JP2014011023A - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.
従来、携帯電話、ノートパソコン、PDAなどの電子デバイスなどには、非水電解質二次電池が広く使用されている。例えば、特許文献1には、非水電解液として環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステルなどを含む非水電解液を用いることが開示されている。 Conventionally, non-aqueous electrolyte secondary batteries have been widely used in electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and PDAs. For example, Patent Document 1 discloses using a nonaqueous electrolytic solution containing a cyclic carbonate, a chain carbonate, a cyclic ester, or the like as the nonaqueous electrolytic solution.
近年、非水電解質二次電池の熱安定性のさらなる向上が求められている。 In recent years, further improvement in the thermal stability of nonaqueous electrolyte secondary batteries has been demanded.
本発明の主な目的は、改善された熱安定性を有する非水電解質二次電池を提供することにある。 A main object of the present invention is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having improved thermal stability.
本発明の非水電解質二次電池は、正極と、負極と、非水電解液とを備える。正極は、リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として含む。負極は、負極活物質を含む。非水電解液は、溶質及び非水系溶媒を含む。非水系溶媒は、γ−ブチロラクトン、環状ハロゲン化カーボネート、及び鎖状カーボネートを含む。溶質は、オキサレート錯体を含むリチウム塩を含む。 The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. The positive electrode includes a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material. The negative electrode includes a negative electrode active material. The nonaqueous electrolytic solution includes a solute and a nonaqueous solvent. Nonaqueous solvents include γ-butyrolactone, cyclic halogenated carbonates, and chain carbonates. The solute includes a lithium salt containing an oxalate complex.
本発明によれば、改善された熱安定性を有する非水電解質二次電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having improved thermal stability.
以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。 Hereinafter, an example of the preferable form which implemented this invention is demonstrated. However, the following embodiment is merely an example. The present invention is not limited to the following embodiments.
また、実施形態において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率などは、以下の説明を参酌して判断されるべきである。 The drawings referred to in the embodiments are schematically described, and the ratio of the dimensions of the objects drawn in the drawings may be different from the ratio of the dimensions of the actual objects. The specific dimensional ratio of the object should be determined in consideration of the following description.
図1に示されるように、非水電解質二次電池1は、電池容器17を備えている。本実施形態では、電池容器17は、円筒型である。但し、本発明において、電池容器の形状は、特に限定されない。電池容器17は、例えば、扁平型、角型などであってもよい。 As shown in FIG. 1, the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 includes a battery container 17. In the present embodiment, the battery case 17 is a cylindrical shape. However, in the present invention, the shape of the battery container is not particularly limited. The battery container 17 may be, for example, a flat type or a square type.
電池容器17内には、非水電解液を含浸した電極体10が収納されている。 An electrode body 10 impregnated with a non-aqueous electrolyte is accommodated in the battery container 17.
非水電解液は、非水系溶媒及び溶質を含む。溶質は、少なくともオキサレート錯体を含むリチウム塩を含む。非水系溶媒は、γ−ブチロラクトン、環状ハロゲン化カーボネート、及び鎖状カーボネートを含む。 The nonaqueous electrolytic solution includes a nonaqueous solvent and a solute. The solute includes a lithium salt containing at least an oxalate complex. Nonaqueous solvents include γ-butyrolactone, cyclic halogenated carbonates, and chain carbonates.
上述のように、非水電解質二次電池用の非水電解液として、エチレンカーボネートなどの環状カーボネート、ジメチルカーボネートなどの鎖状カーボネート、γ−ブチロラクトンなどの環状エステルなどを含む非水電解液が知られている。例えば、γ−ブチロラクトンは、非水電解液と正極との反応性を低下させる効果を奏するため、電池の熱安定性を向上させ得ると考えられる。しかしながら、本発明者が検討したところ、γ−ブチロラクトンは、負極との反応性が高いため、単にγ−ブチロラクトンを非水電解液に配合するだけでは、電池の熱安定性を高めることは難しいことが明らかとなった。また、例えば、フッ素化エチレンカーボネートなどは、負極の表面上に保護被膜を形成することが知られている。この保護被膜は、60℃〜80℃程度の範囲内では、非水電解液中で安定に存在する。よって、フッ素化エチレンカーボネートなどを非水電解液中に配合することにより、電池の高温での保存特性を向上させ得ると考えられる。しかしながら、フッ素化エチレンカーボネートを非水電解液に配合した場合にも、例えば、内部短絡が生じた場合など、電池温度が150℃以上といった高温になった場合には、電池の熱安定性は不十分となる場合がある。 As described above, non-aqueous electrolytes for non-aqueous electrolyte secondary batteries include non-aqueous electrolytes containing cyclic carbonates such as ethylene carbonate, chain carbonates such as dimethyl carbonate, and cyclic esters such as γ-butyrolactone. It has been. For example, γ-butyrolactone is considered to be able to improve the thermal stability of the battery because it has the effect of reducing the reactivity between the non-aqueous electrolyte and the positive electrode. However, the present inventors have examined that γ-butyrolactone is highly reactive with the negative electrode, and therefore it is difficult to improve the thermal stability of the battery simply by blending γ-butyrolactone with the non-aqueous electrolyte. Became clear. For example, fluorinated ethylene carbonate is known to form a protective film on the surface of the negative electrode. This protective film is stably present in the nonaqueous electrolytic solution within a range of about 60 ° C to 80 ° C. Therefore, it is considered that the storage characteristics at high temperature of the battery can be improved by blending fluorinated ethylene carbonate or the like into the non-aqueous electrolyte. However, even when fluorinated ethylene carbonate is blended with the non-aqueous electrolyte, for example, when an internal short circuit occurs, and the battery temperature becomes higher than 150 ° C., the thermal stability of the battery is poor. May be sufficient.
