JP2001273927A - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JP2001273927A JP2000089934A JP2000089934A JP2001273927A JP 2001273927 A JP2001273927 A JP 2001273927A JP 2000089934 A JP2000089934 A JP 2000089934A JP 2000089934 A JP2000089934 A JP 2000089934A JP 2001273927 A JP2001273927 A JP 2001273927A
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立 楊
Michio Takahashi
道夫 高橋
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 負極集電体である銅箔の腐食、及び溶出した
Cuを負極表面上のSEIに進入することを抑制するこ
とで、負極活物質表面上に銅SEI層が生成することを
抑制することにより、電池反応の阻害を抑制し、自己放
電特性とサイクル特性を改善したリチウム二次電池を提
供する。 【解決手段】 正極板2と負極板3をセパレータ4を介
して、捲回若しくは積層してなる電極体1を備え、リチ
ウム化合物を電解質として含む非水電解液を用いたリチ
ウム二次電池である。正極板2、負極板3、セパレータ
4、非水電解液の少なくともいずれかに、有機系、及び
/又は、無機系Cu腐食抑制剤、あるいは有機系、及び
/又は、無機系Cuトラップ剤であるインヒビターを添
加した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は、自己放電特性及
びサイクル特性に優れたリチウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】 リチウム二次電池は、一般的に、正極
活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物等が、負極活
物質としてハードカーボンや黒鉛といった炭素質材料が
それぞれ用いられる。また、このような材料を用いたリ
チウム二次電池の反応電位は約4.1Vと高く、このた
め非水電解液として、従来の二次電池のような水系電解
液を用いることができない。そこで、リチウム二次電池
の非水電解液としては、有機溶媒にリチウムイオン(L
+)電解質たるリチウム化合物を溶解した非水電解液
が用いられる。
【0003】 そして、正極板としては、正極活物質と
導電性を向上させるためのカーボン粉末とを混合したも
のをアルミニウム箔に塗布したものが用いられる。正極
活物質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO2
やマンガン酸リチウム(LiMn24)等が用いられ
る。一方、負極板としては、負極活物質としてソフトカ
ーボンやハードカーボンといったアモルファス系炭素質
材料や天然黒鉛等の炭素質粉末を銅箔に塗布したものが
好適に用いられる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】 その正極板及び負極
板の金属箔は、リチウム二次電池の内部電極体において
発生された電流を取り出し電極端子に伝導する役割を持
ち、一般的に、集電体と呼ばれる。その正極及び負極の
金属箔で作製された集電体は、リチウム二次電池の反応
電位が高いこともあり、集電体が電気化学反応によって
腐食し、電池性能が低下することを防ぐため、高純度の
材料を用いることが好ましいとされている。
【0005】 また、電池に用いる電解液は、極力水分
を除いた非水有機溶媒を用い、他の化学物質、部材等も
水分を含まないものを用いられているが、完全に水分を
除くことはできず、微量ではあるが、リチウム二次電池
中には水分が存在している状態にある。水分を除く理由
は、単に不純物であるからでもあるが、水分が電池中に
存在していると、電流を伝達する役割をもつ電解質が分
解し、電解液の劣化が進み、さまざまな電池反応の阻害
を引き起こすからである。
【0006】 例えば、電解質として、六フッ化リン酸
リチウム(LiPF6)を用いた場合に電池内に水分が
存在していると、電流の伝達物質が減少することで内部
抵抗は上昇し、また、ガスや酸化物質(フッ化水素酸)
が発生することになり、ガスは電池の内圧を上げ、フッ
化水素酸(HF)は、電池内部を腐食していくことにな
る。
【0007】 このHFは、電池容器や集電体の金属材
料を溶解・腐食させるとともに、正極活物質を溶解して
遷移金属を溶出させ、電解液中にCu,Mn等の金属を
溶出させることになる。また、高温になる程、電解質で
ある六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)が分解して
HFが生成し易くなる。つまり、電解液中のHFの濃度
はさらに増加することになる。
【0008】 すなわち、酸性物質であるHFで電池内
部を腐食される危険性はさらに高くなり、実際的に、長
期的に使用し性能劣化を起こしたリチウム二次電池を調
べてみると、集電体である金属箔は腐食され、電解液中
に溶出した金属が負極活物質表面に析出していた。この
負極活物質表面は、赤っぽい銅色をしており、その組成
物を調べると、Li+が負極カーボンに挿入する際にカ
ーボン表面に生成するSEI(Solid Elect
rolyte Interface)と呼ばれる組成物
(以下、この組成物を「リチウムSEI層」と呼ぶ。)以
外に、負極集電体の金属箔である銅(Cu)を含有する
化合物(以下、この組成物を「銅SEI層」と呼ぶ。)が
含まれていた。これは、CuO、CuCO3等であろう
と思われる。
【0009】 このようにして、負極表面上に、通常反
応により生成されたSEI層(リチウムSEI層)に銅
SEI層が加わると、SEI層はさらに厚くなり、及び
異なる化学物質がSEI組成物に混入し複雑になること
から、電子伝導体であるLi+の負極カーボンへの挿入
・離脱が阻害される。
【0010】 このように、負極集電体である銅箔が腐
食することは、電池内でさまざまな反応を引き起こし、
