JP7722002B2 - Positive electrodes for lithium-ion secondary batteries - Google Patents
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Description
本発明はリチウムイオン二次電池用正極に関する。 The present invention relates to a positive electrode for a lithium-ion secondary battery.
近年、環境・エネルギー問題の解決へ向けて、種々の電気自動車の普及が期待されている。これら電気自動車の普及の鍵を握るモータ駆動用電源などの車載電源として、二次電池の開発が鋭意行われている。二次電池としては、高エネルギー密度、高出力が期待できるリチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池に注目が集まっている。 In recent years, the widespread adoption of various electric vehicles is expected to help solve environmental and energy problems. Secondary batteries are being actively developed as on-board power sources for driving motors and other applications, which hold the key to the widespread adoption of these electric vehicles. Non-aqueous electrolyte secondary batteries, such as lithium-ion secondary batteries, are attracting attention as they are expected to offer high energy density and high output.
ここで、特許文献1には、リチウムイオン二次電池の安全性を向上させることを目的とした技術が開示されている。具体的に、特許文献1に記載の技術は、正極活物質層の結着剤として、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)とPTC(Positive Temperature Coefficient)機能付与成分(例えば、PVDF-HFP)とを含むコンポジットPTC結着剤を用いることを特徴とする。これにより、リチウムイオン二次電池の温度が上昇した際に結着剤が溶融し、正極活物質層の抵抗が増大することで、電池の発熱が抑制される。 Patent Document 1 discloses technology aimed at improving the safety of lithium-ion secondary batteries. Specifically, the technology described in Patent Document 1 is characterized by using a composite PTC (Positive Temperature Coefficient) binder containing polyvinylidene fluoride (PVDF) and a PTC (Positive Temperature Coefficient) functionality-imparting component (e.g., PVDF-HFP) as the binder for the positive electrode active material layer. As a result, when the temperature of the lithium-ion secondary battery rises, the binder melts, increasing the resistance of the positive electrode active material layer and suppressing heat generation in the battery.
しかしながら、本発明者が検討を行ったところ、特許文献1に記載の技術を用いたリチウムイオン二次電池は、出力特性が十分でないという問題があることが判明した。 However, after further investigation, the inventors discovered that lithium-ion secondary batteries using the technology described in Patent Document 1 have the problem of insufficient output characteristics.
そこで本発明は、リチウムイオン二次電池において、出力特性を向上させうる手段を提供することを目的とする。 The present invention therefore aims to provide a means for improving the output characteristics of lithium-ion secondary batteries.
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。その過程で、正極活物質層に含まれる正極活物質のラフネスファクターと、バインダの種類および含有量とを特定の範囲に制御することにより、リチウムイオン二次電池の出力特性を向上させることが可能なことを見出し、本発明を完成させるに至った。 The inventors conducted extensive research to solve the above problems. In the process, they discovered that it is possible to improve the output characteristics of lithium-ion secondary batteries by controlling the roughness factor of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer and the type and content of the binder within specific ranges, which led to the completion of the present invention.
すなわち、本発明の一形態によれば、正極活物質と、バインダと、導電助剤とを含む正極活物質層を有するリチウムイオン二次電池用正極が提供される。そして、当該正極において、正極活物質の、平均粒子径から算出される幾何比表面積に対するBET比表面積の比の値として定義されるラフネスファクターの値が3以下であること;バインダは、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体であり、この際、当該共重合体の全構成単位数に対するヘキサフルオロプロピレン由来の構成単位数の割合が、5モル%以上であること;および、バインダの含有量は、正極活物質層の全固形分に対して、0.31質量%より大きく4.85質量%未満であること;を特徴とする。 That is, one aspect of the present invention provides a positive electrode for a lithium-ion secondary battery, having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a binder, and a conductive additive. The positive electrode is characterized in that the roughness factor, defined as the ratio of the BET specific surface area of the positive electrode active material to the geometric specific surface area calculated from the average particle diameter, is 3 or less; the binder is a vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, and the proportion of the number of structural units derived from hexafluoropropylene to the total number of structural units of the copolymer is 5 mol% or more; and the binder content is greater than 0.31 mass% and less than 4.85 mass% of the total solid content of the positive electrode active material layer.
本発明によれば、リチウムイオン二次電池において、出力特性を向上させることができる。 The present invention makes it possible to improve the output characteristics of lithium-ion secondary batteries.
本発明の一形態は、正極活物質と、バインダと、導電助剤とを含む正極活物質層を有するリチウムイオン二次電池用正極(以下、単に「正極」とも称する)に関する。本形態においては、正極活物質の、平均粒子径から算出される幾何比表面積に対するBET比表面積の比の値として定義されるラフネスファクターの値が3以下であること;バインダは、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体(以下、「PVDF-HFP」とも称する)であり、この際、当該共重合体の全構成単位数に対するヘキサフルオロプロピレン(以下、「HFP」とも称する)由来の構成単位数の割合が、5モル%以上であること;バインダの含有量は、正極活物質層の全固形分に対して、0.31質量%より大きく4.85質量%未満であることを特徴とする。 One aspect of the present invention relates to a positive electrode for a lithium-ion secondary battery (hereinafter also referred to simply as "positive electrode") having a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a binder, and a conductive additive. In this aspect, the positive electrode active material has a roughness factor of 3 or less, defined as the ratio of the BET specific surface area to the geometric specific surface area calculated from the average particle diameter; the binder is a vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (hereinafter also referred to as "PVDF-HFP"), and the ratio of the number of structural units derived from hexafluoropropylene (hereinafter also referred to as "HFP") to the total number of structural units of the copolymer is 5 mol% or more; and the binder content is greater than 0.31 mass% and less than 4.85 mass% of the total solid content of the positive electrode active material layer.
本形態に係るリチウムイオン二次電池用正極によれば、リチウムイオン二次電池において、出力特性を向上させることが可能である。このような効果が奏されるメカニズムを、本発明者は以下のように推測している。 The positive electrode for a lithium ion secondary battery according to this embodiment can improve the output characteristics of the lithium ion secondary battery. The inventors speculate that the mechanism by which this effect is achieved is as follows.
本形態において、ラフネスファクターの値が3以下である正極活物質は、表面積が小さい。また、バインダとしての、HFP由来の構成単位数の割合(以下、単に「HFPの割合」とも称する)が5モル%以上であるPVDF-HFPは、ゲル形成性ポリマーであり、フッ化ビニリデンのホモポリマーであるPVDFやHFPの割合が5モル%未満であるPVDF-HFPと比較して、柔軟性が高い。このような正極活物質とバインダとを組み合わせて使用することにより、従来の正極と比較して、正極活物質表面にバインダがより均一に被覆される。また、充放電により正極活物質の収縮膨張が繰り返された後でも均一な被覆を維持できる。さらに、上記のようなHFPの割合が高いPVDF-HFPは、電解液を保持することができる。そのため、正極活物質表面と電解液との接触が良好となり、リチウムイオン伝導性が向上する。その結果、本形態に係るリチウムイオン二次電池用正極をリチウムイオン二次電池に適用することにより、リチウムイオン二次電池の出力特性を向上させることができる。 In this embodiment, a positive electrode active material having a roughness factor of 3 or less has a small surface area. Furthermore, PVDF-HFP, which has a ratio of HFP-derived structural units (hereinafter simply referred to as "HFP ratio") of 5 mol % or more as a binder, is a gel-forming polymer and has higher flexibility than PVDF, a homopolymer of vinylidene fluoride, or PVDF-HFP with an HFP ratio of less than 5 mol %. By combining this positive electrode active material with a binder, the binder is more uniformly coated on the surface of the positive electrode active material compared to conventional positive electrodes. This uniform coating can be maintained even after repeated contraction and expansion of the positive electrode active material due to charge and discharge. Furthermore, PVDF-HFP with a high HFP ratio as described above can retain the electrolyte. This improves contact between the surface of the positive electrode active material and the electrolyte, improving lithium ion conductivity. As a result, applying the positive electrode for a lithium ion secondary battery according to this embodiment to a lithium ion secondary battery can improve the output characteristics of the lithium ion secondary battery.
一方、後述の比較例3~5で示すように、ラフネスファクターの値が3よりも大きい正極活物質を用いた場合や、後述の比較例7~9および11で示すように、PVDFを用いた場合や、HFPの割合が5モル%未満であるPVDF-HFPを用いた場合は、出力特性が十分でない。これは、正極活物質の表面積が大きいこと、バインダの柔軟性が低いことから、正極活物質表面をバインダにより均一に被覆することができないといったことや、バインダの電解液保持力が低いといったことが理由であると考えられる。このような状態で充放電による正極活物質の収縮膨張が繰り返されることにより、正極活物質表面に電解液が存在しない空隙が生じ、リチウムイオン伝導性が低下する結果、十分な出力特性を発揮できなくなる。 On the other hand, when a cathode active material with a roughness factor greater than 3 is used, as shown in Comparative Examples 3 to 5 below, or when PVDF or PVDF-HFP with an HFP ratio of less than 5 mol% is used, as shown in Comparative Examples 7 to 9 and 11 below, the output characteristics are insufficient. This is thought to be due to the large surface area of the cathode active material and the low flexibility of the binder, which makes it difficult to uniformly coat the surface of the cathode active material with the binder, and the binder's low electrolyte retention capacity. Repeated contraction and expansion of the cathode active material due to charging and discharging under these conditions creates voids on the surface of the cathode active material where no electrolyte is present, reducing lithium ion conductivity and resulting in insufficient output characteristics.
以下、図面を参照しながら、上述した本形態の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。本明細書において、範囲を示す「X~Y」は「X以上Y以下」を意味する。また、特記しない限り、操作および物性等の測定は室温(20~25℃)、相対湿度40~50%RHの条件で行う。 The following describes the above-mentioned embodiment of the present invention with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the claims and is not limited to the following embodiments. Note that the dimensional proportions in the drawings have been exaggerated for the sake of explanation and may differ from the actual proportions. In this specification, the range "X to Y" means "X or more and Y or less." Furthermore, unless otherwise specified, operations and measurements of physical properties are performed at room temperature (20-25°C) and a relative humidity of 40-50% RH.
図1は、本発明の一実施形態である扁平型(積層型)の非双極型(内部並列接続タイプ)二次電池(以下、単に「積層型二次電池」とも称する)を模式的に表した断面図である。 Figure 1 is a cross-sectional view schematically illustrating a flat (stacked) non-bipolar (internal parallel connection) secondary battery (hereinafter simply referred to as a "stacked secondary battery") according to one embodiment of the present invention.
図1に示すように、本実施形態の積層型二次電池10aは、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、ラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極集電体11’の両面に正極活物質層13が配置された正極と、電解液を含有するセパレータからなる電解質層17と、負極集電体12の両面に負極活物質層15が配置された負極とを積層した構成を有している。具体的には、1つの正極活物質層13とこれに隣接する負極活物質層15とが、電解質層17を介して対向するようにして、正極、電解質層及び負極がこの順に積層されている。 As shown in FIG. 1, the stacked secondary battery 10a of this embodiment has a structure in which a substantially rectangular power generating element 21, where the actual charge/discharge reaction takes place, is sealed inside a laminate film 29. Here, the power generating element 21 has a laminated configuration comprising a positive electrode in which a positive electrode active material layer 13 is disposed on both sides of a positive electrode current collector 11', an electrolyte layer 17 made of a separator containing an electrolytic solution, and a negative electrode in which a negative electrode active material layer 15 is disposed on both sides of a negative electrode current collector 12. Specifically, the positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode are stacked in this order, with one positive electrode active material layer 13 and the adjacent negative electrode active material layer 15 facing each other with the electrolyte layer 17 interposed therebetween.
これにより、正極、電解質層及び負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型二次電池10aは、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の両最外層に位置する最外層の正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図1とは正極及び負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層の負極集電体が位置するようにし、該最外層の負極集電体の片面又は両面に負極活物質層が配置されるようにしてもよい。 As a result, the positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode constitute a single cell layer 19. Therefore, the stacked secondary battery 10a shown in FIG. 1 can be said to have a configuration in which multiple cell layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. Note that while the positive electrode current collectors located on both outermost layers of the power generating element 21 each have a positive electrode active material layer 13 disposed on only one side, active material layers may be disposed on both sides. That is, instead of using a current collector dedicated to the outermost layer with an active material layer disposed on only one side, a current collector with active material layers on both sides may be used as the outermost current collector. Furthermore, by reversing the arrangement of the positive and negative electrodes from FIG. 1, the outermost negative electrode current collectors may be located on both outermost layers of the power generating element 21, and negative electrode active material layers may be disposed on one or both sides of the outermost negative electrode current collectors.
