JP2007103141A - 正極活物質および非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】M1およびM2(M1はLi、Na、Kから選ばれる1種以上、M2はNi、Co、Mn、Feから選ばれる1種以上)を含有する粒状の複合金属酸化物と、該複合金属酸化物の表面に載置されるAl含有化合物とからなり、NaFeO2型結晶構造を有する正極活物質であって、CuKαを線源とする粉末X線回折測定によって得られる該正極活物質の粉末X線回折図形において、該NaFeO2型結晶の(104)面を表す回折ピークの半値幅が0.250以上0.290以下の範囲の値であり、該NaFeO2型結晶の格子定数で、a軸が2.874Å以上2.880Å以下の範囲の値でありかつc軸が14.170Å以上14.180Å以下の範囲の値であることを特徴とする正極活物質。
【選択図】なし
Description
また、従来の正極活物質として、特定の複合酸化物粒子の表面をCo、Al、Mnを含む化合物で被覆されてなる正極活物質が特許文献1に開示されている。
<1>M1およびM2(ただし、M1はLi、NaおよびKからなる群より選ばれる1種以上の元素であり、M2はNi、Co、MnおよびFeからなる群より選ばれる1種以上の元素である)を含有する粒状の複合金属酸化物と、該複合金属酸化物の表面に粒子として、または層状に載置されるAl含有化合物とからなり、NaFeO2型結晶構造を有する正極活物質であって、CuKαを線源とする粉末X線回折測定によって得られる該正極活物質の粉末X線回折図形において、該NaFeO2型結晶の(104)面を表す回折ピークの半値幅が0.250以上0.290以下の範囲の値であり、該NaFeO2型結晶の格子定数で、a軸が2.874Å以上2.880Å以下の範囲の値でありかつc軸が14.170Å以上14.180Å以下の範囲の値であることを特徴とする正極活物質。
<2>複合金属酸化物が、式Li1+x(Ni1-yM3 y)1-zO2(ただし、M3はCo、MnおよびFeからなる群より選ばれる1種以上の元素であり、xは0以上0.1以下の範囲の値であり、yは0以上0.3以下の範囲の値であり、zは0以上0.1以下の範囲の値である。)で表される複合金属酸化物である前記の正極活物質。
<3>Al含有化合物が、Al2O3、LiAlO2、Li(Ni1-aAla)O2、Li(Co1-aAla)O2およびLi(Mn1-aAla)2O4からなる群より選ばれる1種以上の化合物(ただし、aは0以上0.5以下の範囲の値である。)である前記いずれかに記載の正極活物質。
<4>正極活物質、負極活物質、セパレータおよび電解液を基本構成とする非水電解質二次電池であって、該正極活物質が前記いずれかに記載の正極活物質であることを特徴とする非水電解質二次電池。
まず本発明における複合金属酸化物は、本発明における複合金属酸化物となり得る金属化合物混合物を焼成して製造することができる。該金属化合物混合物は、M1およびM2を含有する金属化合物混合物である(ただし、M1はLi、NaおよびKからなる群より選ばれる1種以上の元素であり、M2はNi、Co、MnおよびFeからなる群より選ばれる1種以上の元素である)。具体的には、対応する金属元素を含有する化合物を所定の組成となるように秤量し混合した後に得られる金属化合物混合物を焼成して、複合金属酸化物を得る。例えば、好ましい組成の一つである式Li1.04Ni0.85Co0.15O2で表される複合金属酸化物は、水酸化リチウム、水酸化二ニッケル、酸化コバルトをLi:Ni:Coのモル比が1.04:0.85:0.15となるように秤量し、混合した後に得られる金属化合物混合物を焼成することにより得ることができる。
本発明の正極活物質は、上記の複合金属酸化物の表面にAl含有化合物を載置させることにより、製造することができる。この載置の方法としては、Al含有化合物を水または有機溶媒に分散させて得られる液状物と複合金属酸化物とを混合し乾燥させる方法、Al含有化合物と複合金属酸化物とを混合する方法が挙げられる。また、これらの方法により得られる正極活物質を水蒸気または二酸化炭素の存在下に置くことで、正極活物質の表面の活性をさらに向上させることができる傾向にある。載置させた後、再焼成を行うことが好ましい。この再焼成は、400℃以上770℃以下の範囲の温度で、5分以上10時間以下保持して行うことが好ましく、より好ましくは、600℃以上750℃以下の範囲の温度で1時間以上3時間以下である。
