JP2004335181A - Discharge method of nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

Discharge method of nonaqueous electrolyte secondary battery Download PDF

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positive electrode
secondary battery
lithium
electrolyte secondary
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Tomoko Koto
小東  朋子
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Japan Storage Battery Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a discharge method enhancing the high temperature cycle life of a nonaqueous electrolyte secondary battery using a 5-volt class positive active material. <P>SOLUTION: In the discharge method of the nonaqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode containing a positive active material capable of absorbing/releasing lithium ions, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, the positive active material is represented by general formula Li<SB>X+a</SB>Ni<SB>Y</SB>Mn<SB>2-a-Y</SB>O<SB>4-δ</SB>, (wherein, 0<X≤1.0; 0≤a≤0.1; 0.45≤Y≤0.55; and 0≤δ≤0.4), and the nonaqueous electrolyte secondary battery is discharged in a potential region where Mn<SP>4+</SP>contained in the positive active material does not change to Mn<SP>3+</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水電解質二次電池の放電方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯用電子・通信機器の更なる小型化要求に対応するため、リチウムイオン電池に対しても、更なる高エネルギー密度化が求められている。このような要求に応えるため、放電電位平坦部が4.4V〜5Vである、いわゆる5V級正極活物質が広く研究されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−73962号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような5V級正極活物質を用いた非水電解質二次電池の場合、高温において充放電を繰り返すと電池の充放電容量が低下することがあり、いわゆる高温充放電サイクル寿命が低下するという問題点がある。これは、結晶構造中のMn3+が有機電解液中へMn2+として溶解することに起因すると考えられている。
【0005】
発明者らが鋭意研究した結果、以下の知見を得た。すなわち、5V級正極活物質は、Li/Liに対して4.4V〜5.0V近辺に放電電位平坦部を有し、この領域では、結晶構造中のMnイオンはMn4+として存在しており、このMn4+は高温においても有機電解液中にMn2+として溶解しない。一方、5V級正極活物質は、Li/Liに対して4.0V〜4.2V付近にも放電電位平坦部を有し、この電位平坦部よりも低い領域では、結晶構造中のMnイオンはMn4+からMn3+へと変化することがわかった。とすれば、Mn4+からMn3+へと変化する電位よりも高い領域で非水電解液二次電池を使用すれば、非水電解液中へのMn2+の溶解を防止することができるはずである。
【0006】
本発明は上記のような新規な知見に基づいて完成されたものであって、いわゆる5V級正極活物質を用いた非水電解質二次電池の高温サイクル寿命を向上させうる放電方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、請求項1の発明は、リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質とからなる非水電解質二次電池の放電方法であって、前記正極活物質は、一般式LiX+aNiMn2−a−Y4−δ(但し、0<X≦1.0、0≦a≦0.1、0.45≦Y≦0.55、0≦δ≦0.4)で表され、前記正極活物質に含まれるMn4+がMn3+へ変化しない電位領域で前記非水電解質二次電池を放電させることを特徴とする。
【0008】
【発明の作用及び効果】
<請求項1の発明>
正極活物質として、一般式LiX+aNiMn2−a−Y4−δ(但し、0<X≦1.0、0≦a≦0.1、0.45≦Y≦0.55、0≦δ≦0.4)で表されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物を用いることにより、高いエネルギー密度を有する非水電解質二次電池を得ることができる。これは、以下の理由によると考えられる。LiMnで表されるスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物では、3V付近と4V付近に電位平坦部が存在する。このLiMnを正極活物質として用いる場合、通常、4V付近の電位平坦部が利用され、その放電容量は120mAh/g程度である。このLiMnのMnの一部をNiで置換した一般式LiX+aNiMn2−a−Y4−δで表されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、高電位側の電位平坦部が4.4V〜4.7Vという高い電位に存在するので、これを正極活物質として用いると、高エネルギー密度を有する非水電解質二次電池を得ることができる。
