上記負極は、導電材として、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、および炭素繊維のうちの少なくとも1つを含む、
項1~項3のいずれか一つに記載の充放電制御方法。
項5:上記正極の密度が、3.2g/cm3以上である、
項1~項4のいずれか一つに記載の充放電制御方法。
項6:上記負極の密度が、1.4g/cm3以上である、
項1~項5のいずれか一つに記載の充放電制御方法。
As described above, specific aspects of the technology disclosed herein include those described in the following sections.
Item 1: A method for controlling charge and discharge of a lithium secondary battery comprising: an electrode assembly including a positive electrode and a negative electrode; and a non-aqueous electrolyte; wherein the positive electrode comprises a lithium transition metal composite oxide, the lithium transition metal composite oxide comprises Ni, and a molar ratio of Ni to all transition metal elements is 70 mol% or more; the negative electrode comprises graphite and a Si-containing material, and when the total mass of the graphite and the Si-containing material is taken as 100 mass%, a ratio of Si contained in the Si-containing material is 20 mass% or more and 70 mass% or less; and when Li is absorbed into the Si during charging to form a Li-Si alloy (LixSi), charging is controlled so that a maximum value of a molar ratio X of Li to Si is 1.3 or more and 1.9 or less; and within the control range of the molar ratio X, a ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is 1.0 or more and 1.3 or less.
Item 2: The negative electrode includes at least one of a cellulose-based binder, a polyacrylic-based binder, and a rubber-based binder as a negative electrode binder;
Item 2. The charge/discharge control method according to item 1.
Item 3: The negative electrode binder includes a cellulose-based binder, a polyacrylic-based binder, and a rubber-based binder, and when the total solid content of the negative electrode is 100 mass%, the proportions of the cellulose-based binder, the polyacrylic-based binder, and the rubber-based binder are each 0.5 mass% to 3 mass%.
Item 3. The charge/discharge control method according to item 1 or 2.
Item 4: The negative electrode contains at least one of carbon black, carbon nanotubes, and carbon fibers as a conductive material;
Item 4. The charge/discharge control method according to any one of items 1 to 3.
Item 5: The density of the positive electrode is 3.2 g/ cm3 or more.
Item 5. The charge/discharge control method according to any one of items 1 to 4.
Item 6: The density of the negative electrode is 1.4 g/ cm3 or more.
Item 6. The charge/discharge control method according to any one of items 1 to 5.
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は一例に過ぎない。本発明は、他にも種々の形態にて実施することができる。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。請求の範囲に記載の技術には、上記に例示した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。 The above describes an embodiment of the present invention, but the above embodiment is merely an example. The present invention can be embodied in various other forms. The present invention can be embodied based on the contents disclosed in this specification and the technical common sense in the relevant field. The technology described in the claims includes various modifications and variations of the above-exemplified embodiment.
10 外装体
20 電極体
100 電池(リチウム二次電池)
10: Exterior body 20: Electrode body 100: Battery (lithium secondary battery)
Claims (6)
前記正極は、リチウム遷移金属複合酸化物を含み、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、Niを含み、かつ全遷移金属元素に対するNiのモル比が70mol%以上であり、
前記負極は、黒鉛と、Si含有材料と、を含み、
前記黒鉛および前記Si含有材料の合計の質量を100質量%としたときに、前記Si含有材料に含まれるSiの割合が、20質量%以上70質量%以下であり、
充電時に前記SiにLiが吸蔵されてLi-Si合金(LixSi)となるとき、前記Siに対するLiのモル比Xの最大値が、1.5以上1.8以下となるように充電制御し、
前記モル比Xの制御範囲において、前記正極の容量に対する前記負極の容量の比が、1.0以上1.3以下である、
リチウム二次電池の充放電制御方法。 An electrode assembly including a positive electrode and a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte,
The positive electrode includes a lithium transition metal composite oxide,
The lithium transition metal composite oxide contains Ni, and a molar ratio of Ni to all transition metal elements is 70 mol % or more;
The negative electrode includes graphite and a Si-containing material,
When the total mass of the graphite and the Si-containing material is taken as 100 mass%, a ratio of Si contained in the Si-containing material is 20 mass% or more and 70 mass% or less,
When Li is absorbed into the Si during charging to form a Li-Si alloy (LixSi), charging is controlled so that the maximum value of the molar ratio X of Li to Si is 1.5 or more and 1.8 or less;
In the control range of the molar ratio X, the ratio of the capacity of the negative electrode to the capacity of the positive electrode is 1.0 or more and 1.3 or less.
A method for controlling charging and discharging of a lithium secondary battery.
請求項1に記載の充放電制御方法。 The negative electrode includes at least one of a cellulose-based binder, a polyacrylic-based binder, and a rubber-based binder as a negative electrode binder;
The charge/discharge control method according to claim 1 .
前記負極の固形分全体を100質量%としたときに、前記セルロース系バインダ、前記ポリアクリル系バインダ、および前記ゴム系バインダの割合が、それぞれ、0.5質量%以上3質量%以下である、
請求項2に記載の充放電制御方法。 the negative electrode binder includes a cellulose-based binder, a polyacrylic-based binder, and a rubber-based binder;
When the total solid content of the negative electrode is taken as 100 mass%, the proportions of the cellulose-based binder, the polyacrylic-based binder, and the rubber-based binder are each 0.5 mass% or more and 3 mass% or less.
The charge/discharge control method according to claim 2 .
請求項1から3のいずれか1つに記載の充放電制御方法。 The negative electrode contains at least one of carbon black, carbon nanotubes, and carbon fibers as a conductive material.
The charge/discharge control method according to claim 1 .
請求項1から3のいずれか1つに記載の充放電制御方法。 The density of the positive electrode is 3.2 g/ cm3 or more;
The charge/discharge control method according to claim 1 .
請求項1から3のいずれか1つに記載の充放電制御方法。 The density of the negative electrode is 1.4 g/ cm3 or more.
The charge/discharge control method according to claim 1 .
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