JP2002117907A - 非水電解液二次電池 - Google Patents
非水電解液二次電池Info
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Abstract
ながら、内圧上昇による漏液や破損を回避する。 【解決手段】 オリビン型結晶構造を有し一般式Lix
Fe1-yMyPO4(ただし、MはMn、Cr、Co、C
u、Ni、V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、Mg、
B、Nbの少なくとも1種以上を表し、0.05≦x≦
1.2、0≦y≦0.8)で表される化合物を正極活物
質として用いる。その上で、電解液量を調整することに
より、容器内の空隙量を容量1Ah当たり0.14cc
以上、3.3cc以下とする。
Description
ムリン酸化物を正極活物質として用いた非水電解液二次
電池に関するものである。
もに、長時間便利に、かつ経済的に使用できる電源とし
て、繰り返して充放電が可能な二次電池の研究が進めら
れている。代表的な二次電池としては、鉛蓄電池やアル
カリ蓄電池、非水電解質二次電池等が知られている。
水電解質二次電池であるリチウムイオン二次電池は、高
出力、高エネルギー密度等の利点を有している。
チウムイオンを可逆的に脱挿入可能な活物質を有する正
極及び負極と、非水電解質とから構成されており、その
充電反応は、正極においてリチウムイオンが電解液中に
デインターカレーションし、負極では負極活物質中にリ
チウムイオンがインターカレーションすることによって
進行する。逆に、放電する場合には、上記の逆反応が進
行し、正極においては、リチウムイオンがインターカレ
ーションする。すなわち、正極からのリチウムイオンが
負極活物質に出入りする反応を繰り返すことによって充
放電を繰り返すことができる。
質としては、高エネルギー密度、電池電圧が高いこと等
から、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等が用
いられている。
合酸化物を正極活物質に用い、炭素質材料を負極活物質
として用いた非水電解液二次電池では、充放電中に正極
と電解液との反応により発生したガスによる内圧上昇に
起因して、電解液の漏出や電池の破損等の不具合が生ず
る。
池容器内に空隙を設けることが必要であるが、空隙を設
けるためには容器内に収容し得る活物質量を削減する必
要があり、電池の見かけの体積エネルギー密度が低下し
てしまうという問題が新たに発生する。
されたものであり、電池容器内の空隙量をなるべく少な
くして電池の見かけの体積エネルギー密度を確保しなが
ら、内圧上昇による漏液や破損を回避し得る非水電解液
二次電池を提供することを目的とする。
討を重ねたところ、オリビン型リチウムリン酸化物を正
極活物質に用いることで、ガスの発生を抑制することが
でき、空隙量をこれまでよりも少ない方向に設定しても
漏液や破損等の不具合が起こらないとの知見を得るに至
った。
されたものであり、オリビン型結晶構造を有し一般式L
ixFe1-yMyPO4(ただし、MはMn、Cr、Co、
Cu、Ni、V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、M
g、B、Nbの少なくとも1種以上を表し、0.05≦
x≦1.2、0≦y≦0.8)で表される化合物を含む
正極活物質を用いた正極と、負極と、電解液とが容器内
に収納されてなり、上記電解液量を調整することによ
り、容器内に容量1Ah当たり0.14cc以上、3.
3cc以下の空隙が設けられていることを特徴とするも
のである。
来の正極活物質(例えばLiCoO 2 )よりも電圧が低
めに設定されており、しかも酸素原子(O)が燐原子
(P)と強固に共有結合しているため、電解液との反応
性が低く、ガスの発生量も少ない。
ン型リチウムリン酸化物を採用することにより、空隙量
をこれまでよりも少ない方向に設定することができ、体
積エネルギー密度が向上される。このとき、電解液の漏
出や電池の破損等の不具合が発生することもない。
液二次電池について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。
に、帯状を呈する正極材2と負極材3とが、セパレータ
4を介して積層されかつ渦巻き状に複数回巻回された電
池素子5が、非水電解液とともに電池缶6内に封入され
ている。
極集電体7の両面に、リチウムを電気的に放出すること
が可能であり、かつ吸蔵することも可逆的に可能である
正極活物質を含有する正極活物質層8が形成されてい
る。正極材2には、一端近傍に正極リード9が取り付け
られている。
しては、オリビン型結晶構造を有し、一般式LixFe
1-yMyPO4(ただし、MはMn、Cr、Co、Cu、
Ni、V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、Mg、B、
Nbの少なくとも1種以上を表し、0.05≦x≦1.