【0009】
正極活物質の結晶格子中のMnイオンがMn4+からMn3+へ変化しない領域で非水電解質二次電池を放電させることにより、結晶格子中のMn4+がMn3+へと変化し、このMn3+がMn2+として非水電解液中に溶解するのを抑制できる。この結果、非水電解質二次電池の高温サイクル特性を向上させることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明に係る正極活物質としては、一般式LiX+aNiMn2−a−Y4−δ(但し、0<X≦1.0、0≦a≦0.1、0.45≦Y≦0.55、0≦δ≦0.4)で表されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物を用いることができる。リチウムニッケルマンガン複合酸化物は、一般的には、例えば、リチウム源、マンガン源、ニッケル源となる化合物を混合して、焼成する固相法により合成することができる。また、特表2000−515672公報に示されるようなゾルゲル法によっても合成することができる。
【0011】
リチウム源としては、例えば、水酸化リチウム・一水和物、硝酸リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウム、臭化リチウム、塩化リチウム、クエン酸リチウム、フッ化リチウム、ヨウ化リチウム、乳酸リチウム、シュウ酸リチウム、リン酸リチウム、ピルビン酸リチウム、硫酸リチウム、酸化リチウムなどが挙げられる。また、マンガン源としては、例えば、二酸化マンガン、酸化マンガン、水酸化マンガン、炭酸マンガン、硝酸マンガン、硫酸マンガン、シュウ酸マンガンなどが挙げられ、それらの中でも二酸化マンガンが特に好ましい。さらに、ニッケル源としては、例えば硝酸ニッケル、炭酸ニッケル、酸化ニッケルなどが挙げられる。
【0012】
また、本発明に係る正極活物質は、Ni及びMnという2つの遷移金属元素を含むが、発明の意図するところを変えずに、正極活物質が、Al、Ti、Fe、Nb、MoやWなどの他の金属元素を含んでいてもよい。
【0013】
LiMnのMnサイトがNiで置換されることにより、高電位側の放電電位平坦領域4.5V以上の高い電位を示す正極活物質を得ることができる。また、LiMnのMnサイトがLiで置換されることにより、4V領域の放電電位平坦部を小さくすることができる。
【0014】
Liの割合を示すXは充放電により変化し、満充電時には1となる。一方、過放電するとリチウムニッケルマンガン複合酸化物の結晶構造が不安定になるので、0<X≦1.0が好ましい。aは、上述の通り、Mnサイトに置換したLiの割合である。Mnの一部をLiで置換すると、Mnの価数が増加し、4V領域の放電電位平坦部が小さくなる。aが0.1を超えると放電容量が低下するので好ましくない。したがって、0≦a≦0.1が好ましい。Yは、上述の通り、Mnサイトに置換したNiの割合である。Yが0.45未満になると5V領域の放電電位平坦部分が減少するので好ましくない。一方Yが0.55を超えると、Niイオンの価数が2価から3価に変化するので5V領域における放電容量が減少する。したがって、0.45≦Y≦0.55が好ましい。そして、δは結晶構造における酸素欠損を表す。このδが大きくなるとMnの価数が低下し、4V領域の電位平坦部が大きくなる。また、δが0.4を超えるとスピネル構造のフレームを構成する酸素が不足するので、スピネル構造を維持できなくなることがあるため好ましくない。したがって、0≦δ≦0.4が好ましい。
【0015】
リチウムニッケルマンガン複合酸化物における、格子定数、及び各原子のサイト占有率は、粉末X線回折法により得た回折パターンをリートベルト解析(例えば、”The Rietveld Method,” ed. by R. A. Young, Oxford University Press, Oxford (1993).)することにより求めることができる。リートベルト解析は、X線、中性子線を用いた粉末回折パターンと、仮定した構造モデルに基づいて計算した回折パターンとをフィッティングすることにより結晶構造に関するパラメータの精密化を行う方法である。
【0016】
上記の正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤を金属箔からなる正極集電体に塗工することにより正極板を製造することができる。
【0017】
導電剤としては特に制限はなく、種々の材料を適宜使用できる。例えば、Ni、Ti、Al、Fe若しくはこれらの二種以上の合金又は炭素材料が挙げられる。なかでも、炭素材料を用いることが好ましい。炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、気相成長炭素繊維、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ニードルコークスなどの無定形炭素が挙げられる。
【0018】
正極に用いられる結着剤としては特に制限はなく、種々の材料を適宜使用できる。例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体、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、またはこれらの誘導体からなる群から選択される少なくとも1種を使用することができる。
【0019】
正極集電体には、例えば、Al、Ta、Nb、Ti、Hf、Zr、Zn、W、Bi、およびこれらの金属を含む合金などを例示することができる。これらの金属は、電解液中での陽極酸化によって表面に不動態皮膜を形成するため、正極集電体と電解液との接触部分において非水電解質が酸化分解するのを有効に防止することができる。その結果、非水系二次電池のサイクル特性を有効に高めることができる。
【0020】
負極活物質としては特に制限はなく、種々の材料を適宜使用できる。例えば、黒鉛や非晶質炭素などの炭素材料、酸化物、窒化物、およびリチウム合金などが挙げられる。リチウム合金としては、例えばアルミニウム、亜鉛、ビスマス、カドミウム、アンチモン、シリコン、鉛、または錫などからなる群から選択される少なくとも1種の金属と、リチウムとの合金を用いることができる。また、酸化物、窒化物、およびリチウム合金は、種々の炭素材料と混合して使用することができる。また、酸化物、窒化物、およびリチウム合金を種々の炭素材料に担持させて使用することもできる。
