JP2001283851A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

非水電解質二次電池

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JP2001283851A JP2000099616A JP2000099616A JP2001283851A JP 2001283851 A JP2001283851 A JP 2001283851A JP 2000099616 A JP2000099616 A JP 2000099616A JP 2000099616 A JP2000099616 A JP 2000099616A JP 2001283851 A JP2001283851 A JP 2001283851A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 正極活物質の熱安定性を高めると同時に、電
池の負荷特性および充放電サイクル特性を向上させるこ
とができる非水電解質二次電池を提供することを目的と
する。 【解決手段】 正極活物質を主体とする正極1と、負極
2と、非水電解質とを備える非水電解質二次電池におい
て、上記正極活物質として、一般式LiCo1-XX
2 (MはV、Cr、Fe、Mn、Ni、Al、Tiから
選ばれる少なくとも一種)で表される六方晶系のリチウ
ム含有遷移金属複合酸化物を用い、且つこのリチウム含
有遷移金属複合酸化物における(110)ベクトル方向
の結晶子径が1000Åを超えていることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、正極活物質を主体
とする正極と、負極と、非水電解質とを備える非水電解
質二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、コバルト酸リチウム等のリチウム
含有複合酸化物を正極材料とする一方、リチウムイオン
を吸蔵、放出し得るリチウム−アルミニウム合金、炭素
材料等を負極材料とする非水電解液電池が、高容量化が
可能な電池として注目されている。
【0003】しかしながら、上記コバルト酸リチウムは
充放電サイクルにより劣化することが知られている。こ
の劣化の程度はコバルト酸リチウムの結晶性に相関があ
り、充放電による構造劣化は、コバルト酸リチウムの結
晶性が低い場合に顕著に現れる。また、コバルト酸リチ
ウムの結晶性が低いと、充電時に分解し易くなるため、
活物質中の酸素脱離が起こり易くなって、熱安定性が低
下する。
【0004】このようなことを考慮すれば、コバルト酸
リチウムの結晶子径を大きくすることにより、結晶性を
高くするようなことが考えられるが、単にコバルト酸リ
チウムの結晶子径を大きくするだけでは、リチウムの拡
散が遅くなって負荷特性が低下するという課題がある。
【0005】一方、コバルト酸リチウムのコバルトの一
部を他元素で置換して、負荷特性を向上させるような電
池が提案されているが、コバルトの一部を他元素で置換
した場合には、結晶成長し難くなって結晶子径が小さく
なる結果、充電時の熱安定性が低下するという課題があ
る。
【0006】これらのことから、従来のコバルト酸リチ
ウムから成る正極活物質を用いると、電池の基本的な特
性であるサイクル特性、熱安定性、負荷特性の全てを兼
ね備えた電池を得ることができなかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の事情
に鑑みなされたものであって、正極活物質の熱安定性を
高めると同時に、電池の負荷特性および充放電サイクル
特性を向上させることができる非水電解質二次電池を提
供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のうちで請求項1記載の発明は、正極活物質
を主体とする正極と、負極と、非水電解質とを備える非
水電解質二次電池において、上記正極活物質として、一
般式LiCo1-X X 2 (MはV、Cr、Fe、M
n、Ni、Al、Tiから選ばれる少なくとも一種)で
表される六方晶系のリチウム含有遷移金属複合酸化物を
用い、且つこのリチウム含有遷移金属複合酸化物におけ