2、0≦y≦0.8である。)で表される化合物を単独
で、又は他の材料と混合して使用する。
と炭素材料との複合体を正極活物質として使用する。
ePO4を用い、これと炭素材料とからなる複合体を正
極活物質として用いる場合について説明する。
下、単にLiFePO4炭素複合体と称して説明す
る。)は、LiFePO4粒子の表面に、当該LiFe
PO4粒子の粒径に比べて極めて小とされる粒径を有す
る炭素材料の粒子が多数個、付着してなるものである。
炭素材料は導電性を有するので、炭素材料とLiFeP
O4とから構成されるLiFePO4炭素複合体は、例え
ばLiFePO4のみを正極活物質とした場合と比較す
ると電子伝導性に優れている。すなわち、LiFePO
4炭素複合体は、LiFePO4粒子の表面に付着してな
る炭素粒子により電子伝導性が向上するので、LiFe
PO4本来の容量が十分に引き出される。したがって、
正極活物質としてLiFePO4炭素複合体を用いるこ
とにより、高電気容量を有する非水電解液二次電池1を
実現できる。
量当たりの炭素含有量は、3重量%以上であることが好
ましい。LiFePO4炭素複合体における単位重量当
たりの炭素含有量が3重量%未満である場合、LiFe
PO4粒子の表面に付着している炭素粒子の量が十分で
ないため、電子伝導性向上の効果を十分に得ることがで
きない虞がある。
材料としては、ラマン分光法において、グラファイト
(以下、Grと称する。)のラマンスペクトルの波数1
340〜1360cm-1に出現する回折線に対する波数
1570〜1590cm-1に出現する回折線の強度面積
比A(D/G)が0.3以上であるものを好適に用いる
ことができる。
ン分光法により測定された波数1570〜1590cm
-1に出現するGピークと波数1340〜1360cm-1
に出現するDピークとのバックグランドを含まないラマ
ンスペクトル強度面積比A(D/G)と定義する。ま
た、バックグランドを含まないとは、ノイズ部分は含ま
ないことを意味する。
の数あるピークの中に波数1570〜1590cm-1に
現れるGピークと波数1340〜1360cm-1に現れ
るDピークと呼ばれる2つのピークが観察される。この
うち、Dピークは、本来Gピーク由来のピークではな
く、構造が歪んで構造の対称性が低くなったときに現れ
るラマン不活性のピークである。それ故、Dピークは、
Grの歪んだ構造の尺度となり、DピークとGピークと
の強度面積A(D/G)は、Grのa軸方向結晶子サイ
ズLaの逆数と直線的関係を有することが知られてい
る。
は、アセチレンブラック等の非晶質系炭素材料を好まし
く用いることができる。
G)が0.3以上である炭素材料は、例えば粉砕器で粉
砕する等の処理を施すことで得ることができる。そし
て、粉砕時間を制御することにより、容易に任意のA
(D/G)を有する炭素材料を得ることができる。
ボールミル等の強力な粉砕器を用いて粉砕することで構
造が容易に破壊されて非晶質化が進み、それにしたがっ
て強度面積比A(D/G)は増大する。つまり、粉砕器
の運転時間を制御することによって任意のA(D/
G)、すなわち0.3以上である炭素材料を容易に得る
ことが可能となる。したがって、粉砕を施すことによ
り、炭素材料として晶質炭素系材料等も好ましく用いる
ことができる。
度は、2.2g/cm3以上であることが好ましい。L
iFePO4炭素複合体は、その粉体密度が2.2g/
cm3以上となる程度に合成原料に対してミリングが施
されると、十分に微小化されたものとなる。したがっ
て、正極活物質の充填率が向上し、高電気容量を有する
非水電解液二次電池1を実現できる。また、LiFeP
O4炭素複合体は、上記粉体密度を満たすように微小化
されているので、LiFePO4の比表面積も増大して
いるといえる。つまり、LiFePO4と炭素材料との
接触面積を十二分に確保することができ、電子伝導性を
向上させることが可能となる。
2.2g/cm3未満である場合、LiFePO4炭素複
合体は十分に圧縮されてないため、正極材2における活
物質充填率の向上が図れない虞がある。
ウアーエメットテラー(以下、BETと称する。)比表
面積は、10.3m2/g以上であることが好ましい。
LiFePO4炭素複合体のBET比表面積を10.3
m2/g以上とすると、単位重量当たりにおけるLiF
ePO4の比表面積を十分に大きいものとすることがで
き、LiFePO4と炭素材料との接触面積を大きくす
ることができる。したがって、正極活物質の電子伝導性
を確実に向上させることができる。
粒径は、3.1μm以下であることが好ましい。LiF
ePO4炭素複合体の1次粒径を3.1μm以下とする
