CN107925129A - 非水电解质二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供改善了常温再生的非水电解质二次电池。本发明是一种非水电解质二次电池,其具备电极体和非水电解质,所述电极体具有正极板和负极板隔着分隔件层叠而成的结构,正极板包含含锂过渡金属氧化物、属于元素周期表的第5族或第6族的元素、及磷酸化合物,非水电解质包含1,2‑二甲氧基乙烷。
Description
技术领域
本发明涉及非水电解质二次电池。
背景技术
近些年,手机、笔记本电脑、智能手机等的移动信息终端的小型·轻量化得以迅速发展,对于作为其驱动电源的二次电池要求进一步的高容量化。利用使锂离子在正负极之间移动来进行充放电的非水电解质二次电池具有高的能量密度且为高容量,因此被广泛用作移动信息终端的驱动电源。
而且最近,非水电解质二次电池作为电动工具、电动汽车(EV)、混合电动汽车(HEV、PHEV)等的动力用电源也备受注目,预计会进一步扩大其用途。
对于这样的动力用电源,要求能够长期使用那样的高容量化、在较短时间内重复大电流充放电时的输出特性提高,需要维持以大电流充放电的输出特性的同时实现高容量化。
专利文献1中记载了:通过在电解液中使用1,2-二甲氧基乙烷,从而电化学电池的低温特性提高、电解液的导电性提高、可得到大的放电容量。
专利文献2中记载了:通过使用含有具有锂离子传输能力的无机物颗粒(Li3PO4等)的电极,从而抑制电极表面的电极活性物质与电解液的反应,提高过充电时的安全性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2015-26531号公报
专利文献2:国际公开第2006/016245号
发明内容
然而,在上述现有技术中,有时使常温再生变得不充分。
本发明的目的在于提供改善了常温再生的非水电解质二次电池。
本发明为一种非水电解质二次电池,其特征在于,其具备电极体和非水电解质,所述电极体具有正极板和负极板隔着分隔件层叠而成的结构,正极板包含:含锂过渡金属氧化物、属于元素周期表的第5族或第6族的元素、及磷酸化合物。非水电解质包含1,2-二甲氧基乙烷。需要说明的是,本说明书中记载为“第5族/第6族元素”时是指“属于元素周期表的第5族或第6族的元素”。
根据本发明,能够提供改善了常温再生特性的非水电解质二次电池。
附图说明
图1是示出本实施方式的一个例子的示意性说明图。
图2是示出现有技术的示意性说明图。
具体实施方式
本申请的发明人等进行了深入研究,结果发现:正极板包含含锂过渡金属氧化物、第5族/第6族元素、及磷酸化合物且非水电解质包含1,2-二甲氧基乙烷的情况下,由于从正极板溶出的第5族/第6族元素、及正极表面的1,2-二甲氧基乙烷的氧化分解而生成的移动性的分解产物,从而在负极表面形成低电阻的覆膜,大幅改善非水电解质二次电池的常温再生。
以下对本发明的实施方式进行说明。但本实施方式是一个例子,本发明不限定于以下的实施方式。
<非水电解质二次电池的构成>
本实施方式的非水电解质二次电池的基本构成与以往相同,其具有卷绕电极体和非水电解质,所述卷绕电极体是正极板和负极板隔着分隔件层叠并卷绕而成的,卷绕电极体的最外周面被分隔件覆盖。本实施方式的非水电解质二次电池只要具备电极体和非水电解质,且所述电极体具有正极板和负极板隔着分隔件层叠而成的结构,就不限定于上述构成。
正极板(以下也简称为“正极”。)具备:正极芯体、及在正极芯体的两个表面形成的正极复合材料层。正极复合材料层以在正极芯体的两面形成有正极芯体露出部的方式形成,所述正极芯体露出部是正极芯体在宽度方向的至少一侧的端部沿着长度方向露出成带状而成的。
负极板(以下也简称为“负极”。)具备:负极芯体、及在负极芯体的两个表面形成的负极复合材料层。负极复合材料层以在负极芯体的两面形成负极芯体露出部的方式形成,所述负极芯体露出部在宽度方向的至少一侧的端部负极芯体沿着长度方向露出成带状。
通过隔着分隔件卷绕这些正极板和负极板成形为例如扁平状或圆筒型,由此可制作扁平状或圆筒型的卷绕电极体。此时,在卷绕电极体一侧的端部形成卷绕的正极芯体露出部,在另一端部形成卷绕的负极芯体露出部。
卷绕的正极芯体露出部隔着正极集电体与正极端子电连接。另一方面,卷绕的负极芯体露出部隔着负极集电体与负极端子电连接。正极端子隔着绝缘构件被固定于封口体,负极端子也隔着绝缘构件被固定于封口体。