本発明の非水電解質二次電池は、本発明の正極活物質、負極活物質、セパレータおよび電解液を基本構成とする。具体的には、本発明の正極活物質を含有する正極電極シート、セパレータおよび負極活物質を含有する負極電極シートを、積層および巻回することにより得られる電極群を、電池缶内に収納した後、電解液を含浸させて製造することができる。
(b)工程(a)で得られた溶液を、シャットダウン機能を有する層の表面に塗工して塗工膜を形成させる。
(c)工程(b)で得られた塗工膜からアラミドを析出させ、湿潤塗工膜を形成させる。
(d)工程(c)で得られた湿潤塗工膜に含まれる極性有機溶媒を除去する。
(e)工程(d)で得られた極性有機溶媒除去後の塗工膜を乾燥して、積層多孔質フィルムを得る。
1)工程(b)で得られた塗工膜を、好ましくは20℃以上の温度、所定湿度に制御した雰囲気中におき、アラミドを析出させ、湿潤塗工膜を得る方法。
2)工程(b)で得られた塗工膜を、貧溶媒(アラミドが溶解できない溶媒)中に浸漬させ、アラミドを析出させ、湿潤塗工膜を得る方法。
尚、上記1)において所定湿度に制御した雰囲気は、相対湿度5%以下の乾燥雰囲気であってもよいし、相対湿度30%〜95%の湿潤雰囲気であってもよい。
1´)湿潤塗工膜と、上記極性有機溶媒を溶解できる、水、水溶液またはアルコール系溶液などの溶媒とを接触させることにより、極性有機溶媒を除去する方法。
2´)湿潤塗工膜を加熱することにより、極性有機溶媒を除去する方法。
方法1´)において、水を用いる場合には、金属イオンが低減されたイオン交換水を用いることが好ましい。方法2´)において、加熱温度は、溶融温度未満または分解温度未満であることが好ましい。除去としては、極性有機溶媒を完全に除去することが好ましいが、極性有機溶媒の一部が残っていてもよい。方法1´)の方が、工程(a)において、極性有機溶媒に添加剤として含有される無機塩類、縮合重合時に副生物として生じる無機塩類を除去することができるので好ましい。
すなわち、正極集電体に正極合剤が担持されてなる正極電極シート、負極集電体に負極合剤が担持されてなる負極電極シートおよびセパレータを積層して巻回する際、正極電極シートまたは負極電極シートのうち最外周側のシートの合剤が担持された部分の終端が巻回されるまで、正極電極シートおよび負極電極シートのうちの一つ以上を一定の張力で巻回する。一定の張力とは、正極電極シートおよび負極電極シートの各々にかかる張力が、相互には別の値であっても、各々の張力について、巻回の開始から、正極電極シートまたは負極電極シートのうち最外周側のシートの合剤が塗布された部分の終端が巻回されるまで、実質的に同じであることであり、巻回中の張力の値の変動は、20%以内とすることが好ましく、10%以内がさらに好ましい。また、正極電極シートおよび負極電極シートにかかる張力を、60g/cm以下とすることが本発明の非水電解質二次電池の安全性をより高めることができるため好ましい。セパレータにかかる張力は40g/cm以下が好ましい。また、正極電極シート、負極電極シートにかかる張力をそれぞれ0g/cmとすることもできる。正極電極シートおよび負極電極シートにかかる張力は、実質的に同一とすることが好ましい。
(1)正極活物質の製造
水酸化リチウム・一水和物620g(本所ケミカル)、水酸化ニッケル1120g(関西触媒)、酸化コバルト167g(正同化学)、を秤量し、アルミナボールおよびポリエチレン製ポットを用い、ボールミルで2時間混合した。該混合物を熱風乾燥機で乾燥し混合原料を得た。該混合原料を770℃で5時間、酸素中で焼成し、複合金属酸化物を得た。該複合金属酸化物にアルミナC(日本アエロジル)を8重量部添加し、ボールミルで2時間混合し、50℃、二酸化炭素2%雰囲気(希釈ガス空気)、相対湿度60%の条件下に、3時間静置した。その後、720℃、酸素中で2時間、再焼成し、正極活物質(1)を製造した。正極活物質(1)につき粉末X線回折測定を行った結果、該正極活物質はNaFeO2型結晶構造を有し、NaFeO2型結晶の(104)面を表す回折ピークの半値幅は0.254であり、格子定数でa軸は2.875Å、c軸は14.178Åであった。また、正極活物質(1)の一次粒子の凝集体の平均粒径をレーザー回折型粒度分布測定装置(マスターサイザー2000型、マルバーン社製)で測定した結果、平均粒径は9.6μmであった。
(2)正極シートの作製
