JP2003242974A - 正極活物質及び非水電解質電池の製造方法 - Google Patents
正極活物質及び非水電解質電池の製造方法Info
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Abstract
を判断でき、また合成条件も明らかにすることができ
る。 【解決手段】 LixFe1−yMyPO4 (MはM
n、Cr、Co、Cu、Ni、V、Mo、Ti、Zn、
Al、Ga、Mg、B、Nbの少なくとも一種であり、
0.05≦x≦1.2、0≦y<0.8である。)なる
組成で表される正極活物質を合成するに際し、少なくと
もFe3(PO4)2・nH2O(nは水和数で0〜8
である。)とLi3PO4とを混合する混合工程と、混
合工程で得られる混合原料を焼成する焼成工程とを有
し、混合原料の、CuKα線を用いたX線回折における
最大回折ピークの半値幅が1.0°以下である。
Description
MyPO4 で表される正極活物質を安定して合成する
ことができる正極活物質及び非水電解質電池の製造方法
に関する。
の高性能化、小型化、ポータブル化が進んでいる。これ
ら電子機器に使用される電池に対しても、高エネルギー
密度化が要求されていることから、非水電解質電池の研
究・開発が盛んに進められている。中でも、リチウム電
池若しくはリチウムイオン二次電池は、従来の電池に比
べて、3V、4Vといった高い起電力を有する等の優れ
た性能のため、カムコーダ、携帯電話、及びノート型パ
ソコン等の各種携帯用電子機器に採用されている。
質としては、高エネルギー密度、高電圧を有すること等
から、LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等
が用いられている。しかし、これらの正極活物質は、ク
ラーク数の低い金属元素をその組成中に有しているた
め、コストが高くつく他、安定供給が難しいという問題
がある。また、これらの正極活物質は、環境に与える影
響も大きいことから、これらに代わる新規正極活物質が
求められている。
ePO4を、リチウムイオン二次電池の正極活物質とし
て用いることが提案されている。LiFePO4は、体
積密度が3.6g/cm3と大きく、3.4Vの高電位
を発生し、理論容量も170mAh/gと大きい。ま
た、LiFePO4は、初期状態で、電気化学的に脱ド
ープ可能なLiを、Fe原子1個当たりに1個含んでい
るので、リチウムイオン電池の正極活物質として有望な
材料である。しかもLiFePO4は、資源的に豊富で
安価な材料である鉄をその組成中に有しているため、上
述のLiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等と
比較して低コストであり、また、環境に与える影響も小
さい。
ePO4を安定して合成することは困難であった。ま
た、そのようなLiFePO4を合成するための条件も
十分明らかにはされておらず、製品になるまでその良否
を判断することができなかった。そのため、製品となっ
て初めて活物質として不良品であることが判明するなど
といったことが多く、コストやプロセスの無駄となって
いた。
提案されたものであり、正極活物質の合成段階で、製品
としての良否を判断でき、また合成条件も明らかにする
ことができる正極活物質及び非水電解質電池の製造方法
を提供することを目的とする。
造方法は、LixFe1−yMyPO4 (MはMn、
Cr、Co、Cu、Ni、V、Mo、Ti、Zn、A
l、Ga、Mg、B、Nbの少なくとも一種であり、
0.05≦x≦1.2、0≦y<0.8である。)なる
組成で表される正極活物質を合成するに際し、少なくと
もFe3(PO4) 2・nH2O(nは水和数で0〜8
である。)と、Li3PO4とを混合する混合工程と、
上記混合工程で得られる混合原料を焼成する焼成工程と
を有し、上記混合原料の、CuKα線を用いたX線回折
における最大回折ピークの半値幅が1.0°以下である
ことを特徴とする。
製造方法では、上記混合原料の、CuKα線を用いたX
線回折における最大回折ピークの半値幅が1.0°以下
となるようにしているので、高容量を有する正極活物質
が得られる。
は、LixFe1−yMyPO4(MはMn、Cr、C
o、Cu、Ni、V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、
Mg、B、Nbの少なくとも一種であり、0.05≦x
≦1.2、0≦y<0.8である。)なる組成で表され
る正極活物質を有する正極と、負極活物質を有する負極
と、非水電解質とを備える非水電解質電池の製造方法に
おいて、上記正極活物質を合成するに際し、少なくとも