卷绕电极体以被树脂制的绝缘片覆盖的状态收纳于例如方形或圆筒形的外壳体内。封口体与金属制的外壳体的开口部抵接,对封口体和外壳体的抵接部进行激光焊接。
封口体具有非水电解质注液口,从该非水电解质注液口注入非水电解质,然后利用盲铆钉等对非水电解质注液口进行密封。当然,这样的非水电解质二次电池是一个例子,也可以制成其它构成,例如将非水电解质和卷绕电极体插入层压外壳体而成的层压型非水电解质二次电池。
接着,对本实施方式的非水电解质二次电池中的正极板、非水电解质、负极板和分隔件等进行说明。
<正极板>
正极板由例如金属箔等正极芯体、及在正极芯体上形成的正极复合材料层构成。作为正极芯体,可以使用在正极电位范围内稳定的金属箔和将该金属配置于表层的薄膜等。作为用于正极芯体的金属,优选铝或铝合金。正极集电体和正极端子也优选为铝或铝合金制。
正极复合材料层包含:作为正极活性物质的含锂过渡金属氧化物、第5族/第6族元素、及磷酸化合物。正极复合材料层还包含导电材料和粘结剂是适合的。正极板例如可以通过如下方式制得:将包含正极活性物质、粘结剂等的正极复合材料浆料涂布于正极芯体,使涂膜干燥后进行压延,在正极芯体的两面形成正极复合材料层。
对于本实施方式的非水电解质二次电池,第5族/第6族元素只要存在于位于正极复合材料层中的、含锂过渡金属氧化物的附近,就可以以任意的形态包含。例如,第5族/第6族元素的化合物可以附着于含锂过渡金属氧化物的颗粒的表面,另外,第5族/第6族元素也可以包含在含锂过渡金属氧化物中。特别优选第5族/第6族元素包含在含锂过渡金属氧化物中的情况,其原因在于,第5族/第6族元素的溶出容易度、与被吸入至由源自DME的分解产物形成的覆膜的比例是最适合的,从而具备容易形成低电阻的覆膜这样的性质。
[含锂过渡金属氧化物]
正极中作为正极活性物质而含有的含锂过渡金属氧化物是至少包含锂(Li)和过渡金属元素的金属的氧化物。含锂过渡金属氧化物还可以含有锂(Li)和过渡金属元素以外的添加元素。
含锂过渡金属氧化物例如可以由通式LixMeyO2表示。上述通式中,Me是包含选自由镍(Ni)、钴(Co)和锰(Mn)组成的组中至少1种的、1种以上的过渡金属元素。x为例如0.8以上且1.2以下。y根据Me的种类和氧化值不同而不同,例如为0.7以上且1.3以下。作为含锂过渡金属氧化物,特别优选作为过渡金属含有Ni、Co和Mn的镍钴锰酸锂。
作为可以在含锂过渡金属氧化物中含有的添加元素,例如可列举出:锂以外的碱金属元素、Mn、Ni和Co以外的过渡金属元素、碱土金属元素、第12族元素、第13族元素和第14族元素。作为可以在含锂过渡金属氧化物中含有的Ni、Co、Mn和第5族/第6族元素以外的过渡金属元素及添加元素的具体例子,例如可列举出:锆(Zr)、硼(B)、镁(Mg)、铝(Al)、钛(Ti)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、锡(Sn)、钠(Na)、钾(K)、钡(Ba)、锶(Sr)和钙(Ca)等。
含锂过渡金属氧化物含有Zr作为过渡金属是适合的。其原因在于,通过含有Zr而使非水电解质中所含的1,2-二甲氧基乙烷(DME)的分解量发生变化,能够调整分解产物的量。含锂过渡金属氧化物中的Zr的含量相对于除去Li的金属总量,优选0.05mol%以上且10mol%以下、更优选0.1mol%以上且5mol%以下、特别优选0.2mol%以上且3mol%以下。可认为通过以上述含量含有Zr,从而不仅能够调整DME的分解量,而且使含锂过渡金属氧化物的晶体结构稳定,使正极复合材料层在高温下的耐久性和循环性提高。
对于本实施方式的非水电解质二次电池,含锂过渡金属氧化物的粒径没有特别限定,优选为2μm以上且30μm以下。含锂过渡金属氧化物的颗粒为一次颗粒聚集所形成的二次颗粒的情况下,优选该二次颗粒具有上述粒径,该一次颗粒具有例如50nm以上且10μm以下的粒径。含锂过渡金属氧化物的粒径例如可以通过如下方式求得,随机地抽取100个利用扫描型电子显微镜(SEM)观察的含锂过渡金属氧化物的颗粒,将各颗粒的长径长度和短径长度的平均值作为各颗粒的粒径,求出100个颗粒的粒径平均值。含锂过渡金属氧化物的BET比表面积没有特别限定,优选为0.1m2/g以上且6m2/g以下。需要说明的是,含锂过渡金属氧化物的BET比表面积可以通过公知的BET式粉体比表面积测定装置进行测定。
[第5族/第6族元素]