正極集電体11’及び負極集電体12には、各電極(正極及び負極)と導通される正極集電板25及び負極集電板27がそれぞれ取り付けられ、ラミネートフィルム29の端部に挟まれるようにしてラミネートフィルム29の外部に導出される構造を有している。正極集電板25及び負極集電板27は、それぞれ必要に応じて正極端子リード及び負極端子リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体11’及び負極集電体12に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。 A positive electrode current collector 25 and a negative electrode current collector 27, which are electrically connected to the respective electrodes (positive and negative electrodes), are attached to the positive electrode current collector 11' and the negative electrode current collector 12, respectively, and are configured to be sandwiched between the edges of the laminate film 29 and extend to the outside of the laminate film 29. If necessary, the positive electrode current collector 25 and the negative electrode current collector 27 may be attached to the positive electrode current collector 11' and the negative electrode current collector 12 of each electrode via positive electrode terminal leads and negative electrode terminal leads (not shown), respectively, by ultrasonic welding, resistance welding, or the like.
図2は、本発明の他の実施形態である双極型二次電池を模式的に表した断面図である。図2に示す双極型二次電池10bは、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、電池外装体であるラミネートフィルム29の内部に封止された構造を有する。なお、本明細書では、双極型リチウムイオン二次電池を単に「双極型二次電池」とも称し、双極型リチウムイオン二次電池用電極を単に「双極型電極」と称することがある。 Figure 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a bipolar secondary battery according to another embodiment of the present invention. The bipolar secondary battery 10b shown in Figure 2 has a structure in which a substantially rectangular power generating element 21, where the actual charge/discharge reactions take place, is sealed inside a laminate film 29, which is the battery exterior. Note that in this specification, a bipolar lithium-ion secondary battery may also be referred to simply as a "bipolar secondary battery," and an electrode for a bipolar lithium-ion secondary battery may also be referred to simply as a "bipolar electrode."
図2に示すように、本形態の双極型二次電池10bの発電要素21は、集電体11の一方の面に電気的に結合した正極活物質層13が形成され、集電体11の反対側の面に電気的に結合した負極活物質層15が形成された複数の双極型電極23を有する。各双極型電極23は、電解質層17を介して積層されて発電要素21を形成する。この際、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15とが電解質層17を介して向き合うように、各双極型電極23および電解質層17が交互に積層されている。すなわち、一の双極型電極23の正極活物質層13と前記一の双極型電極23に隣接する他の双極型電極23の負極活物質層15との間に電解質層17が挟まれて配置されている。 As shown in FIG. 2 , the power generating element 21 of the bipolar secondary battery 10b of this embodiment has multiple bipolar electrodes 23, each having a positive electrode active material layer 13 electrically coupled to one surface of a current collector 11 and a negative electrode active material layer 15 electrically coupled to the other surface of the current collector 11. The bipolar electrodes 23 are stacked with an electrolyte layer 17 interposed between them to form the power generating element 21. The bipolar electrodes 23 and the electrolyte layers 17 are alternately stacked so that the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 faces the negative electrode active material layer 15 of another bipolar electrode 23 adjacent to the first bipolar electrode 23 with the electrolyte layer 17 interposed between them. In other words, the electrolyte layer 17 is sandwiched between the positive electrode active material layer 13 of one bipolar electrode 23 and the negative electrode active material layer 15 of the other bipolar electrode 23 adjacent to the first bipolar electrode 23.
隣接する正極活物質層13、電解質層17、および負極活物質層15は、一つの単電池層19を構成する。したがって、双極型二次電池10bは、単電池層19が積層されてなる構成を有するともいえる。また、単電池層19の外周部にはシール部(絶縁層)31が配置されている。これにより、電解質層17からの電解液の漏れによる液絡を防止し、電池内で隣り合う集電体11同士が接触したり、発電要素21における単電池層19の端部の僅かな不揃いなどに起因する短絡が起こったりするのを防止している。なお、発電要素21の最外層に位置する正極側の最外層集電体11aには、片面のみに正極活物質層13が形成されている。また、発電要素21の最外層に位置する負極側の最外層集電体11bには、片面のみに負極活物質層15が形成されている。 Adjacent positive electrode active material layers 13, electrolyte layers 17, and negative electrode active material layers 15 constitute a single cell layer 19. Therefore, the bipolar secondary battery 10b can be said to have a configuration in which the cell layers 19 are stacked one on top of the other. A seal (insulating layer) 31 is disposed around the outer periphery of the cell layer 19. This prevents liquid junctions due to leakage of electrolyte from the electrolyte layer 17, and prevents contact between adjacent current collectors 11 within the battery and short circuits caused by slight misalignment of the edges of the cell layers 19 in the power-generating element 21. The positive electrode side outermost current collector 11a, which is the outermost layer of the power-generating element 21, has a positive electrode active material layer 13 formed on only one side. The negative electrode side outermost current collector 11b, which is the outermost layer of the power-generating element 21, has a negative electrode active material layer 15 formed on only one side.
さらに、図2に示す双極型二次電池10bでは、正極側の最外層集電体11aに隣接するように正極集電板(正極タブ)25が配置され、これが延長されて電池外装体であるラミネートフィルム29から導出している。一方、負極側の最外層集電体11bに隣接するように負極集電板(負極タブ)27が配置され、同様にこれが延長されてラミネートフィルム29から導出している。 Furthermore, in the bipolar secondary battery 10b shown in Figure 2, a positive electrode current collector (positive electrode tab) 25 is arranged adjacent to the outermost current collector 11a on the positive electrode side, and this extends out from the laminate film 29 that is the battery outer casing. On the other hand, a negative electrode current collector (negative electrode tab) 27 is arranged adjacent to the outermost current collector 11b on the negative electrode side, and similarly extends out from the laminate film 29.
なお、単電池層19の積層回数は、所望する電圧に応じて調節する。また、双極型二次電池10bでは、電池の厚みを極力薄くしても十分な出力が確保できれば、単電池層19の積層回数を少なくしてもよい。双極型二次電池10bでも、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、発電要素21を電池外装体であるラミネートフィルム29に減圧封入し、正極集電板25および負極集電板27をラミネートフィルム29の外部に取り出した構造とするのがよい。 The number of times the cell layers 19 are stacked is adjusted according to the desired voltage. Furthermore, in the case of bipolar secondary battery 10b, the number of times the cell layers 19 are stacked may be reduced if sufficient output can be ensured even when the battery thickness is made as thin as possible. In order to protect bipolar secondary battery 10b from external impacts and environmental degradation during use, it is also preferable to evacuate and seal the power generating element 21 in a laminate film 29, which is the battery outer casing, and to extend the positive electrode current collector 25 and negative electrode current collector 27 outside the laminate film 29.
以下、本形態に係るリチウムイオン二次電池用正極の主要な構成部材について説明する。本形態に係るリチウムイオン二次電池用正極は、正極活物質と、バインダと、導電助剤とを含む正極活物質層を有する。正極活物質層は、任意に設けられる集電体の表面に形成されてなる。 The main components of the positive electrode for a lithium-ion secondary battery according to this embodiment are described below. The positive electrode for a lithium-ion secondary battery according to this embodiment has a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material, a binder, and a conductive additive. The positive electrode active material layer is formed on the surface of an optional current collector.
[集電体]
集電体は、後述する正極活物質層や負極活物質層からの電子の移動を媒介する機能を有する。集電体を構成する材料に特に制限はない。集電体の構成材料としては、例えば、金属や、導電性を有する樹脂が採用されうる。
[Current collector]
The current collector has a function of mediating the transfer of electrons from the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer described later. There are no particular limitations on the material constituting the current collector. For example, metals and conductive resins can be used as the material constituting the current collector.
具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材などが用いられてもよい。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。 Specific examples of metals include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. Other materials that may be used include clad materials of nickel and aluminum, and clad materials of copper and aluminum. Foils in which the metal surface is coated with aluminum may also be used. Among these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferred from the standpoints of electronic conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material to the current collector by sputtering.
また、後者の導電性を有する樹脂としては、非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂が挙げられる。 An example of the latter conductive resin is a resin in which a conductive filler is added to a non-conductive polymer material.
非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。 Examples of non-conductive polymeric materials include polyethylene (PE; high-density polyethylene (HDPE), low-density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyethernitrile (PEN), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polystyrene (PS).
導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、およびSbからなる群から選択される少なくとも1種の金属またはこれらの金属を含む合金もしくは金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン(登録商標)、ブラックパール(登録商標)、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック(登録商標)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。 Any conductive filler can be used without particular restrictions, as long as it is a conductive material. Examples of materials with excellent conductivity, potential resistance, or lithium ion blocking properties include metals and conductive carbon. There are no particular restrictions on the metal, but it is preferable that it contains at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, and Sb, or an alloy or metal oxide containing such a metal. There are also no particular restrictions on the conductive carbon. It is preferable that it contains at least one material selected from the group consisting of acetylene black, Vulcan (registered trademark), Black Pearl (registered trademark), carbon nanofiber, Ketjen Black (registered trademark), carbon nanotubes, carbon nanohorns, carbon nanoballoons, and fullerenes.
導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、5~80質量%程度である。 There are no particular restrictions on the amount of conductive filler added, as long as it is an amount that can impart sufficient conductivity to the current collector, and it is generally around 5 to 80% by mass.
なお、集電体は、単独の材料からなる単層構造であってもよいし、あるいは、これらの材料からなる層を適宜組み合わせた積層構造であっても構わない。集電体の軽量化の観点からは、少なくとも導電性を有する樹脂からなる導電性樹脂層を含むことが好ましい。また、単電池層間のリチウムイオンの移動を遮断する観点からは、集電体の一部に金属層を設けてもよい。さらに、後述する正極活物質層や負極活物質層がそれ自体で導電性を有し集電機能を発揮できるのであれば、これらの電極活物質層とは別の部材としての集電体を用いなくともよい。このような形態においては、後述する正極活物質層がそのまま負極を構成し、後述する負極活物質層がそのまま正極を構成することとなる。 The current collector may have a single layer structure made of a single material, or a laminate structure made of an appropriate combination of layers made of these materials. From the perspective of reducing the weight of the current collector, it is preferable for it to contain at least a conductive resin layer made of a resin with electrical conductivity. Furthermore, from the perspective of blocking the movement of lithium ions between the cell layers, a metal layer may be provided on part of the current collector. Furthermore, if the positive electrode active material layer and negative electrode active material layer described below are themselves conductive and can perform a current collecting function, it is not necessary to use a current collector as a separate component from these electrode active material layers. In such a configuration, the positive electrode active material layer described below directly constitutes the negative electrode, and the negative electrode active material layer described below directly constitutes the positive electrode.
[正極活物質層]
正極活物質層は、正極活物質、バインダおよび導電助剤を含む。正極活物質層は、これらの他に、電解液(液体電解質)等の任意成分を含みうる。
[Cathode active material layer]
The positive electrode active material layer contains a positive electrode active material, a binder, and a conductive additive, and may further contain optional components such as an electrolytic solution (liquid electrolyte).
(正極活物質)
正極活物質は、充電時にリチウムイオン等のイオンを放出し、放電時にリチウムイオン等のイオンを吸蔵する機能を有する。本形態のリチウムイオン二次電池用正極において、正極活物質の種類は特に制限されないが、より高い容量を有することから、R3mの空間群からなるものであることが好ましい。空間群R3mに帰属される正極活物質は、リチウム原子層と遷移金属原子層が交互に積み重なった層状構造(層状岩塩型構造)を有する。したがって、このような正極活物質を用いることで、リチウムイオン二次電池の電池容量を向上させることができる。
(Cathode active material)
The positive electrode active material has the function of releasing ions such as lithium ions during charging and absorbing ions such as lithium ions during discharging. In the positive electrode for a lithium ion secondary battery of this embodiment, the type of positive electrode active material is not particularly limited, but it is preferable that it be made of a space group R3m because it has a higher capacity. Positive electrode active materials belonging to the space group R3m have a layered structure (layered rock salt structure) in which lithium atomic layers and transition metal atomic layers are alternately stacked. Therefore, the use of such a positive electrode active material can improve the battery capacity of a lithium ion secondary battery.
空間群R3mに帰属される正極活物質としては、例えば、LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2、Li(Ni-Mn-Co)O2、Li(Ni-Co-Al)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム-遷移金属複合酸化物が挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。より好ましくはリチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が用いられ、さらに好ましくはLi(Ni-Mn-Co)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)またはLi(Ni-Co-Al)O2およびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの(以下、単に「NCA複合酸化物」とも称する)が用いられ、特に好ましくはNMC複合酸化物が用いられる。すなわち、本発明の好ましい一実施形態によると、正極活物質は、層状構造を有するリチウム-ニッケル-マンガン-コバルト複合酸化物である。NMC複合酸化物およびNCA複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を持ち、遷移金属Mの1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。 Examples of positive electrode active materials belonging to the space group R3m include lithium-transition metal composite oxides such as LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiMnO 2 , Li(Ni—Mn—Co)O 2 , Li(Ni—Co—Al)O 2 , and those in which a portion of the transition metal is substituted with another element. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. More preferably, a composite oxide containing lithium and nickel is used. Even more preferably, Li(Ni—Mn—Co)O 2 and those in which a portion of the transition metal is substituted with another element (hereinafter simply referred to as "NMC composite oxide") or Li(Ni—Co—Al)O 2 and those in which a portion of the transition metal is substituted with another element (hereinafter simply referred to as "NCA composite oxide") is used. NMC composite oxide is particularly preferred. That is, according to a preferred embodiment of the present invention, the positive electrode active material is a lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide having a layered structure. NMC composite oxide and NCA composite oxide have a layered crystal structure in which lithium atomic layers and transition metal atomic layers are alternately stacked with oxygen atomic layers interposed therebetween, and each transition metal atom contains one Li atom, so the amount of Li that can be extracted is twice that of spinel-based lithium manganese oxide, i.e., the supply capacity is doubled, resulting in high capacity.