性能劣化の大きな原因となる。そして、充放電を繰り返
すサイクル運転においてこのことが顕著に現れ、二次電
池の致命的欠陥となる。
【0011】
【課題を解決するための手段】 本発明は上述した問題
点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、負極集電体である銅箔の腐食を抑制することで、電
池反応の阻害を抑制して、自己放電特性及びサイクル特
性に優れたリチウム二次電池を提供することにある。
【0012】 即ち、本発明によれば、正極板と負極板
をセパレータを介して、捲回若しくは積層してなる電極
体を備え、リチウム化合物を電解質として含む非水電解
液を用いたリチウム二次電池であって、当該正極板、当
該負極板、当該セパレータ、及び当該非水電解液の少な
くともいずれかに、有機系、及び/又は、無機系Cu腐
食抑制剤、あるいは有機系、及び/又は、無機系Cuト
ラップ剤であるインヒビターを添加することを特徴とす
るリチウム二次電池、が提供される。
【0013】 前記有機系インヒビターとしては、当該
有機化合物の極性基の中心元素が、周期律表の第5族
b、及び第6族bのN,P,O,S,As,及びSeの
少なくとも一種を含むことが好ましい。
【0014】 また、前記インヒビターとしては、1,
2,3−ベンゾトリアゾール、又はその誘導体や類似物
の少なくとも一種を含むことが好ましい。当該誘導体又
は類似物としては、1,2,3−ベンゾトリアゾール、
4または5−ベンゾトリアゾール、ベンズイミダゾー
ル、2−ベンズイミダゾールチオール、2−ベンズオキ
サゾールチオール、2−メチルベンゾチアゾール、イン
ドール、及び2−メルカプトチアゾリンのいずれかであ
ることが好ましい。
【0015】 また、前記有機系インヒビターとして
は、2−メルカプトベンゾチアゾール、又は2・5−ジ
メチルカプトチアジゾールのうち少なくとも一種を含む
ことが好ましい。
【0016】 また、前記有機系インヒビターとして
は、ジチオカルバミン酸、又はその誘導体の少なくとも
一種を含むことが好ましい。当該誘導体としては、ジエ
チルジチオカルバメート、ジメチルジチオカルバメー
ト、N−メチルジチオカルバメート、エチレン−ビスジ
チオカルバメート、及びジチオカルバメートのいずれか
であることが好ましい。
【0017】 また、前記有機系インヒビターとして
は、硫黄化合物であることが好ましい。当該硫黄化合物
としては、チオ尿素、チオアセトアミド、チオセミカル
バジド、チオフェノール、P−チオクレゾール、チオベ
ンゾイン酸、及びW−メチルカプトカルボン酸のそれぞ
れの誘導体のうち少なくとも一種を含むことが好まし
い。
【0018】 また、前記有機系インヒビターとして
は、ジドデシル−トリチオ−カルバメート、ジドデシル
デカン−1,10−ジチオレート、ドデシル−11−セ
レノ−シアネートウンデカンチオレート、オクタデシル
チオシアネート、オクタデシルセレノシアネート、及び
トリ(ドデシルチオ)フォスフィンの少なくとも一種を含
むことが好ましい。
【0019】 また、前記有機系インヒビターとして
は、6置換−1,3,5−トリアジン−2,4ジチオー
ルであることが好ましい。当該置換基としては、OH,
SH,OR’,NH2,NR2,及びNHR’(R、
R’:炭化水素基)のいずれかであることが好ましい。
【0020】 また、前記有機系インヒビターとして
は、アミン系有機化合物、アミド系有機化合物、テトラ
ゾール誘導体、3−アミノ系有機化合物、及び1,2,
4−トリアゾール系有機化合物のうち少なくとも一種を
含むことが好ましい。
【0021】 また、前記有機系インヒビターとして
は、イミダゾール系有機化合物であることが好ましい。
当該イミダゾール系有機化合物としては、イミダゾー
ル、4−メチルイミダゾール、4−メチル−4−メチル
イミダゾール、1−フェニル−4−メチルイミダゾー
ル、及び1−(p−トリル)−4−メチルイミダゾール
の少なくとも一種を含むことが好ましい。
【0022】 前記有機系インヒビターの非水電解液中
の含有量としては、0.01〜10.0質量%の範囲に
あることが好ましく、さらに、0.10〜0.50質量
%の範囲にあることが好ましい。
【0023】 前記無機系インヒビターとしては、燐酸
塩、クロム酸塩、鉄単体又は鉄化合物、亜硝酸塩、及び
珪酸塩のいずれかであることが好ましい。
【0024】 前記燐酸塩としては、ポリ燐酸塩、ガラ
ス状燐酸塩、ヘキサメタ燐酸塩、オルト燐酸塩、及びメ
タ燐酸塩のいずれかであることが好ましく、前記クロム
酸塩としては、シクロヘキシルアンモニウムクロメー
ト、又はアンモニウムクロメートであることが好まし
く、前記鉄化合物としては、3酸化2鉄、又は硫化鉄で
あることが好ましい。
【0025】 前記無機系インヒビターの非水電解液中
の含有量としては、0.01〜0.10質量%の範囲に
あることが好ましく、さらに、0.10〜0.50質量
%の範囲にあることが好ましい。
【0026】 本発明のリチウム二次電池は、電池容量
が2Ah以上の大型電池に好適に採用される。また、車
載用電池として好適に採用され、高出力を必要とするエ
ンジン起動用電源、大電流の放電が頻繁に行われる電気
自動車又はハイブリッド電気自動車のモータ駆動用電源
等として好適に用いられる。
【0027】
【発明の実施の形態】 本発明のリチウム二次電池は、
溶解してリチウムイオン(Li+)を生ずるリチウム化
合物を電解質として含む非水電解液を用いたものであっ
て、負極集電体である銅箔の腐食を抑制、あるいは溶出
した銅をトラップすることで、負極活物質表面上のSE
Iに銅が進入することを抑制したり、あるいは負極活物
質表面上に銅SEI層が生成することを抑制して、電池
反応の阻害を低減させることにより、自己放電特性及び
サイクル特性の向上を図ったものである。以下、本発明
の実施形態について説明するが、本発明が以下の実施形
態に限定されないことはいうまでもない。
【0028】 本発明のリチウム二次電池は、正極板
2、負極板3、セパレータ4及び非水電解液の少なくと
もいずれかに、有機系、及び/又は、無機系Cu腐食抑
制剤、あるいは有機系、及び/又は、無機系Cuトラッ
プ剤を添加するようにする。ここで、Cu腐食抑制剤、
及びCuトラップ剤とは、リチウム二次電池内に含ませ