本实施方式的非水电解质二次电池在正极板的正极复合材料层中包含第5族/第6族元素。属于元素周期表的第5族的元素为钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)和(Db),属于元素周期表的第6族的元素为铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)和钅喜(Sg)。
对于第5族/第6族元素,制造时在正极板的正极复合材料层中含有,但在对非水电解质二次电池进行充电时溶出至非水电解质中并泳动至负极,与同样地充电时在正极表面氧化分解的1,2-二甲氧基乙烷(DME)的分解产物在负极表面形成覆膜。此处,通过在使正极复合材料层中包含磷酸化合物,从而通过第5族/第6族元素和源自DME的分解产物而形成低电阻的覆膜。第5族/第6族元素具备充放电时溶出且被吸入至由源自DME的分解产物形成的覆膜、从而形成低电阻的覆膜这样共通的性质,因此可认为第5族/第6族元素在正极复合材料层中存在磷酸化合物的条件下,均在负极表面形成低电阻的覆膜。
作为本实施方式的非水电解质二次电池的正极板中所含的第5族/第6族元素,优选W、Nb、Ta、Cr和Mo、特别优选钨。原因在于钨具备这样的性质:溶出容易度、与被吸入至由源自DME的分解产物形成的覆膜的比例是最适合的,从而容易形成低电阻的覆膜。作为第5族/第6族元素的化合物附着于含锂过渡金属氧化物的颗粒的表面时的第5族/第6族元素的化合物,例如可列举出,WO3和W2O5等氧化钨、及钨酸锂等氧化钨的盐等。氧化钨当中优选氧化值最稳定的6价的WO3。
第5族/第6族元素的化合物例如可以通过与正极活性物质机械地混合而附着于活性物质颗粒的表面。或者,通过在对导电材料和粘结材料进行混炼来制作正极复合材料浆料的工序中添加第5族/第6族元素的化合物,从而也可以混合在这些正极复合材料层中。优选的是,使用前者的方法,将第5族/第6族元素的化合物添加至正极复合材料层中。由此能够使第5族/第6族元素的化合物有效地存在于活性物质颗粒的表面附近。
对于附着于含锂过渡金属氧化物时的正极板中的第5族/第6族元素的含量,第5族或第6族元素的总量相对于含锂过渡金属氧化物的除了Li以外的金属(即,过渡金属和上述添加元素)的总量,优选为0.05mol%以上且10mol%以下的量、更优选为0.1mol%以上且5mol%以下、特别优选0.2mol%以上且3mol%以下。若第5族/第6族元素的含量在该范围内,则可进一步促进与负极表面中的1,2-二甲氧基乙烷的分解产物的低电阻的覆膜的形成。
附着于含锂过渡金属氧化物的第5族/第6族元素的粒径优选小于含锂过渡金属氧化物的粒径,特别优选为该氧化物的粒径的25%以下。第5族/第6族元素的粒径例如为50nm~10μm。可认为若粒径在该范围内,则可维持正极复合材料层中的第5族/第6族元素的良好的分散状态,适宜地进行从正极板的溶出。
与含锂过渡金属氧化物同样,第5族/第6族元素的粒径是随机地抽取100个利用扫描型电子显微镜(SEM)观察的第5族/第6族元素的颗粒,将各颗粒的长径长度和短径长度的平均值作为各颗粒的粒径,求出100个颗粒的粒径平均值。第5族/第6族元素以聚集体的形式存在时,第5族/第6族元素的粒径为形成聚集体的最小单位的颗粒(一次颗粒)的粒径。
另一方面,第5族/第6族元素还可以在含锂过渡金属氧化物中含有。含有第5族/第6族元素的含锂过渡金属氧化物具备充放电时溶出且被吸入至由源自DME的分解产物形成的覆膜、从而形成低电阻的覆膜这样共通的性质,故而优选。含有第5族/第6族元素的含锂过渡金属氧化物例如可以通过如下方式合成,对含有Ni、Co或Mn等的复合氧化物;氢氧化锂等锂化合物;和第5族/第6族元素的氧化物进行混合,对得到的混合物进行焙烧来合成。此时的含锂过渡金属氧化物相当于在上述通式LixMeyO2中,Me为选自由镍(Ni)、钴(Co)和锰(Mn)组成的组中的至少1种之外,还包含第5族/第6族元素的物质。
含锂过渡金属氧化物含有第5族/第6族元素时,优选含锂过渡金属氧化物与第5族/第6族元素固溶。另外,第5族/第6族元素的一部分还在正极活性物质的一次颗粒的界面或二次颗粒的表面析出。作为含有第5族/第6族元素的含锂过渡金属氧化物,特别优选含有Ni、Co、Mn和W作为过渡金属的含锂过渡金属氧化物。