NMC複合酸化物およびNCA複合酸化物には、上述したように、遷移金属元素の一部が他の金属元素により置換されている複合酸化物も含む。その場合の他の元素としては、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Cr、Fe、B、Ga、In、Si、Mo、Y、Sn、V、Cu、Ag、Znなどが挙げられ、好ましくは、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crであり、より好ましくは、Ti、Zr、P、Al、Mg、Crであり、サイクル特性向上の観点から、さらに好ましくは、Ti、Zr、Al、Mg、Crである。ただし、NCA複合酸化物の遷移金属元素を置換しうる他の金属元素はAl以外のものである。 As mentioned above, NMC composite oxides and NCA composite oxides also include composite oxides in which a portion of the transition metal elements is replaced with another metal element. In such cases, other elements include Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, Fe, B, Ga, In, Si, Mo, Y, Sn, V, Cu, Ag, and Zn. Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr are preferred, and Ti, Zr, P, Al, Mg, and Cr are more preferred. From the perspective of improving cycle characteristics, Ti, Zr, Al, Mg, and Cr are even more preferred. However, the other metal elements that can replace the transition metal elements of the NCA composite oxide are those other than Al.
NMC複合酸化物は、理論放電容量が高いことから、好ましくは、一般式(1):LiaNibMncCodMxO2(但し、式中、a、b、c、d、xは、0.9≦a≦1.2、0<b<1、0<c≦0.5、0<d≦0.5、0≦x≦0.3、b+c+d+x=1を満たす。MはTi、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crから選ばれる元素で少なくとも1種類である)で表される組成を有する。ここで、aは、Liの原子比を表し、bは、Niの原子比を表し、cは、Mnの原子比を表し、dは、Coの原子比を表し、xは、Mの原子比を表す。サイクル特性の観点からは、一般式(1)において、0.4≦b≦0.92であることが好ましい。なお、各元素の組成は、例えば、プラズマ(ICP)発光分析法により測定できる。 Since the NMC composite oxide has a high theoretical discharge capacity, it preferably has a composition represented by the general formula (1): Li a Ni b Mn c Co d M x O 2 (wherein, a, b, c, d, and x satisfy 0.9≦a≦1.2, 0<b<1, 0<c≦0.5, 0<d≦0.5, 0≦x≦0.3, and b+c+d+x=1. M is at least one element selected from Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr). Here, a represents the atomic ratio of Li, b represents the atomic ratio of Ni, c represents the atomic ratio of Mn, d represents the atomic ratio of Co, and x represents the atomic ratio of M. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that 0.4≦b≦0.92 in the general formula (1). The composition of each element can be measured by, for example, plasma (ICP) emission spectrometry.
一般に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)は、材料の純度向上および電子伝導性向上という観点から、容量および出力特性に寄与することが知られている。Ti等は、結晶格子中の遷移金属を一部置換するものである。サイクル特性の観点から、遷移金属元素の一部が他の金属元素により置換されていてもよい。Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、SrおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1種が固溶することにより結晶構造が安定化されるため、その結果、充放電を繰り返しても電池の容量低下が防止でき、優れたサイクル特性が実現し得ると考えられる。 Nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn) are generally known to contribute to capacity and output characteristics by improving the purity and electronic conductivity of the material. Elements such as Ti partially substitute for transition metals in the crystal lattice. From the perspective of cycle characteristics, some of the transition metal elements may be replaced by other metal elements. The solid solution of at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr stabilizes the crystal structure, which is thought to prevent a decrease in battery capacity even after repeated charge and discharge, thereby achieving excellent cycle characteristics.
より好ましい実施形態としては、一般式(1)において、b、cおよびdが、0.44≦b≦0.92、0.05≦c≦0.31、0.03≦d≦0.26であることが、容量と寿命特性とのバランスを向上させるという観点からは好ましい。例えば、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2は、一般的な民生電池で実績のあるLiCoO2、LiMn2O4、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2などと比較して、単位質量あたりの容量が大きく、エネルギー密度の向上が可能となることでコンパクトかつ高容量の電池を作製できるという利点を有しており、航続距離の観点からも好ましい。なお、より容量が大きいという点ではLiNi0.8Co0.1Al0.1O2やLiNi0.8Mn0.1Co0.1O2、LiNi0.88Mn0.06Co0.06O2、LiNi0.86Mn0.08Co0.06O2がより有利である。他方、LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2はLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2並みに優れた寿命特性を有している。 In a more preferred embodiment, in general formula (1), b, c, and d are preferably 0.44≦b≦0.92, 0.05≦c≦0.31, and 0.03 ≦ d≦ 0.26 , from the viewpoint of improving the balance between capacity and life characteristics. For example, LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 has the advantage of being larger in capacity per unit mass and enabling improved energy density, thereby enabling the production of compact, high-capacity batteries, compared with LiCoO2 , LiMn2O4 , LiNi1 /3Mn1 / 3Co1 / 3O2 , which have a proven track record in general consumer batteries, and is also preferred from the viewpoint of range. In terms of larger capacity, LiNi0.8Co0.1Al0.1O2 , LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 , LiNi0.88Mn0.06Co0.06O2 , and LiNi0.86Mn0.08Co0.06O2 are more advantageous. On the other hand , LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 has excellent life characteristics comparable to LiNi1 / 3Mn1 / 3Co1 / 3O2 .
本形態に係るリチウムイオン二次電池用正極においては、正極活物質のラフネスファクターが3以下である点に特徴がある。ここで、「ラフネスファクター」とは、正極活物質の表面の平滑性の指標となるパラメータであり、後述する実施例の欄に記載されている手法により、正極活物質の「平均粒子径から算出される幾何比表面積」に対する「BET比表面積」の比の値(=BET比表面積/幾何比表面積)として算出される。本形態によれば、ラフネスファクターが3以下に制御されていることにより、後述のバインダを正極活物質表面に均一に被覆することができる。当該バインダは電解液を保持する機能を有するため、バインダを均一に被覆することにより、正極活物質表面付近のリチウムイオン伝導性が向上すると考えられる。その結果、本形態によると、リチウムイオン二次電池において、出力特性を向上させることが可能となる。なお、ラフネスファクターの値は、好ましくは2.7以下であり、より好ましくは2.4以下である。一方、ラフネスファクターの下限値は、1以上である。また、正極活物質が2種以上の混合物からなる場合には、まず、当該混合物を構成する各正極活物質について上記の手法によりBET比表面積および幾何比表面積をそれぞれ測定し、得られた値を混合比で足し合わせることにより当該混合物のBET比表面積および幾何比表面積を算出する。そして、これらの算出値から上記と同様の手法によりラフネスファクターを算出するものとする。 The positive electrode for a lithium-ion secondary battery according to this embodiment is characterized in that the roughness factor of the positive electrode active material is 3 or less. Here, the "roughness factor" is a parameter that indicates the surface smoothness of the positive electrode active material. It is calculated as the ratio of the "BET specific surface area" of the positive electrode active material to the "geometric specific surface area calculated from the average particle diameter" (= BET specific surface area/geometric specific surface area) using the method described in the Examples section below. According to this embodiment, by controlling the roughness factor to 3 or less, the surface of the positive electrode active material can be uniformly coated with a binder (described below). Because the binder functions to retain the electrolyte, uniformly coating the binder is thought to improve lithium ion conductivity near the surface of the positive electrode active material. As a result, this embodiment enables improved output characteristics in lithium-ion secondary batteries. The roughness factor is preferably 2.7 or less, more preferably 2.4 or less. Meanwhile, the lower limit of the roughness factor is 1 or greater. Furthermore, when the positive electrode active material is a mixture of two or more materials, the BET specific surface area and geometric specific surface area of each positive electrode active material constituting the mixture are first measured using the above-described method, and the obtained values are added together in accordance with the mixing ratio to calculate the BET specific surface area and geometric specific surface area of the mixture. The roughness factor is then calculated from these calculated values using the same method as above.
正極活物質のラフネスファクターの値を3以下に制御する手法については特に制限はなく、正極活物質粒子の表面の平滑性を制御しうる従来公知の知見が適宜参照されうる。例えば、NMC複合酸化物を製造する手法の一例として、まず、(1)前駆体である(NixCoyMnz)(OH)2を共沈法により合成する。具体的には目的とする化学量論比の硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガン、水酸化ナトリウム、水酸化アンモニウム等の原料を含む水溶液を所定の時間撹拌する。沈殿析出物をろ過分離した後、例えば80℃程度の温度で8~15時間程度乾燥して前駆体を得る。次いで、(2)得られた前駆体を600~800℃程度の温度条件下にて3~7時間程度焼成すると、NixCoyMnzO2が得られる。その後、(3)得られた酸化物に1~1.2倍の量論比となるようにリチウム塩(例えば、炭酸リチウム)を加え、ボールミルで粉砕・混合する。そして、(4)大気中または酸素雰囲気下、600~800℃程度の温度条件下で3~5時間程度焼成した後、さらに750~1000℃程度の温度で2~12時間程度焼成を行う。最後に、(5)このようにして焼成した粉末を水洗して残留したリチウム塩を除去した後、80℃程度の温度で10~15時間程度乾燥することにより、NMC複合酸化物を得ることができる。なお、(6)必要に応じて、ボールミルでサンプルを粉砕した後、大気中または酸素雰囲気下で500~1000℃、3~5時間の再焼成を行ってもよい。この際、NMC複合酸化物のラフネスファクターの値を制御するためには、(2)の焼成温度や時間、(3)の粉砕の程度、(4)の焼成時間・温度、(6)の粉砕の程度を調整することで、一次粒子のサイズを制御可能である。また、(6)の再焼成を長時間・高温で行うことにより、粉砕後の表面がより平滑となりラフネスファクターが低下しうる。 There are no particular limitations on the method for controlling the roughness factor of the positive electrode active material to 3 or less, and conventionally known knowledge that can control the surface smoothness of positive electrode active material particles can be referenced as appropriate. For example, as an example of a method for producing an NMC composite oxide, first, (1) a precursor ( NixCoyMnz ) (OH) 2 is synthesized by coprecipitation. Specifically, an aqueous solution containing raw materials such as nickel sulfate, cobalt sulfate, manganese sulfate, sodium hydroxide, and ammonium hydroxide in the desired stoichiometric ratio is stirred for a predetermined period of time. The precipitate is separated by filtration and then dried at a temperature of about 80°C for about 8 to 15 hours to obtain a precursor. Next, (2) the obtained precursor is baked at a temperature of about 600 to 800°C for about 3 to 7 hours to obtain NixCoyMnzO2 . Thereafter, (3) a lithium salt ( e.g., lithium carbonate) is added to the obtained oxide so that the stoichiometric ratio is 1 to 1.2, and the mixture is pulverized and mixed in a ball mill. Then, (4) the powder is calcined in air or an oxygen atmosphere at a temperature of about 600 to 800°C for about 3 to 5 hours, followed by further calcination at a temperature of about 750 to 1000°C for about 2 to 12 hours. Finally, (5) the calcined powder is washed with water to remove residual lithium salt, and then dried at a temperature of about 80°C for about 10 to 15 hours to obtain an NMC composite oxide. (6) If necessary, the sample may be pulverized in a ball mill and then re-calcined in air or an oxygen atmosphere at 500 to 1000°C for 3 to 5 hours. In this case, the primary particle size can be controlled by adjusting the calcination temperature and time in (2), the degree of pulverization in (3), the calcination time and temperature in (4), and the degree of pulverization in (6). Furthermore, by performing the re-calcination in (6) for a long period of time and at a high temperature, the surface after pulverization becomes smoother, thereby reducing the roughness factor.
また、上述したように正極活物質の結晶子径を例えば1μm以上と大きい値に制御したり、正極活物質を構成する粒子に占める単一の結晶子からなる粒子の個数割合を上記の好ましい範囲に制御したりする手法として、特許第6574222号公報、特許第5702289号公報といった特許文献や、Solid State Ionics,Volume 345,February 2020,115200、Journal of The Electrochemical Society,165(5)A1038-A1045(2018)といった非特許文献に開示された手法を参照することができる。 As described above, methods for controlling the crystallite diameter of the positive electrode active material to a large value, for example, 1 μm or more, or for controlling the proportion of particles consisting of a single crystallite among the particles constituting the positive electrode active material to within the above-mentioned preferred range, can be found in patent documents such as Japanese Patent No. 6574222 and Japanese Patent No. 5702289, and non-patent documents such as Solid State Ionics, Volume 345, February 2020, 115200, and Journal of the Electrochemical Society, 165(5) A1038-A1045 (2018).