る(110)ベクトル方向の結晶子径が1000Åを超
えていることを特徴とする。
【0009】上記構成の如く、(110)ベクトル方向
の結晶子径が1000Åを超えているリチウム含有遷移
金属複合酸化物は結晶性が高いので、充放電サイクルに
よる劣化が少なくなると共に、充電時に分解し難くなっ
て、活物質中の酸素脱離が起こり難くなるため、熱安定
性が向上する。また、異種元素Mの添加により正極活物
質の導電性が高くなるため、結晶子径が大きい場合であ
っても負荷特性が向上する。
【0010】また、請求項2記載の発明は、請求項1記
載の発明において、上記一般式LiCo1-X X 2
Mが、Cr、Mn、Al、Tiから選ばれる少なくとも
一種であることを特徴とする。
【0011】このような構成であれば、正極活物質の導
電性がより高くなるため、負荷特性が一層向上する。
【0012】また、請求項3記載の発明は、請求項1又
は2記載の発明において、上記一般式LiCo1-X X
2 におけるxの値が0.0001〜0.005の範囲
に規制されることを特徴とする。
【0013】このように規制するのは、xの値が0.0
001未満になると、異種元素Mの添加効果を十分に発
揮できないため、正極活物質の導電性が十分に高くなら
ず、負荷特性を飛躍的に向上することができない一方、
xの値が0.005を超えると、相対的にコバルトの量
が減少するので、電池容量が低下するという理由による
ものである。
【0014】また、請求項4記載の発明は、請求項1、
2又は3記載の発明において、上記一般式LiCo1-X
X 2 で表されるリチウム含有遷移金属複合酸化物の
原料として、比表面積が1m2 /g以上のコバルト酸化
物又はコバルト含有複合酸化物を用いることを特徴とす
る。
【0015】比表面積が大きな(比表面積が1m2 /g
以上の)コバルト酸化物等は反応性が高いため、コバル
ト酸化物等と炭酸リチウム等のリチウム源と混合して焼
成することにより作製されるリチウム含有遷移金属複合
酸化物の結晶性が高くなる。また、比表面積が大きなコ
バルト酸化物等は反応性が高いため、異種元素Mを添加
した場合であっても、結晶性が低下するのを抑制でき
る。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図1に基
づいて、以下に説明する。図1は本発明の非水電解質二
次電池の断面図である。 (正極の作製)出発原料としては、リチウム源には炭酸
リチウム(Li2 Co3 )を用い、コバルト源には四酸
化三コバルトをバナジウム(V)で複合化した(Co
0.999 0.001 3 4 を用いた。この四酸化三コバル
トをバナジウムで複合化したものは、酸溶液に溶解した
コバルトとバナジウムとを複合酸化物として沈殿させ、
300℃で仮焼することで得た。尚、四酸化三コバルト
をバナジウムで複合化したものの比表面積は8.46m
2 /gであった。次に、上記炭酸リチウムと四酸化三コ
バルトをバナジウムで複合化したものとを、Li/(C
o+V)のモル比が1になるように秤量後、乳鉢で混合
し、更に直径17mmの金型で圧力115kg/cm2
でプレス加圧成形した。次いで、空気雰囲気下で900
℃で焼成し、LiCo0.999 0.001 2 の焼成体を得
た後、これを乳鉢で平均粒径10μmまで粉砕して正極
活物質とした。
【0017】ここで、正極活物質の組成はICPによる
分析した。また、XRD測定により結晶構造を確認し、
結晶子径はシェラーの式を用い計算したところ、得られ
た活物質は、六方晶系のリチウム含有遷移金属複合酸化
物であり、(110)ベクトル方向の結晶子径は101
0Åであることが認められた。
【0018】次に、上記正極活物質としてのLiCo
0.999 0.001 2 粉末を85重量部と、導電剤として
の炭素粉末を10重量部、結着剤としてのポリフッ化ビ
ニリデン粉末を5重量部とを混合し、これをN−メチル
ピロリドン(NMP)溶液と混合してスラリーを調整し
た。次いで、このスラリーを厚さ20μmのアルミニウ
ム製の集電体の片面にドクターブレード法により塗布し
て活物質層を形成した後、150℃で乾燥し、更に打ち
抜くことにより、直径が10mm、厚みが約80μmの
円盤状の正極を作製した。 (負極の作製)先ず、天然黒鉛粉末を95重量部と、ポ