对于含锂过渡金属氧化物含有第5族/第6族元素时的第5族/第6族元素的含量,相对于含锂过渡金属氧化物的除了Li以外的金属(即,过渡金属和上述添加元素)总量,第5族/第6族元素的总量优选以0.05mol%以上且10mol%以下的量含有、更优选以0.1mol%以上且5mol%以下的量含有。若第5族/第6族元素的含量在该范围内,则可进一步促进与负极表面的1,2-二甲氧基乙烷的分解产物的低电阻的覆膜的形成。
[磷酸化合物]
本实施方式的非水电解质二次电池在正极板的正极复合材料层中包含磷酸化合物。正极复合材料层中所含的磷酸化合物没有特别限定,可列举出磷酸和磷酸盐等,例如可列举出:磷酸锂、磷酸二氢锂、磷酸钴、磷酸镍、磷酸锰、磷酸钾和磷酸二氢铵。这些当中,特别优选磷酸锂。
对于本实施方式的非水电解质二次电池,在其充电时从正极复合材料层中溶出的第5族/第6族元素、与相同地充电时在正极表面被氧化分解的DME的分解产物移动至负极表面而被还原,由此形成混合第5族/第6族元素和源自DME的分解产物而成的覆膜。此处,在正极复合材料层中含有磷酸化合物时,由于磷酸化合物的催化作用而使在正极的第5族/第6族元素的溶出举动、及DME的分解反应速度发生变化。其结果,可认为由于在负极中形成的覆膜的组成发生变化,从而与在正极复合材料层中不存在磷酸化合物的情况相比,可形成具有更低的电阻的覆膜,常温再生得以大幅改善。
正极复合材料层中的磷酸化合物的含量相对于作为正极活性物质的含锂过渡金属氧化物的总量,优选0.03质量%以上且10质量%以下、更优选0.1质量%以上且8质量%以下。以磷(P)元素换算时,相对于含锂过渡金属氧化物的总量,优选0.01质量%以上且3质量%以下、更优选0.03质量%以上且2质量%以下。磷酸化合物的含量过少时,有在负极表面无法充分地形成低电阻的覆膜的担心,磷酸化合物的含量过多时,有阻碍正极活性物质中有效地接受给予电子的担心。
磷酸化合物的粒径优选小于含锂过渡金属氧化物的粒径,特别优选为氧化物的粒径的25%以下。磷酸化合物的粒径例如为50nm~10μm。若粒径在该范围内,则可维持正极复合材料层中的磷酸化合物的良好的分散状态。此处,与含锂过渡金属氧化物同样,磷酸化合物的粒径是随机地抽取100个利用扫描型电子显微镜(SEM)观察的磷酸化合物的颗粒,将各颗粒的长径长度和短径长度的平均值作为各颗粒的粒径,求出100个颗粒的粒径平均值。磷酸化合物以聚集体的形式存在时,磷酸化合物的粒径是形成聚集体的最小单位的颗粒(一次颗粒)的粒径。
磷酸化合物例如可以通过与正极活性物质机械地混合而附着于活性物质颗粒的表面。或者,通过在对导电材料和粘结材料进行混炼来制作正极复合材料浆料的工序中添加磷酸化合物,从而也可以混合在这些正极复合材料层中。优选为使用前者的方法,将磷酸化合物添加至正极复合材料层中。由此能够使磷酸化合物有效地存在于活性物质颗粒的表面附近。
[导电材料]
导电材料是为了提高正极复合材料层的导电性而使用的。作为导电材料的例子,可列举出:炭黑、乙炔黑、科琴黑和石墨等碳材料等。它们可以单独使用,也可以组合2种以上来使用。
[粘结剂]
粘结剂是为了在正极复合材料层中维持正极活性物质和导电材料之间的良好的接触状态、且提高正极活性物质等对于正极芯体表面的粘结性而使用的。作为粘结剂的例子,可列举出聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏氟乙烯(PVdF)等氟系树脂、聚丙烯腈(PAN)、聚酰亚胺系树脂、丙烯酸系树脂、及聚烯烃系树脂等。另外,也可以组合使用这些树脂、羧甲基纤维素(CMC)或其盐(可以为CMC-Na、CMC-K、CMC-NH4等、或部分中和型的盐)、聚氧乙烯(PEO)等。它们可以单独使用,也可以组合2种以上来使用。
<非水电解质>
非水电解质包含非水溶剂及非水溶剂中溶解的电解质盐,非水溶剂至少包含1,2-二甲氧基乙烷(DME)。对于非水电解质二次电池,非水电解质含有DME时,以正极含有磷酸化合物和第5族/第6族元素为条件,从而能够改善非水电解质二次电池的常温再生特性。对于本实施方式的非水电解质二次电池,可认为其原因在于在正极分解的源自DME的分解产物和从正极溶出的第5族/第6族元素在负极表面形成低电阻的覆膜。
非水电解质还可以含有DME以外的非水溶剂。作为DME以外的非水溶剂,例如可以使用酯类、醚类、腈类、二甲基甲酰胺等酰胺类、和它们2种以上的混合溶剂等,另外,还可以使用这些溶剂的至少一部分氢被氟等卤素原子取代的卤素取代物。
