JP2001307726A - 電極材料及びそれを用いた電池 - Google Patents
電極材料及びそれを用いた電池Info
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Abstract
活物質材料を用い、高い放電容量と安定した充放電サイ
クル性能を持ったリチウム二次電池を提供することを目
的とする。 【構成】組成式LiFe1-xMxPO4(MはMg,C
a,Sr,Ba,Sc,Y,Zn,Al,Ga,In,
Si及び希土類元素から選ばれる1種類以上の元素、0
<x<0.5)で表わされる電極材料を用いることで、
上記目的を達成できる。
Description
関し、特にリチウム電池用正極活物質材料に関するもの
である。
は、LiCoO2、LiNiO2等の層状構造を有する化
合物や、LiMn2O4等のスピネル構造を有する化合物
等が提案され、すでに一部が実用化されている。
素を使用した正極活物質の研究開発が盛んに行われてい
る。しかしながら、例えば、層状構造を有するLiFe
O2は電気化学的な活性度が低く、十分な電池特性は得
られていない。
物は、金属リチウムに対する電位が3.3V程度と高
く、且つ、平坦な放電特性を示す特徴があり、Fe元素
系正極活物質として有望である。しかしながら、前記L
iFePO4は電気化学的容量が100〜120mAh/g程
度と低く、前記LiFeO2の理論容量170mAh/gに
比べると約6割の容量にすぎない。さらに充放電サイク
ルによる容量低下も大きいといった問題があった。
odenough,J.B. Phospho-olivinesas Positive-Electrod
e Materials for Rechargeable Lithium Batteries.J.E
lectrochem.Soc. vol.144,no.4,1997,p.1188-1194.に
は、Feの一部をMn等の遷移金属で置換した構造であ
るLiFe1-xMxPO4(MはMn,Co,Ni)が提
案されているが、上記2つの問題を解決するものではな
かった。
電池に用いた場合、繰り返し充放電サイクルによる容量
低下が大きい原因としては、以下の事が考えられる。
て使用した場合、電池の充電に伴なうリチウムイオンの
脱離反応は、Li1-yFePO4とFePO4との2相共
存反応で進むとの考えが前記文献に示されている。とこ
ろが、リチウムイオンの挿入脱離に伴う前記2相の相転
移速度が遅いため、充放電時の分極が大きくなるものと
考えられる。また、前記2相共存反応は、活物質粒子表
面から優先的に起こるため、深い放電を行うほど、前記
分極が顕著になると考えられる。この結果、活物質粒子
の中心部が無効領域として残るため、理論容量の60%
程度の容量しか得られない。さらに、充放電の繰り返し
により、前記無効領域が拡大するため、充放電サイクル
の繰り返しに伴う容量低下が大きいと考えられている。
度は、例えば一般的な活物質であるLiCoO2の焼成
温度比べて低温であることから、合成時の結晶化度や粒
径を制御することが難しい。そのため、得られるLiF
ePO4の粉体は、粒子径が比較的小さく、また、小さ
な結晶子が乱雑に並んだ結晶構造を持っている。従っ
て、粒子内のイオンの拡散性や電子伝導性が悪く、充放
電時の分極が大きくなると考えられる。
入脱離に伴い、活物質粒子の体積変化が起り、これが繰
り返されることで粒子に亀裂が入ったり、さらに亀裂が
進行して粒子が破壊され、微細化される。前記亀裂や微
細化により、粒子内のイオン拡散性及び粒子間の電子伝
導性が低下し、粒子内ならびに粒子間のインピーダンス
が増加するため、放電時の分極が大きくなると考えられ
る。
いる電池の容量及び充放電サイクル特性を向上させるた
めには、充放電に伴うLi1-yFePO4とFePO4と
の相転移速度を早くし、繰り返し充放電によって活物質
粒子に亀裂が入ったり破壊されることがなく、イオン伝
導性及び電子伝導性が保持されることが求められる。
充放電サイクル特性に優れた高容量で安価なリチウム二
次電池を提供することを目的とする。
め、本発明は、組成式LiFe1-xMxPO4(MはM
g,Ca,Sr,Ba,Sc,Y,Zn,Al,Ga,
In,Si及び希土類元素から選ばれる1種類以上の元
素、0<x<0.5)で表わされる電極材料である。ま
た、それを用いたリチウム電池である。
の結晶格子中に組み込まれたとき、リチウムイオンの挿
入脱離によって酸化還元されない元素から選ばれたこと
を最大の特徴としている。
は、例えばLiFePO4を合成する場合と同様の出発