カルボキシメチルセルロース1重量部を水に溶解し、ポリテトラフルオロエチレンが4.5重量部となるようにポリテトラフルオロエチレンの60重量%水分散液と、アセチレンブラック2.5重量部と正極活物質として正極活物質(1)92重量部を分散混練し正極用電極合剤のペーストとした。該ペーストを正極集電体である厚さ20μmのAl箔の両面の所定部分に塗布し、乾燥、ロールプレス、スリットを行い正極シートを得た。正極用電極合剤の未塗布部分は2cmであり、その端部にアルミリードを抵抗溶接した。
カルボキシメチルセルロース2重量部を水に溶解し、天然黒鉛98重量部を分散混練し負極用電極合剤のペーストとした。該ペーストを負極集電体である厚さ12μmのCu箔の両面の所定部分に塗布し、乾燥、ロールプレス、スリットを行って負極シートを得た。負極用電極合剤の未塗布部分は、2cmのものと30cmのものを作製し、その負極用電極合剤塗布側の端部にニッケルリードを抵抗溶接した。
3−a パラアラミド溶液の合成
撹拌翼、温度計、窒素流入管及び粉体添加口を有する5リットル(l)のセパラブルフラスコを使用してポリ(パラフェニレンテレフタルアミド)(以下、PPTAと略す)の合成を行った。フラスコを十分乾燥し,4200gのNMPを仕込み、200℃で2時間乾燥した塩化カルシウム272.65gを添加して100℃に昇温した。塩化カルシウムが完全に溶解した後室温に戻して、パラフェニレンジアミン(以下、PPDと略す)132.91gを添加し完全に溶解させた。この溶液を20±2℃に保ったまま、テレフタル酸ジクロライド(以下、TPCと略す)243.32gを10分割して約5分おきに添加した。その後溶液を20±2℃に保ったまま1時間熟成し、気泡を抜くため減圧下30分撹拌した。得られた重合液は光学的異方性を示した。一部をサンプリングして水で再沈してポリマーとして取り出し、得られたPPTAの固有粘度を測定したところ1.97dl/gであった。
次に、この重合液100gを、攪拌翼、温度計、窒素流入管および液体添加口を有する500mlのセパラブルフラスコに秤取し、NMP溶液を徐々に添加した。最終的に、PPTA濃度が2.0重量%のPPTA溶液を調製し、これをP液とした。
シャットダウン層としては、PE(ポリエチレン)製多孔質膜(膜厚16μm、透気度400秒/100cc、平均細孔半径(水銀圧入法)0.04μm)を用いた。テスター産業株式会社製バーコーター(間隙200μm)により、ガラス板上に置いた上記PE製多孔質膜の上に耐熱樹脂溶液であるP液を塗布して、実験室内のドラフト内に約20分間保持したところ、PPTAが析出し、PE製多孔質膜上に白濁した膜状物が得られた。該膜状物が付着したPE製多孔質膜をイオン交換水に浸漬し、5分後に膜状物をガラス板から剥離し、イオン交換水を流しながら充分に水洗した後、遊離水を拭き取った。この膜状物をナイロン布に挟み、さらにアラミド製フェルトに挟んだ。膜状物が付着したPE製多孔質膜をナイロン布とアラミド製フェルトに挟んだ状態で、アルミ板を乗せ、その上にナイロンフィルムを被せ、ナイロンフィルムとアルミ板とをガムでシールして、減圧のための導管をつけた。全体を熱オーブンに入れ60℃で減圧しながら膜状物を乾燥してPE製多孔質膜からなるシャットダウン層とアラミド製多孔質膜(厚み:5μm)からなる耐熱多孔質層が積層された複合フィルム(厚み21μm)を得てこれをセパレータとした。
上記のようにして作製した正極シート、負極シート(負極用電極合剤未塗布部30cm)とセパレータとを、正極シート、セパレータ、負極シートの順になるように、また負極の合剤未塗布部が最外周になるように積層し、一端より巻き取って電極群とした。この際、最外周となる負極シートは、負極用電極合剤塗布部が完全に巻き取られ、さらに負極リードがセパレータに巻き取られるまで張力をかけた後、セパレータとともにカットした。その後、最外周部分に緩みがない様に巻き取った後、最外周のセパレータをテープで固定した。なおこのときの正極シートおよび負極シートへの張力は60g/cm、セパレータへの張力は33g/cmとした。
前記の電極素子を電池缶に挿入し、非水電解質溶液としてエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートの体積比16:10:74混合液にLiPF6を1モル/リットルとなるように溶解したものを含浸し、正極端子を兼ねる電池蓋をガスケットを介してかしめて、14500サイズの円筒型電池を得た。得られた電池について、充電最大電圧4.2V、充電時間8時間、充電電流0.5mA/cm2、放電最小電圧3.0V、放電電流0.5mA/cm2の条件で初期放電容量を測定したところ、初期放電容量は188mAh/gであった。