これに対して、非水電解質二次電池1においては、非水電解液の非水系溶媒が、γ−ブチロラクトン、環状ハロゲン化カーボネート、及び鎖状カーボネートを含み、さらに、非水電解液の溶質がオキサレート錯体を含むリチウム塩を含む。これにより、非水電解質二次電池1の熱安定性が効果的に向上している。この理由の詳細は、必ずしも明確ではないが、例えば、次のように考えることができる。 On the other hand, in the nonaqueous electrolyte secondary battery 1, the nonaqueous solvent of the nonaqueous electrolyte includes γ-butyrolactone, cyclic halogenated carbonate, and chain carbonate, and the solute of the nonaqueous electrolyte is Includes lithium salts containing oxalate complexes. Thereby, the thermal stability of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 is effectively improved. The details of this reason are not necessarily clear, but can be considered as follows, for example.
オキサレート錯体を含むリチウム塩と環状ハロゲン化カーボネートを共存させることにより、オキサレート錯体を含むリチウム塩と環状ハロゲン化カーボネート双方の分解により形成される被膜が、環状ハロゲン化カーボネートのみの分解により形成される被膜より熱安定性が向上すると考えられる。さらに、誘電率が低い鎖状カーボネートを主溶媒(体積比率で50%超)とすることで、高温下での被膜の分解や、分解を伴う電解液への溶解が抑制され、被膜が維持されるため、γ−ブチロラクトンと負極の高温下での反応も抑制されて、電池としての熱安定性が向上すると考えられる。 The film formed by the decomposition of both the lithium salt containing the oxalate complex and the cyclic halogenated carbonate by coexisting the lithium salt containing the oxalate complex and the cyclic halogenated carbonate is formed only by the decomposition of the cyclic halogenated carbonate. It is considered that the thermal stability is further improved. Furthermore, by using a chain carbonate with a low dielectric constant as the main solvent (more than 50% by volume), decomposition of the coating at high temperatures and dissolution in the electrolyte accompanying decomposition are suppressed, and the coating is maintained. Therefore, it is considered that the reaction between γ-butyrolactone and the negative electrode at a high temperature is suppressed, and the thermal stability of the battery is improved.
非水電解質二次電池1の熱安定性をより向上させるために、オキサレート錯体を含むリチウム塩としては、リチウムビスオキサレートボレート(LiB(C2O4)2:LiBOB)が好ましい。 In order to further improve the thermal stability of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1, lithium bisoxalate borate (LiB (C 2 O 4 ) 2 : LiBOB) is preferable as the lithium salt containing an oxalate complex.
また、非水電解質二次電池1の熱安定性をより向上させるために、オキサレート錯体を含むリチウム塩を、0.01mol/l以上、0.5mol/l以下含むことが好ましく、0.03mol/l以上、0.2mol/l以下含むことがより好ましい。 In order to further improve the thermal stability of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1, it is preferable that the lithium salt containing an oxalate complex is contained in an amount of 0.01 mol / l to 0.5 mol / l, More preferably, it is 1 to 0.2 mol / l.
なお、他のオキサレート錯体を含むリチウム塩としては、例えば、Li[M(C2O4)xRy](式中、Mは遷移金属,周期律表のIIIb族,IVb族,Vb族から選択される元素、Rはハロゲン、アルキル基、ハロゲン置換アルキル基から選択される基、xは正の整数、yは0又は正の整数である。)で表わされる、中心原子にC2O4 2−が配位したアニオンを有するリチウム塩が挙げられる。他のオキサレート錯体を含むリチウム塩の具体例としては、Li[B(C2O4)F2]、Li[P(C2O4)F4]、Li[P(C2O4)2F2]などが挙げられる。 In addition, as a lithium salt containing other oxalate complexes, for example, Li [M (C 2 O 4 ) x R y ] (wherein, M is a transition metal, from group IIIb, IVb, Vb of the periodic table) element selected, R represents halogen, an alkyl group, a group selected from halogen-substituted alkyl group, x is a positive integer, y is represented by a 0 or a positive integer.), C 2 O 4 to the central atom Examples thereof include lithium salts having an anion coordinated with 2- . Specific examples of lithium salts containing other oxalate complexes include Li [B (C 2 O 4 ) F 2 ], Li [P (C 2 O 4 ) F 4 ], Li [P (C 2 O 4 ) 2. F 2 ] and the like.
溶質は、オキサレート錯体を含むリチウム塩以外の他のリチウム塩などをさらに含んでいてもよい。このような他のリチウム塩としては、従来公知の非水電解質二次電池に用いられている他のリチウム塩が挙げられる。他のリチウム塩としては、例えば、P、B、F、O、S、N、Clのうち少なくとも1種以上の元素を含むリチウム塩が挙げられる。他のリチウム塩の具体例としては、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(FSO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(C2F5SO2)3、LiAsF6、LiClO4、及びこれらのうち少なくとも2種以上の混合物などが挙げられる。特に、非水電解質二次電池1における充放電特性や耐久性を高めるためには、溶質は、LiPF6をさらに含むことが好ましい。 The solute may further contain a lithium salt other than the lithium salt containing the oxalate complex. Examples of such other lithium salts include other lithium salts used in conventionally known nonaqueous electrolyte secondary batteries. Examples of the other lithium salt include lithium salts containing at least one element among P, B, F, O, S, N, and Cl. Specific examples of other lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (FSO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN ( CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiC (C 2 F 5 SO 2 ) 3 , LiAsF 6 , LiClO 4 , and a mixture of at least two of these. In particular, in order to improve the charge / discharge characteristics and durability of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1, the solute preferably further contains LiPF 6 .