本形態に係るリチウムイオン二次電池用正極においては、正極活物質は、Williamson-Hall法から算出される結晶子径をX(nm)、レーザー回折法から算出される平均粒子径(D50)をY(nm)とした際に、Y/X≦70を満たすことが好ましい。ここで、Y/Xは、正極活物質粒子を構成する結晶粒の数の指標であり、当該値が小さいほど、粒子を構成する結晶粒が少ないことを意味する。結晶子径X(nm)および平均粒子径(D50)は、それぞれ後述する実施例の欄に記載されている手法により測定できる。Y/Xは、より好ましくは50以下であり、さらに好ましくは40以下である。一方、Y/Xの下限値は、1以上である。Y/Xが上記範囲内であると、後述のバインダを正極活物質表面により均一に被覆することができる。当該バインダは電解液を保持する機能を有するため、バインダをより均一に被覆することにより、正極活物質表面付近のリチウムイオン伝導性がより向上すると考えられる。その結果、本形態に係る正極を用いたリチウムイオン二次電池において、出力特性をより一層向上させることが可能となる。 In the positive electrode for a lithium-ion secondary battery according to this embodiment, the positive electrode active material preferably satisfies Y/X≦70, where X (nm) is the crystallite diameter calculated by the Williamson-Hall method and Y (nm) is the average particle diameter (D50) calculated by laser diffraction. Here, Y/X is an index of the number of crystal grains constituting the positive electrode active material particles; a smaller value indicates fewer crystal grains constituting the particles. The crystallite diameter X (nm) and the average particle diameter (D50) can be measured by the methods described in the Examples section below. Y/X is more preferably 50 or less, and even more preferably 40 or less. Meanwhile, the lower limit of Y/X is 1 or greater. A ratio of Y/X within the above range allows for more uniform coating of the binder (described below) on the surface of the positive electrode active material. Because the binder functions to retain the electrolyte, more uniform coating of the binder is believed to further improve lithium ion conductivity near the surface of the positive electrode active material. As a result, it is possible to further improve the output characteristics of a lithium-ion secondary battery using the positive electrode according to this embodiment.
本形態に係るリチウムイオン二次電池用正極においては、正極活物質は、前述のR3mの空間群からなることに加え、X線回折測定により得られる(104)面の回折ピークに対する(003)面の回折ピークのピーク強度比((003)/(104))が1.35以上であることが好ましい。ピーク強度比((003)/(104))は、より好ましくは1.4以上であり、さらに好ましくは1.45以上であり、特に好ましくは1.48以上である。ピーク強度比((003)/(104))の上限値は、特に制限されないが、好ましくは2.1以下である。当該ピーク強度比は、正極活物質の結晶性の高さの指標であり、ピーク強度比の値が大きいほど、結晶性が高いことを意味する。ピーク強度比が上記範囲内であると、結晶内の欠陥が少なくなり、電池充放電容量の減少や耐久性の低下を抑えることができる。ピーク強度比は、原料、組成や焼成条件などによって制御されうる。なお、上記の正極活物質の結晶構造およびピーク強度比は、それぞれ後述の実施例に記載の測定方法により求められる。 In the positive electrode for a lithium-ion secondary battery according to this embodiment, the positive electrode active material preferably has the aforementioned R3m space group and, in addition, the peak intensity ratio ((003)/(104)) of the diffraction peak of the (003) plane to the diffraction peak of the (104) plane obtained by X-ray diffraction measurement is preferably 1.35 or greater. The peak intensity ratio ((003)/(104)) is more preferably 1.4 or greater, even more preferably 1.45 or greater, and particularly preferably 1.48 or greater. The upper limit of the peak intensity ratio ((003)/(104)) is not particularly limited, but is preferably 2.1 or less. This peak intensity ratio is an indicator of the crystallinity of the positive electrode active material; a higher peak intensity ratio indicates higher crystallinity. A peak intensity ratio within the above range reduces defects within the crystal, thereby suppressing decreases in battery charge/discharge capacity and durability. The peak intensity ratio can be controlled by the raw materials, composition, firing conditions, etc. The crystal structure and peak intensity ratio of the above positive electrode active material can be determined by the measurement methods described in the Examples below.
本形態に係るリチウムイオン二次電池用正極においては、正極活物質のタップ密度が2g/cm3以下であることが好ましく、1.9g/cm3以下であることがより好ましく、1.8g/cm3以下であることがさらに好ましい。タップ密度の下限値は、特に制限されないが、好ましくは1.2g/cm3以上である。タップ密度の値が小さいほど、粒子表面の凹凸部の空間の体積や、粒子と粒子との隙間の体積が小さいことを意味する。タップ密度が上記範囲内であると、後述のバインダを正極活物質表面により均一に被覆することができる。当該バインダは電解液を保持する機能を有するため、バインダをより均一に被覆することにより、正極活物質表面付近のリチウムイオン伝導性がより向上すると考えられる。その結果、本形態に係る正極を用いたリチウムイオン二次電池において、出力特性をより一層向上させることが可能となる。 In the positive electrode for a lithium ion secondary battery according to this embodiment, the tap density of the positive electrode active material is preferably 2 g/cm 3 or less, more preferably 1.9 g/cm 3 or less, and even more preferably 1.8 g/cm 3 or less. The lower limit of the tap density is not particularly limited, but is preferably 1.2 g/cm 3 or more. A smaller tap density value means a smaller volume of the space in the unevenness of the particle surface and the volume of the gaps between particles. When the tap density is within the above range, the binder described below can be more uniformly coated on the surface of the positive electrode active material. Since the binder has the function of retaining the electrolyte, it is thought that more uniform coating of the binder further improves the lithium ion conductivity near the surface of the positive electrode active material. As a result, it is possible to further improve the output characteristics of a lithium ion secondary battery using the positive electrode according to this embodiment.
正極活物質層における正極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば、60~99質量%の範囲内であることが好ましく、80~98質量%の範囲内であることがより好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but is preferably in the range of 60 to 99% by mass, and more preferably in the range of 80 to 98% by mass.
(バインダ)
バインダ(結着剤)は、正極活物質層に含まれる部材を互いに結着することにより、正極活物質層の構造を維持する機能を有する。本形態に係るリチウムイオン二次電池用正極においては、バインダはフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体であり、この際、当該共重合体の全構成単位数に対するヘキサフルオロプロピレン由来の構成単位数の割合が、5モル%以上であることを特徴とする。当該割合は、好ましくは6モル%以上20モル%以下であり、より好ましくは6.5モル%以上10モル%以下であり、さらに好ましくは6.9モル%以上8モル%以下である。当該割合が5モル%未満であると、バインダの柔軟性や電解液への膨潤性が不十分なため、正極活物質表面にバインダを均一に被覆できない場合や、電解液を保持量が低下する場合がある。その結果、正極活物質表面付近のリチウムイオン伝導性が低下し、十分な出力特性を発揮できないおそれがある。
(binder)
The binder (binding agent) functions to maintain the structure of the positive electrode active material layer by binding the components contained in the positive electrode active material layer together. In the positive electrode for a lithium ion secondary battery according to this embodiment, the binder is a vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, and the ratio of the number of hexafluoropropylene-derived structural units to the total number of structural units of the copolymer is 5 mol% or more. This ratio is preferably 6 mol% to 20 mol%, more preferably 6.5 mol% to 10 mol%, and even more preferably 6.9 mol% to 8 mol%. If this ratio is less than 5 mol%, the flexibility of the binder and its swelling in the electrolyte may be insufficient, which may result in an inability to uniformly coat the surface of the positive electrode active material with the binder or a decrease in the amount of electrolyte retained. As a result, the lithium ion conductivity near the surface of the positive electrode active material may decrease, potentially preventing sufficient output characteristics from being exhibited.
また、本形態に係るリチウムイオン二次電池用正極においては、バインダの含有量は、正極活物質層の全固形分に対して、0.31質量%より大きく4.85質量%未満であることを特徴とする。バインダの含有量は、好ましくは0.50質量%以上2.97質量%以下であり、より好ましくは1.01質量%以上2.00質量%以下である。バインダの含有量が0.31質量%以下であると、結着性が不十分なため、電極構造が維持できない場合がある。一方、バインダの含有量が4.85質量%以上であると、バインダによる正極活物質表面の被覆が不均一となり、出力特性の向上効果が得られない場合がある。 Furthermore, in the positive electrode for a lithium ion secondary battery according to this embodiment, the binder content is greater than 0.31% by mass and less than 4.85% by mass, relative to the total solid content of the positive electrode active material layer. The binder content is preferably 0.50% by mass or more and 2.97% by mass or less, and more preferably 1.01% by mass or more and 2.00% by mass or less. If the binder content is 0.31% by mass or less, the electrode structure may not be maintained due to insufficient binding. On the other hand, if the binder content is 4.85% by mass or more, the binder may not cover the surface of the positive electrode active material uniformly, and the effect of improving output characteristics may not be achieved.
(導電助剤)
導電助剤は、正極活物質層中で電子伝導パス(導電通路)を形成する機能を有する。このような電子伝導パスが正極活物質層中に形成されると、電池の内部抵抗が低減し、高レートでの出力特性が向上しうる。本形態に係るリチウムイオン二次電池用正極においては、正極活物質の表面はバインダにより均一に被覆されるため、隣り合う正極活物質間や集電体と正極活物質との間の電子伝導パスを確保する観点から、導電助剤が必須となる。
(Conductive additive)
The conductive additive has the function of forming an electron conduction path (conductive passage) in the positive electrode active material layer. When such an electron conduction path is formed in the positive electrode active material layer, the internal resistance of the battery is reduced and the output characteristics at high rates can be improved. In the positive electrode for a lithium ion secondary battery according to this embodiment, the surface of the positive electrode active material is uniformly coated with the binder, so the conductive additive is essential from the viewpoint of ensuring an electron conduction path between adjacent positive electrode active materials and between the current collector and the positive electrode active material.
導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ケッチェンブラック(登録商標)等の粒子状炭素材料、およびカーボンナノチューブ(単層カーボンナノチューブおよび複層カーボンナノチューブ)、カーボンナノファイバー、気相成長炭素繊維、電界紡糸法炭素繊維、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等の繊維状炭素材料が挙げられる。導電助剤は、1種のみが単独で使用されてもよいし、2種以上が併用されてもよい。中でも、良好な電子伝導パスを形成できることから、導電助剤は、繊維状炭素材料であることが好ましく、カーボンナノチューブであることがより好ましい。 Conductive additives include particulate carbon materials such as acetylene black, carbon black, channel black, thermal black, and Ketjen Black (registered trademark), as well as fibrous carbon materials such as carbon nanotubes (single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes), carbon nanofibers, vapor-grown carbon fibers, electrospun carbon fibers, polyacrylonitrile-based carbon fibers, and pitch-based carbon fibers. One type of conductive additive may be used alone, or two or more types may be used in combination. Among these, fibrous carbon materials are preferred as the conductive additive, and carbon nanotubes are more preferred, as they are capable of forming good electron conduction paths.
正極活物質層に含まれる導電助剤の含有量(2種以上を含む場合はその合計量)は、正極活物質層の全固形分100質量%に対して、2質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることがより好ましい。かような上限値であると、導電助剤同士の凝集が抑制されることにより電子伝導パスが良好に形成されるため、出力特性をより向上することができる。また、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度をより向上させることが可能となる。なお、導電助剤の含有量の下限値は特に制限されないが、0質量%を超え、0.1質量%以上であることが好ましく、0.2質量%以上であることが好ましく、0.3質量%以上であることがさらに好ましい。かような下限値であると、電子伝導パスを形成するための十分な導電助剤が存在することから、出力特性をより向上することができる。 The content of the conductive additive in the positive electrode active material layer (the total amount when two or more types are included) is preferably 2% by mass or less, and more preferably 1% by mass or less, relative to 100% by mass of the total solids content of the positive electrode active material layer. At such an upper limit, aggregation of the conductive additives is suppressed, resulting in favorable formation of electron conduction paths, further improving output characteristics. It also enables further improvement of the energy density of the lithium-ion secondary battery. While there is no particular lower limit for the conductive additive content, it is preferably greater than 0% by mass, and is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.2% by mass or more, and more preferably 0.3% by mass or more. At such a lower limit, sufficient conductive additive is present to form electron conduction paths, further improving output characteristics.
本形態のリチウムイオン二次電池用正極において、正極活物質層の厚さは特に制限されず、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、正極活物質層の厚さは、通常1~1000μm程度、好ましくは20~800μmであり、より好ましくは30~500μmであり、さらに好ましくは40~200μmである。正極活物質層の厚さが大きいほど、十分な容量(エネルギー密度)を発揮するための正極活物質を保持することが可能となる。一方、正極活物質層の厚さが小さいほど、放電レート特性が向上しうる。 In the positive electrode for a lithium-ion secondary battery of this embodiment, the thickness of the positive electrode active material layer is not particularly limited, and conventionally known knowledge about batteries can be referenced as appropriate. For example, the thickness of the positive electrode active material layer is typically approximately 1 to 1000 μm, preferably 20 to 800 μm, more preferably 30 to 500 μm, and even more preferably 40 to 200 μm. The thicker the positive electrode active material layer, the more positive electrode active material can be retained to achieve sufficient capacity (energy density). On the other hand, the thinner the positive electrode active material layer, the more improved the discharge rate characteristics can be.
