JP2008210767A - リチウム二次電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】リチウム二次電池を提供する。
【解決手段】リチウムイオンを挿入及び脱離できる正極活物質を含む正極2、リチウムイオンを挿入及び脱離できる負極活物質を含む負極3及び非水性有機溶媒とリチウム塩を含む電解質を含む。正極2は、3.65g/cc以上の合剤密度を有して、またリチウム塩はリチウムヘキサフルオロホスファート(LiPF)、リチウムテトラフルオロボラート(LiBF)及びリチウムイミド系化合物を含む。これにより、高合剤密度を有する正極を含んで、高容量を示し、また優れた寿命特性及び高温信頼性を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、リチウム二次電池に係り、より詳しくは、高容量及び優れた寿命特性と高温信頼性を有するリチウム二次電池に関するものである。
最近の携帯用小型電子機器の電源として脚光を浴びているリチウム二次電池は有機電解液を使って、既存のアルカリ水溶液を用いた電池より2倍以上の高い放電電圧を示すことによって高いエネルギー密度を示す電池である。
リチウム二次電池の正極活物質としてはLiCoO、LiMn、LiNi1−xCo(0<x<1)等のように、リチウムの挿入が可能な構造を有するリチウムと遷移金属から成る酸化物が主に使われている。
また負極活物質としてはリチウムの挿入及び脱離が可能な人造黒鉛、天然黒鉛及びハードカーボンを含む多様な形態の炭素系材料が適用されてきた。炭素系材料中人造黒鉛又は天然黒鉛のような黒鉛はリチウム対比放電電圧が−0.2Vと低くて、黒鉛を負極活物質として用いた電池は3.6Vの高い放電電圧を示し、リチウム電池のエネルギー密度面で利点を提供し、また優れた可逆性によってリチウム二次電池の長寿命を保障するため最も幅広く使用されている。しかしながら、黒鉛を活物質として極板を製造する場合極板密度が低くなって、極板の単位体積当りエネルギー密度側面から容量が低いという問題がある。また、高い放電電圧では黒鉛と有機電解液との副反応が起こりやすく、電池の誤動作、及び過充電などによる発火或いは爆発の危険性がある。
このような問題を解決するために、酸化物の負極活物質が最近、開発されている。例えば、富士フィルムが研究開発した非晶質の錫酸化物は質量当り800mAh/gの高容量を示す。しかしながら、この錫酸化物は初期不可逆容量が50%程度になる致命的な問題があり、また充放電によって、錫酸化物のうちの一部が酸化物から金属錫に還元されるなど付随的な問題も深刻に発生しており電池への使用をより一層難しくしているのが実情である。
このほか、酸化物負極として特許文献1にLiMgVO(0.05≦a≦3、0.12≦b≦2、2≦2c−a−2b≦5)の負極活物質が記述されている。また、特許文献2には、MXO化合物の表面処理層を有する活物質の製造方法が記述されている。また、非特許文献1ではLi1.10.9のリチウム二次電池負極特性について発表されたことがある。
しかしながら、まだ酸化物負極としては満足するほどの電池性能を示すことができておらず、それに関する研究が継続して進行中にある。
特開2002-216753号公報 韓国特許第424646号 日本電池討論会、2002年要旨集番号、第3B05号
本発明の課題は、リチウム二次電池の高容量化と寿命特性及び高温信頼性の改善である。
本発明の一実施例によれば、リチウムイオンを挿入及び脱離できる正極活物質を含む正極、リチウムイオンを挿入及び脱離できる負極活物質を含む負極、及び非水性有機溶媒とリチウム塩を含む電解質を含むリチウム二次電池を提供する。
正極活物質が、3.65g/cc以上の合剤密度を有して、リチウム塩はリチウムヘキサフルオロホスファート(LiPF)、リチウムテトラフルオロボラート(LiBF)及びリチウムイミド系化合物を含む。
リチウムイミド系化合物が、Li[N(SOCF]、Li[N(SOCFCF]及びこれらの混合物から成る群より選択されることが望ましい。
リチウムイミド系化合物が、0.1M〜0.7Mの濃度に含まれることが望ましい。
LiPFが、0.7M〜1.5Mの濃度で含まれることが望ましい。