非水電解質二次電池1の熱安定性をより向上させるために、非水系溶媒は、γ−ブチロラクトンを5体積%以上、30体積%以下含むことが好ましく、10体積%以上、20体積%以下含むことがより好ましい。非水系溶媒がγ−ブチロラクトンを5体積%以上含むことにより、正極12と非水電解液との反応をより効果的に抑制し得る。また、非水系溶媒がγ−ブチロラクトンを30体積%以下含むことにより、γ−ブチロラクトンと負極11との反応による発熱を抑制し得る。 In order to further improve the thermal stability of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1, the nonaqueous solvent preferably contains 5% by volume or more and 30% by volume or less of γ-butyrolactone, and is preferably 10% by volume or more and 20% by volume or less. More preferably. When the non-aqueous solvent contains 5% by volume or more of γ-butyrolactone, the reaction between the positive electrode 12 and the non-aqueous electrolyte can be more effectively suppressed. Further, when the non-aqueous solvent contains γ-butyrolactone in an amount of 30% by volume or less, heat generation due to the reaction between γ-butyrolactone and the negative electrode 11 can be suppressed.
非水電解質二次電池1の熱安定性をより向上させるために、環状ハロゲン化カーボネートとしては、環状フッ素化カーボネートが好ましい。環状フッ素化カーボネートの具体例としては、モノフルオロエチレンカーボネート、ジフルオロエチレンカーボネートなどのフッ素化エチレンカーボネートなどが挙げられる。環状ハロゲン化カーボネートは、1種類のみであってもよいし、2種類以上の混合物であってもよい。 In order to further improve the thermal stability of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1, cyclic fluorinated carbonate is preferable as the cyclic halogenated carbonate. Specific examples of the cyclic fluorinated carbonate include fluorinated ethylene carbonate such as monofluoroethylene carbonate and difluoroethylene carbonate. The cyclic halogenated carbonate may be only one type or a mixture of two or more types.
非水電解質二次電池1の熱安定性をより向上させるために、非水系溶媒は、環状ハロゲン化カーボネートを0.5体積%以上、20体積%以下含むことが好ましく、1体積%以上、10体積%以下含むことがより好ましい。非水系溶媒が環状ハロゲン化カーボネートを0.5体積%以上含むことにより、負極11上に保護被膜が効果的に形成され、非水電解質二次電池1の熱安定性をより向上し得る。また、非水系溶媒が環状ハロゲン化カーボネートを20体積%以下含むことにより、非水電解液のイオン伝導率が低下して、非水電解質二次電池1の出力特性が低下することを抑制し得る。 In order to further improve the thermal stability of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1, the nonaqueous solvent preferably contains 0.5% by volume or more and 20% by volume or less of cyclic halogenated carbonate, and is preferably 1% by volume or more and 10% by volume or more. It is more preferable to contain the volume% or less. When the non-aqueous solvent contains 0.5% by volume or more of the cyclic halogenated carbonate, a protective film is effectively formed on the negative electrode 11, and the thermal stability of the non-aqueous electrolyte secondary battery 1 can be further improved. Moreover, when the non-aqueous solvent contains 20% by volume or less of the cyclic halogenated carbonate, it is possible to suppress a decrease in the ionic conductivity of the non-aqueous electrolyte and a decrease in the output characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery 1. .
鎖状カーボネートの具体例としては、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなどが挙げられる。鎖状カーボネートは、1種類のみであってもよいし、2種類以上の混合物であってもよい。非水電解質二次電池1の熱安定性をより向上させるために、非水系溶媒は、鎖状カーボネートを50体積%以上、90体積%以下含むことが好ましく、60体積%以上、80体積%以下含むことがより好ましい。非水系溶媒は、鎖状カーボネートを50体積%以上、90体積%以下含むことにより、非水電解質二次電池1の熱安定性をより向上させつつ、非水電解質二次電池1の出力特性の低下を抑制し得る。 Specific examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate and the like. Only one type of chain carbonate may be used, or a mixture of two or more types may be used. In order to further improve the thermal stability of the non-aqueous electrolyte secondary battery 1, the non-aqueous solvent preferably contains 50% by volume or more and 90% by volume or less of a chain carbonate, and is 60% by volume or more and 80% by volume or less. More preferably. The non-aqueous solvent contains 50% by volume or more and 90% by volume or less of chain carbonate, thereby improving the thermal stability of the non-aqueous electrolyte secondary battery 1 and improving the output characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery 1. Reduction can be suppressed.
非水系溶媒は、γ−ブチロラクトン、環状ハロゲン化カーボネート、及び鎖状カーボネート以外の他の非水系溶媒を含んでいてもよい。このような他の非水系溶媒としては、従来公知の非水電解質二次電池に用いられている非水系溶媒が挙げられる。他の非水系溶媒の具体例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの環状カーボネートなどが挙げられる。 The non-aqueous solvent may contain a non-aqueous solvent other than γ-butyrolactone, cyclic halogenated carbonate, and chain carbonate. Examples of such other non-aqueous solvents include non-aqueous solvents used in conventionally known non-aqueous electrolyte secondary batteries. Specific examples of other non-aqueous solvents include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and vinylene carbonate.
電極体10は、負極11と、正極12と、負極11及び正極12の間に配置されているセパレータ13とが巻回されてなる。 The electrode body 10 is formed by winding a negative electrode 11, a positive electrode 12, and a separator 13 disposed between the negative electrode 11 and the positive electrode 12.
セパレータ13は、負極11と正極12との接触による短絡を抑制でき、かつ非水電解液を含浸して、リチウムイオン伝導性が得られるものであれば特に限定されない。セパレータ13は、例えば、樹脂製の多孔膜により構成することができる。樹脂製の多孔膜の具体例としては、例えば、ポリプロピレン製やポリエチレン製の多孔膜、ポリプロピレン製の多孔膜とポリエチレン製の多孔膜との積層体などが挙げられる。 The separator 13 is not particularly limited as long as it can suppress a short circuit due to contact between the negative electrode 11 and the positive electrode 12 and can impregnate a non-aqueous electrolyte to obtain lithium ion conductivity. Separator 13 can be constituted by a porous film made of resin, for example. Specific examples of the resin porous membrane include, for example, polypropylene and polyethylene porous membranes, and laminates of polypropylene porous membranes and polyethylene porous membranes.