【0021】
負極の集電体としては、鉄、銅、ステンレス、またはニッケルを用いることができる。その形状としては、シート、面状体、網状体、発泡体、焼結多孔体、エキスパンド格子が挙げられる。さらに、これらの集電体に任意の形状で穴を開けたものを用いることができる。
【0022】
負極の製造方法は特に制限されず、上記の正極の製造方法と同様の方法により製造することができる。
【0023】
電解液の有機溶媒としては、特に制限はなく、種々の溶媒を適宜使用できる。例えば、エーテル類、ケトン類、ラクトン類、ニトリル類、アミン類、アミド類、硫黄化合物、ハロゲン化炭化水素類、エステル類、カーボネート類、ニトロ化合物、リン酸エステル系化合物、スルホラン系炭化水素類などを用いることができるが、これらのうちでもエーテル類、ケトン類、エステル類、ラクトン類、ハロゲン化炭化水素類、カーボネート類、スルホラン系炭化水素類が好ましい。
【0024】
さらに、有機溶媒の例としては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、1,4−ジオキサン、アニソール、モノグライム、4−メチル−2−ペンタノン、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、1,2−ジクロロエタン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、メチルフォルメイト、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルチオホルムアミド、スルホラン、3−メチル−スルホラン、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、およびホスファゼン誘導体およびこれらの混合溶媒などを挙げることができる。なかでも、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、およびジエチルカーボネートを単独でまたは2種以上を混合して使用することが好ましい。
【0025】
電解質の溶質としては、特に制限はなく、種々の溶質を適宜使用できる。例えば、LiClO、LiBF、LiAsF、LiPF、LiCF(CF、LiCF(CF、LiCF(CF、LiCF(CF、LiCF(CF)、LiCF(C、LiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiN(CCO)、LiI、LiAlCl、LiBCなどを単独でまたは2種以上を混合して使用することができる。なかでもLiPFを使用することが好ましい。さらに、これらのリチウム塩濃度は、0.52〜2.0mol・dm−3とするのが好ましい。
【0026】
また、電解質中に、ビニレンカーボネートやブチレンカーボネートなどのカーボネート類、ビフェニルやシクロヘキシルベンゼンなどのベンゼン類、プロパンスルトンなどの硫黄類、エチレンサルファイド、フッ化水素、トリアゾール系環状化合物、フッ素含有エステル類、テトラエチルアンモニウムフルオライドのフッ化水素錯体またはこれらの誘導体、ホスファゼンおよびその誘導体、アミド基含有化合物、イミノ基含有化合物、または窒素含有化合物からなる群から選択される少なくとも1種を含有しても使用できる。また、CO、NO、CO、SOなどから選択される少なくとも1種を含有しても使用できる。
【0027】
上記電解質には固体またはゲル状のイオン伝導性電解質を単独または組み合わせて使用することができる。複数のイオン伝導性電解質を組み合わせる場合、非水電解質電池は、例えば、正極と、負極と、セパレータと、有機または無機の固体電解質と、非水電解液とから構成できるし、また、正極と、負極と、セパレータとしての有機または無機の固体電解質膜と、非水電解液とからも構成できる。また、イオン伝導性電解質には有孔性高分子固体電解質膜も使用することができる。
【0028】
イオン伝導性電解質としてはポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリエチレングリコールおよびこれらの誘導体、LiI、LiN、Li1+xTi2−x(PO(M=Al、Sc、Y、La)、Li0.5−3x0.5+xTiO(R=La、Pr、Nd、Sm)、またはLi4−xGe1−xに代表されるチオリシコンを使用することができる。さらに、LiI−LiO−B系、LiO−SiO系などの酸化物ガラス、またはLiI−LiS−B系、LiI−LiS−SiS系、LiS−SiS−LiPO系などの硫化物ガラスを使用することができる。
【0029】
セパレータとしては、特に制限はなく、種々の材料を適宜使用できる。例えば、織布、不織布、合成樹脂微多孔膜などが挙げられ、なかでも、合成樹脂微多孔膜が好ましい。合成樹脂微多孔膜の材質としては、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、およびポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテンなどのポリオレフィンが用いられ、なかでもポリエチレンおよびポリプロピレン製微多孔膜、またはこれらを複合したポリオレフィン系微多孔膜が、厚さ、膜強度、膜抵抗などの面で好ましい。
【0030】
また、材料の異なる複数の微多孔膜を積層してなるものや、同じ材料であっても重量平均分子量や空孔率の異なる複数の微多孔膜を積層してなるものや、これらの微多孔膜に各種の可塑剤、酸化防止剤、難燃剤などの添加剤を適量含有しているものを使用することができる。
【0031】
以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は下記実施例により何ら限定されるものではない。
【0032】
以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は下記実施例により何ら限定されるものではない。
<実施例1>
正極活物質として組成式LiNi0.5Mn1.54−δ(ただし、δは約0.03、Mnの価数は約+3.96である)で表されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物を用いた。なお、マンガンの価数は、酸化還元滴定法によって求めた値である。このリチウムニッケルマンガン複合酸化物と、導電助剤として5%のアセチレンブラックと、結着剤としてポリフッ化ビニリデンと、溶剤のN−メチルピロリドンとを混合してペースト状とし、これを集電体としてのアルミニウムメッシュに塗布した後、80℃で乾燥させ、さらに150℃で真空乾燥を5時間行って製造した。対極と参照極には金属リチウムを用い、電解液には、溶質として濃度1mol/lのLiPFを用い、溶媒として体積比5:5のエチレンカーボネート(EC)、及びエチルメチルカーボネート(EMC)の混合物を用いた。
