JP2005158737A - リチウム二次電池用正極およびリチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池用正極およびリチウム二次電池 Download PDF

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Abstract

【課題】 高い合剤密度を有するリチウム二次電池用正極およびこれを含むリチウム二次電池を提供する。
【解決手段】 リチウム二次電池1は,正極活物質および板状型導電材を含む正極3と,リチウムイオンをインタカレーションおよびデインタカレーションすることが可能な負極活物質を含む負極2と,電解液と,正極3と負極2との間に位置するセパレータ4と,円筒状の電池容器5と,電池容器5を封止する封止部材6とを含んでなる。正極活物質は,ニッケル系列正極活物質またはマンガン系列正極活物質である。
【選択図】 図1

Description

本発明は,リチウム二次電池用正極およびリチウム二次電池に関する。
最近,電子産業の発達により電子機器の小型化および軽量化が可能となるにつれて,携帯用電子機器の使用が増大しつつある。このような携帯用電子機器の電源として高いエネルギー密度を有する電池の必要性が増大し,リチウム二次電池の研究が活発に行われている。
リチウム二次電池は,可逆的にリチウムイオンの挿入・脱離が可能な物質を正極および負極として用い,正極と負極との間に有機電解液またはポリマー電解液を充電させて製造される。そして,正極および負極に対して行われるリチウムイオンの挿入・脱離時の酸化,還元反応によって電気エネルギーを生成する。
従来,リチウム二次電池の負極活物質としてリチウム金属が使用されていたが,リチウム金属を使用した場合,デンドライト(dendrite)析出により電池が短絡してしまい,最悪の場合,爆発の危険性もあった。このため,リチウム金属の代わりに非晶質炭素または結晶質炭素などの炭素系物質を使用する趨勢にある。
正極活物質は,リチウム二次電池の電池性能および安全性の点で最も重要な役割を果たす物質であって,カルコゲニド(chalcogenide)化合物が使用されている。その中でも,例えば,LiCoO,LiMn,LiNiO,LiNi1−xCo(0<x<1),LiMnOなどの複合金属酸化物が研究されている。
これら正極活物質のうちLiMn,LiMnOなどのMn系正極活物質は,合成し易く,コストが比較的低く,環境に対する汚染も少ない,といった利点を有している一方で,容量が小さいという欠点をも有している。LiCoOなどのCo系正極活物質は,良好な電気伝導度,高い電池電圧,および優れた電極特性を示すが,コストが高いという問題もある。LiNiOなどのNi系正極活物質は,前述した正極活物質の中でも最もコストが低く,最も高い放電容量の電池特性を示しているが,合成し難いという欠点を抱えている。
リチウム二次電池には前記正極活物質の中でもCo系正極活物質が主に用いられてきたが,最近,より高容量電池を開発するために高容量のNi系正極活物質に対する研究が活発に行われている。
しかし,従来のNi系正極活物質は,形状が球形であって,極板製造時の最大合剤(正極活物質,バインダ,および導電材の混合物を意味する)の密度が3.2g/ccに過ぎない。また,一般に,極板製造時の合剤密度を増加させるために圧延工程が行われる。高合剤の極板は,この圧延工程において活物質粒子が押圧されながら滑る過程を経て作られるが,Ni系正極活物質は,硬度(hardness)が低いため,圧延時に粒子が滑らずに押し潰されてしまう。このため,合剤密度を増加させることができなくなる。合剤密度が低い場合,物質自体の容量が高くても,高容量の電池を得ることが難しい。
最近,ニッケル系正極活物質に不定形のコバルト系正極活物質を混合して高合剤化させる方法が試みられている。ところが,不定形コバルト系正極活物質は,それ自体の容量が低く,高合剤化による高容量化の効果が十分に発揮されない。