ことにより、単位重量当たりにおけるLiFePO4の
比表面積を十分に大きいものとすることができ、LiF
ePO4と炭素材料との接触面積を大きくすることがで
きる。したがって、正極活物質の電子伝導性を確実に向
上させることができる。
iFePO4と炭素材料の複合体を正極活物質として使
用したが、これに限定されるものではない。本発明にお
いて、正極活物質には、LiFePO4を単独で使用し
てもよく、またLiFePO4以外であって一般式Lix
Fe1-yMyPO4(ただし、MはMn、Cr、Co、C
u、Ni、V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、Mg、
B、Nbの少なくとも1種以上を表し、0.05≦x≦
1.2、0≦y≦0.8である。)で表される化合物を
単独で、又は他の材料と混合して使用してもよい。この
ような化合物としては、例えばLiFe0.2Mn0.8PO
4、LiFe0.2Cr0.8PO4、LiFe0. 2Co0.8PO
4、LiFe0.2Cu0.8PO4、LiFe0.2Ni0.8PO
4、LiFe0.25V0.75PO4、LiFe0.25Mo0.75P
O4、LiFe0.25Ti0.75PO4、LiFe0.3Zn0.7
PO4、LiFe0.3Al0.7PO4、LiFe0.3Ga0.7
PO4、LiFe0.25Mg0.75PO4、LiFe0.25B
0.75PO4、LiFe0.25Nb0.75PO4が挙げられる。
は、この種の非水電解液二次電池において正極活物質層
の結合剤として通常用いられている公知の樹脂材料等を
用いることができる。
負極集電体10の両面に負極活物質層11が形成されて
いる。負極材3には、一端近傍に負極リード12が取り
付けられている。
リチウムをドープ、脱ドープ可能な材料が用いられる。
このリチウムをドープ、脱ドープ可能な負極活物質とし
ては、金属リチウム、リチウム合金、リチウムがドープ
された導電性高分子、炭素質材料や金属酸化物などの層
状化合物を用いることができる。この負極活物質層10
に含有される結合剤としては、この種の非水電解液二次
電池において負極活物質層の結合剤として通常用いられ
ている公知の樹脂材料等を用いることができる。
向の端部の位置が正極材2の幅方向の端部の位置と同じ
か内側となった場合、その充電の際に負極材3の幅方向
の両端部でリチウムイオンが、充放電反応を妨げる金属
リチウムとなって析出する現象が生じる。このため、非
水電解液二次電池1においては、負極材3が正極材2よ
りも幅広に形成される。この時、正極活物質に用いてい
るLiFePO4はLiCoO2等に比して充放電時に放
電するLi量が少なく金属リチウムの析出量が抑えられ
るため、片側0.05mm以上大きければ析出した金属
リチウムの影響を受けずに充放電が行われるとともに、
0.05mm未満だと電池素子5形成時に巻ずれが生じ
た場合に、負極材3端部の位置が正極材2端部と同位置
か内側に入ってしまう虞がある。また、片側2.0mm
よりも大きくすると電池反応に寄与しない負極活物質が
増えることになりエネルギー密度が低下する。このた
め、負極材3は、図1に示す片側あたりの幅寸法の差t
が0.05mm乃至0.2mmとなるように正極材2に
比して幅広に形成されることが好ましい。
8と、負極材3の負極活物質層11とを離間させるもの
であり、この種の非水電解液二次電池のセパレータとし
て通常用いられている公知の材料を用いることができ、
例えばポリプロピレンなどの高分子フィルムが用いられ
る。また、セパレータ4は、リチウムイオン伝導度とエ
ネルギー密度との関係から、その厚みができるだけ薄い
ことが必要である。具体的には、セパレータの厚みは例
えば50μm以下が適当である。
示すように、上述した正極材2と負極材3とがセパレー
タ4を介して積層され、かつ複数回巻回されて電池素子
5が構成される。
媒に電解質を溶解させた溶液が用いられる。
ボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネー
ト、ビニレンカーボネート、γ−ブチルラクトン、スル
ホラン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキ
シエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、3−メチル
−1,3−ジオキソラン、プロピオン酸メチル、酪酸メ
チル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、
ジプロピルカーボネート等を使用することができる。特
に、電圧安定性の点からは、プロピレンカーボネート、
エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレ
ンカーボネート等の環状カーボネート類、ジメチルカー
ボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネ
ート等の鎖状カーボネート類を使用することが好まし
い。また、このような非水溶媒は、1種類を単独で用い
てもよいし、2種類以上を混合して用いてもよい。
は、例えば、LiPF6、LiClO4、LiAsF6、
LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2等
のリチウム塩を使用することができる。これらのリチウ
ム塩の中でも特に、LiPF 6、LiBF4を使用するこ
とが好ましい。
れてなり、上述した電池素子5と非水電解液とを封入す
るものである。
極幅を調整することで、電池缶6内の空隙量を調整する
ようにしている。具体的には、空隙量を容量1Ah当た
り0.14cc〜3.3ccの範囲内に設定している。
質として用いた場合、反応によるガスの発生が少なく、
空隙量を容量1Ah当たり0.14ccとこれまでより
も少ない方向に設定しても、バッファーとしての機能を
果たす。ただし、空隙量が0.14cc未満になると、
電解液の漏出や電池の破損を確実に回避することが難し
くなる。
動等の衝撃に弱くなり、また、電池の体積エネルギー密
度の低下が顕著となり、上記オリビン型リチウムリン酸
化物を正極活物質として用いる意義が薄れる。
1の製造方法について説明する。
ず、正極活物質としてLiFePO4と炭素材料との複
合体を、以下に示す製造方法に従って合成する。
PO4の合成原料を混合し、ミリングを施し、焼成し、
且つ上記の何れかの時点で炭素材料を添加する。LiF
ePO4の合成原料としては、Li3PO4と、Fe3(P
O4)2又はその水和物であるFe3(PO4)2・nH2O
(ただし、nは水和数である。)とを用いる。
(Li3PO4)と、下記に示すようにして合成されるリ
ン酸第一鉄八水和物(Fe3(PO4)2・8H2O)とを
用い、この合成原料に炭素材料を添加した後に種々の工
程を行うことにより、LiFePO4炭素複合体を合成
する場合について説明する。
料とを混合して混合物とする混合工程を行う。次いで、
混合工程で得られた混合物にミリングを施すミリング工
程を行う。次いで、ミリング工程でミリングを施した混
合物を焼成する焼成工程を行う。
チウムとリン酸第一鉄八水和物とを所定比で混合し、さ
らに炭素材料を添加して混合物とする。
物は、硫酸鉄七水和物(FeSO4・7H2O)を水に溶
かしてなる水溶液に、リン酸水素二ナトリウム一二水和
物(2Na2HPO4・12H2O)を添加し、所定の時
間放置することにより合成される。リン酸第一鉄八水和
物の合成反応は、下記化1に示す反応式で表される。
は、その合成工程上、ある程度のFe 3+が含まれてい
る。合成原料にFe3+が残存すると、焼成により3価の
Fe化合物が生成されるため、LiFePO4炭素複合
体の単相合成が妨げられてしまう。このため、焼成前の
合成原料に還元剤を添加し、焼成時に合成原料中に含ま
れているFe3+をFe2+に還元する必要がある。
還元能力には限界があり、合成原料中のFe3+の含有率
が多すぎる場合、Fe3+が還元されきれずにLiFeP
O4炭素複合体中に残存してしまうことがある。
に対するFe3+の含有率を、61重量%以下とすること
が好ましい。合成原料であるリン酸第一鉄八水和物中の
鉄総量に対するFe3+の含有率を61重量%以下とあら
かじめ制限することにより、焼成時においてFe3+を残
存させることなく、すなわちFe3+に起因する不純物を
生成させることなく、LiFePO4炭素複合体の単相
合成を確実に行うことができる。
の放置時間が長いほど、生成物中のFe3+の含有率が多
くなるので、放置時間を所定の時間に制御することによ
り、任意のFe3+の含有率を有するリン酸第一鉄八水和
物を生成させることができる。また、リン酸第一鉄八水
和物中の鉄総量に対するFe3+の含有率は、メスバウア
測定法により測定することができる。
合成原料のリン酸第一鉄八水和物中に含まれるFe2+が
大気中の酸素や焼成等によりFe3+に酸化されたとして
も、焼成時にFe3+をFe2+に還元する還元剤として働
く。したがって、合成原料にFe3+が残存していたとし
ても、不純物の生成が防止され、LiFePO4炭素複
合体の単相合成が可能となる。さらに、炭素材料は、合
成原料に含まれるFe 2+のFe3+への酸化を防止する酸
化防止剤として働く。すなわち、炭素材料は、焼成前又