非水电解质中所含的DME的含量相对于非水电解质中所含的溶剂的总量,优选3体积%以上且20体积%以下。DME的含量过少时,有时无法充分地发挥覆膜形成效果,DME的含量过多时,有时会同时插入至负极侧,而使电池特性降低。
作为非水电解质中所含的酯类,可以示例出:环状碳酸酯类、链状碳酸酯类、羧酸酯类。具体而言,可列举出:碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚丁酯、碳酸亚乙烯酯等环状碳酸酯类;碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(MEC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲基丙酯、碳酸乙基丙酯、碳酸甲基异丙酯等链状碳酸酯类;丙酸甲酯(MP)、丙酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯等链状羧酸酯;和、γ-丁内酯(GBL)、γ-戊内酯(GVL)等环状羧酸酯等。可列举出γ-丁内酯(GBL)、γ-戊内酯(GVL)等环状羧酸酯。
作为非水电解质中所含的醚类,可列举出1,3-二氧戊环、4-甲基-1,3-二氧戊环、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、环氧丙烷、1,2-环氧丁烷、1,3-二恶烷、1,4-二恶烷、1,3,5-三恶烷、呋喃、2-甲基呋喃、1,8-桉树脑、冠醚等环状醚;二乙醚、二丙醚、二异丙醚、二丁醚、二己醚、乙基乙烯基醚、丁基乙烯基醚、甲基苯基醚、乙基苯基醚、丁基苯基醚、戊基苯基醚、甲基苯甲醚、苄基乙醚、二苯醚、二苄醚、邻二甲氧基苯、1,2-二乙氧基乙烷、1,2-二丁氧基乙烷、二乙二醇二甲醚、二乙二醇二乙醚、二乙二醇二丁醚、1,1-二甲氧基甲烷、1,1-二乙氧基乙烷、三乙二醇二甲醚、四乙二醇二甲醚等链状醚类等。
作为非水电解质中所含的腈类的例子,可列举出:乙腈、丙腈、丁腈、戊腈、正庚腈、丁二腈、戊二腈、己二腈、庚二腈、1,2,3-丙三甲腈、1,3,5-戊三甲腈等。
作为非水电解质中所含的卤素取代物的例子,可列举出:4-氟碳酸亚乙酯(FEC)等氟化环状碳酸酯、氟化链状碳酸酯、甲基3,3,3-三氟丙酸酯(FMP)等氟化链状羧酸酯等。
对于本实施方式的非水电解质二次电池,非水电解质优选含有DME和上述酯类的混合溶剂,更优选含有DME、环状碳酸酯类、链状碳酸酯类和链状羧酸酯类的混合溶剂。该混合溶剂特别优选以10~50:10~80:1~20:3~20的体积比含有环状碳酸酯类、链状碳酸酯类、链状羧酸酯类和DME。
非水电解质中使用的电解质盐优选为锂盐。作为锂盐的例子,可列举出:LiBF4、LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiAlCl4、LiSCN、LiCF3SO3、LiC(C2F5SO2)、LiCF3CO2、Li(P(C2O4)F4)、Li(P(C2O4)F2)、LiPF6-x(CnF2n+1)x(1≤x≤6、n为1或2)、LiB10Cl10、LiCl、LiBr、LiI、氯硼烷锂、低级脂肪族羧酸锂、Li2B4O7、Li(B(C2O4)2)[二草酸硼酸锂(LiBOB)]、Li(B(C2O4)F2)等硼酸盐类、LiN(FSO2)2、LiN(C1F2l+1SO2)(CmF2m+1SO2){l、m为1以上的整数}等酰亚胺盐类等。锂盐可以将它们单独使用1种,也可以混合多种来使用。其中,从离子传导性、电化学的稳定性等的观点出发,优选使用至少含氟的锂盐,例如优选使用LiPF6。特别是由于在高温环境下在负极的表面形成稳定的覆膜,抑制由于DME的分解产物导致的过剩的覆膜形成,因此组合使用含氟的锂盐和以草酸根配位基作为阴离子的锂盐(例如LiBOB)是适合的。锂盐的浓度优选每1升的非水溶剂为0.8~1.8mol。
<负极板>
作为负极板,可以使用公知的负极板。例如可以通过如下方式制作负极板:将负极活性物质和粘结剂分散在水中或者适当的分散介质中来制备负极复合材料浆料,将该负极复合材料浆料涂布在负极集电体上,使涂膜干燥后进行压延,在负极芯体的两面形成负极复合材料层。负极芯体使用具有导电性的薄膜体、特别是在负极电位范围下稳定的金属箔和在表层配置有该金属的薄膜等是适合的。用于负极芯体的该金属优选铜或铜合金,负极集电体和负极端子也优选为铜或铜合金制。