【0033】
上記のようにして作製した三極セルを用いて充放電試験を行った。充放電の条件は、充電は1.0mA/cm定電流で4.9V vs.Li/Liまでとし、放電は1.0mA/cm定電流で4.1V vs.Li/Liまでとし、これを1サイクルとして100サイクル行った。そして、1サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の比を求め、これを容量保持率(%)とした。
【0034】
<比較例1>
充放電試験において、放電終止電圧を3.5V vs.Li/Liとした他は、実施例1と同様にしてセルを作製し、充放電試験を行った。
【0035】
実施例1および比較例1の1サイクル目の放電特性を図1に示した。なお、図1において、実施例1では放電終止電圧を4.1V vs.Li/Liとし、比較例1では放電終止電圧を3.5V vs.Li/Liとした。
また、実施例1および比較例1の容量保持率を表1にまとめて示す。
【0036】
【表1】

Figure 2004335181
【0037】
<実施例2>
正極活物質として組成式LiNi0.5Mn1.54−δ(ただし、δは約0.24、Mnの価数は約+3.68である)で表されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物を用いた。なお、マンガンの価数は、実施例1と同様、酸化還元滴定法によって求めた値である。このリチウムニッケルマンガン複合酸化物を用いた以外は実施例1と同様にして、セルを作製し、充放電試験を行った。
【0038】
<比較例2>
充放電試験において、放電終止電圧を3.5V vs.Li/Liとした他は、実施例2と同様にしてセルを作製し、充放電試験を行った。
実施例2および比較例2の1サイクル目の放電特性を図2に示した。なお、図2において、実施例2では放電終止電圧を4.1V vs.Li/Liとし、比較例2では放電終止電圧を3.5V vs.Li/Liとした。
また、実施例2および比較例2の容量保持率を表2にまとめて示す。
【0039】
【表2】
Figure 2004335181
【0040】
<結果>
表1から、放電終止電圧を4.1V vs.Li/Liとした実施例1は、容量保持率が80%であったのに対し、放電終止電圧を3.5V vs.Li/Liとした比較例1は、容量保持率が59%であった。
【0041】
また、表2から、放電終止電圧を4.1V vs.Li/Liとした実施例2は、容量保持率が76%であったのに対し、放電終止電圧を3.5V vs.Li/Liとした比較例2は、容量保持率が42%であった。
【0042】
<他の実施形態>
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【0043】
上記した実施形態では、三極セルとして説明したが、電池構造は特に限定されず、角形、円筒形、袋状、リチウムポリマー電池等としてもよいことは勿論である。
【0044】
なお、本発明の非水電解質二次電池に用いられる正極活物質としては、一般式LiX+aNiMn2−a−Y4−δで表される化合物において、Mnの一部がさらに他の元素Mで置換された一般式LiX+aNiY−bMn2−a−Y4−δで表される化合物を用いることができる。ここでMはAl、Ti、Fe、Nb、Mo、Wなどの元素である。
【0045】
【発明の効果】
本発明によれば、いわゆる5V級正極活物質を用いた非水電解質二次電池の高温サイクル寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1および比較例1の1サイクル目の放電特性を示す図
【図2】実施例2および比較例2の1サイクル目の放電特性を示す図[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for discharging a non-aqueous electrolyte secondary battery.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in order to respond to the demand for further miniaturization of portable electronic and communication devices, further higher energy density is required for lithium ion batteries. In order to meet such a demand, a so-called 5V-class positive electrode active material having a discharge potential flat portion of 4.4 V to 5 V has been widely studied (for example, see Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-11-73962
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of a non-aqueous electrolyte secondary battery using a 5V-class positive electrode active material as described above, the charge / discharge capacity of the battery may decrease when charge / discharge is repeated at high temperatures, and the so-called high-temperature charge / discharge cycle life decreases. There is a problem that. This is considered to be due to the fact that Mn 3+ in the crystal structure dissolves as Mn 2+ in the organic electrolyte.