LiBFが、電解液総質量に対して0.05質量%〜0.5質量%の範囲で含まれることが望ましい。
電解質が、LiSbF、LiAsF、LiClO、LiCFSO、LiCSO、LiAlO、LiAlCl、LiSOCF、LiCl、LiI、LiB(C、及びこれらの混合物から成る群から選択されるリチウム塩をさらに含むことが好ましい。
正極活物質が、下記の化学式1〜化学式24の化合物から成る群から選択されることが望ましい。
[化学式1]Li1-b(0.95≦a≦1.1、及び0≦b≦0.5)。
[化学式2]Li1-b2−c(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05)。
[化学式3]LiE2-b4−c(0≦b≦0.5、0≦c≦0.05)。
[化学式4]LiNi1−b−cCoα(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α≦2)。
[化学式5]LiNi1−b−cCo2−αα(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2)。
[化学式6]LiNi1−b−cCo2−α(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2)。
[化学式7]LiNi1−b−cMnα(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α≦2)。
[化学式8]LiNi1−b−cMn2−αα(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2)。
[化学式9]LiNi1−b−cMn2−α(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2)。
[化学式10]LiNi(0.90≦a≦1.1、0≦b≦0.9、0≦c≦0.9、0.001≦d≦0.2)。
[化学式11]LiNiCoMn(0.90≦a≦1.1、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5、0.001≦e≦0.2)。
[化学式12]LiNiG(0.90≦a≦1.1、0.001≦b≦0.1)。
[化学式13]LiCoG(0.90≦a≦1.1、0.001≦b≦0.1)。
[化学式14]LiMnG(0.90≦a≦1.1、0.001≦b≦0.1)。
[化学式15]LiMn(0.90≦a≦1.1、0.001≦b≦0.2)。
[化学式16]QO
[化学式17]QS
[化学式18]LiQS
[化学式19]V
[化学式20]LiV
[化学式21]LiIO
[化学式22]LiNiVO
[化学式23]Li(3−f)(PO(0≦f≦3)
[化学式24]Li(3−f)Fe(PO(0≦f≦2)
(化学式1〜化学式24において、AはNi、Co、Mn、及びこれらの組み合わせから成る群から選択され;BはAl、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、希土類元素及びこれらの組み合わせから成る群から選択され;DはO、F、S、P、及びこれらの組み合わせから成る群から選択され;EはCo、Mn、及びこれらの組み合わせから成る群より選択され;FはF、S、P、及びこれらの組み合わせから成る群から選択され;GはMg、Ca、Sr、Ba、Ra、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Rf、V、Nb、Ta、Db、Cr、Mo、W、Sg、Tc、Re、Bh、Fe、Ru、Os、Hs、Rh、Ir、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、B、Al、Ga、In、Tl、Si、Ge、Sn、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te、Po、Fe、Sr、ランタン族元素、及びこれらの組み合わせから成る群から 選択され;QはTi、Mo、Mn、及びこれらの組み合わせから成る群から選択され;IはCr、V、Fe、Sc、Y、Ti、及びこれらの組み合わせから成る群から選択され;JはV、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、及びこれらの組み合わせから成る群から選択される)。