ることにより負極集電体の腐食を抑制し、また、電解液
中に溶出したCuを捕獲・固定することができる、有機
系化合物及び無機系化合物を含む概念であるが、ここで
は、その中でも、Cu腐食防止効果、及びCuトラップ
効果が高く、有機溶媒中においても化学的に安定し、電
池反応を阻害しない化合物群をいう。このような化合物
であれば、リチウム二次電池において、容易に電池内に
含めることができ、Cuを用いた負極集電体の腐食防
止、及び溶出したCuをトラップする効果を発揮し、電
池性能の向上に寄与することが可能となる。
【0029】 逆に、本発明に含めることのできない化
合物としては、Cu腐食防止効果、又はCuトラップ効
果を全く有さない化合物をいい、少しでもこれらの効果
があれば本発明に含まれるものとする。
【0030】 本発明において、「当該化合物が含まれ
る」とは、当該化合物の添加された非水電解液が、電極
板2・3やセパレータ4に含浸されることにより、当該
化合物が電極板2・3やセパレータ4に含まれることと
なる場合や、電極板2・3やセパレータ4に予め塗布さ
れた当該化合物が、非水電解液を充填した際に非水電解
液中に移動して非水電解液にも含まれることとなる場合
を含むものである。
【0031】 本発明のリチウム二次電池においては、
この化合物を含める方法として、(1)正極板、及び/
又は、負極板を構成する電極活物質粒子の表面に分散、
または被覆されている、(2)セパレータ表面に分散さ
れている、(3)微細粉末化して非水電解液中に懸濁分
散されている、の少なくともいずれかの方法を用いるこ
とができる。従って、これらの手段を複数併用すること
も、また、可能である。
【0032】 具体的には、電極板2・3に当該化合物
を含ませる方法としては、電極板2・3を、可溶な溶剤
に溶かした当該化合物剤に浸漬する方法(ディッピン
グ)や、スプレーや刷毛塗り等の方法を用いて電極板2
・3に当該化合物を塗布する方法を挙げることができ、
いずれの場合であっても、当該化合物を含ませて後に乾
燥し、その後の電極体の作製に供する。セパレータ4表
面に分散、あるいは固着させるにも、同様の方法を用い
ることができ、また、電解液については、当該化合物を
重力沈降しない程度にまで微細粉末化して均一に当該化
合物を含ませることも可能である。
【0033】 本発明において、電池性能を引き出す当
該化合物の添加方法としては、上記のいずれか適切な方
法を用いて、負極集電体を当該化合物でコーティングす
ると共に、電解液中に予め当該化合物を添加したものを
用いる方法である。この様に含めると、負極集電体に電
極活物質のスラリーを塗布する際には、その電極活物質
中に含まれていた水分から発生することになったHFに
よる腐食を防止することができ、また、当該負極板を電
池内に挿入した後においては、電解液中において発生し
たHFによる腐食を防止することができる。そして、負
極集電体から溶出してしまったCuに対しても、電解液
中に当該化合物を含ませていることにより、当該液中に
おいてCuを捕獲・固定することができる。しかも、有
機系化合物による当該化合物においては、HFを固定す
る作用もある化合物もあることから、その場合には、発
生したHFがCuを腐食する前に当該添加剤がHFを固
定し得ることから、相乗的に負極集電体の腐食を抑制す
ることができる。
【0034】 また、別の添加方法として、負極集電体
を当該化合物でコーティングせず、当該化合物を非水電
解液にのみ添加する方法も好適に採用することができ
る。後述する実施例の結果から分かるように、この方法
でも、十分に電池のサイクル特性の向上を実現すること
ができる。この場合には、電池の組立作業工程も当該化
合物の添加混合工程が増えるのみであって作業も容易で
あるといった利点がある。
【0035】 さて、本発明のリチウム二次電池に用い
られるCu腐食抑制剤、及びCuトラップ剤であるイン
ヒビターについて説明する。本発明に用いることができ
る有機系インヒビターとしては、具体的には、当該有機
系インヒビターの極性基の中心元素が、周期律表の第5
族b、及び第6族bのN,P,O,S,As,及びSe
の少なくとも一種を含むものが好まれる。
【0036】 また、前記有機系インヒビターとして
は、1,2,3−ベンゾトリアゾール、又はその誘導体
や類似物の少なくとも一種を含むものが好まれる。
【0037】 また、前記有機系インヒビターとして
は、1,2,3−ベンゾトリアゾール、4または5−ベ
ンゾトリアゾール、ベンズイミダゾール、2−ベンズイ
ミダゾールチオール、2−ベンズオキサゾールチオー
ル、2−メチルベンゾチアゾール、インドール、及び2
−メルカプトチアゾリンの少なくとも一種を含むものが
好まれる。
【0038】 また、前記有機系インヒビターとして
は、2−メルカプトベンゾチアゾール、又は2・5−ジ
メチルカプトチアジゾールのうち少なくとも一種を含む
ものが好まれる。
【0039】 また、前記有機系インヒビターとして
は、ジチオカルバミン酸、又はその誘導体を含むものが
好まれる。当該誘導体としては、ジエチルジチオカルバ
メート、ジメチルジチオカルバメート、N−メチルジチ
オカルバメート、エチレン−ビスジチオカルバメート、
及びジチオカルバメートの少なくとも一種を含むものが
好まれる。
【0040】 また、前記有機系インヒビターとして
は、硫黄化合物であるものが好まれる。当該硫黄化合物
としては、チオ尿素、チオアセトアミド、チオセミカル
バジド、チオフェノール、P−チオクレゾール、チオベ
ンゾイン酸、及びW−メチルカプトカルボン酸のそれぞ
れの誘導体のうち少なくとも一種を含むものが好まれ
る。
【0041】 また、前記有機系インヒビターとして
は、ジドデシル−トリチオ−カルバメート、ジドデシル
デカン−1,10−ジチオレート、ドデシル−11−セ
レノ−シアネートウンデカンチオレート、オクタデシル
チオシアネート、オクタデシルセレノシアネート、及び
トリ(ドデシルチオ)フォスフィンの少なくとも一種を含
むものが好まれる。
【0042】 また、前記有機系インヒビターとして
は、6置換−1,3,5−トリアジン−2,4ジチオー
ルであるものが好まれる。当該置換基としては、OH,
SH,OR’,NH2,NR2,及びNHR’(R、
R’:炭化水素基)のいずれかであるものが好まれる。