[0005]
As a result of intensive studies by the inventors, the following findings were obtained. That, 5V-class cathode active material has a discharge potential flat portion near 4.4V~5.0V against Li / Li +, in this region, Mn ions in the crystal structure is present as Mn 4+ This Mn 4+ does not dissolve as Mn 2+ in the organic electrolyte even at high temperatures. On the other hand, the 5V-class positive electrode active material has a discharge potential flat portion near 4.0 V to 4.2 V with respect to Li / Li + , and in a region lower than the potential flat portion, Mn ions in the crystal structure Was found to change from Mn 4+ to Mn 3+ . Then, if the non-aqueous electrolyte secondary battery is used in a region higher than the potential changing from Mn 4+ to Mn 3+ , the dissolution of Mn 2+ in the non-aqueous electrolyte should be prevented. is there.
[0006]
The present invention has been completed based on the above-described novel findings, and provides a discharge method capable of improving the high-temperature cycle life of a nonaqueous electrolyte secondary battery using a so-called 5V-class positive electrode active material. With the goal.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a method for discharging a non-aqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode including a positive electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. In the method, the positive electrode active material has a general formula Li X + a Ni Y Mn 2-a- YO 4-δ (where 0 <X ≦ 1.0, 0 ≦ a ≦ 0.1, 0.45 ≦ Y ≦ 0.55, 0 ≦ δ ≦ 0.4), wherein the non-aqueous electrolyte secondary battery is discharged in a potential region where Mn 4+ contained in the positive electrode active material does not change to Mn 3+ . I do.
[0008]
Function and effect of the present invention
<Invention of claim 1>
As the positive electrode active material, a general formula Li X + a Ni Y Mn 2-a- YO 4-δ (where 0 <X ≦ 1.0, 0 ≦ a ≦ 0.1, 0.45 ≦ Y ≦ 0.55, By using the lithium nickel manganese composite oxide represented by (0 ≦ δ ≦ 0.4), a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high energy density can be obtained. This is considered for the following reason. In the lithium manganese composite oxide having a spinel structure represented by LiMn 2 O 4 , potential flat portions exist near 3 V and 4 V. When LiMn 2 O 4 is used as the positive electrode active material, a potential flat portion around 4 V is usually used, and its discharge capacity is about 120 mAh / g. Formula Li X + a Ni Y Mn 2 -a-Y O 4-δ lithium-nickel-manganese composite oxide represented by a part obtained by substituting Ni for Mn in the LiMn 2 O 4, the potential flat portion of the high potential side Is present at a high potential of 4.4 V to 4.7 V. Therefore, when this is used as a positive electrode active material, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high energy density can be obtained.
[0009]
By Mn ions in the crystal lattice of the positive electrode active material to discharge the non-aqueous electrolyte secondary battery in an area that does not change from the Mn 4+ to Mn 3+, changes Mn 4+ in the crystal lattice to Mn 3+, the Mn 3+ Can be suppressed from being dissolved as Mn 2+ in the non-aqueous electrolyte. As a result, the high-temperature cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be improved.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
The positive electrode active material according to the present invention, the general formula Li X + a Ni Y Mn 2 -a-Y O 4-δ ( where, 0 <X ≦ 1.0,0 ≦ a ≦ 0.1,0.45 ≦ Y ≦ 0.55, 0 ≦ δ ≦ 0.4) can be used. In general, the lithium nickel manganese composite oxide can be synthesized by, for example, a solid phase method in which a compound serving as a lithium source, a manganese source, and a nickel source are mixed and fired. Further, it can also be synthesized by a sol-gel method as shown in JP-T-2000-515672.
[0011]
Examples of lithium sources include lithium hydroxide monohydrate, lithium nitrate, lithium carbonate, lithium acetate, lithium bromide, lithium chloride, lithium citrate, lithium fluoride, lithium iodide, lithium lactate, and lithium oxalate. , Lithium phosphate, lithium pyruvate, lithium sulfate, lithium oxide and the like. Examples of the manganese source include manganese dioxide, manganese oxide, manganese hydroxide, manganese carbonate, manganese nitrate, manganese sulfate, and manganese oxalate. Of these, manganese dioxide is particularly preferable. Further, examples of the nickel source include nickel nitrate, nickel carbonate, nickel oxide and the like.
[0012]
Further, the positive electrode active material according to the present invention contains two transition metal elements, Ni and Mn, but the positive electrode active material may be made of Al, Ti, Fe, Nb, Mo or W without changing the intention of the invention. Etc. may be included.
[0013]
By replacing the Mn site of LiMn 2 O 4 with Ni, it is possible to obtain a positive electrode active material having a high potential of 4.5 V or more, which is a high-potential-side discharge potential flat region. Further, by replacing the Mn site of LiMn 2 O 4 with Li, the flat portion of the discharge potential in the 4 V region can be reduced.