リフッ化ビニリデン粉末を5重量部とを混合し、これを
NMP溶液と混合してスラリーを調整した。次に、この
スラリーを厚さ20μmの銅製の集電体の片面にドクタ
ーブレード法により塗布して活物質層を形成した後、1
50℃で乾燥し、更に打ち抜くことにより、直径が10
mm、厚みが約60μmの円盤状の負極を作製した。 (電解液の作製)エチレンカーボネートとジエチルカー
ボネートとの等体積混合溶媒に、LiPF6 を1mol
/Lの割合で溶解することにより電解液を調製した。 (電池の作製)上記の正極、負極及び非水電解液を用い
て、偏平形リチウム二次電池を作製した。
【0019】図1は作製した非水電解質二次電池の断面
模式図であり、正極1、負極2、これら両電極1・2を
互いに離間するセパレータ3、正極缶4、負極缶5、正
極集電体6、負極集電体7及びポリプロピレン製の絶縁
パッキング8などからなる。
【0020】正極1及び負極2は、セパレータ3を介し
て対向している。これらは正極缶4及び負極缶5が形成
する電池ケース内に収納されている。正極1は、正極集
電体6を介して正極缶4に、負極2は負極集電体7を介
して負極缶5に接続され、二次電池として充電及び放電
が可能な構造となっている。
【0021】ここで、正極活物質の粒子径は、四酸化三
コバルトの比表面積により制御した。このように四酸化
三コバルトの比表面積により正極活物質の粒子径を制御
できるのは、原料である四酸化三コバルトの比表面積
が、本焼成時における炭酸リチウムとの反応性に影響す
るため、結晶成長の程度を変化させることができるとい
う理由によるものと考えられる。本発明者らが実験した
ところ、四酸化三コバルトの比表面積が1m2 /g以上
であれば1000Åを超える粒子径を有する正極活物質
を得ることができるが、四酸化三コバルトの比表面積が
0.5〜0.9m 2 /g程度であれば1000Åを超え
る粒子径を有する正極活物質を得ることができないとい
うことが認められた。
【0022】尚、バナジウムの添加方法は、上記実施の
形態の如く、沈殿段階に限定するものではなく、四酸化
三コバルトと炭酸リチウムとの本焼成時に、酸化物等と
して添加するような方法であっても良い。
【0023】また、負極材料としては上記天然黒鉛の
他、リチウム金属、リチウム合金、或いは金属酸化物
(スズ酸化物等)等が好適に用いられる。更に、電解液
の溶媒としては上記のものに限らず、プロピレンカーボ
ネート、、ビニレンカーボネート、γ−ブチロラクトン
などの比較的比誘電率が高い溶液と、ジメチルカーボネ
ート、メチルエチルカーボネート、テトラヒドロフラ
ン、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジオキソラ
ン、2−メトキシテトラヒドロフラン、ジエチルエーテ
ル等の低粘度低沸点溶媒とを適度な比率で混合した溶媒
を用いることができる。また、電解液の電解質として
は、上記LiPF6 の他、LiAsF6 、LiCl
4 、LiBF4 、LiCF3 SO3 等を用いることが
できる。
【0024】
【実施例】〔第1実施例〕 (実施例1)実施例1としては、上記発明の実施の形態
に示す方法と同様の方法にて作製した電池を用いた。
【0025】このようにして作製した電池を、以下、本
発明電池A1と称する。 (実施例2〜9)正極作製時に、四酸化三コバルトを複
合化する場合の異種元素Mとして、Vの代わりに、それ
ぞれCr、Fe、Mn、Ni、Al、Tiで複合化した
四酸化三コバルトを用いると共に、四酸化三コバルトの
比表面積を変化(但し、全て1m 2 /g以上)させる他
は、実施例1同様にして電池を作製した。尚、四酸化三
コバルトの比表面積を変化は、仮焼成時の温度を変える
ことにより行った。具体的には、仮焼成時の温度を上げ
ると比表面積が下がり、仮焼成時の温度を下げると比表
面積が上がる。
【0026】このようにして作製した電池を、以下、そ
れぞれ本発明電池A2〜A9と称する。 (比較例1〜11)正極作製時に、四酸化三コバルトの
比表面積を変化(但し、全て0.5〜0.9m2 /g)
させて、正極活物質における(110)ベクトル方向の
結晶子径が1000Åより小さくなるように合成した他