本発明は,このような問題に鑑みてなされたもので,その目的は,高い合剤密度を有する,新規かつ改良されたリチウム二次電池用正極を提供することにある。また,本発明の目的は,高い合剤密度を有する,新規かつ改良されたリチウム二次電池を提供することにある。
上記課題を解決するために,本発明の第1の観点によれば,正極活物質および板状の炭素導電材を含むことを特徴とする,リチウム二次電池用正極が提供される。
上記課題を解決するために,本発明の第2の観点によれば,正極活物質および板状の導電材を含む正極と,リチウムイオンをインタカレーションおよびデインタカレーションすることが可能な負極活物質を含む負極と,電解液と,を含むことを特徴とする,リチウム二次電池が提供される。
上記課題を解決するために,本発明の第3の観点によれば,ニッケル系列正極活物質および板状の導電材を含む正極と,リチウムイオンをインタカレーションおよびデインタカレーションすることが可能な負極活物質を含む負極と,電解液と,を含むことを特徴とする,リチウム二次電池が提供される。
上記課題を解決するために,本発明の第4の観点によれば,ウェット工程で製造された正極活物質と,板状の炭素導電材と,を含むことを特徴とする,リチウム二次電池用正極が提供される。
正極活物質は,ニッケル系列正極活物質またはマンガン系列正極活物質であることが好ましい。また,ニッケル系列正極活物質は,下記化学式1〜7で表される物質のいずれかを含み,マンガン系列正極活物質は,下記化学式8〜12で表される物質のいずれかを含むことが好ましい。なお,下記化学式1〜12において,0.90≦x≦1.1,0≦y≦0.5,0≦z≦0.5,0≦α≦2であり,Mは,Al,Ni,Co,Mn,Cr,Fe,Mg,Sr,V,または希土類元素のうちの少なくとも一つであり,Aは,O,F,S,またはPのうちの少なくとも一つであり,Xは,F,S,またはPである。
Li1−y …(化学式1)
LiNi1−y2−z …(化学式2)
LiNi1−yCo2−z …(化学式3)
LiNi1−y−zCoα …(化学式4)
LiNi1−y−zCo2−αα …(化学式5)
LiNi1−y−zMnα …(化学式6)
LiNi1−y−zMn2−αα …(化学式7)
LiMn1−y …(化学式8)
LiMn1−y2−z …(化学式9)
LiMn4−z …(化学式10)
LiCo1−y …(化学式11)
LiCo1−y2−z …(化学式12)
正極活物質は,コバルト系列正極活物質をさらに含むことが好ましい。
ニッケル系列正極活物質またはマンガン系列正極活物質は,1次粒子が造粒されて得られた2次粒子を含むようにしてもよい。
炭素導電材の一方の辺と他方の辺の比が1:1〜10であることが好ましい。
炭素導電材は,天然黒鉛であることが好ましい。
本発明によれば,板状型導電材を用いて正極の合剤密度を向上させることができる。
以下に添付図面を参照しながら,本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお,本明細書および図面において,実質的に同一の機能構成を有する構成要素については,同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
本実施の形態にかかるリチウム二次電池の正極用導電材は,高い合剤密度を有している。
本実施の形態にかかる導電材は,板状の炭素から構成される。このように,導電材の形状が板状であれば,球形の正極活物質,特にウェット工程で製造される正極活物質のニッケル系列正極活物質またはマンガン系列正極活物質と共に用いて正極を製造する場合,正極製造工程の中でも圧延工程の際に,正極活物質を圧力により押圧されながら滑らせる(sliding)ようにすることができる。したがって,合剤密度を増加させることができる。なお,ウェット工程とは,活物質製造工程において溶媒を使用する工程をいい,これと異なり溶媒を使用せずに活物質を製造する工程をドライ工程という。ウェット工程では原料粉末が有機溶媒中に混合され,これが熱処理される。一方,ドライ工程では固体状態の原料粉末が混合され,その後に熱処理される。
