JP2003229126A - 非水電解質二次電池用電極活物質、それを含む電極及び電池 - Google Patents
非水電解質二次電池用電極活物質、それを含む電極及び電池Info
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Abstract
く、エネルギー密度に優れた電池特性を持つ大型電池用
非水電解質二次電池を提供する。 【解決手段】 下記の一般式(I)で表される化合物か
ら成る非水電解質二次電池用電極活物質、ならびにそれ
を含む電極および電池。式(I)中、Mは遷移金属(好
ましくは、Fe、Mn、Ni、Cu、Ti及びCoから
なる群の少なくとも1種類から選ばれる)を表わし、X
は0≦X≦2を表わす。 Li2-XMPO4F (I)
Description
さらに詳細には充放電可能な非水電解質二次電池に関
し、特に電極活物質の改良に関わり、電池の放電電圧の
増加によるエネルギー密度の向上を目指すものである。
ム等のアルカリ土類金属、あるいはこれらの合金、化合
物等を負極活物質とする非水電解質二次電池は、負極金
属イオンの正極活物質へのインサーションもしくはイン
ターカレーション反応によって、その大放電容量と充電
可逆性とが確保されている。従来では、リチウムを負極
活物質として用いる二次電池として、リチウムに対して
インターカレーションホストとなりうるLiCoO2、
LiNiO2等の層状酸化物又はLiMn2O4等のトン
ネル状酸化物を正極材料として用いた電池が提案されて
いる。ところが、これらの酸化物は中心金属の3価/4
価のレドックス反応を利用して対Liの放電電圧が4V
の起電をしており、充電時、化学的に不安定な4価状態
にならざるを得ないため、熱安定性が著しく低下する問
題を有する。
に2価/3価の酸化還元反応を用いることで熱安定性を
改善し、さらに中心金属の周りに電気陰性度の大きなヘ
テロ元素のポリアニオンを配することでさらに高放電電
圧を確保した系としてオリビン型LiCoPO4やLi
FePO4等のリン酸塩が提案されている。特に前者
は、対Liの放電電圧が4.8Vを示す高電位正極で、い
ずれも格子マトリックス内における−M−O−P−リン
ケージにおいてヘテロ元素であるリンのインダクティブ
効果によってM−O間のイオン結合性が高められている
がリン酸ポリアニオンによる大きな分子量のため、未だ
充分な容量を有するとはいえなかった。
問題点を改善するために提案されたものであり、その目
的は、従来のオリビン型正極に比べ、放電電圧をさらに
引き上げ、エネルギー密度に優れた電池特性を持つ大型
電池用非水電解質二次電池を提供することにある。
的を達成するために、オリビン型リン酸塩LiMPO 4
に種々の改良検討を重ねた結果、リン酸ポリアニオンP
O4の酸素の一部を酸素より電気陰性度の大きなフッ素
Fで置換することによって、放電電圧をさらに引き上げ
ることができることを見出した。即ち、本発明は、一般
式(I): Li2-XMPO4F (I) (式中、Mは遷移金属を表し、Xは0≦X≦2を表
す。)で表される化合物からなる非水電解質二次電池用
電極活物質を提供するものである。次に、本発明は、上
記の電極活物質を含む非水電解質二次電池用電極も提供
する。
非水電解質二次電池も提供するものである。より具体的
には、上記記載の電極を正極として用いる非水電解質二
次電池、更に、負極として、アルカリ金属材料及びアル
カリ土類金属材料からなる群から選ばれる少なくとも1
種の負極活物質を含む電極を用いる上記非水電解質二次
電池を提供するものである。更に、本発明は、一般式
(I)で表される電極活物質における遷移金属Mの2価
/3価間の酸化還元反応、及び3価/4価間の酸化還元
反応を利用することを特徴とする、非水電解質二次電池
の充放電方法をも提供するものである。
する。 (1) 非水電解質二次電池用電極活物質 本発明における電極活物質は、上記のごとく、一般式
(I): Li2-XMPO4F (I) で表される化合物である。Mは遷移金属であり、単独の
遷移金属であってもよいが、2種以上の遷移金属の混合
物であってもよい。Mとしては、例えば、Fe、Mn、
Ni、Cu、Ti及びCo等を挙げることができるが、
好ましいのは、Fe、Co又はMnであり、特に好まし
