JP2008166118A - リチウム二次電池用の負極活物質及びリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】LixMyVzO2+d(但し、組成比を示すx、y、z、dは、0.1≦x≦2.5,0≦y≦0.5,0.5≦z≦1.5,0≦d≦0.5であり、Mは、Al、Cr、Mo、Ti、W及びZrからなる群より選択される少なくとも一つの元素である。)で示されるリチウムバナジウム複合酸化物の表面に、2族〜15族のうちの何れか1種または2種以上の元素を含む化合物が付着されてなることを特徴とするリチウム二次電池用の負極活物質を採用する。
【選択図】なし
Description
上記炭素系材料のうち黒鉛は、リチウム対比放電電位が約0.2Vと卑である。このように、リチウム対比放電電位が低い材料を負極に使用したリチウム二次電池は、放電電位が3.6Vと高く、またエネルギー密度面で優れた特性を有する。また、このような黒鉛からなる負極活物質は優れた可逆性を有するため、リチウム二次電池の長寿命化といった観点からも、現在では最も広く用いられている。
本発明のリチウム二次電池用の負極活物質は、LixMyVzO2+d(但し、組成比を示すx、y、z、dは、0.1≦x≦2.5,0≦y≦0.5,0.5≦z≦1.5,0≦d≦0.5であり、Mは、Al、Cr、Mo、Ti、W及びZrからなる群より選択される少なくとも一つの元素である。)で示されるリチウムバナジウム複合酸化物の表面に、2族〜15族のうちの何れか1種または2種以上の元素を含む化合物が付着されてなることを特徴とする。
また、本発明のリチウム二次電池用の負極活物質においては、前記化合物が、Zr、Mg、Al、Yのうちの何れか1種または2種以上を含む化合物であることが好ましい。
更に、本発明のリチウム二次電池用の負極活物質においては、前記化合物が、Zr、Mg、Al、Yのうちの何れか1種または2種以上を含む酸化物、窒化物、ハロゲン化物、硫化物または水酸化物であることが好ましい。
更にまた、本発明のリチウム二次電池用の負極活物質においては、前記化合物が、酸化イットリウムまたは酸化ジルコニウムのいずれか一方または両方であることが好ましい。
従って、このような負極活物質が備えられたリチウム二次電池においては、リチウムイオン挿入時の負極活物質表面における非水電解質の分解反応を抑制することができる。また、リチウム二次電池の熱安定性を高めることができる。
従って、このような負極活物質が備えられたリチウム二次電池においては、体積当りのエネルギー密度高めることができるとともに、サイクル寿命の長寿命化を図ることができる。
本発明のリチウム二次電池は、正極と負極と非水電解質とを具備して構成されている。
本発明のリチウム二次電池においては、負極に含まれる負極活物質として、リチウムバナジウム複合酸化物の表面に、2族〜15族のうちの何れか1種または2種以上の元素を含む化合物が付着されてなる負極活物質が備えられている。このような負極活物質が備えられることによって、リチウム二次電池の熱的安定性を高めて、安全性を向上させることが可能になる。
以下、本発明のリチウム二次電池を構成する正極、負極及び非水電解質について順次説明する。
本発明のリチウム二次電池では、正極として、リチウムの挿入、脱離が可能な正極活物質と導電助材と結着剤とが含有されてなる正極合材と、正極合材に接合される正極集電体とからなるシート状の電極を用いることができる。また、正極として、上記の正極合材を円板状に成形させてなるペレット型若しくはシート状の正極も用いることができる。
また、上記の正極合材には、後述する被膜形成化合物が含有されていてもよい。
また結着剤としてはポリフッ化ビニリデン、ポリ4フッ化エチレン等を例示できる。
更に導電助材としては、カーボンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素化物を例示できる。更に正極集電体としては、アルミニウム、ステンレス等からなる金属箔または金属網を例示できる。
次に、負極としては、リチウムの挿入、脱離が可能な負極活物質と結着剤及び必要に応じて導電助材とが含有されてなる負極合材と、この負極合材に接合される負極集電体とからなるシート状の電極を用いることができる。また、負極として、上記の負極合材を円板状に成形させてなるペレット型若しくはシート状の電極も用いることができる。
また、負極活物質及び結着剤の他に、導電助材としてカーボンブラック、黒鉛粉末、炭素繊維、金属粉末、金属繊維等を添加しても良い。更に負極集電体としては、銅からなる金属箔または金属網を例示できる。
これら化合物は、後述するように、Zr等の炭酸塩とLixMyVzO2+dとを混合して焼成する方法や、Zr等の炭酸塩と、LixMyVzO2+dを構成するLi源、M源及びV源とを同時に焼成する方法や、Zr等の炭酸塩とLixMyVzO2+dとをメカノケミカル法によって一体化する方法等によって、LixMyVzO2+dの表面に付着させることができる。
このため、2族〜15族のうちの何れかの元素の中でも、特にV(バナジウム)よりもイオン半径が大きいものを用いることが、LixMyVzO2+dの表面に上記化合物を付着させることができるためより好ましい。V(バナジウム)よりもイオン半径が大きい元素としては、Y(イットリウム)またはZr(ジルコニウム)を例示できる。
第1の方法としては、LixMyVzO2+dのなる組成のリチウムバナジウム複合酸化物と、Zr、Mg、Al、Y等の炭酸塩または水酸化物を用意する。そして、これら複合酸化物及び炭酸塩等を、湿式または乾式で混合し、窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気中で例えば400℃〜1400℃の温度で焼成すればよい。なお、焼成時間は、焼成温度によって適宜変更される。このような方法によって、Zr、Mg、Al、Y等の酸化物がリチウムバナジウム複合酸化物の表面に付着されてなる負極活物質が得られる。