【0043】 また、前記有機系インヒビターとして
は、アミン系有機化合物、アミド系有機化合物、テトラ
ゾール誘導体、3−アミノ系有機化合物、及び1,2,
4−トリアゾール系有機化合物のうち少なくとも一種を
含むものが好まれる。
【0044】 また、前記有機系インヒビターとして
は、イミダゾール系有機化合物であるものが好まれる。
当該イミダゾール系有機化合物としては、イミダゾー
ル、4−メチルイミダゾール、4−メチル−4−メチル
イミダゾール、1−フェニル−4−メチルイミダゾー
ル、及び1−(p−トリル)−4−メチルイミダゾール
のうち少なくとも一種を含むものが好まれる。
【0045】 これらの当該有機系インヒビターは、電
解液に安定で、かつ高いLi+導電性を示すものであ
り、当該化合物として好適に用いられる。これら有機系
インヒビターの非水電解液中の含有量は、0.01〜1
0.0質量%の範囲にあることが好ましく、さらに、
0.10〜0.50質量%の範囲にあることが好まし
い。後述する実施例より明らかなように、有機系インヒ
ビターの非水電解液中の含有量が0.01質量%である
と、Cu腐食抑制剤、又はCuトラップ剤としての効果
が小さく、電池にした場合に作用効果が小さくなる。一
方、有機系インヒビターの非水電解液中の含有量が1
0.0質量%より多いと、Cu腐食抑制剤、又はCuト
ラップ剤としての効果は大きくなるが、電池反応全体と
しては、逆に、その特性が悪くなる。この電池の特性が
悪くなる理由については明らかでないが、インヒビター
の含有量を多くし過ぎると、電解液が希釈されるために
イオン伝導率が小さくなることに起因すると推測され
る。
【0046】 ここで、本発明において、当該有機系イ
ンヒビターがCuを腐食抑制する機構、あるいはトラッ
プする機構を説明する。当該有機系インヒビターのCu
に及ぼす機構として、一般的に、吸着型、酸化被膜型、
沈殿被膜型、アノード型、カソード型、両極型に分類さ
れているが、実際上は、当該有機系インヒビターの分子
構造の中にある、N,S,OHなどの極性基が、その極
性基表面にCuを吸着する反応によるものと考えられ
る。負極集電体(Cu箔)の腐食の抑制において、添加
した有機系インヒビターがN原子やS原子を含む場合、
これら極性をもつ原子がCu箔表面の各Cu原子と化学
結合すると考えられるが、その結合が、アノード点、あ
るいはカソード点であるのか、現在のところ不明であ
る。実際上は、Cu箔表面全部を対象として吸着が起こ
り、アノード反応及びカソード反応は抑制されているの
ではないかと推測している。
【0047】 次に、本発明に用いることができる無機
系インヒビターとしては、具体的には、燐酸塩、クロム
酸塩、鉄単体又は鉄化合物、亜硝酸塩、及び珪酸塩のい
ずれかであるものが好まれる。
【0048】 前記燐酸塩としては、ポリ燐酸塩、ガラ
ス状燐酸塩、ヘキサメタ燐酸塩、オルト燐酸塩、及びメ
タ燐酸塩のいずれかであるものが好まれ、前記クロム酸
塩としては、シクロヘキシルアンモニウムクロメート、
又はアンモニウムクロメートであるものが好まれ、前記
鉄化合物としては、3酸化2鉄、又は硫化鉄であるもの
が好まれる。
【0049】 これらの当該無機系インヒビターは、電
解液に安定で、かつ高いLi+導電性を示すものであ
り、当該化合物として好適に用いられる。これら無機系
インヒビターの非水電解液中の含有量としては、0.0
1〜0.10質量%の範囲にあることが好ましく、さら
に、0.10〜0.50質量%の範囲にあることが好ま
しい。無機系インヒビターの非水電解液中の含有量が
0.01質量%であると、Cu腐食抑制剤、又はCuト
ラップ剤としての効果が小さく、電池にした場合に作用
効果が小さくなる。一方、無機系インヒビターの非水電
解液中の含有量が10.0質量%より多いと、Cu腐食
抑制剤、又はCuトラップ剤としての効果は大きくなる
が、電池反応全体としては、逆に、その特性が悪くな
る。有機系インヒビターの場合と同じように、この電池
の特性が悪くなる理由については明らかでないが、イン
ヒビターの含有量を多くし過ぎると、電解液が希釈され
るためにイオン伝導率が小さくなることに起因すると推
測される。
【0050】 ここで、本発明において、当該無機系イ
ンヒビターがCuを腐食抑制する機構、あるいはトラッ
プする機構を説明する。有機系インヒビターと同じく、
無機系インヒビターのCuに及ぼす機構として、一般的
に、吸着型、酸化被膜型、沈殿被膜型、アノード型、カ
ソード型、両極型に分類されているが、実際上は、その
無機系インヒビターの腐食機構はほとんどが被膜型、ア
ノード型、或いはカソード型に属すると考えられてい
る。
【0051】 このように、本発明では、負極集電体で
ある銅箔に当該化合物を塗布することにより、負極集電
体の腐食を抑制し、また、電解液中にも当該化合物を存
在させることにより、負極集電体が腐食され、溶出する
ことになったCuを当該化合物により捕獲することがで
きる。更に、当該化合物が有機系化合物でヘテロ原子を
有するものは、ヘテロ原子の効果により電解液中のHF
を捕獲することもできる。これらのことにより、電池腐
食の抑制、非水電解液の劣化を抑制できることはもちろ
んであるが、Cuの電解液中への溶出を抑制することか
ら、相乗的に電気反応の阻害を大きく低減することが可
能となる。
【0052】 本発明において、当該化合物には、アセ
チレンブラック等の電子伝導性粒子が分散されていても
よい。このことにより、電導度を上げ、内部抵抗の上昇
を防ぐことができる。
【0053】 本発明のリチウム二次電池は、溶解して
リチウムイオン(Li+)を生ずるリチウム化合物を電
解質として用いた非水電解液を用いたものである。従っ
て、その他の材料や電池構造には何ら制限はない。以
下、電池を構成する主要部材並びにその構造について概
説する。
【0054】 リチウム二次電池の心臓部とも言える電
極体の一つの構造は、小容量のコイン電池にみられるよ
うな、正負各電極活物質を円板状にプレス成型したセパ
レータを挟んだ単セル構造である。
【0055】 コイン電池のような小容量電池に対し
て、容量の大きい電池に用いられる電極体の1つの構造
は捲回型である。図1の斜視図に示されるように、捲回
型電極体1は、正極板2と負極板3とを、多孔性ポリマ
ーからなるセパレータ4を介して正極板2と負極板3と