本実施の形態において,板状とは,実質的に平面の形状を有するものをいい,板状の炭素導電材は,図2に示すように,一般的に短軸(一方の辺)aと長軸(他方の辺)bを有する。
このような板状の炭素導電材は,一方の辺と他方の辺の比が1:1〜10であることが好ましい。他方の辺の比が“10”を超過する場合,導電材が割れるおそれがあって好ましくない。また,板状の炭素導電材は,1〜10μmの粒度を有することが好ましい。板状の炭素導電材の粒度が1μm未満,すなわちサブミクロン(Sub−micron)の場合には,導電材の粒子が非常に小さくて板状の形を成すことが難く,正極活物質を滑らせる効果が得られないため好ましくない。また,板状の炭素導電材は,タップ密度が非常に高い物性を有する。
板状の炭素は,その形状が板状であるために,炭素の結晶性と関係なく使用することができるが,結晶性炭素が好ましく,特に天然黒鉛を使用することによって,電池の性能を向上させる点において人造黒鉛を使用する場合に比べて優れた効果を得ることができる。
本実施の形態にかかる導電材は,リチウム二次電池の正極,特にウェット工程で製造されるニッケル系列またはマンガン系列の正極活物質を用いる正極に使用されることが好ましい。ニッケル系列正極活物質は,下記化学式1〜7で表される物質(化合物)のいずれかを含むことが好ましく,マンガン系列正極活物質は,下記化学式8〜12で表される物質(化合物)のいずれかを含むことが好ましい。なお,下記化学式1〜12において,0.90≦x≦1.1,0≦y≦0.5,0≦z≦0.5,0≦α≦2であり,Mは,Al,Ni,Co,Mn,Cr,Fe,Mg,Sr,V,または希土類元素のうちの少なくとも一つであり,Aは,O,F,S,またはPのうちの少なくとも一つであり,Xは,F,S,またはPである。
Li1−y …(化学式1)
LiNi1−y2−z …(化学式2)
LiNi1−yCo2−z …(化学式3)
LiNi1−y−zCoα …(化学式4)
LiNi1−y−zCo2−αα …(化学式5)
LiNi1−y−zMnα …(化学式6)
LiNi1−y−zMn2−αα …(化学式7)
LiMn1−y …(化学式8)
LiMn1−y2−z …(化学式9)
LiMn4−z …(化学式10)
LiCo1−y …(化学式11)
LiCo1−y2−z …(化学式12)
これらニッケル系列正極活物質とマンガン系列正極活物質はともに,活物質製造工程において1次粒子が造粒されて得られる2次粒子状から構成されている。2次粒子を用いることによって,より大きな容量を得ることができる。
また,ニッケル系列正極活物質またはマンガン系列正極活物質にコバルト系列正極活物質を混合して正極活物質を得るようにしてもよい。コバルト系列正極活物質は,良好な電気伝導度,高い電池電圧,及びその他優れた電極特性を示す。したがって,正極活性物質にコバルト系列正極活物質を混合すれば,正極の電気的特性の向上が図られる。
本実施の形態において,導電材を含む正極は,正極活物質以外に正極活物質および導電材を電流集電体に付着させるためのバインダを含む。このようなバインダとしては,リチウム二次電池で一般に用いられるバインダであれば使用することができ,その代表的な例としては,ポリビニリデンフルオライド,ポリテトラフルオロエチレン,ポリ塩化ビニール,ポリビニールピロリドンなどがある。
本実施の形態にかかる導電材を有するリチウム二次電池の正極における合剤密度は,約3.28g/ccであって,これは,従来の導電材を使用した場合の合剤密度(約3.20g/cc)より高い。
本実施の形態にかかる導電材を含有する正極を含むリチウム二次電池の一例を図1に示す。同図に示すように,本実施の形態にかかるリチウム二次電池1は,正極3,負極2,正極3と負極2との間に位置するセパレータ4,負極2,正極3,およびセパレータ4に含浸された電解質(図示せず),円筒状の電池容器5,および電池容器5を封止する封止部材6を含む。図1には,円筒状のリチウム二次電池1を示したが,本発明にかかるリチウム二次電池はこの形状に限定されず,角形,パウチ(pouch)などいずれの形状とすることが可能である。