Fe3(PO4)2・nH2O(nは水和数で0〜8で
ある。)と、Li3PO4とを混合する混合工程と、上
記混合工程で得られる混合原料を焼成する焼成工程とを
有し、上記混合原料の、CuKα線を用いたX線回折に
おける最大回折ピークの半値幅が1.0°以下であるこ
とを特徴とする。
池の製造方法では、正極活物質合成の段階で、上記混合
原料の、CuKα線を用いたX線回折における最大回折
ピークの半値幅が1.0°以下となるようにしているの
で、高容量を有する正極活物質が得られ、これにより高
容量を有する非水電解質電池が得られる。
て説明する。
池の一構成例を図1に示す。この非水電解液電池1は、
負極2と、負極2を収容する負極缶3と、正極4と、正
極4を収容する正極缶5と、正極4と負極2との間に配
されたセパレータ6と、絶縁ガスケット7とを備え、負
極缶3及び正極缶5内に非水電解液が充填されてなる。
チウム箔からなる。また、負極活物質として、リチウム
をドープ、脱ドープ可能な材料を用いる場合には、負極
2は、負極集電体上に、上記負極活物質を含有する負極
活物質層が形成されてなる。負極集電体としては、例え
ばニッケル箔等が用いられる。
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、層状化合物(炭素材料や
金属酸化物など)が用いられている。負極活物質層に含
有される結合剤としては、この種の非水電解液電池の負
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。
り、また、非水電解液電池1の外部負極となる。
含有する正極活物質層が形成されてなる。この非水電解
液電池1では、正極活物質として、後述する方法により
製造される、オリビン構造を有するLixFe1−yM
yPO4 (MはMn、Cr、Co、Cu、Ni、V、
Mo、Ti、Zn、Al、Ga、Mg、B、Nbの少な
くとも一種であり、0.05≦x≦1.2、0≦y<
0.8である。)が用いられる。また、正極集電体とし
ては、例えばアルミニウム箔等が用いられる。正極活物
質層に含有される結合剤としては、この種の非水電解液
電池の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。
り、また、非水電解液電池1の外部正極となる。
間させるものであり、この種の非水電解液電池のセパレ
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、リチウムイオン伝導度とエネルギー
密度との関係から、セパレータの厚みはできるだけ薄い
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。
れ一体化されている。この絶縁ガスケット7は、負極缶
3及び正極缶5内に充填された非水電解液の漏出を防止
するためのものである。
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、
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、LiAs
F6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3
SO2) 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、LiPF6、LiBF4を
使用することが好ましい。
の製造方法について説明する。
1−yMyPO4 (MはMn、Cr、Co、Cu、N
i、V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、Mg、B、N
bの少なくとも一種であり、0.05≦x≦1.2、0
≦y<0.8である。)で表される正極活物質を合成す
る。なお、ここではLiFePO4 を合成する場合を
例に挙げて説明する。
合物とを十分に混合する。具体的には、Li3PO4と
Fe3(PO4)2・8H2Oとをリチウムと鉄の元素
比率が1:1となるように混合して混合原料とする。こ
のとき、導電材として、例えば炭素粉末を添加してもよ
い。なお、正極活物質にFe以外の金属元素Mを含有さ
せる場合には、上記金属Mの塩、例えばリン酸塩を添加
すればよい。
ミリングにより、上記混合原料を粉砕する。このとき、
本発明では、CuKα線を用いたX線回折における最大
回折ピークの半値幅が1.0°以下となるように、上記
混合原料の粉砕を行う。この合成の場合、X線回折にお
ける最大回折ピークは2θ=13.1±0.3°にあ
る。後述する実施例にも示されるように、X線回折にお