そして、これらを湿式または乾式で混合し、窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気中で例えば400℃〜1400℃の温度で焼成すればよい。なお、焼成時間は、焼成温度によって適宜変更される。このような方法によって、Zr、Mg、Al、Y等の酸化物がリチウムバナジウム複合酸化物の表面に付着されてなる負極活物質が得られる。
次に混合物をメカノケミカル法で処理することによって、リチウムバナジウム複合酸化物の表面に、上記の酸化物、窒化物、ハロゲン化物、硫化物または水酸化物を、物理的に付着させる。このようにして、リチウムバナジウム複合酸化物の表面に、2族〜15族のうちの何れか1種または2種以上の元素を含む酸化物、窒化物、ハロゲン化物、硫化物または水酸化物が付着されてなる負極活物質が製造される。
次に、非水電解質としては、例えば、非プロトン性溶媒にリチウム塩が溶解されてなる非水電解質を例示できる。
エチレンカーボネートとジメチルカーボネート、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネート、エチレンカーボネートとジエチルカーボネート、プロピレンカーボネートとジメチルカーボネート、プロピレンカーボネートとメチルエチルカーボネート、プロピレンカーボネートとジエチルカーボネート、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとジメチルカーボネート、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとメチルエチルカーボネート、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとジエチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとメチルエチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネート、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとジエチルカーボネート、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとメチルエチルカーボネートとジエチルカーボネート、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとジメチルカーボネートとメチルエチルカーボネート、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとジメチルカーボネートとジエチルカーボネート、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとジエチルカーボネート、エチレンカーボネートとプロピレンカーボネートとジメチルカーボネートとメチルエチルカーボネートとジエチルカーボネート。
環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合割合(環状カーボネート:鎖状カーボネート)は、重量比で表して、好ましくは1:99〜99:1、より好ましくは5:95〜70:30、さらに好ましくは10:90〜60:40である。この混合割合はリチウム二次電池の充放電特性を損なわない非水電解質の良好な電気伝導性をもって適宜決定される。
従って、このような負極活物質が備えられたリチウム二次電池においては、リチウムイオン挿入時の負極活物質表面における非水電解質の分解反応を抑制することができる。また、リチウム二次電池の熱安定性を高めることができる。
従って、このような負極活物質が備えられたリチウム二次電池においては、体積当りのエネルギー密度高めることができるとともに、サイクル寿命の長寿命化を図ることができる。
まず、V2O4の粉末と、LiCO3の粉末とを混合して混合粉末を調製した。混合粉末におけるリチウムとバナジウムのモル比はLi:V=1.1:0.9とした。
次に、上記の混合粉末を、流量5L/分で窒素を流す窒素雰囲気下で1100℃で10時間焼成することにより、Li1.1V0.9O2なる組成のリチウムバナジウム複合酸化物を製造した。
次に、得られたリチウムバナジウム複合酸化物の97質量部に対して3質量部の炭酸ジルコニウムを添加し、乾式混合した後、流量5L/分で窒素を流す窒素雰囲気下で1100℃で10時間焼成した。このようにして、実施例1の負極活物質を製造した。
炭酸ジルコニウムに代えて、炭酸イットリウムを添加したこと以外は上記実施例1と同様にして、実施例2の負極活物質を製造した。
実施例2の負極活物質について、X線回折を測定したところ、Y2O3(酸化イットリウム)の存在が確認された。なお、炭酸イットリウムは検出されなかった。
まず、実施例1と同様にしてLi1.1V0.9O2なる組成のリチウムバナジウム複合酸化物を製造した。
次に、得られたリチウムバナジウム複合酸化物の94質量部に対して3質量部の炭酸ジルコニウムと3質量部の炭酸イットリウムとを添加し、乾式混合した後、流量5L/分で窒素を流す窒素雰囲気下で1100℃で10時間焼成した。このようにして、実施例3の負極活物質を製造した。
実施例3の負極活物質について、X線回折を測定したところ、ZrO2(酸化ジルコニウム)及びY2O3(酸化イットリウム)の存在が確認された。なお、炭酸ジルコニウム及び炭酸イットリウムは検出されなかった。