いのはFeである。Xは0≦X≦2の範囲から任意に選
ばれるが、通常はX=2の組成体が合成され、これが、
初期状態の組成となり、電池内では充電から行うことと
なる。
本骨格(Mは遷移金属を表し、Xは0≦X≦2)は、P
O44面体ポリアニオンとMO4F28面体からなる。さ
らに詳細に構造を説明すれば、MO4F28面体は、PO
44面体ポリアニオンと頂点共有し、リチウムはこの骨
格の空隙に位置する。Liサイトの拡散のボトルネック
は大きく、互いに3次元的に連結しているため、高いL
i拡散性を維持できるのが特徴である。
法によって製造することができ、その方法も、種々の方
法がある。具体的には、例えば、Li2CoPO4Fの場
合は、合成原料にLi2Co3、CoO、P2O5を1:
2:1の所定モル比で混合し、大気中500℃、12時間で
仮焼後、780℃、48時間で本焼成し、これを大気中で急
冷することによりLi2CoPO4単相粉末を得る。さら
にこのLi2CoPO4と化学量論比のLiFとを混合
し、石英真空封管中780℃、72時間焼成を行う二段階の
固相反応を経てLi2CoPO4Fを合成することができ
る。
いても、上記記載の方法と同様な方法によって製造する
ことができるが、Li2CoPO4Fに関しては、その原
料となるLi2FePO4を合成する際、鉄が3価に酸化
することを防ぐため、Arのごとき不活性雰囲気下で焼
成する必要がある。
上記活物質は通常粉末状で用いればよく、その平均粒径
は1〜20μm程度とすればよい。平均粒径は例えばレー
ザー回折式粒度分布測定装置で測定される値である。ま
た、電極中における上記活物質の含有量は、用いる活物
質の種類、結着材(バインダー)、導電材の使用量等に
応じて適宜設定すればよい。また、本発明電極において
は、電極活物質として所定の電極特性が得られる限り
は、上記電極活物質単独又は他の従来から知られている
電極活物質との混合物であってもよい。
物質を用いるほかは公知の電極の作成方法に従って行え
ばよい。例えば、上記活物質の粉末を必要に応じて公知
の結着材(ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデ
ンフルオライド、ポリビニルクロライド、エチレンプロ
ピレンジエンポリマー、スチレン−ブタジエンゴム、ア
クリロニトリル−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、ポリ酢
酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、
ニトロセルロース等)、さらに必要に応じて公知の導電
材(アセチレンブラック、カーボン、グラファイト、天
然黒鉛、人造黒鉛、ニードルコークス等)と混合した
後、得られた混合粉末をステンレス鋼製等の支持体上に
圧着成形したり、金属製容器に充填すればよい。あるい
は、例えば、上記混合粉末を有機溶剤(N-メチルピロ
リドン、トルエン、シクロヘキサン、ジメチルホルムア
ミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、酢
酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N
−N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシ
ド、テトラヒドロフラン等)と混合して得られたスラリ
ーをアルミニウム、ニッケル、ステンレス、銅等の金属
基板上に塗布する等の方法によっても本発明電極を作製
することができる。電極の厚さは、通常1〜1000μm、
好ましくは10〜200μm程度である。厚すぎると導電性
が低下する傾向にあり、薄すぎると容量が低下する傾向
にある。なお、塗布・乾燥によって得られた電極は、活
物質の充填密度を上げるためローラープレス等により圧
密してもよい。
極として用いる以外は、公知の非水電解質二次電池にお
ける構成要素を採用することができる。本発明の電極
は、通常正極として使用することが可能である。この場
合、負極としては、電極活物質として公知の負極活物質
を使用することが可能であるが、アルカリ金属材料及び
アルカリ土類金属材料からなる群から選ばれる少なくと
も1種を用いることが好ましい。