負極活物質は,リチウムイオンを可逆的にインタカレーションおよびデインタカレーションすることが可能な物質,またはリチウムと可逆的に反応してリチウム含有化合物を形成することが可能な物質を含む。このように,リチウムイオンを可逆的にインタカレーショおよびデインタカレーションすることが可能な物質の代表的な例としては,結晶質もしくは非晶質の炭素,または炭素複合体の炭素系列物質がある。また,リチウムイオンと反応して可逆的にリチウム含有化合物を形成することが可能な物質の代表的な例としては,酸化錫(SnO),硝酸チタニウム,シリコン(Si)などが挙げられる。ただし,本発明はこれらに限定されない。本実施の形態において,リチウム合金としては,Na,K,Rb,Cs,Fr,Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra,Al,またはAn等の金属とリチウムとの合金が使用できる。
本実施の形態において,電解液は,リチウム塩と非水性有機溶媒を含む。そして,このリチウム塩は,有機溶媒に溶解され,電池内でリチウムイオンの供給源として作用して基本的なリチウム二次電池の作動を可能とし,正極と負極との間のリチウムイオンの移動を促進する役割を果たす。また本実施の形態において,リチウム塩は,例えば,LiPF,LiBF,LiSbF,LiAsF,LiCFSO,LiN(CFSO,Li(CFSON,LiCSO,LiClO,LiAlO,LiAlCl,LiN(C2x+1SO)(C2y+1SO)(ここで,xおよびyは自然数である),LiCl,またはLiIのうちの少なくともいずれか一つを支持(supporting)電解塩として含む。リチウム塩の濃度は,0.6〜2.0mol/lの範囲内であることが好ましい。リチウム塩の濃度が0.6mol/l未満であれば,電解質の伝導度が低くなってしまう。逆に,リチウム塩の濃度が2.0mol/lを超えると,電解質の粘度が増加してリチウムイオンの移動度が低下してしまう。
本実施の形態にかかるリチウム二次電池において,非水性有機溶媒は,電池の電気化学的反応に関与するイオンの移動が可能な媒質の役割を果たす。
非水性有機溶媒としては,例えば,カーボネート,エステル,エーテル,またはケトンのうちの少なくともいずれか一つを使用することが好ましい。
カーボネートとしては,環状(cyclic)カーボネートまたは鎖状(chain)カーボネートを使用することが好ましい。有機溶媒を一つ以上混合して使用する場合の混合割合は,目的の電池性能に応じて適宜調節される。この混合割合の調整については,当該分野で通常の知識を有する者には可能である。環状カーボネートして,エチレンカーボネート,プロピレンカーボネート,またはこれらの混合物のうちの少なくともいずれか一つを用いることが好ましい。線形カーボネートとして,ジメチルカーボネート,ジエチルカーボネート,エチルメチルカーボネート,またはメチルプロピルカーボネートのうちの少なくともいずれか一つを用いることが好ましい。
また,エステルとして,例えば,γ−ブチロラクトン,バレロラクトン,デカノライド,またはメバロラクトンを用いることが好ましい。
ケトンとしては,例えばポリメチルビニールケトンを用いることが好ましい。
以下,本発明の好適な実施例および比較例を説明する。ただし,実施例は本発明の好適な一実施例に過ぎず,本発明を限定するものではない。
(実施例1)
LiNiO正極活物質,ポリビニリデンフルオライドバインダ,および板状天然黒鉛導電材(株式会社ソディフ新素材(Sodiff Advanced materials Co.,LTD)製,商品名,DJG−New2,一方の辺と他方の辺の比=1:8)を94:3:3の重量比でN−メチルピロリドンの中で混合して正極活物質組成物を製造した。なお,板状天然黒鉛導電材の平均粒度は,3μm(長径:約5μm、短径:約1μm)である。
この正極活物質組成物をAlホイル電流集電体にコートし,乾燥させた後,プレスして正極を製造した。
(比較例1)
導電材が球状カーボンブラックであること以外は,上記の実施例1と同様の条件で正極を製造した。
実施例1と比較例1の正極の合体密度を測定した結果,比較例1は3.20g/ccであり,実施例1は3.28g/ccであった。この結果より,実施例1の正極合剤密度が大きいことが分かる。