ける最大回折ピークの半値幅が1.0°以下となるよう
に上記混合原料の粉砕を行うことで、高い放電容量が得
られる正極活物質を合成することができる。混合原料
の、X線回折における最大回折ピークの半値幅を1.0
°以下とするためには、粉砕条件、例えば上記ミリング
時間を適当な時間行うことで調整することができる。
温度、時間で焼成することにより、オリビン構造を有す
るLiFePO4が得られる。
は、正極活物質を合成原料である混合原料を粉砕すると
きに、CuKα線を用いたX線回折における最大回折ピ
ークの半値幅が1.0°以下となるように、上記混合原
料の粉砕を行うことで、高い放電容量が得られる正極活
物質を合成することができる。また、本発明では、電池
を作製しなくても、正極活物質の合成段階で、最終的な
製品としての良否を判断でき、また合成条件も明らかに
することができる。これにより正極活物質の品質調整の
ための無駄なコストやプロセスが不要となり、正極活物
質を安定して合成することが可能となる。
ePO4を正極活物質として用いた非水電解液電池1
は、例えばつぎのようにして製造される。
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集電体上に均一に塗布、
乾燥して負極活物質層を形成することにより負極2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。また、負極活物質とな
る金属リチウムをそのまま負極2として用いることもで
きる。
LiFePO4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集
電体上に均一に塗布、乾燥して正極活物質層を形成する
ことにより正極4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。
解することにより調製される。
4を正極缶5に収容し、負極2と正極4との間に、ポリ
プロピレン製多孔質膜等からなるセパレータ6を配す
る。負極缶3及び正極缶5内に非水電解液を注入し、絶
縁ガスケット7を介して負極缶3と正極缶5とをかしめ
て固定することにより、非水電解液電池1が完成する。
法では、正極活物質を合成原料である混合原料を粉砕す
るときに、CuKα線を用いたX線回折における最大回
折ピークの半値幅が1.0°以下となるように、上記混
合原料の粉砕を行うことで、高い放電容量が得られる正
極活物質を合成することができる。そしてこのような正
極活物質を用いて作製された非水電解液電池1は、高い
放電容量を有するものとなる。
液を用いた非水電解液電池を例に挙げて説明したが、本
発明はこれに限定されるものではなく、導電性高分子化
合物の単体あるいは混合物を含有する固体電解質を用い
た固体電解質電池や、非水電解液がマトリクスポリマに
よってゲル状とされてなるゲル状電解質を用いたゲル状
電解質電池についても適用可能である。
性高分子化合物として具体的には、シリコン、アクリ
ル、アクリロニトリル、ポリフォスファゼン変性ポリ
マ、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイ
ド、フッ素系ポリマ又はこれらの化合物の複合ポリマや
架橋ポリマ、変性ポリマ等が挙げられる。上記フッ素系
ポリマとしては、ポリ(ビニリデンフルオライド)、ポ
リ(ビニリデンフルオライド−co−ヘキサフルオロプ
ロピレン)、ポリ(ビニリデンフルオライド−co−テ
トラフルオロエチレン)、ポリ(ビニリデンフルオライ
ド−co−トリフルオリエチレン)等が挙げられる。
これを用いたゲル電解質が、室温で1mS/cm以上の
イオン伝導度を示すものであれば、特に化学的な構造は
限定されない。このマトリクスポリマとしては、ポリフ
ッ化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリエチレン
オキサイド、ポリシロキサン系化合物、ポリフォスファ
ゼン系化合物、ポリプロピレンオキサイド、ポリメチル
メタアクリレート、ポリメタクリロニトリル、ポリエー
テル系化合物等が挙げられる。
電解質二次電池20の構成例を示すものであり、この非
水電解質二次電池20は、正極活物質層を有する正極2
1と、負極活物質層を有する負極22とが、セパレータ
23を介して重ね合わされることによって形成された電
池素子24が、外装フィルム25の内部に封入されてな
る。
接続されており、負極22の集電体は負極リード27と
接続されている。そして、これら正極リード26及び負
極リード27は、外装フィルム25とのシール部に樹脂
フィルム28が介在され、絶縁性が確保されるととも
に、一端が外部に引き出されている。