まず、V2O4の粉末と、LiCO3の粉末とを混合して混合粉末を調製した。混合粉末におけるリチウムとバナジウムのモル比はLi:V=1.1:0.9とした。
次に、混合粉末97質量部に対し3質量部の炭酸ジルコニウムを添加し、水を加えて湿式混合してから乾燥した後、流量5L/分で窒素を流す窒素雰囲気下で1100℃で10時間焼成した。このようにして、実施例4の負極活物質を製造した。
実施例4の負極活物質について、X線回折を測定したところ、Li1.1V0.9O2なる組成のリチウムバナジウム複合酸化物と、ZrO2(酸化ジルコニウム)との存在が確認された。なお、炭酸ジルコニウムは検出されなかった。
まず、実施例1と同様にしてLi1.1V0.9O2なる組成のリチウムバナジウム複合酸化物を製造した。
次に、得られたリチウムバナジウム複合酸化物の97質量部に対して3質量部のZrO2(酸化ジルコニウム)を添加して乾式混合した。その後、乾式混合後の混合物をメカノケミカル法によって処理することにより、実施例5の負極活物質を製造した。
なお、メカノケミカル法による処理は、メカノフュージョン(AMS)(ホソカワミクロン社製)を用いて、5分間行った。
実施例5の負極活物質について、X線回折を測定したところ、Li1.1V0.9O2なる組成のリチウムバナジウム複合酸化物と、ZrO2(酸化ジルコニウム)との存在が確認された。
実施例1と同様にしてLi1.1V0.9O2なる組成のリチウムバナジウム複合酸化物を製造し、これを比較例1の負極活物質とした。
まず、実施例1と同様にしてLi1.1V0.9O2なる組成のリチウムバナジウム複合酸化物を製造した。
次に、得られたリチウムバナジウム複合酸化物の97質量部に対して3質量部のZrO2(酸化ジルコニウム)を添加し、ボールミルを用いた乾式混合を2時間実施することによって、比較例2の負極活物質を製造した。
まず、実施例1と同様にしてLi1.1V0.9O2なる組成のリチウムバナジウム複合酸化物を製造した。
次に、得られたリチウムバナジウム複合酸化物の97質量部に対して3質量部のY2O3(酸化イットリウム)を添加し、ボールミルを用いた乾式混合を2時間実施することによって、比較例3の負極活物質を製造した。
上記の各負極活物質のうち、実施例1及び比較例1の負極活物質について、走査型電子顕微鏡を用いて、負極活物質の表面形態を観察した。実施例1の負極活物質のSEM写真を図1に示し、比較例1の負極活物質のSEM写真を図2に示す。
また、金属リチウムの薄帯からなる電極(対極)を用意した。
得られた電極及び対極の間にポリプロピレン製セパレータを装入して電極群を形成し、この電極群をコイン型の電池容器に収納した。そして、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)が容量比でEC:DMC=3:7の割合で混合されてなる混合溶媒に1.3MのLiPF6が溶解されてなる電解液を注液し、その後、電池容器を封口することにより、実施例1〜5及び比較例1〜3の評価用電池を製造した。
図1及び図2には、実施例1及び比較例1の負極活物質のSEM写真をそれぞれ示している。図1と図2を比較すると、実施例1では、Li1.1V0.9O2粒子の表面に、ZrO2が付着していることが明かである。
このように、負極活物質の熱安定性を向上するためには、酸化ジルコニウムまたは酸化イットリウムをLi1.1V0.9O2に単に混合しただけでは足りず、焼成またはメカノケミカルなどの処理が必要であることが分かる。
上記の実施例1と同様にして、Li1.1V0.9O2なる組成のリチウムバナジウム複合酸化物を製造した。
次に、得られたリチウムバナジウム複合酸化物の90〜100質量部に対して、0、0.5、1、3、5、10質量部の炭酸ジルコニウムをそれぞれ添加し、乾式混合した後、流量5L/分で窒素を流す窒素雰囲気下で1100℃で10時間焼成した。このようにして、各種の負極活物質を製造した。
そして、得られた負極活物質について、実施例1〜5及び比較例1〜3と同様にして、放電容量を測定するとともに、発熱量を測定した。結果を図3に示す。なお、図3における放電容量は、酸化ジルコニウムの添加量が0%の時の放電容量を100%としたときの容量比である。
Claims (5)
- LixMyVzO2+d(但し、組成比を示すx、y、z、dは、0.1≦x≦2.5,0≦y≦0.5,0.5≦z≦1.5,0≦d≦0.5であり、Mは、Al、Cr、Mo、Ti、W及びZrからなる群より選択される少なくとも一つの元素である。)で示されるリチウムバナジウム複合酸化物の表面に、2族〜15族のうちの何れか1種または2種以上の元素を含む化合物が付着されてなることを特徴とするリチウム二次電池用の負極活物質。
- 前記化合物が、Zr、Mg、Al、Yのうちの何れか1種または2種以上を含む化合物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の負極活物質。
- 前記化合物が、Zr、Mg、Al、Yのうちの何れか1種または2種以上を含む酸化物、窒化物、ハロゲン化物、硫化物または水酸化物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の負極活物質。
- 前記化合物が、酸化イットリウムまたは酸化ジルコニウムのいずれか一方または両方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の負極活物質。
- 請求項1乃至請求項4の何れかに記載のリチウム二次電池用の負極活物質を備えたことを特徴とするリチウム二次電池。
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