正極活物質が、下記の化学式25の化合物によって、表面処理されていることが望ましい。
[化学式25]MXO(Mはアルカリ金属、アルカリ土金属、13族元素、14族元素、遷移金属及び希土類元素から成る群より選択される少なくとも一つの元素であり、Xは酸素と二重結合を形成できる元素であり、kは2〜4の範囲にある)。
元素Mが、Na、K、Mg、Ca、Sr、Ni、Co、Si、Ti、B、Al、Sn、Mn、Cr、Fe、V、Zr及びこれらの組み合わせから成る群より選択されることが好ましい。
二重結合形成可能な元素はP、S、W及びこれらの組み合わせから成る群より選択されることが好ましい。
負極活物質が、リチウム、リチウムと合金化可能な金属物質、炭素質物質、金属物質と炭素質物質を含む複合物質及びこれらの混合物から成る群より選択されることが好ましい。
リチウムと合金可能な金属が、Al、Si、Sn、Pb、Zn、Bi、In、Mg、Ga、Cd、Ag、Ge、Ti、及びこれらの組み合わせから成る群より選択されることが好ましい。
非水性有機溶媒が、カーボネート系溶媒、エステル系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、アルコール系溶媒、陽子性溶媒、非陽子性溶媒、及びこれらの混合物から成る群より選択される有機溶媒を含むことが好ましい。
本発明によるリチウム二次電池は高容量及び優れた寿命特性を示し、特に高温で優れた寿命特性を示す。
以下、より詳細に説明する。
リチウム電池を25℃以上の温度で充電すると正極及び負極が熱的に不安定になって、電解質塩、有機溶媒、正極及び負極の活物質が分解されて、電池寿命及び安全性に深刻な問題が発生した。
これに対してリチウム塩を最適に組み合わせて使うことによって高合剤密度を有する正極でも優れた寿命特性及び安全性を有するリチウム二次電池を提供できる。
図1は、本発明の一実施例によるリチウム二次電池を概略的に示す断面図である。
図1を参照してリチウム二次電池を説明すれば、リチウム二次電池1は正極2、負極3及び正極2と負極3の間に存在するセパレータ4に含浸された電解液を含む電池容器5と、電池容器5を封入する封入部材6を含む。
正極2は集電体、及び集電体に形成される正極活物質層を含み、正極活物質層は電気化学的な酸化還元が可能な活物質を含む。
正極活物質としてはリチウムの可逆的な挿入及び脱離が可能な化合物(lithiated intercalation compound)を使用できる。具体的にはコバルト、マンガン、ニッケル、及びこれらの組み合わせから選択される金属とリチウムとの複合酸化物のうち1種以上のものを用いることができ、より好ましくは、上述した化学式1〜化学式24のうちの何れか一つに表現される化合物を使用できる。
また、上述した以外に無機硫黄(S、elemental sulfur)及び硫黄系化合物を使用してもよく、硫黄系化合物としてはLiSn(n≧1)、カソード液(catholyte)に溶解されたLiSn(n≧1)、有機硫黄化合物又は炭素−硫黄ポリマー((C:f=2.5〜50、n≧2)等を使用できる。
また正極活物質は上述した化学式25の化合物によって、表面処理されてもよい。
13族と14族は、新たなIUPACによるものであり、それぞれ周期律表でAlを含む元素族とSiを含む元素族を意味する。本発明の望ましい実施例で、MはNa、K、Mg、Ca、Sr、Ni、Co、Si、Ti、B、Al、Sn、Mn、Cr、Fe、V、Zr又はこれらの組み合わせであり、XはP、S、W又はこれらの組み合わせである。
本発明で化学式25の化合物において、元素Mの含有量は正極活物質総質量に対して0.1〜15質量%、好ましくは0.1〜6質量%の量で存在することが望ましい。また酸素と二重結合可能な元素Xの含有量は活物質総質量に対して0.1〜15%、好ましくは0.1〜6質量%の量で存在することが望ましい。活物質の表面に存在するM又はXの含有量が範囲を外れる場合には高電流率での電気化学的特性と熱的安定性が改善されない。