は、実施例1〜実施例9と同様にして電池を作製した。
尚、四酸化三コバルトの比表面積を変化は、仮焼成時の
温度を変えることにより行った。具体的には、仮焼成時
の温度を上げることにより比表面積を下げた。
【0027】このようにして作製した電池を、以下、そ
れぞれ比較電池X1〜X11と称する。 (比較例12〜17)正極作製時に、四酸化三コバルト
を異種元素Mと複合化せず、且つ四酸化三コバルトの比
表面積を変化させる他は、実施例1と同様にして電池を
作製した。 (実験1)本発明電池A1〜A9及び比較電池X1〜X
17を、25℃において、電流100μAで4.2Vま
で充電した後、ドライボックス中で分解し、ジメチルカ
ーボネートで洗浄し、更に真空乾燥を行なって各サンプ
ルとした。そして、各サンプルを、TG(熱重量分析)
により、5℃/minで室温から300℃まで昇温し、
重量変化を調べたので、その結果を下記表1及び図2に
示す。
【0028】
【表1】 上記表1及び図2から明らかなように、 本発明電池A
1〜A9及び比較電池X12、X13の如く、正極活物
質の(110)ベクトル方向の結晶子径(以下、単に結
晶子径と略す)が1000Åを超えていれば、TGによ
る重量減少が10%以下で、非常に小さくなっているに
対して、比較電池X1〜X11、X14〜X17の如
く、正極活物質の結晶子径が1000Å未満であれば、
TGによる重量減少が10%を超え、非常に大きくなっ
ていることが認められた。ここで、このTGによる重量
減少は活物質中の酸素が脱離したものであり、重量減少
が小さい場合(酸素脱離量が少ない場合)は活物質の熱
安定性が高く、重量減少が大きい場合(酸素脱離量が多
い場合)は活物質の熱安定性が低いと考えられる。
【0029】このことから、結晶子径が1000Åを超
える本発明電池A1〜A9及び比較電池X12、X13
では、結晶構造が安定しているしているので、酸素脱離
量が少なくて、活物質の熱安定性が高いのに対して、結
晶子径が1000Å以下の比較電池X1〜X11、X1
4〜X17では、結晶構造が不安定なので、酸素脱離量
が多くて、活物質の熱安定性が低くなるということがわ
かる。 (実験2)本発明電池A1〜A9及び比較電池X1〜X
17を、満充電とした後電流値100μAで放電したと
きの平均放電電圧を調べたので、その結果を上記表1及
び図3に示す。
【0030】上記表1及び図3から明らかなように、異
種元素を添加していない比較電池X12〜X17では平
均放電電圧が低く、また結晶子径が増加するに従い平均
放電電圧は低下している。特に、結晶子径が1000Å
を超えると平均放電電圧が大幅に低下し、負荷特性が著
しく悪化していることが認められる。これに対して、異
種元素を添加した本発明電池A1〜A9及び比較電池X
1〜X11では平均放電電圧が高くなって、負荷特性が
向上していることが認められた。また、異種元素を添加
した場合は、本発明電池A1〜A9の如く結晶子径が1
000Åを超えても、結晶子径が1000Å以下の比較
電池X1〜X11と略同等の平均放電電圧が得られた。
特に、異種元素として、Cr、Mn、Al、Tiを用い
た場合には、極めて良好な負荷特性を示した。
【0031】上記の如く、本発明電池A1〜A9では、
充放電時にリチウムイオンの拡散経路と考えられる(1
10)方向の結晶子径が1000Åを超えているにも関
わらず、良好な負荷特性を示すのは、本発明電池A1〜
A9の如く異種金属を添加していれば、その存在により
正極活物質の導電率が向上するという理由によるものと
考えられる。また、異種元素の種類により負荷特性が異
なるのは、各元素の安定原子価数が関与しているという
理由によるものと考えられる。 (実験3)本発明電池A1〜A9及び比較電池X1〜X
17を、25℃において、電流値100μAで4.2V
まで充電した後、電流値100μAで2.75Vまで放
電するという充放電サイクルを100回行って容量維持
率を求めたので、その結果を上記表1及び図4に示す。
尚、容量維持率とは、100サイクル目の放電容量/1
サイクル目の放電容量×100(%)という式で示され
る値をいう。
【0032】上記表1及び図4から明らかなように、異
種元素を添加していない比較電池X12〜X17のうち
結晶子径が1000Åを超える比較電池X12、X13