作为负极活性物质,只要是能够可逆地吸藏锂离子、释放锂离子的物质就没有特别限定,例如可以使用天然石墨、人造石墨等碳材料、Si、Sn等与锂合金化的金属、合金材料或金属复合氧化物等。另外,它们可以单独使用,也可以混合2种以上来使用。特别是,由于容易在负极表面形成低电阻的覆膜,因而优选使用用低结晶性碳包覆石墨材料而成的碳材料。
[粘结剂]
作为粘结剂,可以使用公知的粘结剂,与正极的情况相同,可以使用PTFE等氟系树脂、PAN、聚酰亚胺系树脂、丙烯酸系树脂、及聚烯烃系树脂等。另外,在使用水系溶剂制备负极复合材料浆料时,优选使用CMC或其盐、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)、聚丙烯酸(PAA)或其盐(可以为PAA-Na、PAA-K等、或部分中和型的盐)、聚乙烯醇(PVA)等。作为在制作负极板时使用的粘结剂,特别优选组合使用CMC或其盐、及苯乙烯-丁二烯共聚物(SBR)或其改性体。
<分隔件>
分隔件可使用具有离子透过性和绝缘性的多孔片。作为多孔片的具体例子,可列举出微多孔薄膜、织布、无纺布等。作为分隔件的材质,聚乙烯、聚丙烯等烯烃系树脂、纤维素等是适合的。分隔件可以是具有纤维素纤维层和烯烃系树脂等热塑性树脂纤维层的层叠体。另外,可以是包含聚乙烯层和聚丙烯层的多层分隔件,还可以使用在分隔件的表面涂布了芳族聚酰胺系树脂等树脂的分隔件。
实施例
以下列举实施例和比较例,对本发明进行更具体地详细说明,但本发明不限定于以下的实施例。
<实验例1>
[正极活性物质的制作]
对通过在水溶液中混合NiSO4、CoSO4和MnSO4使其共沉淀而得到的镍钴锰复合氢氧化物进行焙烧,从而制得镍钴锰复合氧化物。接着,使用研磨搅拌研钵对该复合氧化物、碳酸锂、氧化钨(WO3)和氧化锆(ZrO2)进行混合。该混合物中的锂与作为过渡金属的镍钴锰与钨与锆的混合比(摩尔比)为1.15:1.0:0.005:0.005。将该混合物在空气中、在900℃下焙烧10小时,然后进行粉碎,从而得到其中含有W和Zr的锂过渡金属氧化物(正极活性物质)。另外,利用ICP发射光谱分析法对得到的锂过渡金属氧化物进行了元素分析,结果Ni、Co、Mn、W和Zr的各元素相对于过渡金属整体的摩尔比分别为46.7、26.7、25.6、0.5和0.5。
接着,向得到的锂过渡金属氧化物中混合、相对于该氧化物的除了Li以外的金属元素(过渡金属)的总量为0.5mol%的WO3、和相对于该氧化物的总量为5质量%的磷酸锂(Li3PO4),从而得到在颗粒表面附着了WO3和Li3PO4的正极活性物质。
[正极的制作]
以91:7:2的质量比混合上述正极活性物质、炭黑和聚偏氟乙烯(PVDF)。向该混合物中添加作为分散介质的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)并进行混炼,从而制得正极复合材料浆料。接着,在作为正极芯体的铝箔上涂布正极复合材料浆料,使涂膜干燥而在铝箔上形成正极复合材料层。将由此形成正极复合材料层的正极芯体切成规定大小并进行压延,安装铝极耳,作为正极。
对于由此得到的正极,利用扫描型电子显微镜(SEM)进行观察,结果可确认出平均粒径为150nm的氧化钨的颗粒和平均粒径为100nm的磷酸锂的颗粒附着于含锂过渡金属复合氧化物的表面。其中,对于氧化钨和磷酸锂,有时其一部分在与导电剂和粘结剂进行混合的工序中从正极活性物质的表面剥离的情况,因此有时在正极内包含氧化钨和/或磷酸锂的一部分,而并非附着于正极活性物质颗粒。另外,通过利用SEM的观察确认出磷酸锂附着于氧化钨上、或存有于氧化钨的附近。
[负极的制作]
比98:1:1的质量比混合石墨粉末、羧甲基纤维素(CMC)和苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)并添加了水。使用混合机(PRIMIX Corporation制、T.K.Hivis Mix)对其进行搅拌,制得负极复合材料浆料。接着,在作为负极芯体的铜箔上涂布负极复合材料浆料,使涂膜干燥后,利用压延辊进行压延。由此制得在铜箔的两面形成了负极复合材料层的负极。
[非水电解质的制备]
以30:15:40:5:10的体积比混合碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(MEC)、碳酸二甲酯(DMC)、丙酸甲酯(MP)和1,2-二甲氧基乙烷(DME)。将LiPF6以成为1.2mol/L浓度的方式溶解于该混合溶剂中,进而,将碳酸亚乙烯酯以相对于该含LiPF6混合溶剂为0.3质量%浓度的方式溶解,另外,将LiBOB(Li(B(C2O4)2))以相对于该含LiPF6混合溶剂为0.05mol/L的浓度方式溶解。