[0014]
X indicating the ratio of Li changes by charging and discharging, and becomes 1 when fully charged. On the other hand, when overdischarge occurs, the crystal structure of the lithium nickel manganese composite oxide becomes unstable, so that 0 <X ≦ 1.0 is preferable. a is the ratio of Li substituted for Mn sites as described above. When a part of Mn is replaced with Li, the valence of Mn increases, and the flat portion of the discharge potential in the 4 V region decreases. When a exceeds 0.1, the discharge capacity decreases, which is not preferable. Therefore, 0 ≦ a ≦ 0.1 is preferable. Y is the ratio of Ni substituted for Mn sites as described above. If Y is less than 0.45, the discharge potential flat portion in the 5 V region decreases, which is not preferable. On the other hand, when Y exceeds 0.55, the valence of Ni ions changes from divalent to trivalent, so that the discharge capacity in the 5 V region decreases. Therefore, it is preferable that 0.45 ≦ Y ≦ 0.55. Δ represents oxygen deficiency in the crystal structure. As this δ increases, the valence of Mn decreases, and the potential flat portion in the 4 V region increases. On the other hand, if δ exceeds 0.4, oxygen constituting the frame having the spinel structure becomes insufficient, and the spinel structure may not be maintained. Therefore, it is preferable that 0 ≦ δ ≦ 0.4.
[0015]
The lattice constant and the site occupancy of each atom in the lithium nickel manganese composite oxide can be determined by Rietveld analysis of a diffraction pattern obtained by a powder X-ray diffraction method (for example, “The Rietveld Method,” ed. By R.A. Young, Oxford University Press, Oxford (1993)). The Rietveld analysis is a method of refining parameters related to the crystal structure by fitting a powder diffraction pattern using X-rays and neutrons with a diffraction pattern calculated based on an assumed structural model.
[0016]
The positive electrode active material, a conductive agent, and a binder are mixed to prepare a positive electrode mixture, and the positive electrode mixture is applied to a positive electrode current collector made of a metal foil to produce a positive electrode plate. be able to.
[0017]
There is no particular limitation on the conductive agent, and various materials can be used as appropriate. For example, Ni, Ti, Al, Fe, an alloy of two or more of these, or a carbon material may be used. Among them, it is preferable to use a carbon material. Examples of the carbon material include amorphous carbon such as natural graphite, artificial graphite, vapor grown carbon fiber, acetylene black, Ketjen black, and needle coke.
[0018]
The binder used for the positive electrode is not particularly limited, and various materials can be appropriately used. For example, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, ethylene-propylene-diene terpolymer, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, fluorine At least one selected from the group consisting of rubber, polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, polyethylene, nitrocellulose, and derivatives thereof can be used.
[0019]
Examples of the positive electrode current collector include Al, Ta, Nb, Ti, Hf, Zr, Zn, W, Bi, and alloys containing these metals. Since these metals form a passive film on the surface by anodic oxidation in the electrolyte, it is possible to effectively prevent the non-aqueous electrolyte from being oxidized and decomposed at the contact portion between the positive electrode current collector and the electrolyte. it can. As a result, the cycle characteristics of the non-aqueous secondary battery can be effectively improved.
[0020]
There is no particular limitation on the negative electrode active material, and various materials can be used as appropriate. For example, carbon materials such as graphite and amorphous carbon, oxides, nitrides, lithium alloys, and the like can be given. As the lithium alloy, for example, an alloy of lithium and at least one metal selected from the group consisting of aluminum, zinc, bismuth, cadmium, antimony, silicon, lead, and tin can be used. Further, oxides, nitrides, and lithium alloys can be used as a mixture with various carbon materials. In addition, oxides, nitrides, and lithium alloys can be used by being supported on various carbon materials.
[0021]
As the current collector of the negative electrode, iron, copper, stainless steel, or nickel can be used. Examples of the shape include a sheet, a sheet, a mesh, a foam, a sintered porous body, and an expanded lattice. Further, those in which holes are formed in any shape in these current collectors can be used.
[0022]
The method for producing the negative electrode is not particularly limited, and the negative electrode can be produced by the same method as the above-described method for producing the positive electrode.
[0023]
The organic solvent of the electrolyte is not particularly limited, and various solvents can be appropriately used. For example, ethers, ketones, lactones, nitriles, amines, amides, sulfur compounds, halogenated hydrocarbons, esters, carbonates, nitro compounds, phosphate compounds, sulfolane hydrocarbons, etc. Among them, ethers, ketones, esters, lactones, halogenated hydrocarbons, carbonates, and sulfolane hydrocarbons are preferable.
[0024]
Examples of the organic solvent include tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, tetrahydropyran, 1,4-dioxane, anisole, monoglyme, 4-methyl-2-pentanone, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, and ethyl propionate. , 1,2-dichloroethane, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, dimethoxyethane, diethoxyethane, methylformate, dimethylcarbonate, methylethylcarbonate, diethylcarbonate, dipropylcarbonate, methylpropylcarbonate, ethylenecarbonate, propylenecarbonate , Vinylene carbonate, butylene carbonate, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, dimethylthioformamide, sulfolane, 3-methyl-sulfur Examples thereof include holane, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, and phosphazene derivatives, and a mixed solvent thereof. Among them, it is preferable to use ethylene carbonate, propylene carbonate, γ-butyrolactone, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and diethyl carbonate alone or as a mixture of two or more.