ウム、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属、アルカ
リ金属の化合物、合金等のほか、アルカリ金属イオンを
吸蔵・放出することが可能な材料(例えば、Li2.5C
o0.5N、Li4Ti5O12等)も含まれる。また、アル
カリ土類金属材料とは、マグネシウム、カルシウム等の
アルカリ土類金属、アルカリ土類金属の化合物、合金等
のほか、アルカリ土類金属イオンを吸蔵・放出すること
が可能な材料(例えば、MgzTi2(PO4)3(0<z
<4)等)等も含まれる。
えば、前記(2)で説明した方法と同様にして作製する
ことができる。すなわち、例えば、負極活物質の粉末を
必要に応じて(2)で説明した公知の結着材、さらに必
要に応じて(2)で説明した公知の導電材と混合した
後、この混合粉末をシート状に成形し、これをステンレ
ス、銅等の導電体網(集電体)に圧着すればよい。ま
た、例えば、上記混合粉末を(2)で説明した公知の有
機溶剤と混合して得られたスラリーを銅等の金属基板上
に塗布することにより作製することもできる。
解質二次電池に使用されるものを構成要素として使用で
きる。例えば、以下のものが例示できる。電解液は通
常、電解質及び溶媒を含む。電解液の溶媒としては、非
水系であれば特に制限されず、例えばカーボネート類、
エーテル類、ケトン類、スルホラン系化合物、ラクトン
類、ニトリル類、塩素化炭化水素類、エーテル類、アミ
ン類、エステル類、アミド類、リン酸エステル化合物等
を使用することができる。これらの代表的なものを列挙
すると、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキ
シエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒド
ロフラン、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネー
ト、メチルホルメート、ジメチルスルホキシド、プロピ
レンカーボネート、アセトニトリル、γ−ブチロラクト
ン、ジメチルホルムアミド、ジメチルカーボネート、ジ
エチルカーボネート、スルホラン、エチルメチルカーボ
ネート、1,4−ジオキサン、4−メチル−2−ペンタ
ノン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジ
オキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルス
ルホラン、プロピオニトリル、ベンゾニトリル、ブチロ
ニトリル、バレロニトリル、1,2−ジクロロエタン、
リン酸トリメチル、リン酸トリエチル等が使用できる。
これらは1種または2種以上で用いることができる。
物質中のアルカリ金属イオンもしくはアルカリ土類金属
イオンが、上記正極活物質又は正極活物質及び負極活物
質と電気化学反応するための移動を行うことができる電
解質物質、例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF
4、LiCF3SO3、LiAsF6、LiB(C6H5)4、
LiCl、LiBr、CH3SO3Li、CF3SO3L
i、LiN(SO2CF3) 2、LiN(SO2C2F5)2、L
iC(SO2CF3)3、LiN(SO3CF3)2等を使用する
ことができる。また、本発明では公知の固体電解質、例
えば、ナシコン構造を有するLiTi2(PO4)3等も使
用できる。
とも可能であることから、これらを用いることによっ
て、リン酸塩のみからなる固体電池を製造することが可
能となる。例えば、Li2CoPO4Fを含む本発明電極
を正極、LiYVP2O7を含む電極を負極、LiTi
2(PO4)3を固体電解質として用いることによって、正
極/電解質/負極=Li2CoPO4F/LiTi2(PO
4)3/LiYVP2O7という電池系を作成することがで
きる。この全固体電池は、負極/電解質/正極すべてに
PO4リン酸ポリアニオンという基本ユニットの共通フ
レームがあることによって、連続一体合成への可能性が
開けるだけでなく、固体電池で常に問題となる負極/電
解質界面や電解質/正極界面での格子不整やインピーダ
ンスマッチングの現象が、本質的に緩和解消することが