上には、それぞれゲル状電解質が含浸固化されており、
これらゲル状電解質層が互いに対抗するように正極21
と負極22とがセパレータ23を介して重ね合わされて
いる。したがって、セパレータ23にもゲル状電解質、
あるいはこれに含まれる電解質塩が溶解された非水溶媒
が一部含浸される。
を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるも
のではなく、一次電池についても適用可能である。ま
た、本発明を適用して作製される電池は、円筒型、角
型、コイン型、ボタン型等、その形状については特に限
定されることはなく、また、薄型、大型等の種々の大き
さにすることができる。
施例及び比較例について説明する。なお、以下の例で
は、具体的な化合物名及び数値等を挙げて説明している
が、本発明はこれらの例に限定されるものではないこと
は言うまでもない。
(PO4)2・8H2Oとをリチウムと鉄の元素比率が
1:1となるように混合し、さらに10μm以下の粒径
の炭素粉末を焼成物全体の10%となるように添加して
混合原料とした。そしてこの混合原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250rpm、運転時間10時間の条件で遊星型ボ
ールミルによるミリングを行った。ミリング後の試料に
ついてはXRD測定を行った後、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。
ePO4を正極活物質として用いてコイン型の非水電解
液電池を作製した。まず、LiFePO4を85重量部
と、アセチレンブラックを10重量部と、バインダーと
してフッ素樹脂粉末であるポリ(ビニリデンフルオロラ
イド)を5重量部とを混合した後、加圧成形してペレッ
ト状の正極とした。
ち抜くことにより負極とした。さらに、プロピレンカー
ボネートとジメチルカーボネートとの等容量混合溶媒
に、LiPF6を1mol/lの割合で溶解させて非水
電解液を調製した。
収容し、負極を負極缶に収容し、正極と負極との間にセ
パレータを配した。正極間及び負極缶内に非水電解液を
注入し、正極缶と負極缶とをかしめて固定することによ
り2016型のコイン型電池を作製した。
ング時間を8時間としたこと以外は、実施例1と同様に
して正極活物質を合成し、この正極活物質を用いてコイ
ン型電池を作製した。
ング時間を4時間としたこと以外は、実施例1と同様に
して正極活物質を合成し、この正極活物質を用いてコイ
ン型電池を作製した。
ング時間を2時間としたこと以外は、実施例1と同様に
して正極活物質を合成し、この正極活物質を用いてコイ
ン型電池を作製した。
ング時間を1時間としたこと以外は、実施例1と同様に
して正極活物質を合成し、この正極活物質を用いてコイ
ン型電池を作製した。
ング時間を30分間としたこと以外は、実施例1と同様
にして正極活物質を合成し、この正極活物質を用いてコ
イン型電池を作製した。
ング時間を15分間としたこと以外は、実施例1と同様
にして正極活物質を合成し、この正極活物質を用いてコ
イン型電池を作製した。
物質の合成に用いた混合原料についてX線構造解析を行
った。X線源にはCuKα線を用いたほか、管電圧を5
0kV、管電流を200mA、走査ステップ幅を0.0
2°、発散スリット幅を0.5°、受光スリット幅を
0.15mmの条件で測定を行った。得られた回折プロ
ファイルにおいて強度が最大となる2θ≒13.1°に
おける回折ピークの半値幅を求めた。
回放電容量を測定した。
θ≒13.1°における回折ピークの半値幅、及び電池
の初回放電容量の測定結果を表1に示す。
成において、混合原料の2θ≒13.1°における回折
ピークの半値幅が1.0°よりも大きい比較例1〜2で
は、十分な放電容量が得られていないのに対し、混合原
料の2θ≒13.1°における回折ピークの半値幅を
1.0°以下とした実施例1〜実施例7では、100m
Ah/g以上の高い放電容量が得られていることがわか
る。
の容量を評価した。
クの半値幅が0.07°である混合原料を用いて実施例
1と同様にしてLiFePO4 を合成した。そして、
正極活物質としてこのLiFePO4 を85重量部
と、アセチレンブラックを10重量部と、バインダーと
してフッ素樹脂粉末であるポリ(ビニリデンフルオロラ
イド)を5重量部とを混合し、N−メチルピロリドンを
加えてスラリー状の正極合剤を調製した。この正極合剤
を正極集電体であるアルミ箔に塗布し、加熱乾燥、加圧
工程を経て正極を作製した。
ダーとしてフッ素樹脂粉末を10重量部とを混合し、N
−メチルピロリドンを加えてスラリー状の負極合剤を調
製した。この負極合剤を負極集電体となる銅箔に塗布、