[电池的制作]
分别在上述正极上安装铝引线、在上述负极上安装镍引线,使用聚乙烯制的微多孔膜作为分隔件,隔着分隔件将正极和负极卷绕成螺旋状,从而制得卷绕型的电极体。将该电极体收容在有底圆筒形状的电池盒主体中,注入上述非水电解质后,利用垫片和封口体对电池盒主体的开口部进行封口,从而制得圆筒型的非水电解质二次电池(电池A1)。
<实验例2>
在正极活性物质的制作工序中,将含锂过渡金属氧化物中混合的磷酸锂的量设为相对于该氧化物的总量为2质量%、及在非水电解质的制备工序中,制备了体积比为EC:MEC:DMC:MP:DME=30:20:40:5:5的混合溶剂,除此以外与实验例1同样地制得圆筒型的非水电解质二次电池(电池A2)。
<实验例3>
在非水电解质的制备工序中,制备了体积比为EC:MEC:DMC:MP:DME=30:10:40:5:15的混合溶剂,除此以外与实验例2同样地制得圆筒型的非水电解质二次电池(电池A3)。
<实验例4>
在非水电解质的制备工序中,制备了体积比为EC:MEC:DMC:MP:DME=30:5:40:5:20的混合溶剂,除此以外与实验例2同样地制得圆筒型的非水电解质二次电池(电池A4)。
<实验例5>
在非水电解质的制备工序中,制备了体积比为EC:DMC:MP:DME=30:35:5:30的混合溶剂,除此以外与实验例2同样地制得圆筒型的非水电解质二次电池(电池A5)。
<实验例6>
在正极活性物质的制作工序中,使用研磨搅拌研钵仅混合了镍钴锰复合氧化物、碳酸锂和氧化锆,除此以外与实验例2同样地制得圆筒型的非水电解质二次电池(电池A6)。
<实验例7>
在正极活性物质的制作工序中,含锂过渡金属氧化物中未混合氧化钨,除此以外与实验例2同样地制得圆筒型的非水电解质二次电池(电池A7)。
<实验例8>
在正极活性物质的制作工序中,使用研磨搅拌研钵仅混合了镍钴锰复合氧化物、碳酸锂和氧化锆,制作了其中不含钨的含锂过渡金属氧化物;及在非水电解质的制备工序中,制备了体积比为EC:MEC:DMC:MP=30:25:40:5的混合溶剂,除此以外与实验例2同样地制得圆筒型的非水电解质二次电池(电池A8)。
<实验例9>
在正极活性物质的制作工序中,含锂过渡金属氧化物中未混合磷酸锂,除此以外与实验例6同样地制得圆筒型的非水电解质二次电池(电池A9)。
<实验例10>
在正极活性物质的制作工序中,使用研磨搅拌研钵仅混合了镍钴锰复合氧化物、碳酸锂和氧化锆,制作了其中不含钨的含锂过渡金属氧化物;及含锂过渡金属氧化物中未混合磷酸锂,除此以外与实验例1同样地制得圆筒型的非水电解质二次电池(电池A10)。
<实验例11>
在正极活性物质的制作工序中,含锂过渡金属氧化物中未混合磷酸锂;及在非水电解质的制备工序中,制备了体积比为EC:MEC:DMC:MP=30:25:40:5的混合溶剂,除此以外与实验例1同样地制得圆筒型的非水电解质二次电池(电池A11)。
<实验例12>
在正极活性物质的制作工序中,含锂过渡金属氧化物中未混合磷酸锂,除此以外与实验例1同样地制得圆筒型的非水电解质二次电池(电池A12)。
<实验例13>
在正极活性物质的制作工序中,将含锂过渡金属氧化物中混合的磷酸锂的量设为相对于该氧化物的总量为2质量%,及在非水电解质的制备工序中,制备了体积比为EC:MEC:DMC:MP=30:25:40:5的混合溶剂,除此以外与实验例1同样地制得圆筒型的非水电解质二次电池(电池A13)。
[输出特性试验]
分别使用上述制得的电池A1~A13,在25℃的温度条件下、以电流值800mA进行恒定电流充电直至为4.1V,接着,以4.1V进行恒定电压充电直至电流值为0.1mA。然后,以800mA进行恒定电流放电直至为2.5V。将进行该恒定电流放电时的放电容量作为各二次电池的额定容量。
接着,在电池温度25℃下、以800mA进行恒定电流放电直至为2.5V,再次充电至额定容量的50%。然后,基于能够将充电终止电压设为4.3V时进行10秒充电的最大电流值,利用下式求出各二次电池的充电深度(SOC)50%时的常温再生值。
常温再生值(SOC50%)=(测定的最大电流值)×充电终止电压(4.3V)
以实验例7的电池A9的再生特性结果为基准,计算出电池A1~A13的常温再生特性的比率。将其结果示于表1。