本発明で表面処理される活物質がリチウム挿入化合物である場合には活物質の表面にMXOの化合物以外にリチウム挿入化合物とMXOの化合物が結合して、固溶体化合物が形成される。この場合、活物質の表面処理層は固溶体化合物とMXOの化合物を含む。固溶体化合物はLi、M´(M´はリチウム挿入化合物に由来したAl、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、希土類元素又はこれらの組み合わせ)、M(Mはアルカリ金属、アルカリ土金属、13族元素、14族元素、遷移金属、希土類元素又はこれらの組み合わせ)、X(酸素と二重結合可能な元素)及びO(酸素)を含む。
このようなリチウム挿入化合物の表面に固溶体化合物及びMXOの化合物を含む表面処理層を形成する場合元素MとXは活物質の表面から中心部まで濃度勾配を有する。つまり、MとXは活物質粒子の表面で高濃度に存在して粒子の内部に行くほどますますその濃度が低くなる傾向がある。
MXO化合物の表面処理層を有する活物質は特許文献2に記載された方法で製造できる。
このような表面にMXO(kは2〜4である)化合物が形成された活物質は構造的な安定性に優れて高電流率でも低電流率の場合と同じ平均電圧帯を示し、優れた寿命特性と容量特性を示す。また熱的安定性に優れて燃焼、熱露出、及び過充電の時にも電池の安全性を改善できる。
そのために化学式1〜化学式15の化合物のようにLiと共にNi、Co、Mn以外のドーピング元素を含む活物質に化学式25の化合物で表面処理されたものを正極活物質として使用することがより望ましい。
正極活物質層はまた、集電体との接着力向上のためのバインダー、又は電気伝導性向上のための導電材などをさらに含んでもよい。
バインダーとしてはポリ塩化ビニル、ポリビニルジフルオライド、エチレンオキシドを含むポリマー、ポリビニルアルコール、カルボキシル化されたポリ塩化ビニル、フッ化ポリビニリデン、ポリイミド、ポリウレタン、エポキシ樹脂、ナイロン、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピレンセルロース、ジアセチレンセルロース、ポリビニルピロリドン、ポリテトラフルオロエチレン、スチレン−ブタジエンラバー、アクリレーテッドスチレン−ブタジエンラバー、これらの共重合体及びこれらの混合物から成る群より選択されることを使用できる。
導電材は、構成される電池において化学変化を惹起することがなく電子伝導性材料であれば、どのようなものも使用可能であり、例えば天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末、又は金属繊維などを使用でき、またポリフェニレン誘導体などの導電性材料を混合して使用できる。
図1のような構成を有する正極2は、正極活物質、バインダーを、また必要ならば導電材をも溶媒中で混合して、正極活物質層形成用組成物を製造した後、正極活物質層形成用組成物を集電体に塗布した後乾燥圧延して製造できる。このような電極製造方法は当該分野に広く知られた内容であるため本明細書で詳細な説明は省略する。
正極活物質、バインダー及び導電材は前述したことと同一である。
溶媒としてはN-メチルピロリドンなどを使用できるが、これに限定されるものではない。
集電体としてはアルミニウム箔、ニッケル箔、ステレンス鋼箔、チタン箔、ニッケル発泡体、銅発泡体、伝導性金属がコーティングされたポリマー基材、及びこれらの組み合わせから成る群より選択されることを使用でき、より好ましくは、アルミニウム箔を使用できる。
また正極2の成形時、圧延圧力と圧延回数及び温度を制御することによって正極活物質の合剤密度を調節できる。
圧延圧力、圧延回数及び圧延時温度範囲は特に限定されるものではなく、製造された正極活物質が3.65g/cc以上の合剤密度を、より好ましくは、3.7g/cc〜4.1g/ccの合剤密度を有するように適切に調節できる。充放電後放電される状態のリチウム二次電池解体時合剤密度は初期値に比べて減少するようになるが、本発明による電極の場合3.6g/cc〜3.9g/ccの合剤密度を示す。