が直接に接触しないように巻芯13の外周に捲回して構
成される。正極板2及び負極板3(以下、「電極板2・
3」と記す。)に取り付けられている電極リード5・6
の数は最低1本あればよく、複数の電極リード5・6を
設けて集電抵抗を小さくすることもできる。
【0056】 電極体の別の構造としては、コイン電池
に用いられる単セル型の電極体を複数段に積層してなる
積層型が挙げられる。図2に示すように、積層型電極体
7は、所定形状の正極板8と負極板9とをセパレータ1
0を挟み交互に積層したもので、1枚の電極板8・9に
少なくとも1本の電極リード11・12を取り付ける。
電極板8・9の使用材料や作成方法等は、捲回型電極体
1における電極板2・3等と同様である。
【0057】 次に、捲回型電極体1を例に、その構成
について更に詳細に説明する。正極板2は集電基板の両
面に正極活物質を塗工することによって作製される。集
電基板としては、アルミニウム箔やチタン箔等の正極電
気化学反応に対する耐蝕性が良好である金属箔が用いら
れるが、箔以外にパンチングメタル或いはメッシュ
(網)を用いることもできる。また、正極活物質として
は、マンガン酸リチウム(LiMn24)やコバルト酸
リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(Li
NiO2)等のリチウム遷移金属複合酸化物が好適に用
いられ、好ましくは、これらにアセチレンブラック等の
炭素微粉末が導電助剤として加えられる。
【0058】 正極活物質の塗工は、正極活物質粉末に
溶剤や結着剤等を添加して作成したスラリー或いはペー
ストを、ロールコータ法等を用いて、集電基板に塗布・
乾燥することで行われ、その後に必要に応じてプレス処
理等が施される。
【0059】 負極板3は、正極板2と同様にして作成
することができる。負極板3の集電基板としては、銅箔
若しくはニッケル箔等の負極電気化学反応に対する耐蝕
性が良好な金属箔が好適に用いられる。負極活物質とし
ては、ソフトカーボンやハードカーボンといったアモル
ファス系炭素質材料や人造黒鉛や天然黒鉛等の高黒鉛化
炭素質粉末が用いられる。
【0060】 セパレータ4としては、マイクロポアを
有するLi+透過性のポリエチレンフィルム(PEフィ
ルム)を、多孔性のLi+透過性のポリプロピレンフィ
ルム(PPフィルム)で挟んだ三層構造としたものが好
適に用いられる。これは、電極体の温度が上昇した場合
に、PEフィルムが約130℃で軟化してマイクロポア
が潰れ、Li+の移動即ち電池反応を抑制する安全機構
を兼ねたものである。そして、このPEフィルムをより
軟化温度の高いPPフィルムで挟持することによって、
PEフィルムが軟化した場合においても、PPフィルム
が形状を保持して正極板2と負極板3の接触・短絡を防
止し、電池反応の確実な抑制と安全性の確保が可能とな
る。
【0061】 この電極板2・3とセパレータ4の捲回
作業時に、電極板2・3において電極活物質の塗工され
ていない集電基板が露出した部分に、電極リード5・6
がそれぞれ取り付けられる。電極リード5・6として
は、それぞれの電極板2・3の集電基板と同じ材質から
なる箔状のものが好適に用いられる。電極リード5・6
の電極板2・3への取り付けは、超音波溶接やスポット
溶接等を用いて行うことができる。このとき、図1に示
されるように、電極体1の一端面に一方の電極の電極リ
ードが配置されるように電極リード5・6をそれぞれ取
り付けると、電極リード5・6間の接触を防止すること
ができ、好ましい。
【0062】 電池の組立に当たっては、先ず、電流を
外部に取り出すための端子との電極リード5・6との導
通を確保しつつ、作製された電極体1を電池ケースに挿
入して安定な位置にホールドする。その後、非水電解液
を含浸させた後に、電池ケースを封止することで電池が
作製される。
【0063】 次に、本発明のリチウム二次電池に用い
られる非水電解液について説明する。溶媒としては、エ
チレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート
(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、プロピ
レンカーボネート(PC)といった炭酸エステル系のも
のや、γ―ブチロラクチン、テトラヒドロフラン、アセ
トニトリル等の単独溶媒若しくは混合溶媒が好適に用い
られる。
【0064】 このような溶媒に溶解されるリチウム化
合物、即ち電解質としては、六フッ化リン酸リチウム
(LiPF6)やホウフッ化リチウム(LiBF4)等の
リチウム錯体フッ素化合物、或いは過塩素酸リチウム
(LiClO4)といったリチウムハロゲン化物が挙げ
られ、1種類若しくは2種類以上を前記溶媒に溶解して
用いる。特に、酸化分解が起こり難く、非水電解液の導
電性の高いLiPF6を用いることが好ましい。
【0065】
【実施例】 以下、本発明を実施例に基づいて、更に詳
細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定される
ものではない。 (実施例1〜3、比較例1)実施例1〜3及び比較例1
にかかる電池は、LiMn24スピネルを正極活物質と
し、これに導電助剤たるアセチレンブラックとバインダ
たるポリフッ化ビニリデンを重量比で、50:2:3の
比で混合したものを正極材料とし、その正極材料0.0
2gを300kg/cm2の圧力で直径20mmφの円
板状にプレス成形して作製した正極板と、カーボンを負
極板として用いてコインセル型電極体を作製し、電池ケ
ースに収容後、非水電解液を充填して作製したものであ
る。ここで、非水電解液としては、ECとDECの等体
積比混合溶媒に、表1に示すように当該化合物を各質量
%ほど添加し、電解質としてLiPF6を1mol/l
の濃度となるように溶解した溶液を用いた。
【0066】
【表1】
【0067】 次に、コインセル型電池におけるサイク
ル試験について説明する。本発明においては、作製した
コインセルを、正極活物質の容量に応じて、1C相当の
電流で電圧4.1Vになるまで定電流−定電圧充電後、
同じく1C相当の電流で定電流放電し、電圧が2.5V
になるまで放電させるパターンに設定し、この充放電サ
イクルを1サイクルとして、これを繰り返すことにより