は焼成時において大気中及び焼成炉内に存在する酸素に
より、Fe2+がFe3+へ酸化されてしまうことを防止す
る。
極活物質の電子伝導性を向上させる導電材としての働き
をするとともに、還元剤及び酸化防止剤として働く。な
お、この炭素材料は、LiFePO4炭素複合体の構成
要素となるので、LiFePO4炭素複合体の合成後に
除去する必要がない。従って、LiFePO4炭素複合
体の製造が効率化される。
量あたりの炭素含有量は、3重量%以上とすることが好
ましい。LiFePO4炭素複合体の単位重量あたりの
炭素含有量を3重量%以上とすることにより、LiFe
PO4が本来有する容量及びサイクル特性を十分に引き
出すことが可能となる。
合物に、粉砕・混合同時に行うミリングを施す。本発明
におけるミリングとは、ボールミルを用いた強力な粉砕
・混合をいう。また、ボールミルとしては、例えば遊星
型ボールミル、シェイカー型ボールミル、メカノフュー
ジョン等を好適に用いることができる。
すことにより、合成原料及び炭素材料を均一に混合する
ことができる。また、ミリングを施すことにより合成原
料を微細化すると、合成原料の比表面積を増大させるこ
とができる。したがって、原料同士の接触点が増大し、
引き続く焼成工程における合成反応を速やかに進行する
ことが可能となる。
グを施すことにより、粒子径3μm以上の粒子の粒度分
布が体積基準の積算頻度にして22%以下となるように
規定することが好ましい。合成原料の粒度分布を上記範
囲と規定しているので、合成原料は、表面積として、合
成反応に十分な表面活性を得ることができる広さを有し
ている。したがって、焼成温度が例えば600℃という
合成原料の融点以下という低い温度であっても、反応効
率が良好であり、LiFePO4炭素複合体の単相合成
を確実に行うこと可能となる。
度が2.2g/cm3以上となるように、ミリングを施
すことが好ましい。上記粉体密度となるように合成原料
を微小化することにより、LiFePO4の比表面積を
大きくすることができる。これにより、LLiFePO
4と炭素材料との接触面積を大きくすることができ、正
極活物質の電子伝導性を向上させることが可能となる。
ミリングを施すことにより、高容量である非水電解液二
次電池1を実現する正極活物質を製造することができ
る。
施した混合物を焼成する。混合物を焼成することによ
り、リン酸リチウムとリン酸第一鉄八水和物とを反応さ
せ、LiFePO4を合成する。
示す反応式で表される。なお、下記化に示す反応式にお
いては、Li3PO4と、Fe3(PO4)2又はその水和
物であるFe3(PO4)2・nH2O(ただし、nは水和
数である。)とを反応させた場合を示す。
に、合成原料としてFe3(PO4)2を用いた場合、副
生成物が生じない。また、Fe3(PO4)2・nH2Oを
用いた場合、副生成物として無毒である水のみが生じ
る。
ウム、リン酸二水素アンモニウム及び酢酸鉄(II)を
所定比で混合し、焼成し、下記化3に示す反応によって
LiFePO4を合成していた。
に、従来のLiFePO4の合成方法では、焼成時に有
毒なアンモニアや酢酸等の副生成物が生じていた。この
ため、これら有毒な副生成物を処理するための大規模な
集気装置等の設備が必要となり、製造コスト上昇の原因
となっていた。また、これらの副生成物が大量に生じる
ため、LiFePO4の収率が低下していた。
料としてLi3PO4と、Fe3(PO4)2又はその水和
物であるFe3(PO4)2・nH2O(ただし、nは水和
数である。)とを用いているので、有毒な副生成物が生
じることなく、目的物質であるLiFePO4を得られ
る。言い換えると、従来の製造方法に比べて、焼成時に
おける安全性が著しく向上する。また、従来では有毒な
副生成物を処理するために大規模な処理設備が必要だっ
たが、副生成物が無毒である水なので、処理工程を大幅
に簡略化でき、処理設備を縮小できる。したがって、従
来の副生成物であるアンモニア等を処理する際に比べ
て、製造コストを大幅に削減することができる。さらに
また、上記化2に示す反応式から明らかなように、副生
成物の生成が少量であるので、LiFePO4の収率を
大幅に向上させることができる。
の合成方法により400℃〜900℃とすることが可能
であるが、電池性能を考慮すると、600℃程度とする
ことが好ましい。焼成温度が400℃未満であると、化
学反応及び結晶化が十分に進まず、合成原料であるLi
3PO4等の不純物相が存在し、均一なLiFePO4を
得られない虞がある。一方、焼成温度が900℃を上回
ると、結晶化が過剰に進行してLiFePO4の粒子が
大きくなり、LiFePO4と炭素材料との接触面積が