原料を用い、FeとMの比が所定値となるように前記出
発原料を混合して焼成する方法等を用いることができ
る。しかしながら、合成方法はこれに限定されるもので
はない。
は、結晶子が成長しており、このような材料を電池の活
物質として用いると、充放電によるリチウムイオンの挿
入脱離を繰り返しても構造的に安定であり、従って充放
電サイクル性能が向上する。
程における昇温時にまず低融点の化合物が合成され、そ
の化合物が焼成途中でガラス化することで結晶子の成長
が促進され、その結果、比較的高結晶性の粒子が得られ
るためと考えられる。また、その結果、活物質粒子内の
結晶子の向きが揃っているので、リチウムイオンの挿入
脱離に伴う体積変化による粒子内の歪みが軽減され、活
物質粒子の破壊が起こりにくくなる。
より軽い元素を用いると、高エネルギー密度を有する電
極材料を合成することができる。
詳細に説明する。LiFePO4をリチウム二次電池の
正極活物質として使用した場合、電池の充電によって正
極活物質からリチウムイオンが脱離され、逆に放電時に
は正極活物質にリチウムイオンが挿入される。電池の充
放電に伴ない、前記正極活物質は組成式Li1-yFe1P
O4(0<y<1)で表わされる範囲で、リチウムイオ
ンの挿入脱離が可逆的に行われる。LiFePO4のよ
うなイオン結晶性材料の場合、Li原子やFe原子はイ
オン化してLi+やFe2+のカチオンになり、リン原子
や酸素原子はP5-、O2-のアニオンになっている。結晶
格子中のリチウムイオンは、これらの前記アニオンに囲
まれた配置を取り、前記カチオンと前記アニオンの静電
引力によって結晶格子が保たれている。
ら脱離すると、リチウムイオンを囲んでいたアニオン間
の静電引力がなくなり、結晶格子の対称性を大きく変え
て構造安定性を保持する。逆に、リチウムイオンが脱離
している状態の結晶格子内にリチウムイオンが挿入され
ると、再び結晶格子の対称性を大きく変えて元の状態に
戻る。このような、リチウムイオンの挿入脱離による結
晶格子の変化は、活物質粒子の体積変化を引き起こす。
リチウムイオンの挿入脱離により活物質粒子の体積が膨
張伸縮されると、活物質粒子に亀裂が入ったり、破壊さ
れ、微細化してしまう。
の脱離は粒子の表面から起こるが、LiFePO4にお
いては結晶格子内のリチウムイオンの拡散速度が遅い。
また、通常合成されるLiFePO4粒子は、小さな結
晶子が乱雑に入り組んだ構造であるため、結晶子間のイ
オン拡散も遅い。この結果、粒子表面と粒子中心部との
イオン濃度差が大きくなる。リチウムイオンの前記濃度
差は、充放電の電流密度に比例して大きくなる傾向にあ
る。前記濃度差は、結晶格子の体積差につながり、粒子
内の体積変化が表面と内部で異なることから、粒子内に
大きな歪みが生じ、粒子の亀裂や破壊が加速される。従
って、前記体積変化を小さくすること、または、体積変
化によって亀裂や破壊されにくい活物質粒子を調整する
ことが求められる。
る複合酸化物において、元素Mが例えばCo等の遷移金
属元素の場合、リチウムイオンが挿入脱離されると、前
記遷移金属元素が酸化還元されることで電気的中性を保
っている。これに対し、本発明の電極材料は、元素Mと
してリチウムイオンの挿入脱離によって酸化還元されな
い元素を用いるところに特徴がある。即ち、遷移金属元
素であるFe元素の一部を、前記酸化還元されない元素
Mで置換した構造であり、置換元素MはLiFe1-xMx
PO4の結晶格子中でFeのサイトに均一に分布してい
る。
離する際には、脱離によって還元され得るFe元素近傍
のリチウムイオンが前記脱離に寄与し、脱離によって還
元されない本発明の置換元素M近傍のリチウムイオンは
前記脱離に寄与しにくい。このため、脱離しないリチウ
ムイオンが結晶格子内のリチウムイオンサイトに均一に
分布した状態で残ることになる。このため、本発明の電
極材料を正極活物質として使用すると、充放電によるリ
チウムイオンの挿入脱離反応は、LiFe1-xMxPO4
とLixFe1-xMxPO4との2相共存反応で進むことに
なる。該2相共存反応の相転移速度は、Li1-yFeP
O4とFePO4との2相共存反応の相転移速度に比べて
早く、体積変化も小さいと考えられる。従って、充放電
時の分極が小さくなり、高容量でかつ充放電サイクルに
よる容量低下の少ない長寿命のリチウム二次電池を提供
できる。
明するが、本発明はこれらの記述により限定されるもの
ではない。また、以下の実施例に記載された活物質の出
発原料、製造方法、正極、負極、電解質、セパレータ及
び電池形状などに限定されるものではない。本実施例で