加熱乾燥、加圧工程の後、セルの径に準じた円形に打ち
抜いて負極とした。
レンが6.9重量%の割合で共重合されてなるポリフッ
化ビニリデンと、非水電解液と、ジメチルカーボネート
とを混合し攪拌、溶解させてゾル状の電解質溶液を調製
した。ここで、非水電解液は、エチレンカーボネートと
プロピレンカーボネートとが6:4の割合で混合されて
なる混合溶媒に、LiPF6を0.85mol/kgの
割合で溶解して調製した。さらにビニレンカーボネート
を0.5重量%の割合で添加してゲル電解質溶液を調製
した。そして、上記ゲル電解質溶液を正極上に塗布、乾
燥して溶剤を除去して正極上にゲル状電解質層を形成し
た。
収容し、負極を負極缶に収容し、正極と負極との間にセ
パレータ配した。正極缶と負極缶とをかしめて固定する
ことによりコイン型のゲル状電解質電池を作製した。
値幅が0.98°である混合原料を用いて実施例1と同
様にして正極活物質を合成し、この正極活物質を用いて
実施例6と同様にしてコイン型のゲル状電解質電池を作
製した。
7のゲル状電解質電池について初回放電容量を測定し
た。その結果を表2に示す。
において、混合原料の2θ≒13.1°における回折ピ
ークの半値幅が1.0°よりも小さくなるようにするこ
とで、ゲル状電解質電池においても100mAh/g以
上の高い放電容量が得られていることがわかる。
て、合成混合原料を粉砕するときに、CuKα線を用い
たX線回折における最大回折ピークの半値幅が1.0°
以下となるように、上記混合原料の粉砕を行うことで、
高い放電容量が得られる正極活物質を合成することがで
きる。また、本発明では、電池を作製しなくても、正極
活物質の合成段階で、最終的な製品としての良否を判断
でき、また合成条件も明らかにすることができる。
質調整のための無駄なコストやプロセスが不要となり、
高容量を有する正極活物質を安定して合成することが可
能となる。また、このようにして得られる正極活物質を
用いることで、高容量を有する非水電解質電池を安定し
て製造することが可能となる。
液電池の一構成例を示す断面図である。
す平面図である。
す断面図である。
正極、 5 正極缶、6 セパレータ、 7 絶縁ガ
スケット
Claims (7)
- 【請求項1】 LixFe1−yMyPO4 (MはM
n、Cr、Co、Cu、Ni、V、Mo、Ti、Zn、
Al、Ga、Mg、B、Nbの少なくとも一種であり、
0.05≦x≦1.2、0≦y<0.8である。)なる
組成で表される正極活物質を合成するに際し、 少なくともFe3(PO4)2・nH2O(nは水和数
で0〜8である。)と、Li3PO4とを混合する混合
工程と、 上記混合工程で得られる混合原料を焼成する焼成工程と
を有し、 上記混合原料の、CuKα線を用いたX線回折における
最大回折ピークの半値幅が1.0°以下であることを特
徴とする正極活物質の製造方法。 - 【請求項2】 上記混合原料の、CuKα線を用いたX
線回折における最大回折ピークが2θ=13.1±0.
3°にあることを特徴とする請求項1記載の正極活物質
の製造方法。 - 【請求項3】 上記混合原料を粉砕する粉砕工程を有す
ることを特徴とする請求項1記載の正極活物質の製造方
法。 - 【請求項4】 LixFe1−yMyPO4 (MはM
n、Cr、Co、Cu、Ni、V、Mo、Ti、Zn、
Al、Ga、Mg、B、Nbの少なくとも一種であり、
0.05≦x≦1.2、0≦y<0.8である。)なる
組成で表される正極活物質を有する正極と、負極活物質
を有する負極と、非水電解質とを備える非水電解質電池
の製造方法において、 上記正極活物質を合成するに際し、 少なくともFe3(PO4)2・nH2O(nは水和数
で0〜8である。)と、Li3PO4とを混合する混合
工程と、 上記混合工程で得られる混合原料を焼成する焼成工程と
を有し、 上記混合原料の、CuKα線を用いたX線回折における
最大回折ピークの半値幅が1.0°以下であることを特
徴とする非水電解質電池の製造方法。 - 【請求項5】 上記混合原料の、CuKα線を用いたX
線回折における最大回折ピークが2θ=13.1±0.
3°にあることを特徴とする請求項4記載の非水電解質
電池の製造方法。 - 【請求項6】 上記混合原料を粉砕する粉砕工程を有す
ることを特徴とする請求項4記載の非水電解質電池の製
造方法。 - 【請求項7】 上記非水電解質は、非水溶媒中に電解質
塩が溶解されてなる非水電解液がマトリクスポリマによ
ってゲル状とされてなるゲル状電解質であることを特徴
とする請求項4記載の非水電解質電池の製造方法。
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