減少し、電子伝導性が下がるため、十分な放電容量を得
られない虞がある。
4炭素複合体中のFeは2価の状態である。このため、
合成温度である600℃程度の温度においては、LiF
ePO4炭素複合体中のFeは、焼成雰囲気中の酸素に
よって下記化4に示す反応式によりFe3+にすみやかに
酸化されてしまう。これに起因して、3価のFe化合物
等の不純物が生成され、LiFePO4炭素複合体の単
相合成が妨げられてしまう。
等の不活性ガス又は水素や一酸化炭素等の還元性ガスを
用いるとともに、焼成雰囲気中の酸素濃度を、LiFe
PO 4炭素複合体中のFeが酸化されない範囲、すなわ
ち1012体積ppm以下とすることが好ましい。焼成
雰囲気中の酸素濃度を、1012体積ppm以下とする
ことにより、600℃程度の合成温度においてもFeの
酸化を防止し、LiFePO4炭素複合体の単相合成を
確実に行うことが可能となる。
pmよりも高い場合には、焼成雰囲気中の酸素量が多す
ぎるため、LiFePO4炭素複合体中のFeがFe3+
に酸化されてしまい、これに起因して不純物が生成して
しまうため、LiFePO4炭素複合体の単相合成が妨
げられてしまう虞がある。
出しについては、焼成後のLiFePO4炭素複合体の
取り出し温度、すなわちLiFePO4炭素複合体を大
気中に暴露する際のLiFePO4炭素複合体の温度は
305℃以下とすることが好ましい。また、焼成後のL
iFePO4炭素複合体の取り出し温度を204℃以下
とすることがより好ましい。LiFePO4炭素複合体
の取り出し温度を305℃以下とすることにより、焼成
後のLiFePO4炭素複合体中のFeが大気中の酸素
により酸化され、不純物が生成されることを防止でき
る。
に冷却しない状態で取り出した場合、LiFePO4炭
素複合体中のFeが大気中の酸素により酸化され、不純
物が生成される虞がある。しかしながら、あまり低い温
度までLiFePO4炭素複合体を冷却したのでは、作
業効率の低下を招く虞がある。
複合体の取り出し温度を305℃以下とすることによ
り、焼成後のLiFePO4炭素複合体中のFeが大気
中の酸素により酸化されて不純物が生成されることを防
止するとともに、作業効率も維持することが可能とな
り、電池特性として好ましい特性を有するLiFePO
4炭素複合体を効率よく合成することができる。
の冷却は焼成炉内で行うが、このときの冷却方法は、自
然冷却でも良く、また、強制冷却でも良い。ただし、冷
却時間の短縮、すなわち、作業効率を考慮した場合に
は、強制冷却することが好ましい。そして、強制冷却す
る場合には、焼成炉内を上述した酸素濃度、すなわち1
012体積ppm以下とするように酸素と不活性ガスと
の混合ガス、又は不活性ガスのみを焼成炉内に供給すれ
ば良い。
材料の添加を行っているが、炭素材料の添加は、ミリン
グ後または焼成後に行うことも可能である。
合、焼成時の還元効果、及び酸化防止効果を得ることは
できず、導電性向上効果のみのために用いるという条件
が付く。したがって、炭素材料を焼成後に添加する場
合、他の手段によりFe3+の残存を防止することが必要
となる。
焼成により合成された生成物はLiFePO4炭素複合
体ではなく、LiFePO4である。そこで、焼成によ
り合成されたLiFePO4に炭素材料を添加した後、
再度ミリングを施す。ミリングを再度行うことにより、
添加した炭素材料は微細化され、LiFePO4の表面
に付着しやすくなる。また、ミリングを再度行うことに
より、LiFePO4と炭素材料とが十分に混合される
ので、微細化された炭素材料をLiFePO4の表面に
均一に付着させることができる。したがって、焼成後に
炭素材料を添加した場合においても、ミリングを施す前
に炭素材料を添加した場合と同様の生成物、すなわちL
iFePO4炭素複合体を得ることが可能であり、ま
た、上述した同様の効果を得ることが可能である。
炭素複合体を正極活物質として用いた非水電解液二次電
池1は、例えば次のようにして製造される。
るLiFePO4炭素複合体と結着剤とを溶媒中に分散
させてスラリーの正極合剤を調製する。次に、得られた
正極合剤を正極集電体7上に均一に塗布し、乾燥させて
正極活物質層8を形成することにより正極材2が作製さ
れる。上記正極合剤の結着剤としては、公知の結着剤を
用いることができるほか、上記正極合剤に公知の添加剤
等を添加することができる。
iFePO4と炭素材料の複合体を正極活物質として使
用したが、本発明はこれに限定されるものではない。本
発明において、正極活物質には、LiFePO4を単独
で使用してもよく、またLiFePO4以外であって、