[表1]
由表1的结果可知,对于作为在锂镍钴锰复合氧化物中包含第5族/第6族元素和磷酸锂的正极活性物质、且非水电解质包含DME的电池A1~A7,与电池A8~A13相比,常温再生显著优异。
其原因可以如下来说明。DME通过充电时的氧化分解而在正极表面产生移动性的分解产物。另外,正极存在第5族/第6族元素时,该第5族/第6族元素溶出至非水电解质中。另外,在负极表面形成DME的分解产物和第5族/第6族元素混合而成的覆膜。可认为,此时若在正极存在第5族/第6族元素和磷酸化合物这两者,则第5族/第6族元素的溶出和析出形态发生变化,在负极表面形成低电阻的覆膜,由此能够大幅改善常温再生。
图1是本发明的非水电解质二次电池中的正极和负极的反应示意图。可认为在正极表面DME被分解而产生移动性的分解产物,在负极表面该分解产物与从正极溶出的第5族/第6族元素形成低电阻的负极覆膜。
图2是正极中不存在磷酸化合物的现有技术中的正极和负极的反应示意图。正极中不存在磷酸化合物时,无法通过磷酸化合物调整第5族/第6族元素的溶出,因此即使非水电解质中含有DME,也无法形成低电阻的负极覆膜。因此,即使含有DME作为非水电解质,与不存在DME的情况相比,也会得到常温再生降低或者几乎不发生变化的结果(电池A9~电池A12)。
另外,即使正极中存在第5族/第6族的元素和磷酸化合物这两者,在非水电解质中不含DME的情况下(电池A8、电池A13),虽然通过磷酸化合物可助长第5族/第6族元素的溶出,但无法形成源自DME的分解产物,因此无法在负极表面形成低电阻的覆膜,无法得到常温再生的改善。
由电池A2与电池A6~A7的比较可知,若使用在锂过渡金属氧化物中固溶有第5族/第6族的元素,且在锂过渡金属氧化物的表面附着有第5族/第6族的元素的正极活性物质,则能够大幅改善常温再生。可认为其原因在于,在负极上形成了更低电阻的覆膜。
另一方面,本发明的电池A1~A7均能够改善常温再生,进而,作为DME的含量相对于非水电解质中所含的溶剂的总量为5体积%以上且20体积%以下的电池A1~A4,能够确认出常温再生的改善效果更为显著。可认为DME的含量在上述范围内时,能够抑制DME向负极的同时插入,能够改善电池特性。
由此,确认了通过使正极板包含含锂过渡金属氧化物、第5族/第6族元素和磷酸化合物,非水电解质包含1,2-二甲氧基乙烷,从而能够改善非水电解质二次电池的常温再生。
以上对本发明的实施方式进行了说明,但本发明不限定于这些实施例,可以在该技术思想的范围内进行各种变形。
产业上的可利用性
本发明能够用于非水电解质二次电池。
Claims (8)
1.一种非水电解质二次电池,其具备电极体和非水电解质,所述电极体具有正极板和负极板隔着分隔件层叠而成的结构,
所述正极板包含含锂过渡金属氧化物、属于元素周期表的第5族或第6族的元素、及磷酸化合物,
所述非水电解质包含1,2-二甲氧基乙烷。
2.根据权利要求1所述的非水电解质二次电池,其中,所述属于元素周期表的第5族或第6族的元素作为过渡金属包含于所述含锂过渡金属氧化物中。
3.根据权利要求1或2所述的非水电解质二次电池,其中,所述含锂过渡金属氧化物与所述属于元素周期表的第5族/第6族元素的元素固溶,且所述属于元素周期表的第5族/第6族的元素附着于所述含锂过渡金属氧化物的表面。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的非水电解质二次电池,其中,所述属于元素周期表的第5族或第6族的元素为钨。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的非水电解质二次电池,其中,所述磷酸化合物为磷酸锂。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的非水电解质二次电池,其中,所述1,2-二甲氧基乙烷的含量相对于所述非水电解质中所含的溶剂的总量为3体积%以上且20体积%以下。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的非水电解质二次电池,其中,所述含锂过渡金属氧化物包含锆。
8.根据权利要求1~7中任一项所述的非水电解质二次电池,其中,所述非水电解质中包含Li(B(C2O4)2)。
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