正極活物質層の空孔率は、好ましくは20~50%であり、より好ましくは20~45%である。正極活物質層の空孔率が上記範囲内であると、正極活物質層中の電子伝導性材料(導電助剤、正極活物質等)同士の接触を十分に維持することができ、電子移動抵抗の増大が防止できる。また、正極活物質粒子間に十分な電解液が存在するため、リチウムイオン移動抵抗の増大が防止できる。その結果、リチウムイオン二次電池における出力特性をより向上させることが可能となる。 The porosity of the positive electrode active material layer is preferably 20 to 50%, and more preferably 20 to 45%. When the porosity of the positive electrode active material layer is within this range, sufficient contact between the electron conductive materials (conductive additive, positive electrode active material, etc.) in the positive electrode active material layer can be maintained, preventing an increase in electron transfer resistance. In addition, because sufficient electrolyte is present between the positive electrode active material particles, an increase in lithium ion transfer resistance can be prevented. As a result, it is possible to further improve the output characteristics of lithium ion secondary batteries.
正極活物質層の密度は、好ましくは2.10~3.00g/cm3であり、より好ましくは2.15~2.85g/cm3であり、さらに好ましくは2.20~2.80g/cm3である。正極活物質層の密度が上述した下限値以上の値であれば、十分なエネルギー密度を有する電池を得ることができる。一方、正極活物質層の密度が上述した上限値以下の値であれば、空隙を満たす電解液が十分に確保され、正極活物質層におけるリチウムイオン移動抵抗の増大が防止できる。その結果、リチウムイオン二次電池における出力特性をより向上させることが可能となる。なお、本明細書において、正極活物質層の密度は、以下の方法により測定するものとする。 The density of the positive electrode active material layer is preferably 2.10 to 3.00 g/cm 3 , more preferably 2.15 to 2.85 g/cm 3 , and even more preferably 2.20 to 2.80 g/cm 3 . When the density of the positive electrode active material layer is equal to or greater than the above-mentioned lower limit, a battery having sufficient energy density can be obtained. On the other hand, when the density of the positive electrode active material layer is equal to or less than the above-mentioned upper limit, a sufficient amount of electrolyte is secured to fill the voids, preventing an increase in lithium ion migration resistance in the positive electrode active material layer. As a result, it is possible to further improve the output characteristics of the lithium ion secondary battery. In this specification, the density of the positive electrode active material layer is measured by the following method.
正極活物質層の密度は、下記式に従って算出する。
正極活物質層密度(g/cm3)=固体材料質量(g)÷正極活物質層体積(cm3)。
The density of the positive electrode active material layer is calculated according to the following formula.
Positive electrode active material layer density (g/cm 3 )=solid material mass (g)/positive electrode active material layer volume (cm 3 ).
なお、固体材料質量は、正極活物質層中の各材料の質量のうち、固体材料の質量のみを足し合わせることにより算出する。正極活物質層体積は正極活物質層の厚みと塗布面積から算出する。 The mass of solid materials is calculated by adding up only the masses of the solid materials among the masses of each material in the positive electrode active material layer. The volume of the positive electrode active material layer is calculated from the thickness and application area of the positive electrode active material layer.
本形態に係るリチウムイオン二次電池用正極は、リチウムイオン二次電池に適用されることにより、リチウムイオン二次電池の出力特性を向上することができる。よって、本発明の他の形態によれば、上述した本発明の一形態に係るリチウムイオン二次電池用正極を有する発電要素を備えた、リチウムイオン二次電池が提供される。リチウムイオン二次電池の正極以外の構成要素について、以下に簡単に説明する。 When applied to a lithium ion secondary battery, the positive electrode for a lithium ion secondary battery according to this embodiment can improve the output characteristics of the lithium ion secondary battery. Therefore, according to another embodiment of the present invention, a lithium ion secondary battery is provided that includes a power generating element having the positive electrode for a lithium ion secondary battery according to the above-described embodiment of the present invention. The components of the lithium ion secondary battery other than the positive electrode will be briefly described below.
[負極活物質層]
(負極活物質)
負極活物質は、放電時にリチウムイオン等のイオンを放出し、充電時にリチウムイオン等のイオンを吸蔵する機能を有する。
[Negative electrode active material layer]
(Negative electrode active material)
The negative electrode active material has the function of releasing ions such as lithium ions during discharge and absorbing ions such as lithium ions during charge.
負極活物質としては、例えば、グラファイト(黒鉛)、ソフトカーボン、ハードカーボン等の炭素材料、リチウム-遷移金属複合酸化物(例えば、Li4Ti5O12)、金属材料(スズ、シリコン)、ケイ素含有合金系負極材料(例えば、Si60Sn10Ti30)、リチウム合金系負極材料(例えばリチウム-スズ合金、リチウム-シリコン合金、リチウム-アルミニウム合金、リチウム-アルミニウム-マンガン合金等)などが挙げられる。場合によっては、2種以上の負極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、ケイ素含有合金系負極材料、炭素材料、リチウム-遷移金属複合酸化物、リチウム合金系負極材料が、負極活物質として好ましく用いられる。なお、上記以外の負極活物質が用いられてもよいことは勿論である。 Examples of negative electrode active materials include carbon materials such as graphite, soft carbon, and hard carbon, lithium-transition metal composite oxides (e.g., Li 4 Ti 5 O 12 ), metal materials (tin, silicon), silicon-containing alloy-based negative electrode materials (e.g., Si 60 Sn 10 Ti 30 ), and lithium alloy-based negative electrode materials (e.g., lithium-tin alloy, lithium-silicon alloy, lithium-aluminum alloy, lithium-aluminum-manganese alloy, etc.). In some cases, two or more negative electrode active materials may be used in combination. Preferably, from the viewpoint of capacity and output characteristics, silicon-containing alloy-based negative electrode materials, carbon materials, lithium-transition metal composite oxides, and lithium alloy-based negative electrode materials are preferably used as the negative electrode active material. Of course, negative electrode active materials other than those mentioned above may also be used.
負極活物質の平均粒子径(D50)は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1~100μm、より好ましくは1~20μmである。 The average particle size (D 50 ) of the negative electrode active material is not particularly limited, but from the viewpoint of achieving high output, it is preferably 1 to 100 μm, more preferably 1 to 20 μm.
負極活物質層における負極活物質の含有量は、全固形分100質量%に対して、例えば60質量%以上100質量%未満であり、好ましくは80質量%以上99.5%以下であり、より好ましくは95質量%を超えて99.0質量%以下であり、さらに好ましくは97質量%以上98.5質量%以下である。負極活物質の含有量が上記範囲であれば、電池容量と出力特性とを両立させることができる。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is, for example, 60% by mass or more but less than 100% by mass, preferably 80% by mass or more but less than 99.5% by mass, more preferably more than 95% by mass but less than 99.0% by mass, and even more preferably 97% by mass or more but less than 98.5% by mass, relative to 100% by mass of the total solids content. If the content of the negative electrode active material is within the above range, it is possible to achieve both good battery capacity and good output characteristics.
また、負極活物質層は、必要に応じて、正極活物質層について上述したのと同様の、導電助剤、バインダなどのその他の添加剤をさらに含む。 The negative electrode active material layer may also contain other additives, such as conductive additives and binders, as described above for the positive electrode active material layer, as needed.
負極活物質層の厚さは特に制限されず、正極活物質層について上述したのと同様の厚さが採用されうる。 The thickness of the negative electrode active material layer is not particularly limited, and the same thickness as described above for the positive electrode active material layer can be used.
[電解質層]
電解質層は、セパレータに電解液(液体電解質)が含浸されてなる構成を有することが好ましい。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer preferably has a configuration in which a separator is impregnated with an electrolytic solution (liquid electrolyte).
(電解液)
電解液は、リチウムイオンのキャリヤーとしての機能を有する。電解液は、非水溶媒にリチウム塩が溶解した形態を有する。
(electrolyte)
The electrolyte functions as a carrier of lithium ions and has a form in which a lithium salt is dissolved in a non-aqueous solvent.
非水溶媒は、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、プロピオン酸メチル(MP)、酢酸メチル(MA)、ギ酸メチル(MF)、4-メチルジオキソラン(4MeDOL)、ジオキソラン(DOL)、2-メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメトキシエタン(DME)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、およびγ-ブチロラクトン(GBL)などが挙げられる。なかでも、非水溶媒は、急速充電特性および出力特性をより向上できるとの観点から、好ましくは鎖状カーボネートであり、より好ましくはジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)からなる群から選択される少なくとも1種であり、より好ましくはエチルメチルカーボネート(EMC)およびジメチルカーボネート(DMC)から選択される。 Examples of non-aqueous solvents include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate (DPC), ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propionate (MP), methyl acetate (MA), methyl formate (MF), 4-methyldioxolane (4MeDOL), dioxolane (DOL), 2-methyltetrahydrofuran (2MeTHF), tetrahydrofuran (THF), dimethoxyethane (DME), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), dimethyl sulfoxide (DMSO), and gamma-butyrolactone (GBL). Among these, from the viewpoint of further improving the rapid charging characteristics and output characteristics, the non-aqueous solvent is preferably a chain carbonate, more preferably at least one selected from the group consisting of diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), and dimethyl carbonate (DMC), and more preferably selected from ethyl methyl carbonate (EMC) and dimethyl carbonate (DMC).
リチウム塩としては、Li(FSO2)2N(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド;LiFSI)、Li(C2F5SO2)2N、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3等が挙げられる。なかでも、リチウム塩は、電池出力および充放電サイクル特性の観点から、好ましくはLi(FSO2)2Nである。 Examples of lithium salts include Li( FSO2 ) 2N (lithium bis(fluorosulfonyl)imide; LiFSI ), Li ( C2F5SO2 ) 2N , LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , LiAsF6 , and LiCF3SO3 . Of these, the lithium salt is preferably Li(FSO2)2N from the viewpoints of battery output and charge/discharge cycle characteristics.
電解液中におけるリチウム塩の濃度は、0.1~3.0mol/Lであることが好ましく、0.8~2.2mol/Lであることがより好ましい。 The concentration of lithium salt in the electrolyte is preferably 0.1 to 3.0 mol/L, and more preferably 0.8 to 2.2 mol/L.
電解液は、上述した成分以外の添加剤をさらに含有してもよい。かような化合物の具体例としては、例えば、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、メチルビニレンカーボネート、ジメチルビニレンカーボネート、フェニルビニレンカーボネート、ジフェニルビニレンカーボネート、エチルビニレンカーボネート、ジエチルビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、1,2-ジビニルエチレンカーボネート、1-メチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-メチル-2-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-1-ビニルエチレンカーボネート、1-エチル-2-ビニルエチレンカーボネート、ビニルビニレンカーボネート、アリルエチレンカーボネート、ビニルオキシメチルエチレンカーボネート、アリルオキシメチルエチレンカーボネート、アクリルオキシメチルエチレンカーボネート、メタクリルオキシメチルエチレンカーボネート、エチニルエチレンカーボネート、プロパルギルエチレンカーボネート、エチニルオキシメチルエチレンカーボネート、プロパルギルオキシエチレンカーボネート、メチレンエチレンカーボネート、1,1-ジメチル-2-メチレンエチレンカーボネートなどが挙げられる。これらの添加剤は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。また、添加剤を電解液に使用する場合の使用量は、適宜調整することができる。 The electrolyte may further contain additives other than the components described above. Specific examples of such compounds include ethylene carbonate, vinylene carbonate, methyl vinylene carbonate, dimethyl vinylene carbonate, phenyl vinylene carbonate, diphenyl vinylene carbonate, ethyl vinylene carbonate, diethyl vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, 1,2-divinyl ethylene carbonate, 1-methyl-1-vinyl ethylene carbonate, 1-methyl-2-vinyl ethylene carbonate, 1-ethyl-1-vinyl ethylene carbonate, and 1-ethyl-2-vinyl ethylene carbonate. Examples of additives include ethylene carbonate, vinyl vinylene carbonate, allyl ethylene carbonate, vinyloxymethyl ethylene carbonate, allyloxymethyl ethylene carbonate, acryloxymethyl ethylene carbonate, methacryloxymethyl ethylene carbonate, ethynyl ethylene carbonate, propargyl ethylene carbonate, ethynyloxymethyl ethylene carbonate, propargyloxyethylene carbonate, methylene ethylene carbonate, and 1,1-dimethyl-2-methylene ethylene carbonate. These additives may be used alone or in combination of two or more. Furthermore, when an additive is used in the electrolyte, the amount used can be adjusted as appropriate.