[0025]
The solute of the electrolyte is not particularly limited, and various solutes can be appropriately used. For example, LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiCF (CF 3 ) 5 , LiCF 2 (CF 3 ) 4 , LiCF 3 (CF 3 ) 3 , LiCF 4 (CF 3 ) 2 , LiCF 5 (CF 3) ), LiCF 3 (C 2 F 5 ) 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 CO) 2 , LiI, LiAlCl 4 , LiBC 4 O 8 and the like can be used alone or in combination of two or more. Among them, LiPF 6 is preferably used. Further, the concentration of these lithium salts is preferably 0.52 to 2.0 mol · dm −3 .
[0026]
In the electrolyte, carbonates such as vinylene carbonate and butylene carbonate, benzenes such as biphenyl and cyclohexylbenzene, sulfurs such as propane sultone, ethylene sulfide, hydrogen fluoride, triazole-based cyclic compounds, fluorine-containing esters, tetraethyl Hydrogen fluoride complex of ammonium fluoride or a derivative thereof, phosphazene and a derivative thereof, an amide group-containing compound, an imino group-containing compound, or at least one selected from the group consisting of nitrogen-containing compounds can also be used. Further, it can be used by containing at least one selected from CO 2 , NO 2 , CO, SO 2 and the like.
[0027]
As the electrolyte, a solid or gel ion conductive electrolyte can be used alone or in combination. When combining a plurality of ion-conductive electrolytes, the non-aqueous electrolyte battery, for example, a positive electrode, a negative electrode, a separator, an organic or inorganic solid electrolyte, and a non-aqueous electrolyte solution, and, also, a positive electrode, It can also be composed of a negative electrode, an organic or inorganic solid electrolyte membrane as a separator, and a non-aqueous electrolyte. Also, a porous polymer solid electrolyte membrane can be used as the ion conductive electrolyte.
[0028]
Polyethylene oxide as an ion conducting electrolyte, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polyethylene glycol and derivatives thereof, LiI, Li 3 N, Li 1 + x M x Ti 2-x (PO 4) 3 (M = Al, Sc, Y, La), Li 0.5-3x R 0.5 + x TiO 3 (R = La, Pr, Nd, Sm), or thiolysicon represented by Li 4-x Ge 1-x P x S 4 can be used. it can. Furthermore, LiI-Li 2 O-B 2 O 5 system, Li 2 oxide glass such as O-SiO 2 system or LiI-Li 2 S-B 2 S 3 type,, LiI-Li 2 S- SiS 2 system, A sulfide glass such as a Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 system can be used.
[0029]
The separator is not particularly limited, and various materials can be appropriately used. For example, a woven fabric, a nonwoven fabric, a synthetic resin microporous membrane and the like can be mentioned, and among them, a synthetic resin microporous membrane is preferable. As the material of the synthetic resin microporous membrane, nylon, cellulose acetate, nitrocellulose, polysulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, and polyethylene, polypropylene, polyolefins such as polybutene are used, among which polyethylene and polypropylene microporous membrane, Alternatively, a polyolefin-based microporous film in which these are combined is preferable in terms of thickness, film strength, film resistance, and the like.
[0030]
In addition, those obtained by laminating a plurality of microporous films of different materials, those obtained by laminating a plurality of microporous films of the same material having different weight average molecular weights and porosity, It is possible to use a film containing an appropriate amount of additives such as various plasticizers, antioxidants, and flame retardants.
[0031]
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. The present invention is not limited by the following examples.
[0032]
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. The present invention is not limited by the following examples.
<Example 1>
Lithium nickel manganese composite oxide represented by the composition formula LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4-δ (where δ is about 0.03 and Mn valence is about +3.96) as a positive electrode active material Was used. The valence of manganese is a value determined by a redox titration method. This lithium nickel manganese composite oxide, 5% acetylene black as a conductive additive, polyvinylidene fluoride as a binder, and N-methylpyrrolidone as a solvent were mixed to form a paste, which was used as a current collector. And then dried at 80 ° C., and further vacuum-dried at 150 ° C. for 5 hours to manufacture. Metal lithium is used for the counter electrode and the reference electrode, LiPF 6 having a concentration of 1 mol / l is used as a solute, and ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) having a volume ratio of 5: 5 are used as a solvent. The mixture was used.
[0033]
A charge / discharge test was performed using the triode cell manufactured as described above. The charging and discharging conditions were as follows: charging was performed at a constant current of 1.0 mA / cm 2 at 4.9 V vs. Li / Li + up to a discharge of 4.1 V vs. 1.0 mA / cm 2 constant current. Up to Li / Li + , this was regarded as one cycle, and 100 cycles were performed. Then, the ratio of the discharge capacity at the 100th cycle to the discharge capacity at the first cycle was determined, and this was defined as the capacity retention (%).