オリビン型結晶構造を有する一般式LixFe1-yMyP
O4(ただし、MはMn、Cr、Co、Cu、Ni、
V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、Mg、B、Nbの
少なくとも1種以上を表し、0.05≦x≦1.2、0
≦y≦0.8である。)で表される化合物を単独で、又
は他の材料と混合して使用してもよい。このような化合
物としては、例えばLiFe0.2Mn0.8PO 4、LiF
e0.2Cr0.8PO4、LiFe0.2Co0.8PO4、LiF
e0.2Cu0.8PO4、LiFe0.2Ni0.8PO4、LiF
e0.25V0.75PO4、LiFe0.25Mo0.75PO4、Li
Fe0.25Ti0.75PO4、LiFe0.3Zn0.7PO4、L
iFe0.3Al0.7PO4、LiFe0.3Ga0.7PO4、L
iFe0.25Mg0.75PO4、LiFe0.25B0.75PO4、
LiFe0.25Nb0.75PO4が挙げられる。
着剤とを溶媒中に分散させてスラリーの負極合剤を調製
する。次に、得られた負極合剤を負極集電体上に均一に
塗布し、乾燥させて負極活物質層を形成することにより
負極材3が作製される。上記負極合剤の結着剤として
は、公知の結着剤を用いることができるほか、上記負極
合剤に公知の添加剤等を添加することができる。
て負極材3の方が幅方向の寸法を大きく、好ましくは
0.05mm乃至2.0mm幅広に形成される。
とを、間にセパレータ4を配して積層し、複数回巻回
し、電池素子5を作製する。
解することにより調製される。
電池素子5を収容し、非水電解液を注入する。その後、
ガスケット14を介して蓋体15と安全弁装置16を電
池缶6にかしめ付けることにより非水電解液二次電池1
が完成する。
液の注入量や電極幅を調整し、電池缶6内に残存する空
隙の量が上記範囲(1Ah当たり0.14cc〜3.3
cc)となるようにする。
験結果に基づいて説明する。
ePo4 )を以下の条件で作製した。リン酸リチウムと
リン酸化鉄(II)、八水和物をリチウムと鉄の元素比率
が1:1になるよう混合し、ケッチェンブラック粉末を
焼成物全体の10%となるように添加して混合試料とし
た。そして、この混合試料をアルミナ製容器に投入し、
試料/アルミナボール重量比率50%、回転速度250
rpm、運転時間10時間という条件で遊星型ボールミ
ルによりミリングを行った。その後、セラミックるつぼ
中で窒素雰囲気中の電気炉にて600℃で5時間焼成を
行いLiFePo4 を得た。
正極活物質として用い、LiFePo4 と、バインダー
としてフッ素樹脂粉末であるポリフッ化ビニリデンとの
重量比が95:5となる割合で混合して正極合剤を調整
した後、この正極合材を溶剤N−メチルピロリドンに分
散させてスラリー状にした。そして、この正極合剤スラ
リーを正極集電体となる厚さ20μm、幅56mmの帯
状のアルミニウム箔の両面に均一に塗布して乾燥させ
た。乾燥後、ローラプレス機により圧縮成型して帯状の
正極材を作製した。
質として用い、このピッチコークスと、バインダーであ
るポリフッ化ビニリデンとの重量比が90:10となる
ように混合して負極合剤を調整した後、この負極合剤を
溶剤であるN−メチルピロリドンに分散させてスラリー
状にした。そして、負極合剤スラリーを負極集電体とな
る厚さ10μm、幅58mmの帯状の銅箔の両面に均一
に塗布して乾燥させた。乾燥後、正極材と同様にローラ
プレス機により圧縮成型して、帯状の負極材を作製し
た。
とを、厚さ25μmの微孔性ポリプロピレンからなる一
対のセパレータを介して積層、負極材、セパレータ、正
極材、セパレータの順で順次積層し、具体的には渦巻き
状に複数回巻回して電池素子を作製した。
子の上下面に絶縁板を配設した後、電池缶内に収納し、
電池素子の正極材に正極リードを取り付け、この正極リ
ードを正極材から導出して蓋体に溶接した。さらに、負
極材に負極リードを取り付け、この負極リードを負極材
から導出して電池缶に溶接した。そして、この電池缶内
に六フッ化リン酸リチウムを1モル/l溶解した炭酸プ
ロピレン(PC)と、ジメチルカーボネート(DMC)
とを混合(PC:DMC=1:1)して得た電解液を正
極材、負極材及びセパレータが十分濡れるまで注入し
た。
池内空隙容積を0.2mlとした。
をかしめて封口した。安全弁には、約5気圧で遮断する
ものを用いた。
り、したがって、1Ah換算の空隙は、0.14ccと
いうことになる。
示すように変えて各電池を作製した。
に減少させ、またセパレータの幅を47mmとし、他は
実施例1と同様にして電池を作製した。
3)〜3.5ml(実施例4)であり、電池容量は1.