電極の合剤密度は電極で集電体を除いた成分(活物質、導電材、バインダーなど)の質量を体積に割る値で、単位はg/ccである。一般に電極の合剤密度が高いほど優れた電池容量を示すことができる。しかしながら、合剤密度が高まるほど電極の寿命特性は低下する問題がある。これにより、一般に使用されるリチウム二次電池の正極の合剤密度は約3.6g/cc程度である。これに対して本発明の一実施例によるリチウム二次電池での正極は上述のように高合剤密度を持つことにもかかわらず、最適組み合わせられたリチウム塩によって、電池の寿命低下なくても優れた電池容量を示すことができる。しかしながら、もし正極の合剤密度が3.65g/cc未満であれば、限定された体積内での容量増加幅が大きくないので望ましくない。
図1の負極3もまた、集電体及び集電体の上に形成された負極活物質層を含み、負極活物質層は電気化学的な酸化還元が可能な物質であって、リチウムの可逆的な挿入及び脱離可能な負極活物質を含む。
負極活物質としてはリチウム、リチウムと合金化可能な金属物質、炭素質物質及び金属物質と炭素質物質を含む複合物質から成る群より選択される1種以上のものを含んでもよい。リチウムと合金可能な金属としてはAl、Si、Sn、Pb、Zn、Bi、In、Mg、Ga、Cd、Ag、Ge、又はTiなどを例示でき、また負極活物質として金属リチウムを使用してもよい。また炭素質物質としては人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化炭素繊維、黒鉛化メソカーボンマイクロビーズ、フラーレン、非晶質炭素などを挙げることができる。また非晶質炭素の例としてはソフトカーボン(低温焼成炭素)又はハードカーボン(高温焼成炭素)があり、結晶質炭素としては板状、球形又は繊維状の天然黒鉛又は人造黒鉛がある。
負極3の活物質層は、正極の場合と同様に集電体との接着力向上のためのバインダー、又は導電材などをさらに含んでもよい。
バインダー及び導電材は前述したものと同一である。
負極3また正極2と同様に、負極活物質、バインダー及び選択的に導電材を溶媒中で混合して、負極活物質層形成用組成物を製造した後この組成物を銅などの負極電流集電体に塗布して製造できる。このような電極製造方法は当該分野に広く知られた内容であるため本明細書で詳細な説明は省略する。
溶媒としては、N−メチルピロリドンなどを使用できるが、これに限定されるものではない。
負極3の集電体としては銅箔、ニッケル箔、ステレンス鋼箔、チタン箔、ニッケル発泡体(foam)、銅発泡体、伝導性金属がコーティングされたポリマー基材、及びこれらの組み合わせから成る群より選択されることを用いることができ、より好ましくは、銅箔又はニッケル箔を使用できる。
リチウム二次電池に充填される電解質としてはリチウム塩を非水性有機溶媒に溶解させたものを使用してもよい。
リチウム塩は、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にする。本発明の一実施例によるリチウム二次電池においてリチウム塩はリチウムヘキサフルオロホスファート(LiPF)、リチウムテトラフルオロボラート(LiBF)及びリチウムイミド系化合物を含むことが好ましい。
LiPFは優れたイオンの伝導度を示すものであり、電解質中に0.7M〜1.5Mの濃度で使用されることが望ましく、より好ましくは、0.8M〜1.2Mの濃度で用いることができる。LiPFの濃度が0.7M未満であれば電解液内のイオンの伝導度が減少して望ましくなく、1.5Mを超えれば過剰の塩が電解液内に存在して望ましくない。
LiBFは電池の高温安定性を向上させるものであり、電解液総質量に対して0.05質量%〜0.5質量%で含まれることが望ましく、より好ましくは、0.1 質量%〜0.3質量%で含まれてもよい。LiBFの含有量が0.05質量%未満であれば、添加されるLiBF量が少量なので望ましくなく、0.5質量%を超えればLiBF含有量が過剰なので電池性能を低下させることができるので望ましくない。
リチウムイミド系化合物また電池の高温安定性を向上させる役割を果たすものであり、好ましくは、Li[N(SOCF]、Li[N(SOCFCF]及びこれらの混合物から成る群より選択されることを使用できる。