試験を行った。なお、図3に示すサイクル特性(%)
は、下記の数1を用いて計算したものである。
【0068】
【数1】サイクル特性(%)=各サイクルにおける放電
容量/初回放電容量
【0069】(サイクル特性の評価)図3から分かるよ
うに、本発明に係る実施例1〜3の電池は、100回の
サイクル試験において、95%の容量保持率を達成し、
当該化合物が用いられていない比較例1よりも極めて良
好なサイクル特性を発揮した。これは、当該化合物が、
負極集電体が腐食され電解液中に溶出したCuを捕獲
し、銅SEI層の生成を抑制し電池反応の阻害を低減し
た結果、サイクル寿命が向上したものと考えられる。
【0070】 さて、実施例1〜3及び比較例1におい
ては、サイクル試験を行ったコインセル電池を、グロー
ブボックス中で分解し、正極板及び負極板を取り出し
て、ECとDECの混合溶媒で洗浄した。そして、これ
らの電極板について走査型電子顕微鏡(SEM/日本電
子製JEM−5410)を用いて加速電圧20kVで二
次電子像の観察を行い、併せて、EDSによる元素分析
を行った。
【0071】(サイクル試験後の電極板の観察評価)実
施例1〜3及び比較例1において、正極では、その表面
形態に差は見られなかったが、写真である図4に示すよ
うに、負極においては大きな違いが観察された。当該化
合物を添加した実施例1では、図4(a)に示すよう
に、負極カーボン表面に電解液の分解等による被膜(リ
チウムSEI層)が観察されたが、その他は未使用のカ
ーボンとの違いは見られなかった。一方、比較例1にお
いては、図4(b)に示すように、負極カーボン表面に
おいて、リチウムSEI層の他に粒状物が観察された。
これら負極をEDS元素分析したところ、比較例1の負
極では、カーボン表面及び粒状物を含むその周辺からC
uが検出されたが、実施例1〜3の負極においては、C
uは検出されなかった。
【0072】 これは、本発明における当該添加剤を電
解液に添加することで、当該添加剤が、負極集電体より
溶出したCuを捕獲し、負極カーボン表面へのCuの析
出を防止した結果であり、このことにより、負極におけ
る電池反応の阻害が抑制されてサイクル特性が向上した
ものと考えられる。
【0073】(実施例4、比較例2)実施例4及び比較
例2にかかる電池は、上記実施例1と同様にしてコイン
セル型電極体を作製し、電池ケースに収容後、非水電解
液を充填して作製したものである。この場合には、非水
電解液として、ECとDECの等体積比混合溶媒に、電
池特性劣化の原因となる水分(H2O)を500ppm
程添加し、当該化合物である1,2,3−ベンゾトリア
ゾールを0.3質量%ほど添加したものに、電解質とし
てLiPF6を1mol/lの濃度となるように溶解さ
せた溶液を用いた。他の作製方法は上記の実施例1と同
様である。また、サイクル試験の方法も実施例1と同様
に行った。
【0074】(評価)図5から分かるように、本発明に
係る実施例4の電池は、100回のサイクル試験におい
て、93%の容量保持率を達成し、当該化合物が用いら
れていない比較例2よりも極めて優れたサイクル特性を
発揮した。このように意図的に水分を加えた実施例にお
いて検証したことにより、本発明により開示された化合
物が、重要な電池特性であるサイクル寿命において優れ
た効果を発揮することが明確に実証されたこととなる。
【0075】(実施例5)実施例5にかかる電池は、同
じく上記実施例1と同様にしてコインセル型電極体を作
製し、電池ケースに収容後、非水電解液を充填して作製
したものである。この場合には、非水電解液として、E
CとDECの等体積比混合溶媒に、電池特性劣化の原因
となる水分(H2O)を500ppm程添加し、当該化
合物である1,2,3−ベンゾトリアゾールを、表2に
示すように、各質量%ほど添加させたものである。他の
作製方法も上記の実施例1と同様である。また、サイク
ル試験の方法も実施例1と同様に行った。
【0076】
【表2】
【0077】(評価)実施例5は、当該化合物の添加濃
度に対する電池の容量保持率の変化を検討したものであ
り、100サイクル後における容量保持率をもって評価
した。図6から分かるように、電解液中に、僅か0.0
1質量%含ませた場合においても、容量保持率の上昇は
見られ、以下添加濃度を増加させると、容量保持率は上
昇し、0.3質量%程度において最もよい容量保持率と
なった。以降、添加濃度を増加させると、容量保持率は
低下し、5.0質量%においては、容量保持率70%以
下と、実際の使用に耐えられないものとなった。
【0078】(実施例6)実施例6にかかる電池は、L
iMn24スピネルを正極活物質とし、これに導電助剤
としてアセチレンブラックを外比で4重量%ほど添加し
たものに、更に溶剤、バインダを加えて作製した正極剤
スラリーを、厚さ20μmのアルミニウム箔の両面にそ
れぞれ約100μmの厚みとなるように塗工して作成し
た正極板2と、これと同様の方法に加え、カーボン粉末
を負極活物質として、厚さ10μmの銅箔の両面にそれ
ぞれ約80μmの厚みとなるように塗工して作成した負
極板3とを用いて捲回型電極体を作製し、電池ケースに
収容後、非水電解液を充填して作製したものである。こ
こで、非水電解液としては、ECとDECの等容量混合
溶媒に電解質としてのLiPF6を1mol/lの濃度
となるように溶解した溶液に、実施例5と同様に、1,
2,3−ベンゾトリアゾールを各質量%ほど添加した溶
液を用いた。これら各種電池の初回充電後の電池容量
は、全て約10Ahであった。
【0079】 また、サイクル試験は、図7に示される
充放電サイクルを1サイクルとして、これを繰り返すこ
とにより行った。即ち、1サイクルは放電深度50%の
充電状態の電池を10C(放電レート)相当の電流10
0Aにて9秒間放電した後18秒間休止し、その後70
Aで6秒間充電後、続いて18Aで27秒間充電し、再
び50%の充電状態とするパターンに設定した。なお、
充電の2回目(18A)の電流値を微調整することによ
り、各サイクルにおける放電深度のずれを最小限に止め
た。また、この耐久試験中の電池容量の変化を知るため
に、適宜、0.2Cの電流強さで充電停止電圧4.1
V、放電停止電圧2.5Vとした容量測定を行い、所定
のサイクル数における電池容量を初回の電池容量で除し
た値により相対放電容量を求めた。