負極11は、負極集電体と、負極集電体の少なくとも一方の表面の上に配された負極活物質層とを有する。負極集電体は、例えば、Cuなどの金属や、Cuなどの金属を含む合金からなる箔により構成することができる。 The negative electrode 11 includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer disposed on at least one surface of the negative electrode current collector. The negative electrode current collector can be composed of, for example, a foil made of a metal such as Cu or an alloy containing a metal such as Cu.
負極活物質層には、負極活物質が含まれる。負極活物質は、リチウムを可逆的に吸蔵・放出できるものであれば特に限定されない。負極活物質としては、例えば、炭素材料、リチウムと合金化する材料、金属酸化物などが挙げられる。負極活物質としては、これらの中でも、炭素材料が好ましい。炭素材料の具体例としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズピッチ系炭素繊維(MCF)、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、コークス、ハードカーボンなどが挙げられる。リチウムと合金化する材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、スズ及びアルミニウムからなる群から選ばれた1種以上の金属、またはシリコン、ゲルマニウム、スズ及びアルミニウムからなる群から選ばれた1種以上の金属を含む合金からなるものが挙げられる。非水電解質二次電池1の充放電特性を向上させるためには、負極活物質として、黒鉛材料を低結晶性炭素で被覆した炭素材料を用いることが特に好ましい。 The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material. The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can reversibly store and release lithium. Examples of the negative electrode active material include a carbon material, a material alloyed with lithium, and a metal oxide. Among these, a carbon material is preferable as the negative electrode active material. Specific examples of the carbon material include natural graphite, artificial graphite, mesophase pitch-based carbon fiber (MCF), mesocarbon microbeads (MCMB), coke, and hard carbon. Examples of the material to be alloyed with lithium include one or more metals selected from the group consisting of silicon, germanium, tin, and aluminum, or one or more types selected from the group consisting of silicon, germanium, tin, and aluminum. The thing which consists of an alloy containing a metal is mentioned. In order to improve the charge / discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1, it is particularly preferable to use a carbon material obtained by coating a graphite material with low crystalline carbon as the negative electrode active material.
負極活物質層には、グラファイトなどの炭素導電剤、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC)、スチレンブタジエンゴム(SBR)などの結着剤などが含まれていてもよい。 The negative electrode active material layer may contain a carbon conductive agent such as graphite, a binder such as sodium carboxymethyl cellulose (CMC) and styrene butadiene rubber (SBR).
正極12は、正極集電体と、正極集電体の少なくとも一方の表面の上に配された正極活物質層とを有する。正極集電体は、例えば、Alなどの金属、Alなどの金属を含む合金により構成することができる。 The positive electrode 12 includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer disposed on at least one surface of the positive electrode current collector. The positive electrode current collector can be made of, for example, a metal such as Al or an alloy containing a metal such as Al.
正極活物質層は、正極活物質を含む。正極活物質層は、正極活物質に加えて、結着剤、導電剤などの適宜の材料を含んでいてもよい。好ましく用いられる結着剤の具体例としては、例えばポリフッ化ビニリデンなどが挙げられる。好ましく用いられる導電剤の具体例としては、例えば、黒鉛、アセチレンブラックなどの炭素材料などが挙げられる。 The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material. The positive electrode active material layer may contain appropriate materials such as a binder and a conductive agent in addition to the positive electrode active material. Specific examples of the binder preferably used include, for example, polyvinylidene fluoride. Specific examples of the conductive agent preferably used include carbon materials such as graphite and acetylene black.
正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物を含む。正極活物質は、層状構造を有することが好ましい。リチウム遷移金属複合酸化物は、Li、Ni及びMnを含み、層状構造を有することが好ましい。リチウム遷移金属複合酸化物は、一般式:Li1+xNiaMnbCocO2+d[式中、x、a、b、c及びdは、x+a+b+c=1、0<x≦0.1、0≦c/(a+b)<0.65、0.7≦a/b≦2.0、−0.1≦d≦0.1の条件を満たす。]で表され、層状構造を有することがより好ましい。なお、上記の一般式で表されるリチウム遷移金属複合酸化物において、コバルトの組成比cと、ニッケルの組成比aと、マンガンの組成比bとが、0≦c/(a+b)<0.65の条件を満たすことにより、コバルトの割合を低くして、材料コストを低減でき、工具用や自動車等の電源として好適に利用することができる。 The positive electrode active material includes a lithium transition metal composite oxide. The positive electrode active material preferably has a layered structure. The lithium transition metal composite oxide preferably contains Li, Ni, and Mn and has a layered structure. The lithium transition metal composite oxide has a general formula: Li 1 + x Ni a Mn b Co c O 2 + d [wherein x, a, b, c and d are x + a + b + c = 1, 0 <x ≦ 0.1, 0 ≦ The conditions of c / (a + b) <0.65, 0.7 ≦ a / b ≦ 2.0, and −0.1 ≦ d ≦ 0.1 are satisfied. It is more preferable that it has a layered structure. In the lithium transition metal composite oxide represented by the above general formula, the composition ratio c of cobalt, the composition ratio a of nickel, and the composition ratio b of manganese are 0 ≦ c / (a + b) <0. By satisfying the condition of 65, the proportion of cobalt can be reduced, the material cost can be reduced, and it can be suitably used as a power source for tools and automobiles.