1Ahである。
の状態を調べ、さらには振動試験を行った。振動試験に
おける振動条件は、振動加速度3.0G、振動時間25
時間とし、試料数各1サンプルとした。結果を表1に示
す。
が発生しているが、1Ah換算空隙量を0.14以上と
した各実施例では、このような変形は発生していない。
越える比較例3では、リードに切断部が見られた。缶内
に空隙を設けすぎると、振動等の衝撃に対して弱くなる
ので好ましくない。
は、0.14cc〜3.3ccの範囲内とすることが好
ましいと言える。
8の電池セルを作製し、先の各侍史例と同様に評価し
た。
0.8PO4を使用した以外は実施例1の電池セルと同じ条
件で作製した。
0.8PO4を使用した以外は実施例1の電池セルと同じ条
件で作製した。
0.8PO4を使用した以外は実施例1の電池セルと同じ条
件で作製した。
0.8PO4を使用した以外は実施例1の電池セルと同じ条
件で作製した。
0.8PO4を使用した以外は実施例1の電池セルと同じ条
件で作製した。
0.75PO4を使用した以外は実施例1の電池セルと同じ
条件で作製した。
0.75PO4を使用した以外は実施例1の電池セルと同じ
条件で作製した。
0.75PO4を使用した以外は実施例1の電池セルと同じ
条件で作製した。
0.7PO4を使用した以外は実施例1の電池セルと同じ条
件で作製した。
0.7PO4を使用した以外は実施例1の電池セルと同じ条
件で作製した。
0.7PO4を使用した以外は実施例1の電池セルと同じ条
件で作製した。
0.75PO4を使用した以外は実施例1の電池セルと同じ
条件で作製した。
0.75PO4を使用した以外は実施例1の電池セルと同じ
条件で作製した。
0.75PO4を使用した以外は実施例1の電池セルと同じ
条件で作製した。
クル後に弁の変形が発生することはなく、また、振動試
験後のリードの状態も変化がなかった。
円筒型であり、積層巻回型の電池素子を収納した非水電
解液二次電池に適用した例について述べたが、これに限
定されることはなく、例えば直方体形状の角形の電池等
にも適用可能であることは言うまでもない。
よれば、正極活物質に、オリビン型リチウムリン酸化物
を用い、1Ah当たりの空隙量を所定の範囲に設定して
いるので、電池容器内の空隙量をなるべく少なくして電
池の見かけの体積エネルギー密度を確保しながら、内圧
上昇による漏液や破損を回避することができる。また、
振動等に対する強度も十分に確保することが可能であ
る。
である。
セパレータ,5 電池素子
Claims (4)
- 【請求項1】 オリビン型結晶構造を有し一般式Lix
Fe1-yMyPO4(ただし、MはMn、Cr、Co、C
u、Ni、V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、Mg、
B、Nbの少なくとも1種以上を表し、0.05≦x≦
1.2、0≦y≦0.8)で表される化合物を含む正極
活物質を用いた正極と、負極と、電解液とが容器内に収
納されてなり、 上記電解液量を調整することにより、容器内に容量1A
h当たり0.14cc以上、3.3cc以下の空隙が設
けられていることを特徴とする非水電解液二次電池。 - 【請求項2】 上記正極活物質は、上記化合物と炭素材
料との複合体を含有することを特徴とする請求項1記載
の非水電解液二次電池。 - 【請求項3】 上記負極は、負極活物質として炭素質材
料を含むことを特徴とする請求項1記載の非水電解液二
次電池。 - 【請求項4】 帯状の正極材と負極材とがセパレータを
介して積層され、且つ複数回巻回されて電池素子とさ
れ、当該電池素子が容器である電池缶内に収納されてい
ることを特徴とする請求項1記載の非水電解液二次電
池。
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