【0080】(評価)実施例6は、本発明の捲回型電極
体における当該化合物の添加濃度に対する電池の容量保
持率の変化を20000サイクル後における容量保持率
をもって評価したところ、0.01〜10.0質量%の
範囲において相対容量保持率が80%以上となり、さら
に、0.10〜0.50質量%の範囲において相対容量
保持率が85%以上となるという結果となった。ここ
で、実施例5と6の結果の比較より、捲回型電極体は、
コインセル電極体に比べると大きな体積をもち、また、
曲面体であることから、より大きな添加量が必要となる
と考えられる。
【0081】 ここで、実施例1〜6及び比較例1、2
に係る電池は、上記の方法により、電池ケース内に当該
化合物を含ませて調整した種々の電池構成部材を用いて
作製した。また、その他の部材、試験環境はすべての試
料について同じとし、電池部材の乾燥は電池の組立直前
まで十分に行い、電池の封止不良等による電池外部から
の水分の浸入等の影響も排除した。
【0082】 なお、エンジン起動用電池、電気自動車
等のモータ駆動用電池においては、発進時や加速時、登
坂時等に大電流の放電が必要とされ、このときには電池
温度の上昇が起こる。しかし、本発明の化合物を添加し
た非水電解液等を用いた場合には、電池温度が上昇した
場合であっても、捕獲されたHFが、再び遊離して非水
電解液中に溶け込むことが起こりがたいために、サイク
ル特性良好な維持が図られる。
【0083】 以上、本発明について、主に捲回型電極
体を用いた場合を例に説明してきたが、本発明は電池構
造を問うものでないこというまでもない。ここで、少容
量のコイン電池では、電池自体が小さいために、その部
品の作製、保管並びに電池組立を不活性ガス雰囲気で行
う等、水分管理が容易である。しかし、本発明である捲
回或いは積層型の内部電極体1・7を用いる容量の大き
い電池の作製に当たっては、例えば、集電基板への電極
活物質の塗工は比較的大規模な装置を用いる必要もあ
り、室内であっても外気と同様の雰囲気で行われ、特に
水分管理を行う恒温恒湿室であっても完全に水分を除去
した環境で作製されることは、製造コストの点から、現
実的に考えがたい。
【0084】 従って、本発明は、製造工程での水分管
理が容易でない電池容量の大きな電池には好適に採用さ
れる。具体的には、捲回型或いは積層型の電極体1・7
が用いられる電池容量が2Ah以上のものに好適に採用
される。電池の用途も限定されるものではないことはい
うまでもないが、高出力、低内部抵抗と優れたサイクル
特性が要求される車載用大容量電池として、エンジン起
動用、又は電気自動車又はハイブリッド電気自動車のモ
ータ駆動用に特に好適に用いることができる。
【0085】
【発明の効果】 以上説明したように、本発明のリチウ
ム二次電池によれば、負極集電体である銅箔の腐食を抑
制し、また、電解液中においても溶出してしまったCu
を除去することで、負極活物質表面上のSEIにCuが
進入することを抑制、あるいは負極活物質表面上に銅S
EI層が生成することを抑制して、電池反応の阻害を抑
制させることができる。この結果、本発明におけるリチ
ウム二次電池は、自己放電特性及びサイクル特性の向上
が図られるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 捲回型電極体の構造を示す斜視図である。
【図2】 積層型電極体の構造を示す斜視図である。
【図3】 実施例1〜3のサイクル試験の結果を示すグ
ラフである。
【図4】 サイクル試験後の負極板表面のカーボン材料
の粒子構造を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図5】 実施例4のサイクル試験の結果を示すグラフ
である。
【図6】 実施例5の、Cuインヒビター添加濃度に対
するサイクル特性の変化を示すグラフである。
【図7】 捲回型電極体のサイクル試験における充放電
パターンを示すグラフである。
【符号の説明】
1…捲回型電極体、2…正極板、3…負極板、4…セパ
レータ、5…電極リード、6…電極リード、7…積層型
電極体、8…正極板、9…負極板、10…セパレータ、
11…電極リード、12…電極リード、13…巻芯。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H029 AJ05 AK03 AL06 AM03 AM04 AM05 AM07 BJ12 BJ14 EJ11 HJ02 HJ19 5H050 AA05 AA07 BA17 CA09 CB07 DA09 EA22 EA24 FA02 FA05 HA02 HA19

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極板と負極板をセパレータを介して、
    捲回若しくは積層してなる電極体を備え、リチウム化合
    物を電解質として含む非水電解液を用いたリチウム二次
    電池であって、 当該正極板、当該負極板、当該セパレータ、及び当該非
    水電解液の少なくともいずれかに、 有機系、及び/又は、無機系Cu腐食抑制剤、あるいは
    有機系、及び/又は、無機系Cuトラップ剤であるイン
    ヒビターを添加することを特徴とするリチウム二次電
    池。
  2. 【請求項2】 前記有機系インヒビターの極性基の中心
    元素が、周期律表の第5族b、及び第6族bのN,P,
    O,S,As,及びSeの少なくとも一種を含むことを
    特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  3. 【請求項3】 前記有機系インヒビターが、1,2,3
    −ベンゾトリアゾール、又はその誘導体や類似物の少な
    くとも一種を含むことを特徴とする請求項1に記載のリ
    チウム二次電池。
  4. 【請求項4】 前記誘導体又は類似物が、4または5−
    メチル−1H−ベンゾトリアゾール、トルトライアゾー
    ル、ベンズイミダゾール、2−ベンズイミダゾール、2
    −メルカプトベンズイミダゾール、2−ベンズオキサゾ
    ール、2−メチルベンゾチアゾール、インドール、及び
    2−メルカプトチアゾリンのいずれかであることを特徴
    とする請求項3に記載のリチウム二次電池。