また、上記の一般式で表されるリチウム遷移金属複合酸化物において、ニッケルの組成比aと、マンガンの組成比bとが0.7≦a/b≦2.0の条件を満たすことにより、非水電解質二次電池1の熱安定性を高めることができる。なお、a/bの値が0.7未満になると、マンガン組成の割合が多くなり、不純物層が生じて容量が低下する場合がある。非水電解質二次電池1の熱安定性を高めると共に容量の低下を抑制するためには、上記一般式で表されるリチウム遷移金属複合酸化物において、0.7≦a/b≦1.5の条件を満たすことがより好ましい。 In the lithium transition metal composite oxide represented by the above general formula, the composition ratio a of nickel and the composition ratio b of manganese satisfy the condition of 0.7 ≦ a / b ≦ 2.0, The thermal stability of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 can be improved. In addition, when the value of a / b is less than 0.7, the ratio of the manganese composition increases, an impurity layer may be generated, and the capacity may be reduced. In order to increase the thermal stability of the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 and suppress the decrease in capacity, in the lithium transition metal composite oxide represented by the above general formula, 0.7 ≦ a / b ≦ 1.5 It is more preferable to satisfy the condition.
また、上記の一般式で表されるリチウム遷移金属複合酸化物において、リチウムの組成比(1+x)におけるxが0<x≦0.1の条件を満たすことにより、非水電解質二次電池1の出力特性がより向上され得る。なお、x>0.1になると、このリチウム遷移金属複合酸化物の表面に残留するアルカリが多くなって、電池を作製する工程においてスラリーにゲル化が生じると共に、酸化還元反応を行う遷移金属量が低下して電池容量が低下する場合がある。上記一般式で表されるリチウム遷移金属複合酸化物において、0.05≦x≦0.1の条件を満たすことがより好ましい。 In the lithium transition metal composite oxide represented by the above general formula, x in the lithium composition ratio (1 + x) satisfies the condition of 0 <x ≦ 0.1, so that the non-aqueous electrolyte secondary battery 1 The output characteristics can be further improved. When x> 0.1, the amount of alkali remaining on the surface of the lithium transition metal composite oxide increases, and gelation occurs in the slurry in the process of manufacturing the battery, and the amount of transition metal that undergoes a redox reaction May decrease and the battery capacity may decrease. In the lithium transition metal composite oxide represented by the above general formula, it is more preferable that the condition of 0.05 ≦ x ≦ 0.1 is satisfied.
また、上記の一般式で表されるリチウム遷移金属複合酸化物において、酸素の組成比(2+d)におけるdが−0.1≦d≦0.1の条件を満たすことにより、リチウム遷移金属複合酸化物が酸素欠損状態や酸素過剰状態になって、その結晶構造が損なわれるのを防止し得る。 Further, in the lithium transition metal composite oxide represented by the above general formula, when d in the oxygen composition ratio (2 + d) satisfies the condition of −0.1 ≦ d ≦ 0.1, the lithium transition metal It can be prevented that the complex oxide is in an oxygen deficient state or an oxygen excess state and its crystal structure is damaged.
なお、上記のリチウム遷移金属複合酸化物には、ホウ素(B)、フッ素(F)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、バナジウム(V)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ジルコニウム(Zr)、錫(Sn)、タングステン(W)、ナトリウム(Na)、及びカリウム(K)からなる群から選択された少なくとも一種が含まれていてもよい。 The lithium transition metal composite oxide includes boron (B), fluorine (F), magnesium (Mg), aluminum (Al), titanium (Ti), chromium (Cr), vanadium (V), iron ( Fe), copper (Cu), zinc (Zn), niobium (Nb), molybdenum (Mo), zirconium (Zr), tin (Sn), tungsten (W), sodium (Na), and potassium (K) At least one selected from the group may be included.
以下、本発明について、具体的な実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。但し、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on specific examples. However, the present invention is not limited to the following examples, and can be appropriately modified and implemented without departing from the scope of the invention.
(実施例1)
[正極の作製]
Li2CO3と、共沈法によって得たNi0.46Co0.28Mn0.26(OH)2とを所定の割合で混合した。得られた混合物を空気中において900℃で焼成させて、層状構造を有する正極活物質としてのLi1.08Ni0.43Co0.26Mn0.24O2を得た。得られた正極活物質の平均粒子径は、約8μmであった。この正極活物質と、導電剤としてのカーボンブラックと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを溶解させたN−メチル−2−ピロリドン溶液とを、正極活物質と導電剤と結着剤との質量比が92:5:3となるように調整し、これらを混練して正極合剤のスラリーを作製した。次に、このスラリーをアルミニウム箔からなる正極集電体の上に塗布し、これを乾燥させた。その後、圧延ローラーにより圧延し、これにアルミニウムの集電タブを取りつけて正極を作製した。
Example 1
[Production of positive electrode]
Li 2 CO 3 and Ni 0.46 Co 0.28 Mn 0.26 (OH) 2 obtained by the coprecipitation method were mixed at a predetermined ratio. The obtained mixture was fired at 900 ° C. in the air to obtain Li 1.08 Ni 0.43 Co 0.26 Mn 0.24 O 2 as a positive electrode active material having a layered structure. The average particle diameter of the obtained positive electrode active material was about 8 μm. The positive electrode active material, carbon black as a conductive agent, and N-methyl-2-pyrrolidone solution in which polyvinylidene fluoride as a binder is dissolved, the mass of the positive electrode active material, the conductive agent, and the binder. The ratio was adjusted to 92: 5: 3, and these were kneaded to prepare a positive electrode mixture slurry. Next, this slurry was applied onto a positive electrode current collector made of aluminum foil, and dried. Then, it rolled with the rolling roller and attached the current collection tab of aluminum to this, and produced the positive electrode.