(セパレータ)
電解質層を構成するセパレータは、電解質を保持して正極と負極との間のリチウムイオン伝導性を確保する機能、および正極と負極との間の隔壁としての機能を有する。
(separator)
The separator constituting the electrolyte layer has the function of retaining the electrolyte to ensure lithium ion conductivity between the positive electrode and the negative electrode, and also functions as a partition wall between the positive electrode and the negative electrode.
セパレータの形態としては、例えば、上記電解液を吸収保持するポリマーや繊維からなる多孔性シートのセパレータや不織布セパレータ等を挙げることができる。 Examples of the separator's form include a porous sheet separator made of polymer or fiber that absorbs and retains the electrolyte, and a nonwoven fabric separator.
ポリマーないし繊維からなる多孔性シートのセパレータとしては、例えば、微多孔質(微多孔膜)を用いることができる。該ポリマーないし繊維からなる多孔性シートの具体的な形態としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)などのポリオレフィン;これらを複数積層した積層体(例えば、PP/PE/PPの3層構造をした積層体など)、ポリイミド、アラミド、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン(PVDF-HFP)等の炭化水素系樹脂、ガラス繊維などからなる微多孔質(微多孔膜)セパレータが挙げられる。 As a porous sheet separator made of a polymer or fiber, for example, a microporous material (microporous membrane) can be used. Specific forms of the porous sheet made of polymer or fiber include microporous (microporous membrane) separators made of polyolefins such as polyethylene (PE) and polypropylene (PP); laminates of multiple layers of these (e.g., a laminate with a three-layer structure of PP/PE/PP); hydrocarbon resins such as polyimide, aramid, and polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP); and glass fibers.
微多孔質(微多孔膜)セパレータの厚みとして、使用用途により異なることから一義的に規定することはできない。一例を示せば、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)、燃料電池自動車(FCV)などのモータ駆動用二次電池などの用途においては、単層あるいは多層で4~60μmであることが望ましい。前記微多孔質(微多孔膜)セパレータの微細孔径は、最大で1μm以下(通常、数十nm程度の孔径である)であることが望ましい。 The thickness of a microporous (microporous membrane) separator cannot be uniquely defined, as it varies depending on the intended use. For example, for applications such as motor-driven secondary batteries for electric vehicles (EVs), hybrid electric vehicles (HEVs), and fuel cell vehicles (FCVs), a single-layer or multi-layer thickness of 4 to 60 μm is desirable. The micropore diameter of the microporous (microporous membrane) separator is desirably a maximum of 1 μm or less (typically a pore diameter of several tens of nanometers).
不織布セパレータとしては、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル;PP、PEなどのポリオレフィン;ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを、単独または混合して用いる。また、不織布のかさ密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性が得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。さらに、不織布セパレータの厚さは、電解質層と同じであればよく、好ましくは5~200μmであり、特に好ましくは10~100μmである。 Nonwoven fabric separators can be made from conventional materials such as cotton, rayon, acetate, nylon, polyester; polyolefins such as PP and PE; polyimide, and aramid, either alone or in combination. The bulk density of the nonwoven fabric is not particularly limited, as long as it provides sufficient battery characteristics with the impregnated polymer gel electrolyte. The thickness of the nonwoven fabric separator should be the same as that of the electrolyte layer, and is preferably 5 to 200 μm, and particularly preferably 10 to 100 μm.
また、セパレータとしては多孔質基体に耐熱絶縁層が積層されたセパレータ(耐熱絶縁層付セパレータ)であることが好ましい。耐熱絶縁層は、無機粒子およびバインダを含むセラミック層である。耐熱絶縁層付セパレータは融点または熱軟化点が150℃以上、好ましくは200℃以上である耐熱性の高いものを用いる。耐熱絶縁層を有することによって、温度上昇の際に増大するセパレータの内部応力が緩和されるため熱収縮抑制効果が得られうる。その結果、電池の電極間ショートの誘発を防ぐことができるため、温度上昇による性能低下が起こりにくい電池構成になる。また、耐熱絶縁層を有することによって、耐熱絶縁層付セパレータの機械的強度が向上し、セパレータの破膜が起こりにくい。さらに、熱収縮抑制効果および機械的強度の高さから、電池の製造工程でセパレータがカールしにくくなる。 The separator is preferably one in which a heat-resistant insulating layer is laminated on a porous substrate (a separator with a heat-resistant insulating layer). The heat-resistant insulating layer is a ceramic layer containing inorganic particles and a binder. A separator with a heat-resistant insulating layer is used that has high heat resistance, with a melting point or softening point of 150°C or higher, preferably 200°C or higher. The presence of a heat-resistant insulating layer alleviates the internal stress of the separator that increases with temperature rise, thereby suppressing thermal shrinkage. As a result, short circuits between battery electrodes can be prevented, resulting in a battery configuration that is less susceptible to performance degradation due to temperature rise. Furthermore, the presence of a heat-resistant insulating layer improves the mechanical strength of the separator with a heat-resistant insulating layer, making it less likely to rupture. Furthermore, the heat-shrinkage suppression effect and high mechanical strength make the separator less likely to curl during the battery manufacturing process.
[正極集電板および負極集電板]
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板25と負極集電板27とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
[Positive electrode current collector plate and negative electrode current collector plate]
The material constituting the current collector plates (25, 27) is not particularly limited, and known highly conductive materials conventionally used as current collector plates for lithium-ion secondary batteries can be used. Metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferred as constituent materials of the current collector plates. From the viewpoints of light weight, corrosion resistance, and high conductivity, aluminum and copper are more preferred, and aluminum is particularly preferred. The positive electrode current collector plate 25 and the negative electrode current collector plate 27 may be made of the same material or different materials.
[正極リードおよび負極リード]
また、図示は省略するが、集電体11と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装体から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
[Positive electrode lead and negative electrode lead]
Although not shown, the current collector 11 and the current collector plates (25, 27) may be electrically connected via a positive electrode lead or a negative electrode lead. Materials used in known lithium-ion secondary batteries may be used as the constituent materials of the positive and negative electrode leads. It is preferable that the portion removed from the outer casing be covered with a heat-resistant, insulating heat-shrinkable tube or the like to prevent contact with peripheral devices or wiring, resulting in electrical leakage and affecting products (e.g., automotive parts, particularly electronic devices).
[シール部]
シール部(絶縁層)31は、双極型二次電池(直列積層型電池)に特有の部材であり、電解質層からの電解液の漏れを防止する機能を有する。また、シール部31は、集電体同士の接触や単電池層の端部における短絡を防止する機能を有する。シール部を構成する材料としては、絶縁性、固体電解質の脱落に対するシール性や外部からの水分の透湿に対するシール性(密封性)、電池動作温度下での耐熱性等を有するものであればよい。例えば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリイミド樹脂、ゴム(エチレン-プロピレン-ジエンゴム:EPDM)等が用いられうる。また、イソシアネート系接着剤や、アクリル樹脂系接着剤、シアノアクリレート系接着剤などを用いてもよく、ホットメルト接着剤(ウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂)などを用いてもよい。なかでも、耐食性、耐薬品性、作り易さ(製膜性)、経済性等の観点から、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂が、シール部の構成材料として好ましく用いられ、非結晶性ポリプロピレン樹脂を主成分とするエチレン、プロピレン、ブテンを共重合した樹脂を用いることがより好ましい。
[Sealing part]
The sealing portion (insulating layer) 31 is a component specific to bipolar secondary batteries (series-stacked batteries) and has the function of preventing leakage of the electrolyte solution from the electrolyte layer. The sealing portion 31 also has the function of preventing contact between current collectors and short-circuiting at the ends of the unit cell layers. The material constituting the sealing portion may be any material that has insulating properties, sealing properties against the detachment of the solid electrolyte, sealing properties against moisture penetration from the outside (sealing properties), and heat resistance at the battery operating temperature. Examples of materials that can be used include acrylic resin, urethane resin, epoxy resin, polyethylene resin, polypropylene resin, polyimide resin, and rubber (ethylene-propylene-diene rubber: EPDM). Alternatively, an isocyanate-based adhesive, an acrylic resin-based adhesive, a cyanoacrylate-based adhesive, or a hot-melt adhesive (urethane resin, polyamide resin, polyolefin resin) may be used. Among these, polyethylene resin and polypropylene resin are preferably used as the constituent material of the sealing portion from the viewpoints of corrosion resistance, chemical resistance, ease of production (film-forming ability), economy, etc., and it is more preferable to use a resin obtained by copolymerizing ethylene, propylene, and butene with amorphous polypropylene resin as the main component.
[電池外装体]
電池外装体としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、図1および図2に示すように発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルム29を用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができ、所望の電解液層厚みへと調整容易であることから、外装体はアルミネートラミネートがより好ましい。
[Battery exterior]
As the battery exterior, a known metal can case can be used, or a bag-shaped case using an aluminum-containing laminate film 29 that can cover the power-generating element, as shown in Figures 1 and 2, can be used. The laminate film can be, for example, a three-layer laminate film formed by laminating PP, aluminum, and nylon in this order, but is not limited thereto. A laminate film is desirable from the viewpoint of its high output and excellent cooling performance, making it suitable for use in batteries for large devices such as EVs and HEVs. Furthermore, an aluminate laminate is more preferred for the exterior because it allows for easy adjustment of the collective pressure applied to the power-generating element from the outside and allows for easy adjustment of the electrolyte layer thickness to the desired value.
本形態に係るリチウムイオン二次電池は、優れた出力特性を発揮することができる。したがって、本形態に係るリチウムイオン二次電池は、EV、HEVの駆動用電源として好適に使用される。 The lithium-ion secondary battery according to this embodiment can exhibit excellent output characteristics. Therefore, the lithium-ion secondary battery according to this embodiment is suitable for use as a power source for driving EVs and HEVs.
[組電池]
組電池は、電池を複数個接続して構成したものである。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
[Battery assembly]
A battery pack is made up of multiple batteries connected together. Specifically, it is made up of at least two batteries connected in series, parallel, or both. By connecting them in series or parallel, it is possible to freely adjust the capacity and voltage.
電池が複数、直列にまたは並列に接続して装脱着可能な小型の組電池を形成することもできる。そして、この装脱着可能な小型の組電池をさらに複数、直列にまたは並列に接続して、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池(電池モジュール、電池パックなど)を形成することもできる。何個の電池を接続して組電池を作製するか、また、何段の小型組電池を積層して大容量の組電池を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。 Multiple batteries can be connected in series or parallel to form a small, detachable battery pack. Then, multiple such small, detachable battery packs can be connected in series or parallel to form a large-capacity, high-output battery pack (battery module, battery pack, etc.) suitable for vehicle drive power sources and auxiliary power sources that require high volumetric energy density and high volumetric output density. The number of batteries connected to form a battery pack, and the number of stacked small battery packs to form a large-capacity battery pack, can be determined based on the battery capacity and output of the vehicle (electric vehicle) in which it will be installed.
[車両]
本形態のリチウムイオン二次電池は、出力特性に優れたものである。さらに、体積エネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池自動車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大電流が必要となる。したがって、上記リチウムイオン二次電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
[vehicle]
The lithium ion secondary battery of this embodiment has excellent output characteristics. Furthermore, it has a high volumetric energy density. In vehicle applications such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid fuel cell vehicles, higher capacity and larger current are required compared to applications in electrical and portable electronic devices. Therefore, the lithium ion secondary battery can be suitably used as a power source for vehicles, for example, as a vehicle drive power source or auxiliary power source.
具体的には、電池またはこれらを複数個組み合わせてなる組電池を車両に搭載することができる。本発明では、大容量で出力特性に優れた電池を構成できることから、こうした電池を車両に搭載するとEV走行距離の長いプラグインハイブリッド電気自動車や、一充電走行距離の長い電気自動車を構成できる。車両としては、例えば、自動車ならばハイブリッド車、燃料電池自動車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)のほか、二輪車(バイク)や三輪車を含む)が挙げられる。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、他の車両、例えば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。 Specifically, a battery or a battery pack consisting of a combination of multiple batteries can be installed in a vehicle. The present invention allows for the construction of a battery with large capacity and excellent output characteristics, and installing such a battery in a vehicle allows the construction of plug-in hybrid electric vehicles with long EV driving distances and electric vehicles with long driving distances per charge. Examples of vehicles include hybrid vehicles, fuel cell vehicles, and electric vehicles (all of which include four-wheeled vehicles (commercial vehicles such as passenger cars, trucks, and buses, and light vehicles), as well as two-wheeled vehicles (motorcycles) and three-wheeled vehicles). However, the application is not limited to automobiles, and the battery can also be applied to various power sources for other vehicles, such as trains, and can also be used as an on-board power source for uninterruptible power supplies and the like.
以下、実施例および比較例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明が以下の実施例のみに限定されるわけではない。 The present invention will be explained in more detail below using examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
<正極活物質>
正極活物質として、以下の2種類の市販品を準備した。
<Cathode active material>
The following two types of commercially available positive electrode active materials were prepared.