可能となる。
他、構造材料等の要素についても従来公知の各種材料が
使用でき、特に制限はない。例えば、正極と負極との間
にセパレータを使用する場合は、微多孔性の高分子フィ
ルムが用いられ、ナイロン、セルロースアセテート、ニ
トロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリ
ル、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチ
レン、ポリブテン等のポリオレフィン高分子よりなるも
のが用いられる。セパレータの化学的及び電気化学的安
定性の点からポリオレフィン系高分子が好ましく、電池
セパレータの目的の一つである自己閉塞温度の点からポ
リエチレン製であることが望ましい。
維持性の点から超高分子量ポリエチレンであることが好
ましく、その分子量の下限は好ましくは50万、さらに好
ましくは100万、最も好ましくは150万である。他方分子
量の上限は、好ましくは500万、更に好ましくは400万、
最も好ましくは300万である。分子量が大きすぎると、
流動性が低すぎて加熱された時セパレーターの孔が閉塞
しない場合があるからである。本発明の電池は、これら
の電池要素を用いて公知の方法に従って組み立てればよ
い。この場合、電池形状についても特に制限されること
はなく、例えば円筒状、角型、コイン型等種々の形状、
サイズを適宜採用することができる。
における遷移金属Mの2価/3価間の酸化還元反応、及
び3価/4価間の酸化還元反応を利用して非水電解質二
次電池の充放電が行われる。従来のオリビン型LiMP
O4等のような電極活物質では、M3価/2価の酸化還
元反応しか利用できなかったが、本発明においては、フ
ッ素の導入により、M2価/3価のみならず3価/4価
の酸化還元反応を利用することができ、その分充放電容
量が上昇する。さらには、4価でも安定に存在する遷移
金属Mの導入量によって、容量を自由に設計できる利点
も発揮される。例えば、MとしてVやTiなどの4価で
も安定に存在する遷移金属の配合割合を変化させれば、
3.5Vと2.5V間の容量比を自由に設計できる。本発明に
おいては非水系二次電池の放電の際に、4価でも安定に
存在する遷移金属Mの、4価/3価の還元反応及び3価
/2価の還元反応を利用することが好ましい。
に説明するが、本発明はこれらによりなんら制限される
ものではない。なお、実施例において電池の作製及び測
定は、アルゴン雰囲気下のドライボックス内で行った。
図2は本発明による電池の一具体例であるコイン型電池
の断面図であり、図中、1は封口板、2はガスケット、
3は正極ケース、4は負極、5はセパレータ、6は正極
合剤ペレットを示す。実施例1 本発明の電極活物質の1つであるフッ素化正極Li2C
oPO4Fを合成するため、フッ素化の元となるLi2C
oPO4を下記の方法で合成する。まずLi2Co3、C
oO、P2O5を1:2:1の所定モル比で混合した後、
大気中500℃、12時間で仮焼後、780℃、48時間で本焼成
する。得られた紫色の粉末試料がLi2CoPO4単相で
あることを確認後、さらにこのLi2CoPO4と化学量
論比のLiFとを混合し、白金るつぼを内包させた石英
真空封管中で780℃、72時間焼成を行う二段階の固相反
応を経てLi2CoPO4Fを合成することができる。白
金るつぼを使うのは、石英と試料粉末が反応するのを防
ぐためである。
O2↑ LiCoPO4+LiF→Li2CoPO4F 得られたLiCoPO4及びLi2CoPO4FのX線回
折結果を図3、図4に示す。図3に示す粉末X線回折パ
ターンはLiCoPO4のX線回折図形と文献値とよく
一致し、結晶群Pnmaの斜方晶と同定された。また、Li
2CoPO4FのX線回折図形は、これまで報告のない未
知の組成であるが、結晶構造の文献報告がある結晶群Pn
ma斜方晶Li2NiPO4Fの結晶構造パラメータを初期
条件としてリートベルト解析したところ、信頼性係数
(Rwp=8.65%)のよい収束結果が得られ、格子定数a=
10.454、b=6.384、c=10.875の結晶群Pnma斜方晶と今
回初めて同定できた。次に、正極活物質として、この試
料を粉砕して粉末とし、導電剤(アセチレンブラッ
ク)、結着剤(ポリテトラフルオロエチレン)と共に重