[負極の作製]
増粘剤としてのCMC(カルボキシメチルセルロース)を水に溶解した溶液に、黒鉛粉末を投入し、攪拌混合した。次に、バインダーとしてのSBR(スチレンブタジエンゴム)を混合してスラリーを調製した。黒鉛、CMC、及びSBRの質量比は、98:1:1とした。このスラリーを、銅箔からなる負極集電体の上に塗布し、これを乾燥させた。その後、圧延ローラーにより圧延し、これにニッケルの集電タブを取りつけて負極を作製した。
[Production of negative electrode]
Graphite powder was put into a solution in which CMC (carboxymethylcellulose) as a thickener was dissolved in water, and the mixture was stirred and mixed. Next, SBR (styrene butadiene rubber) as a binder was mixed to prepare a slurry. The mass ratio of graphite, CMC, and SBR was 98: 1: 1. This slurry was applied onto a negative electrode current collector made of copper foil, and dried. Then, it rolled with the rolling roller and attached the current collection tab of nickel to this, and produced the negative electrode.
[非水電解液の作製]
エチレンカーボネート(EC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、及びフッ素化エチレンカーボネート(FEC)をそれぞれ体積比で22.5:22.5:30:20:5となるように混合したものを非水系溶媒とした。得られた非水系溶媒を溶質としてのLiPF6を1mol/l溶解させ、さらにビニレンカーボネートを1質量%添加した。さらに、溶質としてのリチウムビスオキサレートボレート(LiBOB)が、非水電解液中において0.1mol/lとなるよう添加して非水電解液を作製した。
[Preparation of non-aqueous electrolyte]
Ethylene carbonate (EC), methyl ethyl carbonate (MEC), dimethyl carbonate (DMC), γ-butyrolactone (γ-BL), and fluorinated ethylene carbonate (FEC) in a volume ratio of 22.5: 22.5: 30, respectively. : The mixture so that it might become 20: 5 was used as the non-aqueous solvent. LiPF 6 as a solute was dissolved in 1 mol / l of the obtained non-aqueous solvent, and 1% by mass of vinylene carbonate was further added. Further, lithium bisoxalate borate (LiBOB) as a solute was added so as to be 0.1 mol / l in the non-aqueous electrolyte to prepare a non-aqueous electrolyte.
[非水電解質二次電池の作製]
上記で作製した正極及び負極を、ポリエチレン製のセパレータを介して対向するように巻き取って巻取体を作製した。次に、アルゴン雰囲気下のドライボックス中にて、この巻取体を非水電解液とともに電池缶に封入することにより、円筒形18650サイズの非水電解質二次電池A(充電終止電圧:4.2V、放電終止電圧:2.5Vでの定格容量:1200mAh)を作製した。
[Production of non-aqueous electrolyte secondary battery]
The positive electrode and the negative electrode prepared above were wound up so as to face each other with a polyethylene separator interposed therebetween to prepare a wound body. Next, in a dry box under an argon atmosphere, the wound body is sealed in a battery can together with a non-aqueous electrolyte solution, so that a cylindrical 18650-size non-aqueous electrolyte secondary battery A (end-of-charge voltage: 4. 2V, discharge final voltage: rated capacity at 2.5 V: 1200 mAh).
(比較例1)
非水電解液の作製において、EC、MEC、DMCをそれぞれ体積比で30:30:40となるように混合したものを非水系溶媒として用いたこと以外は、電池Aと同様にして非水電解質二次電池Bを作製した。
(Comparative Example 1)
The non-aqueous electrolyte was prepared in the same manner as the battery A, except that in the preparation of the non-aqueous electrolyte, EC, MEC, and DMC were mixed in a volume ratio of 30:30:40 and used as the non-aqueous solvent. A secondary battery B was produced.
(比較例2)
非水電解液の作製において、EC、MEC、DMC及びγ−BLをそれぞれ体積比で24:24:32:20となるように混合したものを非水系溶媒として用いたこと以外は、電池Aと同様にして非水電解質二次電池Cを作製した。
(Comparative Example 2)
In the preparation of the non-aqueous electrolyte, the battery A and the battery A were used except that EC, MEC, DMC, and γ-BL were mixed in a volume ratio of 24: 24: 32: 20, respectively, as the non-aqueous solvent. Similarly, a nonaqueous electrolyte secondary battery C was produced.
(比較例3)
非水電解液の作製において、EC、MEC、DMC及びFECをそれぞれ体積比で28.5:28.5:38:5となるように混合したものを溶媒として用いたこと以外は、電池Aと同様にして非水電解質二次電池Dを作製した。
(Comparative Example 3)
In the preparation of the non-aqueous electrolyte, the battery A and the battery A were used except that EC, MEC, DMC and FEC were mixed in a volume ratio of 28.5: 28.5: 38: 5, respectively. Similarly, a nonaqueous electrolyte secondary battery D was produced.
[充電状態での釘刺し試験]
電池A〜電池Dを、それぞれ、充電電流1200mAで4.2Vになるまで定電流で充電した。次に、電圧4.2Vで充電電流が20mAになるまで定電圧で充電した。充電後の電池A〜電池Dに、それぞれ、東洋システム社製釘刺し試験装置にてφ=2.45mmの釘を1mm/秒の速度で貫通させた後の電池A〜電池Dの最高到達温度を計測した。電池A〜電池Dの釘刺し試験における最高到達温度を、電池Bの到達温度を基準として表1にまとめた。
[Nail penetration test in a charged state]
Battery A to Battery D were each charged with a constant current until the voltage reached 4.2 V at a charging current of 1200 mA. Next, it was charged at a constant voltage until the charging current reached 20 mA at a voltage of 4.2 V. The battery A to the battery D after charging were each made to reach the maximum temperature of the battery A to the battery D after passing a nail of φ = 2.45 mm at a speed of 1 mm / sec with a nail penetration test device manufactured by Toyo System Co., Ltd. Was measured. The maximum temperature reached in the nail penetration test for batteries A to D is summarized in Table 1 based on the temperature reached for battery B.