混合原料を770℃で焼成した以外は実施例1と同様にして、正極活物質(2)を製造した。正極活物質(2)につき粉末X線回折測定を行った結果、該正極活物質はNaFeO2型結晶構造を有し、NaFeO2型結晶の(104)面を表す回折ピークの半値幅は0.261であり、格子定数でa軸は2.876Å、c軸は14.176Åであった。また、正極活物質(2)の一次粒子の凝集体の平均粒径を実施例1と同様に測定した結果、平均粒径は10.5μmであった。正極活物質(2)を用いて実施例1と同様にして14500型円筒電池を作製した。得られた電池について実施例1と同様にして測定した初期放電容量は185mAh/gであった。また、このようにして得た円筒型電池2個について、4.45Vの過充電状態で釘刺し試験を実施した。その結果、試験した電池には過充電という苛酷な状態にもかかわらず、緩やかな温度上昇しか認められなかった。
混合原料を800℃で焼成した以外は実施例1と同様にして、正極活物質(3)を製造した。正極活物質(3)につき粉末X線回折測定を行った結果、該正極活物質はNaFeO2型結晶構造を有し、NaFeO2型結晶の(104)面を表す回折ピークの半値幅は0.238であり、格子定数でa軸は2.873Å、c軸は14.178Åであった。正極活物質(3)を用いて実施例1と同様にして14500型円筒電池を作製した。得られた電池について実施例1と同様にして測定した初期放電容量は179mAh/gであった。また、このようにして得た円筒型電池2個について、4.45Vの過充電状態で釘刺し試験を実施した。その結果、試験した電池には過充電という苛酷な状態にもかかわらず、緩やかな温度上昇しか認められなかった。
再焼成の温度を800℃とした以外は実施例1と同様にして、正極活物質(4)を製造した。正極活物質(4)につき粉末X線回折測定を行った結果、該正極活物質はNaFeO2型結晶構造を有し、NaFeO2型結晶の(104)面を表す回折ピークの半値幅は0.235であり、格子定数でa軸は2.875Å、c軸は14.160Åであった。正極活物質(4)を用いて実施例1と同様にして14500型円筒電池を作製した。得られた電池について実施例1と同様にして測定した初期放電容量は174mAh/gであった。また、このようにして得た円筒型電池2個について、4.45Vの過充電状態で釘刺し試験を実施した。その結果、試験した電池の温度上昇は実施例1、2、比較例1の場合より速かった。
Claims (4)
- M1およびM2(ただし、M1はLi、NaおよびKからなる群より選ばれる1種以上の元素であり、M2はNi、Co、MnおよびFeからなる群より選ばれる1種以上の元素である)を含有する粒状の複合金属酸化物と、該複合金属酸化物の表面に粒子として、または層状に載置されるAl含有化合物とからなり、NaFeO2型結晶構造を有する正極活物質であって、CuKαを線源とする粉末X線回折測定によって得られる該正極活物質の粉末X線回折図形において、該NaFeO2型結晶の(104)面を表す回折ピークの半値幅が0.250以上0.290以下の範囲の値であり、該NaFeO2型結晶の格子定数で、a軸が2.874Å以上2.880Å以下の範囲の値でありかつc軸が14.170Å以上14.180Å以下の範囲の値であることを特徴とする正極活物質。
- 複合金属酸化物が、式Li1+x(Ni1-yM3 y)1-zO2(ただし、M3はCo、MnおよびFeからなる群より選ばれる1種以上の元素であり、xは0以上0.1以下の範囲の値であり、yは0以上0.3以下の範囲の値であり、zは0以上0.1以下の範囲の値である。)で表される複合金属酸化物である請求項1記載の正極活物質。
- Al含有化合物が、Al2O3、LiAlO2、Li(Ni1-aAla)O2、Li(Co1-aAla)O2およびLi(Mn1-aAla)2O4からなる群より選ばれる1種以上の化合物(ただし、aは0以上0.5以下の範囲の値である。)である請求項1または2記載の正極活物質。
- 正極活物質、負極活物質、セパレータおよび電解液を基本構成とする非水電解質二次電池であって、該正極活物質が請求項1〜3のいずれかに記載の正極活物質であることを特徴とする非水電解質二次電池。
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