[0034]
<Comparative Example 1>
In the charge / discharge test, the discharge end voltage was set to 3.5 V vs. 3.5 V. A cell was prepared in the same manner as in Example 1 except that Li / Li + was used, and a charge / discharge test was performed.
[0035]
FIG. 1 shows the discharge characteristics of the first cycle of Example 1 and Comparative Example 1. In FIG. 1, in Example 1, the discharge end voltage was set to 4.1 V vs. Li / Li +, and in Comparative Example 1, the discharge end voltage was 3.5 V vs. Li / Li + .
Table 1 shows the capacity retention rates of Example 1 and Comparative Example 1.
[0036]
[Table 1]
Figure 2004335181
[0037]
<Example 2>
Lithium nickel manganese composite oxide represented by the composition formula LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4-δ (where δ is about 0.24 and Mn valence is about +3.68) as a positive electrode active material Was used. In addition, the valence of manganese is a value obtained by an oxidation-reduction titration method as in Example 1. A cell was prepared and a charge / discharge test was performed in the same manner as in Example 1 except that this lithium nickel manganese composite oxide was used.
[0038]
<Comparative Example 2>
In the charge / discharge test, the discharge end voltage was set to 3.5 V vs. 3.5 V. A cell was prepared in the same manner as in Example 2 except that Li / Li + was used, and a charge / discharge test was performed.
FIG. 2 shows the discharge characteristics in the first cycle of Example 2 and Comparative Example 2. In FIG. 2, in Example 2, the discharge end voltage was set to 4.1 V vs. Li / Li + . In Comparative Example 2, the discharge end voltage was 3.5 V vs. Li. Li / Li + .
Table 2 summarizes the capacity retention rates of Example 2 and Comparative Example 2.
[0039]
[Table 2]
Figure 2004335181
[0040]
<Result>
From Table 1, the discharge end voltage was set to 4.1 V vs. In Example 1 in which Li / Li + was used, the capacity retention was 80%, whereas the discharge end voltage was 3.5 V vs. 3.5%. Comparative Example 1 in which Li / Li + was used had a capacity retention of 59%.
[0041]
Also, from Table 2, the discharge end voltage was 4.1 V vs. In Example 2 in which Li / Li + was used, the capacity retention was 76%, whereas the discharge end voltage was 3.5 V vs. 3.5%. Comparative Example 2 in which Li / Li + was used had a capacity retention of 42%.
[0042]
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the embodiments described with reference to the above description and drawings. For example, the following embodiments are also included in the technical scope of the present invention, and furthermore, besides the following, within the scope not departing from the gist. Can be implemented with various modifications.
[0043]
In the above-described embodiment, a three-electrode cell has been described, but the battery structure is not particularly limited, and may be a square, cylindrical, bag-shaped, lithium polymer battery, or the like.
[0044]
As the positive electrode active material used in the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, in the general formula Li X + a Ni Y Mn 2 -a-Y O 4-δ compound represented by a portion of Mn is further another can be used substituted with the element M general formula Li X + a Ni Y-b M b Mn 2-a-Y O 4-δ compound represented by. Here, M is an element such as Al, Ti, Fe, Nb, Mo, and W.
[0045]
【The invention's effect】
According to the present invention, the high-temperature cycle life of a nonaqueous electrolyte secondary battery using a so-called 5V-class positive electrode active material can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the first cycle discharge characteristics of Example 1 and Comparative Example 1. FIG. 2 is a diagram showing the first cycle discharge characteristics of Example 2 and Comparative Example 2.

Claims (1)

リチウムイオンを吸蔵放出可能な正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質とからなる非水電解質二次電池の放電方法であって、
前記正極活物質は、一般式LiX+aNiMn2−a−Y4−δ(但し、0<X≦1.0、0≦a≦0.1、0.45≦Y≦0.55、0≦δ≦0.4)で表され、前記正極活物質に含まれるMn4+がMn3+へ変化しない電位領域で前記非水電解質二次電池を放電させることを特徴とする非水電解質二次電池の放電方法。
A positive electrode including a positive electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions, a negative electrode, a method for discharging a non-aqueous electrolyte secondary battery including a non-aqueous electrolyte,
The positive electrode active material has a general formula of Li X + a Ni Y Mn 2-a- YO 4-δ (where 0 <X ≦ 1.0, 0 ≦ a ≦ 0.1, 0.45 ≦ Y ≦ 0.55 , 0 ≦ δ ≦ 0.4), wherein the non-aqueous electrolyte secondary battery is discharged in a potential region where Mn 4+ contained in the positive electrode active material does not change to Mn 3+ . Next battery discharge method.
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