表1に示されるように、EC、MEC、DMC、γ−BL、及びFECを含み、さらにLiBOBを含む電池Aは、γ−BL及びFECを含まない電池Bよりも最高到達温度が20℃低く、熱安定性が高かった。また、γ−BLを含むが、FECを含まない電池Cでは、最高到達温度は、電池Bよりも100℃以上高くなり、電池の熱安定性はより低くかった。また、FECを含むが、γ−BLを含まない電池Dは、電池Bと同等の最高到達温度であり、電池の熱安定性向上の効果は確認されなかった。 As shown in Table 1, battery A containing EC, MEC, DMC, γ-BL, and FEC, and further containing LiBOB has a maximum ultimate temperature of 20 ° C. lower than battery B not containing γ-BL and FEC. The heat stability was high. Further, in the battery C containing γ-BL but not containing FEC, the maximum temperature reached was 100 ° C. higher than that of the battery B, and the thermal stability of the battery was lower. In addition, the battery D containing FEC but not γ-BL had the highest temperature reached that of the battery B, and the effect of improving the thermal stability of the battery was not confirmed.
(実施例2)
[正極の作製]
Li2CO3と、共沈法によって得たNi0.50Co0.20Mn0.30(OH)2とを所定の割合で混合した。得られた混合物を空気中において900℃で焼成させて、層状構造を有する正極活物質としてのLi1.07Ni0.46Co0.18Mn0.28O2を得た。正極活物質の平均粒子径は、約8μmであった。この正極活物質と、導電剤としてのカーボンブラックと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを溶解させたN−メチル−2−ピロリドン溶液とを、正極活物質と導電剤と結着剤との質量比が、92:5:3となるように調整し、これらを混練させて正極合剤のスラリーを作製した。このスラリーをアルミニウム箔からなる正極集電体の上に塗布し、これを乾燥させた。その後、圧延ローラーにより圧延し、これにアルミニウムの集電タブを取りつけて正極を作製した。
(Example 2)
[Production of positive electrode]
Li 2 CO 3 and Ni 0.50 Co 0.20 Mn 0.30 (OH) 2 obtained by the coprecipitation method were mixed at a predetermined ratio. The obtained mixture was fired in air at 900 ° C. to obtain Li 1.07 Ni 0.46 Co 0.18 Mn 0.28 O 2 as a positive electrode active material having a layered structure. The average particle diameter of the positive electrode active material was about 8 μm. The positive electrode active material, carbon black as a conductive agent, and N-methyl-2-pyrrolidone solution in which polyvinylidene fluoride as a binder is dissolved, the mass of the positive electrode active material, the conductive agent, and the binder. The ratio was adjusted to 92: 5: 3, and these were kneaded to prepare a positive electrode mixture slurry. This slurry was applied on a positive electrode current collector made of aluminum foil, and dried. Then, it rolled with the rolling roller and attached the current collection tab of aluminum to this, and produced the positive electrode.
[負極の作製]
増粘剤としてのCMC(カルボキシメチルセルロース)を水に溶解した溶液に、黒鉛粉末を投入し、攪拌混合した後、バインダーであるSBR(スチレンブタジエンゴム)を混合してスラリーを調製した。黒鉛、CMC、及びSBRの質量比は、98:1:1とした。このスラリーを、銅箔からなる負極集電体の上に塗布し、これを乾燥させた。その後、圧延ローラーにより圧延し、これにニッケルの集電タブを取りつけて負極を作製した。
[Production of negative electrode]
Graphite powder was put into a solution in which CMC (carboxymethylcellulose) as a thickener was dissolved in water, and after stirring and mixing, SBR (styrene butadiene rubber) as a binder was mixed to prepare a slurry. The mass ratio of graphite, CMC, and SBR was 98: 1: 1. This slurry was applied onto a negative electrode current collector made of copper foil, and dried. Then, it rolled with the rolling roller and attached the current collection tab of nickel to this, and produced the negative electrode.
[非水電解液の作製]
エチレンカーボネート(EC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、及びフッ素化エチレンカーボネート(FEC)をそれぞれ体積比で22.5:22.5:30:20:5となるように混合したものを非水系溶媒とした。このように作製した非水系溶媒に溶質としてのLiPF6を1mol/l溶解させ、さらにビニレンカーボネートを1質量%添加した。さらに、溶質としてのリチウムビスオキサレートボレート(LiBOB)が、非水電解液中において0.1mol/lとなるよう添加して非水電解液を作製した。
[Preparation of non-aqueous electrolyte]
Ethylene carbonate (EC), methyl ethyl carbonate (MEC), dimethyl carbonate (DMC), γ-butyrolactone (γ-BL), and fluorinated ethylene carbonate (FEC) in a volume ratio of 22.5: 22.5: 30, respectively. : The mixture so that it might become 20: 5 was used as the non-aqueous solvent. 1 mol / l of LiPF 6 as a solute was dissolved in the non-aqueous solvent thus prepared, and 1% by mass of vinylene carbonate was further added. Further, lithium bisoxalate borate (LiBOB) as a solute was added so as to be 0.1 mol / l in the non-aqueous electrolyte to prepare a non-aqueous electrolyte.
[非水電解質二次電池の作製]
上記で作製した正極及び負極、ポリエチレン製のセパレータを介して対向するように巻き取って巻取体(電極体)を作製した。次に、アルゴン雰囲気下のドライボックス中にて、この巻取体を電解液とともにラミネート外装体に封入することにより、4.1V充電での定格容量が16mAhである非水電解質二次電池Eを作製した。
[Production of non-aqueous electrolyte secondary battery]
The wound body (electrode body) was fabricated by winding so as to face each other through the positive electrode and the negative electrode produced above and a polyethylene separator. Next, in a dry box under an argon atmosphere, the wound body is enclosed in a laminate outer package together with an electrolytic solution, whereby a non-aqueous electrolyte secondary battery E having a rated capacity of 16 mAh at 4.1 V charging is obtained. Produced.