以上,添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが,本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば,特許請求の範囲に記載された範疇内において,各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり,それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は,リチウム二次電池に適用可能である。
本発明の実施の形態にかかるリチウム二次電池の構造を概略的に示す図である。 同実施の形態にかかる板状の炭素導電材の形状を説明する斜視図である。
符号の説明
1 リチウム二次電池
2 負極
3 正極
4 セパレータ
5 電池容器
6 封止部材

Claims (18)

  1. 正極活物質および板状の炭素導電材を含むことを特徴とする,リチウム二次電池用正極。
  2. 前記正極活物質は,ニッケル系列正極活物質またはマンガン系列正極活物質であることを特徴とする,請求項1に記載のリチウム二次電池用正極。
  3. 前記ニッケル系列正極活物質は,下記化学式1〜7で表される物質のいずれかを含み,前記マンガン系列正極活物質は,下記化学式8〜12で表される物質のいずれかを含むことを特徴とする,請求項2に記載のリチウム二次電池用正極。
    なお,下記化学式1〜12において,0.90≦x≦1.1,0≦y≦0.5,0≦z≦0.5,0≦α≦2であり,Mは,Al,Ni,Co,Mn,Cr,Fe,Mg,Sr,V,または希土類元素のうちの少なくとも一つであり,Aは,O,F,S,またはPのうちの少なくとも一つであり,Xは,F,S,またはPである。
    Li1−y …(化学式1)
    LiNi1−y2−z …(化学式2)
    LiNi1−yCo2−z …(化学式3)
    LiNi1−y−zCoα …(化学式4)
    LiNi1−y−zCo2−αα …(化学式5)
    LiNi1−y−zMnα …(化学式6)
    LiNi1−y−zMn2−αα …(化学式7)
    LiMn1−y …(化学式8)
    LiMn1−y2−z …(化学式9)
    LiMn4−z …(化学式10)
    LiCo1−y …(化学式11)
    LiCo1−y2−z …(化学式12)
  4. 前記正極活物質は,コバルト系列正極活物質をさらに含むことを特徴とする,請求項2に記載のリチウム二次電池用正極。
  5. 前記ニッケル系列正極活物質またはマンガン系列正極活物質は,1次粒子が造粒されて得られた2次粒子を含むことを特徴とする,請求項3に記載のリチウム二次電池用正極。
  6. 前記炭素導電材の一方の辺と他方の辺の比が1:1〜10であることを特徴とする,請求項1〜5のいずれかに記載のリチウム二次電池用正極。
  7. 前記炭素導電材は,天然黒鉛であることを特徴とする,請求項1〜6のいずれかに記載のリチウム二次電池用正極。
  8. 正極活物質および板状の導電材を含む正極と,
    リチウムイオンをインタカレーションおよびデインタカレーションすることが可能な負極活物質を含む負極と,
    電解液と,
    を含むことを特徴とする,リチウム二次電池。
  9. 前記導電材の一方の辺と他方の辺の比が1:1〜10であることを特徴とする,請求項8に記載のリチウム二次電池。
  10. 前記正極活物質は,ニッケル系列正極活物質またはマンガン系列正極活物質であることを特徴とする,請求項8または9に記載のリチウム二次電池。
  11. 前記ニッケル系列正極活物質は,下記化学式1〜7で表される物質のいずれかを含み,前記マンガン系列正極活物質は,下記化学式8〜12で表される物質のいずれかを含むことを特徴とする,請求項10に記載のリチウム二次電池。