は、本発明の電極材料を正極に用い、前記電極材料自体
の挙動をデータに反映させるため、負極には故意に金属
リチウムを用いたが、当然ながら、負極に炭素材料を用
いてもよい。また、電解質、セパレータの代わりに固体
電解質を用いてもよい。
リン酸アンモニウム及び置換元素Mに対応する原料とし
てストロンチウムの酢酸塩を用い、Li:Fe:Sr:
Pの元素比が1:0.9:0.1:1となるように秤
量、混合し、アルゴンガス雰囲気中300℃で4時間焼
成した後、得られた粉体を粉砕混合し、アルゴンガス雰
囲気中300℃で8時間焼成後冷却し、乾燥雰囲気で粉
砕し、本発明の電極材料である正極活物質を得た。該正
極活物質は、測定されたエックス線回折パターンより、
結晶が単一相で得られていることがわかった。
ン型リチウム二次電池を試作した。断面図を図2に示
す。該正極活物質、アセチレンブラック及びポリテトラ
フルオロエチレン粉末を重量比85:10:5で混合
し、トルエンを加えて十分混練した。前記混練物をロー
ラープレスにより、厚み0.8mmのシート状に成形し
た後、直径16mmの円形に打ち抜き、減圧下200℃
で15時間熱処理し、正極1を得た。正極1は、正極集
電体6の付いた正極缶4に圧着して用いた。
直径15mmの円形に打ち抜き、負極集電体7を介して
負極缶5に圧着して用いた。電解液は、エチレンカーボ
ネートとジエチルカーボネートを1:1で混合した溶媒
に六フッ化リン酸リチウムを1.0mol/l の濃度で溶解し
たものを用いた。セパレータ3にはポリエチレン製微多
孔膜を用いた。8は絶縁パッキングである。上記正極、
負極、電解液及びセパレータを用いて、図2に示す直径
20mm、厚さ1.6mmのコイン型リチウム電池を作
製した。この電池を本発明電池A1とする。
してカルシウムの酢酸塩を使用し、Li:Fe:Ca:
Pの元素比が1:0.9:0.1:1となるように秤量
したこと以外は、実施例1と同様にして本発明の電極材
料を得た。得られた電極材料のエックス線回折パターン
より、結晶が単一相で得られていることが分かった。ま
た、実施例1と同様にコイン型リチウム電池を作製し
た。この電池を本発明電池A2とする。
してアルミニウムの酢酸塩とマグネシウムの酢酸塩を使
用し、Li:Fe:Al:Mg:Pの元素比が1:0.
9:0.05:0.05:1となるように秤量したこと
以外は実施例1と同様にして本発明の電極材料を得た。
得られた電極材料のエックス線回折パターンより、結晶
が単一相で得られていることが分かった。また、実施例
1と同様にコイン型リチウム電池を作製した。この電池
を本発明電池A3とする。
酸リチウム、シュウ酸鉄及びリン酸アンモニウムを用
い、Li:Fe:Pのモル比が1:1:1となるように
秤量したこと以外は実施例1と同様にして本発明の電極
材料を得た。得られた電極材料のエックス線回折パター
ンより、結晶が単一相で得られていることが分かった。
また、実施例1と同様にコイン型リチウム電池を作製し
た。この電池を比較電池B1とする。
A2、A3及び比較電池B1を用いて定電流充放電サイ
クル試験を行った。試験条件は、充電電流3mA、充電
終止電圧4.2V、放電電流3mA、放電終止電圧3.
0Vとした。充放電試験の結果を図1に示す。
池1〜3は、比較電池1に比べて初期充放電容量が大き
く、さらに充放電サイクルによる容量低下が小さかっ
た。
ウム、カルシウム、アルミニウム、マグネシウムの場合
について挙げたが、バリウム、スカンジウム、イットリ
ウム、亜鉛、ガリウム、インジウム、シリコン及びいく
つかの希土類元素を用いても同様の効果が確認された。
さらに、Mを2種類以上併用した場合においても同様の
効果が確認された。
ネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ス
カンジウム、イットリウム、亜鉛、アルミニウム、ガリ
ウム、インジウム、珪素、希土類元素から選ばれる1種
類以上の元素で置換することにより、初期容量の増大と
サイクルの安定性が実現できる。
で、放電容量が大きく、サイクル安定性に優れた長寿命
のリチウム二次電池を提供できる。
を比較したグラフである。
Claims (2)
- 【請求項1】 組成式LiFe1-xMxPO4(MはM
g,Ca,Sr,Ba,Sc,Y,Zn,Al,Ga,
In,Si及び希土類元素から選ばれる1種類以上の元
素、0<x<0.5)で表わされる電極材料 - 【請求項2】 前記電極材料を用いたリチウム電池
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