(実施例3)
非水電解液の作製において、EC、MEC、DMC、γ−BL及びFECをそれぞれ体積比で15:50:20:10:5となるように混合したものを非水系溶媒として用いたこと以外は、電池Eと同様にして非水電解質二次電池Fを作製した。
(Example 3)
In the preparation of the non-aqueous electrolyte, EC, MEC, DMC, γ-BL, and FEC were mixed in a volume ratio of 15: 50: 20: 10: 5, respectively, except that a non-aqueous solvent was used. A nonaqueous electrolyte secondary battery F was produced in the same manner as the battery E.
(比較例4)
非水電解液の作製において、EC、MEC、DMCをそれぞれ体積比で30:30:40となるように混合したものを溶媒として用いたこと以外は、電池Eと同様にして非水電解質二次電池Gを作製した。
(Comparative Example 4)
In the preparation of the non-aqueous electrolyte, the non-aqueous electrolyte secondary was the same as the battery E, except that EC, MEC, and DMC were mixed in a volume ratio of 30:30:40 as the solvent. Battery G was produced.
(カルベ式熱量計を用いた熱量測定)
電池E〜電池Gを、それぞれ、充電電流4mAで電圧4.1Vになるまで定電流充電を行った。次に、電圧4.1Vで充電電流が0.8mAになるまで定電圧で充電し、休止後、電流4mAで電圧2.5Vまで放電を行った。この充放電サイクルを2回行った後、充電電流4mAで電圧4.1Vになるまで定電流充電を行った。さらに、電圧4.1Vで充電電流が0.8mAになるまで定電圧で充電した。それぞれ満充電の状態の電池E〜電池Gのラミネートを開封し、巻取体を取り出した。次に、巻取体を熱量測定用の耐圧容器に入れ、160℃〜290℃の発熱量を求めた。発熱量の測定には、Setaram社製のカルベ式熱量計C−80を用い、30℃〜300℃、昇温速度1.0℃/分の条件とした。電池Gの発熱量を100として求めた各電池の相対発熱量を表2に示す。
(Calorimetric measurement using a Calve calorimeter)
The batteries E to G were each charged with a constant current until the voltage reached 4.1 V at a charging current of 4 mA. Next, the battery was charged at a constant voltage until the charging current became 0.8 mA at a voltage of 4.1 V, and after resting, the battery was discharged to a voltage of 2.5 V at a current of 4 mA. After performing this charging / discharging cycle twice, constant current charging was performed until the voltage reached 4.1 V at a charging current of 4 mA. Furthermore, the battery was charged at a constant voltage until the charging current reached 0.8 mA at a voltage of 4.1 V. The laminates of batteries E to G, each in a fully charged state, were opened, and the wound body was taken out. Next, the wound body was put in a pressure-resistant container for calorimetry, and a calorific value of 160 ° C. to 290 ° C. was obtained. The calorific value was measured by using a Calbe calorimeter C-80 manufactured by Setaram under the conditions of 30 ° C. to 300 ° C. and a heating rate of 1.0 ° C./min. Table 2 shows the relative calorific value of each battery determined with the calorific value of battery G as 100.
表2に示されるように、EC、MEC、DMC、γ−BL、及びFECを含み、さらにLiBOBを含む電池E及び電池Fは、γ−BL及びFECを含まない電池Gよりも発熱量が低く、熱安定性が高かった。この結果は上記の釘刺し試験の結果と対応していることが分かる。すなわち、電池Aでは、釘刺し試験での発熱量が低減した結果、最高到達温度が低下したものと考えられる。非水系溶媒中の鎖状カーボネートの割合(MEC及びDMCの合計量)を電池Eよりも多くした電池Fでは、電池Eよりも発熱量が低くなり、熱安定性がさらに高かった。 As shown in Table 2, the battery E and the battery F including EC, MEC, DMC, γ-BL, and FEC, and further including LiBOB have a lower heating value than the battery G not including γ-BL and FEC. The heat stability was high. It can be seen that this result corresponds to the result of the nail penetration test. That is, in battery A, it is considered that the maximum temperature reached was lowered as a result of the reduction in the amount of heat generated in the nail penetration test. In the battery F in which the proportion of the chain carbonate in the non-aqueous solvent (total amount of MEC and DMC) was larger than that in the battery E, the calorific value was lower than that in the battery E, and the thermal stability was further higher.
1…非水電解質二次電池
10…電極体
11…負極
12…正極
13…セパレータ
17…電池容器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Nonaqueous electrolyte secondary battery 10 ... Electrode body 11 ... Negative electrode 12 ... Positive electrode 13 ... Separator 17 ... Battery container
Claims (10)
負極活物質を含む負極と、
溶質及び非水系溶媒を含む非水電解液と、
を備え、
前記非水系溶媒は、γ−ブチロラクトン、環状ハロゲン化カーボネート、及び鎖状カーボネートを含み、
前記溶質は、オキサレート錯体を含むリチウム塩を含む、非水電解質二次電池。 A positive electrode comprising a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material;
A negative electrode containing a negative electrode active material;
A non-aqueous electrolyte containing a solute and a non-aqueous solvent;
With
The non-aqueous solvent includes γ-butyrolactone, a cyclic halogenated carbonate, and a chain carbonate,
The solute is a nonaqueous electrolyte secondary battery including a lithium salt containing an oxalate complex.
Li1+xNiaMnbCocO2+d
[式中、x、a、b、c、及びdは、x+a+b+c=1、0<x≦0.1、0≦c/(a+b)<0.65、0.7≦a/b≦2.0、−0.1≦d≦0.1の条件を満たす。]
で表される、請求項5に記載の非水電解質二次電池。 The lithium transition metal composite oxide has a general formula:
Li 1 + x Ni a Mn b Co c O 2 + d
[Wherein, x, a, b, c and d are x + a + b + c = 1, 0 <x ≦ 0.1, 0 ≦ c / (a + b) <0.65, 0.7 ≦ a / b ≦ 2. 0, −0.1 ≦ d ≦ 0.1 is satisfied. ]
The nonaqueous electrolyte secondary battery of Claim 5 represented by these.
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