量比70:25:5重量比で混合の上、ロール成形し、正極
合剤ペレット6(厚さ0.5mm、直径15mm)とした。
ウムの負極4を加圧配置したものをポリプロピレン製ガ
スケット2の凹部に挿入し、負極4の上にポリプロピレ
ン製で微孔性のセパレータ5、正極合剤ペレット6をこ
の順序に配置し、電解液として、エチルメチルスルフォ
ン溶媒にLiPF6を溶解させた1規定溶液を適量注入
して含浸させた後に、ステンレス製の正極ケース3を被
せてかしめることにより、厚さ2mm、直径23mmのコ
イン型リチウム電池を作製した。このコイン型リチウム
電池を電池aとする。電池aの室温における擬似開放電
位充電(放電)曲線を測定した結果を図5の(A)に示
す。擬似開放電位充電(放電)曲線は、電流密度を0.2
mA/cm2とし、1放電当たり0.025Li分の電気量に
なる時間充電(放電)した後、1充電(放電)に要した
時間と同じ時間の休止を繰り返す間欠充電(放電)によ
り求めた。
oPO4を正極活物質として用い、他は実施例1と同様
にしてコイン型リチウム電池bを作製した。電池bの室
温における擬似開放電位充電(放電)曲線を測定した結
果を図5の(B)に示す。擬似開放電位充電(放電)曲
線は、実施例1と同様、電流密度を0.2mA/cm2と
し、1放電当たり0.025Li分の電気量になる時間充電
(放電)した後、1充電(放電)に要した時間と同じ時
間の休止を繰り返す間欠充電(放電)により求めた。両
者を比較すると、両者とも5V付近の放電平坦部の容量
は同程度であるが、フッ素化した本発明試料の方が充放
電過電圧が小さいことがわかる。また、放電電位もフッ
素化により向上していることがわかる。
フッ素に部分置換でき、オリビン型リン酸系ポリアニオ
ン正極の放電電圧を向上させ、充放電の過電圧の少ない
良好な正極活物質を提供することができ、特に稀少金属
を一切含まないLi2FePO4Fは環境負荷や経済性の
点でも電気自動車用などの大型リチウムイオン2次電池
用正極として好適である。また、この結晶構造は頂点共
有骨格からなっているため、リチウムよりもイオン半径
の大きなナトリウムやマグネシウムやカルシウム電池用
の正極にも使用可能である。
造をLiMPO4と共に示す。
面図を示す。
PO4のX線回折図形を示す。
X線回折図形を示す。
電流密度0.2mA/cm2での擬似開放電位充電(放
電)曲線を示す特性図(A)、および、本発明の一比較
例であるLi1-xCoPO4の電流密度0.2mA/cm2
での擬似開放電位充電(放電)曲線を示す特性図(B)
を示す。
Claims (8)
- 【請求項1】 一般式(I): Li2-XMPO4F (I) (式中、Mは遷移金属を表し、Xは0≦X≦2を表
す。)で表される化合物からなることを特徴とする非水
電解質二次電池用電極活物質。 - 【請求項2】 Mが、Fe、Mn、Ni、Cu、Ti及
びCoからなる群の少なくとも1種類から選ばれること
を特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池用電
極活物質。 - 【請求項3】 Mが、Fe、Co又はMnの少なくとも
1種類から選ばれることを特徴とする請求項1に記載の
非水電解質二次電池用電極活物質。 - 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれかに記載の電極
活物質を含むことを特徴とする非水電解質二次電池用電
極。 - 【請求項5】 請求項4に記載の電極を用いることを特
徴とする非水電解質二次電池。 - 【請求項6】 請求項4に記載の電極を正極として用い
ることを特徴とする請求項5に記載の非水電解質二次電
池。 - 【請求項7】 アルカリ金属材料及びアルカリ土類金属
材料からなる群から選ばれる少なくとも1種の負極活物
質を含む電極を負極として用いることを特徴とする請求
項5又は6に記載の非水電解質二次電池。 - 【請求項8】 請求項1乃至3のいずれかに記載の電極
活物質における遷移金属Mの3価/2価間の酸化還元反
応、及び4価/3価間の酸化還元反応を利用することを
特徴とする、非水電解質二次電池の充放電方法。
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