ではに容量維持率が80%未満であり、サイクル特性が
低下している。これに対して、異種元素を添加した本発
明電池A1〜A9及び比較電池X1〜X11では容量維
持率が80%以上であって、サイクル特性が向上してい
ることが認められた。また、異種元素を添加した場合
は、本発明電池A1〜A9の如く結晶子径が1000Å
を超えても、結晶子径が1000Å以下の比較電池X1
〜X11と略同等の容量維持率となっていることが認め
られる。
【0033】以上の実験1〜3の結果より、正極活物質
の熱安定性を高め、電池の負荷特性および充放電サイク
ル特性を向上するためには、一般式LiCo1-X X
2 (MはV、Cr、Fe、Mn、Ni、Al、Tiから
選ばれる少なくとも一種)で表される六方晶系のリチウ
ム含有遷移金属複合酸化物であり、かつ、(110)ベ
クトル方向の結晶子径が1000Åを超えるの正極活物
質を用いることが有効であることがわかった。中でも負
荷特性の面から、MとしてCr、Mn、Al、Tiを用
いるのが望ましいことがわかる。
【0034】〔第2実施例〕本第2実施例では、異種元
素Mの添加量を変えた場合の初期容量と負荷特性とサイ
クル特性とを調べた。 (実施例1〜8)Crの添加量(LiCo1-X CrX
2 におけるxの値)を変えた他は、上記第1実施例の実
施例2と同様にして電池を作製した。
【0035】このようにして作製した電池を、以下、そ
れぞれ本発明電池B1〜B8と称する。 (実施例9〜16)Mnの添加量(LiCo1-X MnX
2 におけるxの値)を変えた他は、上記第1実施例の
実施例4と同様にして電池を作製した。
【0036】このようにして作製した電池を、以下、そ
れぞれ本発明電池B9〜B16と称する。 (実施例17〜24)Alの添加量(LiCo1-X Al
X 2 におけるxの値)を変えた他は、上記第1実施例
の実施例6と同様にして電池を作製した。
【0037】このようにして作製した電池を、以下、そ
れぞれ本発明電池B17〜B24と称する。 (実施例25〜32)Tiの添加量(LiCo1-X Ti
X 2 におけるxの値)を変えた他は、上記第1実施例
の実施例8と同様にして電池を作製した。
【0038】このようにして作製した電池を、以下、そ
れぞれ本発明電池B25〜B32と称する。 (実験1)上記本発明電池B1〜B32について、前記
第1実施例の実験3と同様の条件で1回だけ充放電し、
初期容量(初期放電容量)を調べたので、その結果を表
2に示す。尚、表2には前記本発明電池A2、A4、A
6、A8についても併せて示している。
【0039】
【表2】 表2から明らかなように、Cr等の添加量が0.007
の本発明電池B8、B16、B24、B32では、正極
活物質1gあたりの初期容量が135〜139mAh/
gと小さいのに対して、Cr等の添加量が0.005以
下の本発明電池A2、A4、A6、A8、B1〜B7、
B9〜B15、B17〜B23、B25〜B31では、
正極活物質1gあたりの初期容量が146mAh/gと
大きくなっていることが認められる。したがって、初期
容量が小さくなるのを抑制するには、Cr等の添加量が
0.005以下であることが望ましいことがわかる。
尚、上記表2には示していないが、異種元素を添加して
いない前記比較電池X12〜X17では、147〜14
8mAh/gであることが確認され、本発明電池A2、
A4、A6、A8、B1〜B7、B9〜B15、B17
〜B23、B25〜B31は異種元素を添加していない
比較電池X12〜X17と遜色ないことがわかる。 (実験2)上記本発明電池B1〜B32について、前記
第1実施例の実験2と同様の条件で放電し、平均放電電
圧を調べたので、その結果を表2及び図5に示す。尚、
表2及び図5には本発明電池A2、A4、A6、A8に
ついても併せて示している。
【0040】表2及び図5から明らかなように、Cr等
の添加量が0.00007の本発明電池B1、B9、B
17、B25では、平均放電電圧が3.57V以下と低
いのに対して、Cr等の添加量が0.0001以上の本
発明電池A2、A4、A6、A8、B2〜B8、B10
〜B16、B18〜B24、B26〜B32では、平均
放電電圧が3.62V以上と高くなっていることが認め