単結晶NMC複合酸化物(Easpring製、ME88SC、LiNi0.86Mn0.08Co0.06O2、ラフネスファクター:2.4、結晶子径(X):110nm、平均粒子径(D50)(Y):4000nm、Y/X:36.4、結晶構造:空間群R3m、ピーク強度比(003)/(104):1.48、タップ密度:1.76g/cm3)。 Single crystal NMC composite oxide (manufactured by Easpring, ME88SC, LiNi0.86Mn0.08Co0.06O2 , roughness factor: 2.4, crystallite size ( X ): 110 nm, average particle size ( D50) ( Y ): 4000 nm, Y/X: 36.4, crystal structure: space group R3m, peak intensity ratio (003)/(104): 1.48, tap density: 1.76 g/ cm3 ).
多結晶NMC複合酸化物(Ecopro製、NMC811、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2、ラフネスファクター:16.5、結晶子径(X):80nm、平均粒子径(D50)(Y):11500nm、Y/X:144、結晶構造:空間群R3m、ピーク強度比(003)/(104):1.29、タップ密度:2.68g/cm3)。 Polycrystalline NMC composite oxide (manufactured by Ecopro, NMC811, LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 , roughness factor: 16.5, crystallite size ( X ): 80 nm, average particle size ( D50) ( Y ): 11,500 nm, Y/X: 144, crystal structure: space group R3m, peak intensity ratio (003)/(104): 1.29, tap density: 2.68 g/ cm3 ).
なお、各正極活物質の物性値は、以下の手法により測定した。 The physical properties of each positive electrode active material were measured using the following methods.
[ラフネスファクター]
まず、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて正極活物質の粉末を観察し、得られたSEM画像から、活物質粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち最大の距離を粒子径として測定し、数十視野中に観察される粒子の粒子径の算術平均値を平均粒子径として算出した。
[Roughness factor]
First, the powder of the positive electrode active material was observed using a scanning electron microscope (SEM). From the obtained SEM image, the maximum distance between any two points on the contour line of the active material particle was measured as the particle diameter, and the arithmetic mean value of the particle diameters of particles observed within several dozen fields of view was calculated as the average particle diameter.
次いで、上記で算出された平均粒子径の値から、当該平均粒子径を粒子径とする真球状の粒子体積[m3]および粒子表面積[m2]を算出し、得られた粒子体積に活物質の比重(ここでは、4.78[g/cm3])を乗じることにより、上記真球状の粒子質量[g]を算出した。そして、上記で算出した粒子表面積を、同じく上記で算出した粒子質量で除することにより、「平均粒子径から算出される幾何比表面積[m2/g]」を算出した。 Next, the particle volume [m 3 ] and particle surface area [m 2 ] of a spherical particle having the average particle diameter calculated above were calculated from the calculated average particle diameter, and the particle volume was multiplied by the specific gravity of the active material (here, 4.78 [g/cm 3 ]) to calculate the particle mass [g] of the spherical particle. The particle surface area calculated above was then divided by the particle mass also calculated above to calculate the "geometric specific surface area [m 2 /g] calculated from the average particle diameter."
一方、JIS Z8830:2013(ISO 9277:2010)に記載の「ガス吸着による粉体(固体)の比表面積測定方法」に準じて、静的容量法により窒素ガスを吸着ガスとして測定を行い、多点法により解析することによりBET比表面積[m2/g]を算出した。そして、上記で算出された「平均粒子径から算出される幾何比表面積」に対する「BET比表面積」の比の値(=BET比表面積/幾何比表面積)として、ラフネスファクターを算出した。 On the other hand, in accordance with the "Method for measuring specific surface area of powder (solid) by gas adsorption" described in JIS Z8830:2013 (ISO 9277:2010), measurement was performed by the static volumetric method using nitrogen gas as the adsorption gas, and the BET specific surface area [ m2 /g] was calculated by analyzing using the multipoint method. Then, the roughness factor was calculated as the ratio of the "BET specific surface area" to the "geometric specific surface area calculated from the average particle size" calculated above (= BET specific surface area/geometric specific surface area).
[Y/X]
(結晶子径X)
正極活物質の結晶子径XをWilliamson-Hall法(Williamson-Hall法、Hall,W.II.,J.Inst.Met.,75,1127(1950);idem,Proc.Phys.Soc.,A62,741(1949))を用いることで算出した。測定には、CuKα線を用いたX線回折(XRD)装置(理学製)を使用した。Williamson-Hall法によると、正極活物質のX線回折測定により得られる回折ピークのθと、その積分値βとの間には、以下の関係が成り立つ。
[Y/X]
(Crystallite diameter X)
The crystallite diameter X of the positive electrode active material was calculated using the Williamson-Hall method (Williamson-Hall method, Hall, W.II., J.Inst.Met., 75, 1127 (1950); Idem, Proc.Phys.Soc., A62, 741 (1949)). For the measurement, an X-ray diffraction (XRD) device (manufactured by Rigaku) using CuKα radiation was used. According to the Williamson-Hall method, the following relationship holds between the θ of the diffraction peak obtained by X-ray diffraction measurement of the positive electrode active material and its integrated value β.
βcosθ/λ=2η(sinθ/λ)+(1/ε)
ここで、εは結晶子径、λはCuKα線の波長、ηは正極活物質の歪に相当する。X軸にsinθ、Y軸にβcosθを取り、得られた正極活物質の回折ピ-クのθとその積分幅βをX軸とY軸にプロットしてゆき、最小二乗法を用いて近似直線を引く。Y軸との交点から結晶子サイズεを求める。
βcosθ/λ=2η(sinθ/λ)+(1/ε)
Here, ε corresponds to the crystallite diameter, λ corresponds to the wavelength of CuKα radiation, and η corresponds to the strain of the positive electrode active material. Taking sin θ as the X axis and β cos θ as the Y axis, the θ of the diffraction peak of the obtained positive electrode active material and its integral width β are plotted on the X axis and Y axis, respectively, and an approximate straight line is drawn using the least squares method. The crystallite size ε is determined from the intersection with the Y axis.
(平均粒子径(D50))
正極活物質の平均粒子径(D50)をレーザー回折法により測定した。なお、D50は、体積基準における粒度分布の累積値が50%の時の粒子径を表す。
(Average particle diameter (D50))
The average particle size (D50) of the positive electrode active material was measured by laser diffraction. D50 represents the particle size when the cumulative value of the particle size distribution on a volume basis is 50%.
[結晶構造、ピーク強度比(003)/(104)]
正極活物質の結晶構造およびピーク強度比(I(003)/I(104))を算出するための粉末X線回折測定には、CuKα線を用いたX線回折装置(理学製)を使用し、Fundamental Parameterを採用して解析を行った。回折角2θ=15~120°の範囲より得られたX線回折パターンを用いて、解析用ソフトウエアTopas Version 3を用いて解析を行った。
[Crystal structure, peak intensity ratio (003)/(104)]
Powder X-ray diffraction measurements to calculate the crystal structure and peak intensity ratio (I(003)/I(104)) of the positive electrode active material were performed using an X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku) using CuKα radiation, and analysis was performed using Fundamental Parameters. Analysis was performed using the analysis software Topas Version 3 using X-ray diffraction patterns obtained from a diffraction angle 2θ range of 15 to 120°.
[タップ密度]
正極活物質を10mLのガラス製メスシリンダーに入れ、200回タップした後の粉体充填密度を測定し、これを正極活物質のタップ密度とした。
[Tap density]
The positive electrode active material was placed in a 10 mL glass measuring cylinder, and the powder packing density after tapping 200 times was measured, and this was taken as the tap density of the positive electrode active material.
<正極の作製>
[実施例1]
正極活物質として上記単結晶NMC複合酸化物97質量部(97.98質量%)、導電助剤としてカーボンナノチューブ(略号:CNT、繊維径:10nm、繊維長:20μm、アスペクト比:2000)1質量部(1.01質量%)、バインダとしてPVDF-HFP(Arkema製、Kyner Flex 2501、ヘキサフルオロプロピレン由来の構成単位数の割合:6.9モル%)1質量部(1.01質量%)からなる固形分を用意した。この固形分に対し、溶媒であるN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を添加し、混合することにより、固形分濃度が70質量%である正極スラリーを得た。目付量が2.5g/cm3となるようにギャップを調節したドクターブレードと塗工機(テスター産業製)とを用いて、厚さ20μmのアルミニウム箔上に正極スラリーを塗工した後、塗膜を80℃に調節したホットプレート上で1時間乾燥させた。乾燥させた塗膜を、卓上小型ロールプレス機(テスター産業製)を用い、空孔率20%となるようにプレスした。その後、これを真空乾燥機に入れ、真空引きした状態で130℃、8時間乾燥させることで、本実施例の正極を得た。
<Preparation of positive electrode>
[Example 1]
A solid content consisting of 97 parts by mass (97.98% by mass) of the above single crystal NMC composite oxide as the positive electrode active material, 1 part by mass (1.01% by mass) of carbon nanotubes (abbreviation: CNT, fiber diameter: 10 nm, fiber length: 20 μm, aspect ratio: 2000) as a conductive additive, and 1 part by mass (1.01% by mass) of PVDF-HFP (manufactured by Arkema, Kyner Flex 2501, proportion of the number of hexafluoropropylene-derived structural units: 6.9 mol%) as a binder was prepared. N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent was added to this solid content and mixed to obtain a positive electrode slurry having a solid content concentration of 70% by mass. Using a doctor blade and a coater (manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.) with a gap adjusted so that the basis weight was 2.5 g / cm 3 , the positive electrode slurry was applied to an aluminum foil having a thickness of 20 μm, and then the coating film was dried for 1 hour on a hot plate adjusted to 80 ° C. The dried coating film was pressed using a small desktop roll press (manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.) to a porosity of 20%. Thereafter, this was placed in a vacuum dryer and dried at 130 ° C. for 8 hours in a vacuum state to obtain the positive electrode of this example.
[実施例2]
バインダとしてのPVDF-HFPの配合量を2質量部(2.00質量%)としたこと以外は、実施例1と同様の方法で、本実施例の正極を得た。
[Example 2]
The positive electrode of this example was obtained in the same manner as in Example 1, except that the blending amount of PVDF-HFP as a binder was set to 2 parts by mass (2.00% by mass).
[実施例3]
バインダとしてのPVDF-HFPの配合量を3質量部(2.97質量%)としたこと以外は、実施例1と同様の方法で、本実施例の正極を得た。
[Example 3]
The positive electrode of this example was obtained in the same manner as in Example 1, except that the blending amount of PVDF-HFP as a binder was set to 3 parts by mass (2.97% by mass).
[比較例1]
バインダとしてのPVDF-HFPの配合量を0.3質量部(0.31質量%)としたこと以外は、実施例1と同様の方法で、本比較例の正極を得た。
[Comparative Example 1]
The positive electrode of this comparative example was obtained in the same manner as in Example 1, except that the blending amount of PVDF-HFP as a binder was set to 0.3 parts by mass (0.31% by mass).
[比較例2]
バインダとしてのPVDF-HFPの配合量を5質量部(4.85質量%)としたこと以外は、実施例1と同様の方法で、本比較例の正極を得た。
[Comparative Example 2]
The positive electrode of this comparative example was obtained in the same manner as in Example 1, except that the blending amount of PVDF-HFP as a binder was set to 5 parts by mass (4.85% by mass).
[比較例3]
正極活物質として上記多結晶NMC複合酸化物97質量部(97.98質量%)を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、本比較例の正極を得た。
[Comparative Example 3]
A positive electrode of this comparative example was obtained in the same manner as in Example 1, except that 97 parts by mass (97.98% by mass) of the polycrystalline NMC composite oxide was used as the positive electrode active material.
[比較例4]
バインダとしてのPVDF-HFPの配合量を2質量部(2.00質量%)としたこと以外は、比較例3と同様の方法で、本比較例の正極を得た。
[Comparative Example 4]
The positive electrode of this comparative example was obtained in the same manner as in Comparative Example 3, except that the blending amount of PVDF-HFP as a binder was set to 2 parts by mass (2.00% by mass).
[比較例5]
バインダとしてのPVDF-HFPの配合量を3質量部(2.97質量%)としたこと以外は、比較例3と同様の方法で、本比較例の正極を得た。
[Comparative Example 5]
The positive electrode of this comparative example was obtained in the same manner as in Comparative Example 3, except that the blending amount of PVDF-HFP as a binder was set to 3 parts by mass (2.97% by mass).
[比較例6]
バインダとしてのPVDF-HFPの配合量を5質量部(4.85質量%)としたこと以外は、比較例3と同様の方法で、本比較例の正極を得た。
[Comparative Example 6]
The positive electrode of this comparative example was obtained in the same manner as in Comparative Example 3, except that the blending amount of PVDF-HFP as a binder was set to 5 parts by mass (4.85% by mass).