  5. 【請求項5】 前記有機系インヒビターが、2−メルカ
    プトベンゾチアゾール、又は2・5−ジメチルカプトチ
    アジゾールをのうち少なくとも一種を含むことを特徴と
    する請求項1に記載のリチウム二次電池。
  6. 【請求項6】 前記有機系インヒビターが、ジチオカル
    バミン酸、又はその誘導体のうち少なくとも一種を含む
    ことを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  7. 【請求項7】 前記誘導体が、ジエチルジチオカルバメ
    ート、ジメチルジチオカルバメート、N−メチルジチオ
    カルバメート、エチレン−ビスジチオカルバメート、及
    びジチオカルバメートのいずれかであることを特徴とす
    る請求項6に記載のリチウム二次電池。
  8. 【請求項8】 前記有機系インヒビターが、硫黄化合物
    であることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次
    電池。
  9. 【請求項9】 前記硫黄化合物が、チオ尿素、チオアセ
    トアミド、チオセミカルバジド、チオフェノール、P−
    チオクレゾール、チオベンゾイン酸、及びW−メチルカ
    プトカルボン酸のそれぞれの誘導体のうち少なくとも一
    種を含むことを特徴とする請求項8に記載のリチウム二
    次電池。
  10. 【請求項10】 前記有機系インヒビターが、ジドデシ
    ル−トリチオ−カルバメート、ジドデシルデカン−1,
    10−ジチオレート、ドデシル−11−セレノ−シアネ
    ートウンデカンチオレート、オクタデシルチオシアネー
    ト、オクタデシルセレノシアネート、及びトリ(ドデシ
    ルチオ)フォスフィンの少なくとも一種を含むことを特
    徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  11. 【請求項11】 前記有機系インヒビターが、6置換−
    1,3,5−トリアジン−2,4ジチオールであること
    を特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  12. 【請求項12】 前記置換基が、OH,SH,OR’,
    NH2,NR2,及びNHR’(R、R’:炭化水素基)
    のいずれかであることを特徴とする請求項11に記載の
    リチウム二次電池。
  13. 【請求項13】 前記有機系インヒビターが、アミン系
    有機化合物、アミド系有機化合物、テトラゾール誘導
    体、3−アミノ系有機化合物、及び1,2,4−トリア
    ゾール系有機化合物のうち少なくとも一種を含むことを
    特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  14. 【請求項14】 前記有機系インヒビターが、イミダゾ
    ール系有機化合物であることを特徴とする請求項1に記
    載のリチウム二次電池。
  15. 【請求項15】 前記イミダゾ−ル系有機化合物が、イ
    ミダゾール、4−メチルイミダゾール、4−メチル−4
    −メチルイミダゾール、1−フェニル−4−メチルイミ
    ダゾール、及び1−(p−トリル)−4−メチルイミダ
    ゾールのうち少なくとも一種を含むことを特徴とする請
    求項14に記載のリチウム二次電池。
  16. 【請求項16】 前記有機系インヒビターの非水電解液
    中の含有量が、0.01〜10.0質量%であることを
    特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  17. 【請求項17】 前記有機系インヒビターの非水電解液
    中の含有量が、0.10〜0.50質量%であることを
    特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  18. 【請求項18】 前記無機系インヒビターが、燐酸塩、
    クロム酸塩、鉄単体又は鉄化合物、亜硝酸塩、及び珪酸
    塩のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の
    リチウム二次電池。
  19. 【請求項19】 前記燐酸塩が、ポリ燐酸塩、ガラス状
    燐酸塩、ヘキサメタ燐酸塩、オルト燐酸塩、及びメタ燐
    酸塩のいずれかであることを特徴とする請求項18に記
    載のリチウム二次電池。
  20. 【請求項20】 前記クロム酸塩が、シクロヘキシルア
    ンモニウムクロメート、又はアンモニウムクロメートで
    あることを特徴とする請求項18に記載のリチウム二次
    電池。
  21. 【請求項21】 前記鉄化合物が、3酸化2鉄、又は硫
    化鉄であることを特徴とする請求項18に記載のリチウ
    ム二次電池。
  22. 【請求項22】 前記無機系インヒビターの非水電解液
    中の含有量が、0.01〜10.0質量%であることを
    特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  23. 【請求項23】 前記無機系インヒビターの非水電解液
    中の含有量が、0.10〜0.50質量%であることを
    特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  24. 【請求項24】 電池容量が2Ah以上であることを特
    徴とする請求項1〜23のいずれか一項に記載のリチウ
    ム二次電池。
  25. 【請求項25】 車載用電池であることを特徴とする請
    求項1〜24のいずれか一項に記載のリチウム二次電
    池。
  26. 【請求項26】 電気自動車又はハイブリッド電気自動
    車に用いられることを特徴とする請求項25に記載のリ
    チウム二次電池。
  27. 【請求項27】 エンジン起動用に用いられることを特
    徴とする請求項25に記載のリチウム二次電池。
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