られる。したがって、平均放電電圧を高くするには、C
r等の添加量が0.0001以上であることが望ましい
ことがわかる。 (実験3)上記本発明電池B1〜B32について、前記
第1実施例の実験3と同様の条件で100サイクル充放
電し、容量維持率を調べたので、その結果を表2及び図
6に示す。尚、表2及び図6には本発明電池A2、A
4、A6、A8についても併せて示している。
【0041】表2及び図6から明らかなように、Cr等
の添加量が0.007の本発明電池B8、B15、B2
4、B32では容量維持率は76%以下で、またCr等
の添加量が0.00007の本発明電池B1、B9、B
17、B25では、容量維持率が80%程度であるのに
対して、Cr等の添加量が0.0001〜0.005の
本発明電池A2、A4、A6、A8、B2〜B7、B1
0〜B15、B18〜B23、B26〜B31では、容
量維持率が81%以上であり、優れていることが認めら
れる。
【0042】尚、表2には示していないが、本発明電池
B1〜B32のTGでの重量減少は8.7〜9.3%と
なり、熱安定性は高いことは確認している。
【0043】以上の結果より、正極活物質の熱安定性を
高めると同時に、電池の負荷特性および充放電サイクル
特性を向上させるには、異種元素の添加量を0.000
1〜0.005に規制するのが望ましい。
【0044】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
正極活物質の熱安定性を高めると同時に、電池の負荷特
性および充放電サイクル特性を向上させることができる
といった優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の非水電解質二次電池の断面図。
【図2】結晶子径と熱安定性との関係を示すグラフ。
【図3】結晶子径と負荷特性との関係を示すグラフ。
【図4】結晶子径とサイクル特性との関係を示すグラ
フ。
【図5】異種元素添加量と負荷特性との関係を示すグラ
フ。
【図6】異種元素添加量とサイクル特性との関係を示す
グラフ。
【符号の説明】
1:正極 2:負極 3:セパレータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 昌利 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 Fターム(参考) 5H029 AJ02 AJ05 AK03 AL07 AM03 AM04 AM05 AM07 BJ03 BJ16 DJ16 DJ17 HJ02 HJ05 HJ07 HJ13 5H050 AA02 AA05 AA07 BA17 CA08 CB08 EA24 FA19 HA02 HA05 HA07 HA13

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極活物質を主体とする正極と、負極
    と、非水電解質とを備える非水電解質二次電池におい
    て、 上記正極活物質として、一般式LiCo1-X X
    2 (MはV、Cr、Fe、Mn、Ni、Al、Tiから
    選ばれる少なくとも一種)で表される六方晶系のリチウ
    ム含有遷移金属複合酸化物を用い、且つこのリチウム含
    有遷移金属複合酸化物における(110)ベクトル方向
    の結晶子径が1000Åを超えていることを特徴とする
    非水電解質二次電池。
  2. 【請求項2】 上記一般式LiCo1-X X 2 のM
    が、Cr、Mn、Al、Tiから選ばれる少なくとも一
    種である、請求項1記載の非水電解質二次電池。
  3. 【請求項3】 上記一般式LiCo1-X X 2 におけ
    るxの値が0.0001〜0.005の範囲に規制され
    る、請求項1又は2記載の非水電解質二次電池。
  4. 【請求項4】 上記一般式LiCo1-X X 2 で表さ
    れるリチウム含有遷移金属複合酸化物の原料として、比
    表面積が1m2 /g以上のコバルト酸化物又はコバルト
    含有複合酸化物を用いる、請求項1、2又は3記載の非
    水電解質二次電池。
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