[比較例7]
バインダとしてPVDF(クレハKFポリマーW#7200、クレハ製)1質量部(1.01質量%)を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、本比較例の正極を得た。
[Comparative Example 7]
A positive electrode of this comparative example was obtained in the same manner as in Example 1, except that 1 part by mass (1.01% by mass) of PVDF (Kureha KF Polymer W#7200, manufactured by Kureha) was used as the binder.
[比較例8]
バインダとしてのPVDFの配合量を2質量部(2.00質量%)としたこと以外は、比較例7と同様の方法で、本比較例の正極を得た。
[Comparative Example 8]
The positive electrode of this comparative example was obtained in the same manner as in Comparative Example 7, except that the blending amount of PVDF as a binder was set to 2 parts by mass (2.00% by mass).
[比較例9]
バインダとしてのPVDFの配合量を3質量部(2.97質量%)としたこと以外は、比較例7と同様の方法で、本比較例の正極を得た。
[Comparative Example 9]
The positive electrode of this comparative example was obtained in the same manner as in Comparative Example 7, except that the blending amount of PVDF as a binder was set to 3 parts by mass (2.97% by mass).
[比較例10]
バインダとしてのPVDFの配合量を5質量部(4.85質量%)としたこと以外は、比較例7と同様の方法で、本比較例の正極を得た。
[Comparative Example 10]
The positive electrode of this comparative example was obtained in the same manner as in Comparative Example 7, except that the blending amount of PVDF as a binder was set to 5 parts by mass (4.85% by mass).
[比較例11]
バインダとしてPVDF-HFP(Kyner Flex 2851、Arkema製、ヘキサフルオロプロピレン由来の構成単位数の割合:2.4モル%)3質量部(2.97質量%)を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、本比較例の正極を得た。
[Comparative Example 11]
A positive electrode of this comparative example was obtained in the same manner as in Example 1, except that 3 parts by mass (2.97 mass%) of PVDF-HFP (Kyner Flex 2851, manufactured by Arkema, proportion of the number of constituent units derived from hexafluoropropylene: 2.4 mol%) was used as the binder.
[比較例12]
バインダとしてPVDF(クレハKFポリマーW#7200、クレハ製)1質量部(1.01質量%)を用いたこと以外は、比較例3と同様の方法で、本比較例の正極を得た。
[Comparative Example 12]
The positive electrode of this comparative example was obtained in the same manner as in Comparative Example 3, except that 1 part by mass (1.01% by mass) of PVDF (Kureha KF Polymer W#7200, manufactured by Kureha) was used as the binder.
<負極の作製>
負極活物質である黒鉛(平均粒子径:20μm)95.5質量%、導電助剤であるアセチレンブラック0.5質量%、およびバインダであるPVDF4質量%からなる固形分を用意した。この固形分に対し、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)を添加し、混合することにより、固形分濃度が70%である負極スラリーを得た。目付量が2.5g/cm3となるようにギャップを調節したドクターブレードと塗工機(テスター産業製)とを用いて、厚さ20μmの銅箔上に負極スラリーを塗工した後、塗膜を80℃に調節したホットプレート上で1時間乾燥させた。乾燥させた塗膜を、卓上小型ロールプレス機(テスター産業製)を用い、空孔率20%となるようにプレスした。その後、これを真空乾燥機に入れ、真空引きした状態で130℃、8時間乾燥させることで、負極を得た。
<Preparation of negative electrode>
A solid content consisting of 95.5% by mass of graphite (average particle size: 20 μm) as the negative electrode active material, 0.5% by mass of acetylene black as a conductive additive, and 4% by mass of PVDF as a binder was prepared. N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was added to this solid content and mixed to obtain a negative electrode slurry with a solid content concentration of 70%. Using a doctor blade and a coater (manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.) with the gap adjusted so that the basis weight was 2.5 g/cm 3 , the negative electrode slurry was applied to a copper foil with a thickness of 20 μm, and then the coating film was dried for 1 hour on a hot plate adjusted to 80 ° C. The dried coating film was pressed using a small desktop roll press (manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.) to achieve a porosity of 20%. Thereafter, this was placed in a vacuum dryer and dried at 130 ° C. for 8 hours under vacuum to obtain a negative electrode.
<リチウムイオン二次電池の作製>
得られた正極を12cm2、負極を13cm2となるように裁断した。正極では、Al端子付きアルミニウム箔を裁断した正極の集電箔側に積層した。負極では、Ni端子付き銅箔を裁断した負極の集電箔側に積層した。セパレータ(セルガード製、PP製)を正極、負極の電極活物質層側に挿入し、積層体とした。この積層体を熱融着型アルミニウムラミネートフィルムに挟み、3辺を封止した。溶媒としてエチレンカーボネート(EC)エチルメチルカーボネート(EMC)(体積比3:7(EC:EMC))の混合溶媒にLi(FSO2)2N(リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド;LiFSI) 2mol/Lを溶解させて得られた電解液280μLを残りの1辺から注入後、真空シーラー(TOSPACK製)にて真空度99.7%で真空封止した。このようにして、正極と負極とがセパレータを介して対向するように積層されたパウチ型リチウムイオン電池を作製した。
<Fabrication of Lithium-ion Secondary Battery>
The resulting positive electrode was cut to 12 cm 2 and the negative electrode to 13 cm 2 . For the positive electrode, aluminum foil with an Al terminal was laminated on the current collector foil side of the cut positive electrode. For the negative electrode, copper foil with a Ni terminal was laminated on the current collector foil side of the cut negative electrode. Separators (manufactured by Celgard, manufactured by PP) were inserted on the electrode active material layer sides of the positive and negative electrodes to form a laminate. This laminate was sandwiched between heat-sealed aluminum laminate films and sealed on three sides. 280 μL of electrolyte obtained by dissolving 2 mol/L of Li(FSO 2 ) 2 N (lithium bis(fluorosulfonyl)imide; LiFSI) in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) (volume ratio 3:7 (EC:EMC)) was injected from the remaining side, and the container was vacuum-sealed at a vacuum degree of 99.7% using a vacuum sealer (manufactured by TOSPACK). In this manner, a pouch-type lithium ion battery was produced in which the positive electrode and the negative electrode were stacked so as to face each other with the separator interposed therebetween.
[直流抵抗(DCR)の測定]
25℃の条件下において、1C=220mAh/gとし、初回および2回目の充放電を0.1C、電圧範囲2.5~4.6Vで充電CC-CVモード、放電CCモード(充電・放電間の休止時間8時間)で実施した。SOC50%(電圧3.9V)において、0.1C、0.5C、1Cで放電を実施し、その時に流れる電流値(1sec、10sec、30sec)から直流抵抗(DCR;Direct Current Resistance)の値(Ωcm)を計算した。そして、比較例12におけるDCR値をX0とし、各例におけるDCR値をX1とし、X0を基準とした際のX1の減少率(%)を式:{(X0-X1)/X0}×100より算出した。
[Measurement of DC Resistance (DCR)]
Under conditions of 25 ° C., 1C = 220 mAh / g, the first and second charge and discharge were 0.1C, voltage range 2.5 to 4.6V, charge CC-CV mode, discharge CC mode (rest time between charge and discharge 8 hours) was performed. At SOC 50% (voltage 3.9V), discharge was performed at 0.1C, 0.5C, and 1C, and the direct current resistance (DCR; Direct Current Resistance) value (Ω cm) was calculated from the current value (1 sec, 10 sec, 30 sec) flowing at that time. Then, the DCR value in Comparative Example 12 was set to X 0 , the DCR value in each example was set to X 1 , and the reduction rate (%) of X 1 based on X 0 was calculated using the formula: {(X 0 -X 1 ) / X 0 } × 100.
結果を下記表1に示す。 The results are shown in Table 1 below.
表1の結果より、本発明のリチウムイオン二次電池用正極によると、比較例12と比較して直流抵抗(DCR)が有意に低下することが分かる。よって、当該正極をリチウムイオン二次電池に適用することにより、リチウムイオン二次電池の出力特性を向上させることが可能となる。 The results in Table 1 show that the positive electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention significantly reduces direct current resistance (DCR) compared to Comparative Example 12. Therefore, by applying this positive electrode to a lithium ion secondary battery, it is possible to improve the output characteristics of the lithium ion secondary battery.
一方、比較例1では、バインダの含有量が少ないため、正極活物質層の構造を維持できず、電極割れが生じた。比較例2では、バインダの含有量が多いため、却って直流抵抗が上昇した。 On the other hand, in Comparative Example 1, the binder content was so low that the structure of the positive electrode active material layer could not be maintained, resulting in electrode cracking. In Comparative Example 2, the binder content was so high that DC resistance actually increased.
比較例3~5の多結晶NMC複合酸化物を用いた例では、比較例12と比較して直流抵抗の減少効果がみられないか、減少幅が僅かであった。 In the examples using polycrystalline NMC composite oxide in Comparative Examples 3 to 5, no reduction in DC resistance was observed, or the reduction was slight, compared to Comparative Example 12.
比較例7~9のPVDFを用いた例および比較例11のHFP割合が低いPVDF-HFPを用いた例では、比較例12と比較して直流抵抗の減少効果がみられるものの、その減少幅は十分なものとは言えなかった。 In the examples using PVDF (Comparative Examples 7 to 9) and the example using PVDF-HFP with a low HFP ratio (Comparative Example 11), a reduction in DC resistance was observed compared to Comparative Example 12, but the extent of the reduction was not sufficient.
10a 積層型二次電池、
10b 双極型二次電池、
11 集電体、
11a 正極側の最外層集電体、
11b 負極側の最外層集電体、
11’ 正極集電体
12 負極集電体
13 正極活物質層、
15 負極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21 発電要素、
23 双極型電極、
25 正極集電板(正極タブ)、
27 負極集電板(負極タブ)、
29 ラミネートフィルム、
31 シール部。
10a stacked secondary battery,
10b bipolar secondary battery;
11 current collector,
11a: outermost current collector on the positive electrode side;
11b: outermost current collector on the negative electrode side;
11′ positive electrode current collector 12 negative electrode current collector 13 positive electrode active material layer,
15 negative electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21 power generating element,
23 bipolar electrodes,
25 Positive electrode current collector (positive electrode tab),
27 negative electrode current collector plate (negative electrode tab),
29 Laminating film,
31 Sealing part.
Claims (6)
前記正極活物質の、平均粒子径から算出される幾何比表面積に対するBET比表面積の比の値として定義されるラフネスファクターの値が3以下であり、
前記バインダは、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体であり、この際、当該共重合体の全構成単位数に対するヘキサフルオロプロピレン由来の構成単位数の割合が、5モル%以上であり、
前記バインダの含有量は、前記正極活物質層の全固形分に対して、0.31質量%より大きく4.85質量%未満であり、
前記正極活物質は、Williamson-Hall法から算出される結晶子径をX(nm)、レーザー回折法から算出される平均粒子径(D50)をY(nm)とした際に、Y/X≦70を満たす、リチウムイオン二次電池用正極。 A positive electrode for a lithium ion secondary battery having a positive electrode active material layer including a positive electrode active material, a binder, and a conductive additive,
the positive electrode active material has a roughness factor of 3 or less, which is defined as the ratio of a BET specific surface area to a geometric specific surface area calculated from an average particle size;
the binder is a vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, and in this case, the ratio of the number of structural units derived from hexafluoropropylene to the total number of structural units of the copolymer is 5 mol% or more;
the content of the binder is greater than 0.31% by mass and less than 4.85% by mass with respect to the total solid content of the positive electrode active material layer ,
The positive electrode active material satisfies Y/X≦70, where X (nm) is the crystallite diameter calculated by the Williamson-Hall method and Y (nm) is the average particle diameter (D50) calculated by a laser diffraction method .
前記正極活物質の、平均粒子径から算出される幾何比表面積に対するBET比表面積の比の値として定義されるラフネスファクターの値が3以下であり、
前記バインダは、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体であり、この際、当該共重合体の全構成単位数に対するヘキサフルオロプロピレン由来の構成単位数の割合が、5モル%以上であり、
前記バインダの含有量は、前記正極活物質層の全固形分に対して、0.31質量%より大きく4.85質量%未満であり、
前記正極活物質は、R3mの空間群からなり、X線回折測定により得られる(104)面の回折ピークに対する(003)面の回折ピークのピーク強度比(003)/(104)が1.35以上である、リチウムイオン二次電池用正極。 A positive electrode for a lithium ion secondary battery having a positive electrode active material layer including a positive electrode active material, a binder, and a conductive additive,
the positive electrode active material has a roughness factor of 3 or less, which is defined as the ratio of a BET specific surface area to a geometric specific surface area calculated from an average particle size;
the binder is a vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, and in this case, the ratio of the number of structural units derived from hexafluoropropylene to the total number of structural units of the copolymer is 5 mol% or more;
the content of the binder is greater than 0.31% by mass and less than 4.85% by mass with respect to the total solid content of the positive electrode active material layer,
the positive electrode active material is composed of a space group of R3m, and has a peak intensity ratio (003)/(104) of a diffraction peak of a (003) plane to a diffraction peak of a (104) plane obtained by X-ray diffraction measurement of 1.35 or more.
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