    なお,下記化学式1〜12において,0.90≦x≦1.1,0≦y≦0.5,0≦z≦0.5,0≦α≦2であり,Mは,Al,Ni,Co,Mn,Cr,Fe,Mg,Sr,V,または希土類元素のうちの少なくとも一つであり,Aは,O,F,S,またはPのうちの少なくとも一つであり,Xは,F,S,またはPである。
    Li1−y …(化学式1)
    LiNi1−y2−z …(化学式2)
    LiNi1−yCo2−z …(化学式3)
    LiNi1−y−zCoα …(化学式4)
    LiNi1−y−zCo2−αα …(化学式5)
    LiNi1−y−zMnα …(化学式6)
    LiNi1−y−zMn2−αα …(化学式7)
    LiMn1−y …(化学式8)
    LiMn1−y2−z …(化学式9)
    LiMn4−z …(化学式10)
    LiCo1−y …(化学式11)
    LiCo1−y2−z …(化学式12)
  12. 前記正極活物質は,コバルト系列正極活物質をさらに含むことを特徴とする,請求項10に記載のリチウム二次電池。
  13. 前記ニッケル系列正極活物質またはマンガン系列正極活物質は,1次粒子が造粒されて得られた2次粒子を含むことを特徴とする,請求項10に記載のリチウム二次電池。
  14. ニッケル系列正極活物質および板状の導電材を含む正極と,
    リチウムイオンをインタカレーションおよびデインタカレーションすることが可能な負極活物質を含む負極と,
    電解液と,
    を含むことを特徴とする,リチウム二次電池。
  15. 前記導電材の一方の辺と他方の辺の比が1:1〜10であることを特徴とする,請求項14に記載のリチウム二次電池。
  16. 前記ニッケル系列正極活物質は,下記化学式1〜7で表される物質のいずれかを含むことを特徴とする,請求項14または15に記載のリチウム二次電池。
    なお,下記化学式1〜7において,0.90≦x≦1.1,0≦y≦0.5,0≦z≦0.5,0≦α≦2であり,Mは,Al,Ni,Co,Mn,Cr,Fe,Mg,Sr,V,または希土類元素のうちの少なくとも一つであり,Aは,O,F,S,またはPのうちの少なくとも一つであり,Xは,F,S,またはPである。
    Li1−y …(化学式1)
    LiNi1−y2−z …(化学式2)
    LiNi1−yCo2−z …(化学式3)
    LiNi1−y−zCoα …(化学式4)
    LiNi1−y−zCo2−αα …(化学式5)
    LiNi1−y−zMnα …(化学式6)
    LiNi1−y−zMn2−αα …(化学式7)
  17. ウェット工程で製造された正極活物質と,
    板状の炭素導電材と,
    を含むことを特徴とする,リチウム二次電池用正極。
  18. 前記正極活物質は,下記化学式1〜7で表される物質のいずれかを含むニッケル系列正極活物質または下記化学式8〜12で表される物質のいずれかを含むマンガン系列正極活物質であることを特徴とする,請求項17に記載のリチウム二次電池用正極。
    なお,下記化学式1〜12において,0.90≦x≦1.1,0≦y≦0.5,0≦z≦0.5,0≦α≦2であり,Mは,Al,Ni,Co,Mn,Cr,Fe,Mg,Sr,V,または希土類元素のうちの少なくとも一つであり,Aは,O,F,S,またはPのうちの少なくとも一つであり,Xは,F,S,またはPである。
    Li1−y …(化学式1)
    LiNi1−y2−z …(化学式2)
    LiNi1−yCo2−z …(化学式3)
    LiNi1−y−zCoα …(化学式4)
    LiNi1−y−zCo2−αα …(化学式5)
    LiNi1−y−zMnα …(化学式6)
    LiNi1−y−zMn2−αα …(化学式7)
    LiMn1−y …(化学式8)
    LiMn1−y2−z …(化学式9)
    LiMn4−z …(化学式10)
    LiCo1−y …(化学式11)
    LiCo1−y2−z …(化学式12)
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