このようなリチウムイミド系化合物は電解質中に0.1M〜0.7Mの濃度に使用されることが望ましく、より好ましくは、0.3M〜0.6Mの濃度に用いることができる。リチウムイミド系化合物の濃度が0.1M未満であれば少量のイミド化合物によって高温特性が低下して望ましくなく、0.7Mを超えれば必要以上のイミド化合物を使うので望ましくない。
LiPF、LiBF及びリチウムイミド系化合物はそれぞれ従来リチウム二次電池の電解質でリチウムイオン供給源として使用されてきた物質である。
LiPFは、イオンの伝導度は良いが、特に高温で安定性が低下して、LiBFはイオンの伝導度は多少落ちるが、高温安定性がLiPFに比べて良く、リチウムイミド系化合物は高温安定性が卓越する。このような理由で本発明の一実施例によるリチウム二次電池はこのような三つ成分のリチウム塩の特異な組み合わせで構成されたリチウム塩を使うことによって高合剤密度の正極使用にもかかわらず、常温及び高温での電池の寿命特性を改善させることができる。
更に本発明の一実施例によるリチウム二次電池は通常リチウム二次電池でのリチウムイオン供給源として使用されるリチウム塩をさらに含むことができる。具体的には、LiSbF、LiAsF、LiClO、LiCFSO、LiCSO、LiAlO、LiAlCl、LiSOCF、LiCl、LiI、LiB(C、及びこれらの混合物から成る群より選択されることを使用できる。
リチウム塩の濃度は0.6M〜2.0M範囲内で用いることができ、0.7M〜1.6M範囲がより望ましい。リチウム塩の濃度が0.6M未満であれば電解液の伝導が低くなって、電解液性能が落ち、2.0Mを超える場合には電解液の粘度が増加して、リチウムイオンの移動性が減少する問題がある。
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が移動できる媒質役割を果たす。
非水性有機溶媒としてはカーボネート系、エステル系、エーテル系、ケトン系、アルコール系、又は非陽子性溶媒を使用できる。カーボネート系溶媒としてはジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)、エチルプロピルカーボネート(EPC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)等を用いることができ、エステル系溶媒としてはn−メチルアセテート(MA)、n−エチルアセテート(EA)、n−プロピルアセテート(PA)、ジメチルアセテート(DME)、メチルプロピオン酸塩(MP)、エチルプロピオン酸塩(EP)、γ−ブチロラクトン(GBL)、テカノライド、バレロラクトン、メバロノラクトン、カプロラクトンなどを用いることができる。エーテルとしてはジブチルエーテル、テトラグライム、ジグライム、ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、テトラヒドロフランなどを用いることができ、ケトン系溶媒としてはシクロヘキサノンなどを用いることができる。またアルコール系溶媒としてはエチルアルコール、イソプロピルアルコールなどを用いることができる。また非陽子性溶媒としてはX−CN等のニトリル類;ジメチルホルムアミドジメチルアセトアミドなどのアミド類;1、3-ジオキソラン(DOX)等のジオキソラン類;スルホラン類;シクロヘキサンなどを用いることができる。ここで、X−CN中のXは炭素数2〜炭素数20の直鎖状、分枝状、又は環構造の炭化水素基であり、二重結合方向環又はエーテル結合を含むことができる。
非水性有機溶媒は単独に又は一つ以上混合して用いることができ、一つ以上混合して使用する場合の混合比率は目的とする電池性能により適切に調節でき、これは当業者に幅広く理解できる。
また、カーボネート系溶媒の場合環状カーボネートと鎖状カーボネートを混合して使った方が良い。この場合、環状カーボネートと鎖状カーボネートは1:1〜1:9の体積比に混合して使うことが電解液の性能が優れるように示すことができる。
本発明の一実施例によるリチウム二次電池において、非水性有機溶媒はカーボネート系溶媒に芳香族炭化水素系有機溶媒をさらに含んでもよい。この時、カーボネート系溶媒と芳香族炭化水素系有機溶媒は1:1〜30:1の体積比に混合できる。
芳香族炭化水素系有機溶媒としては下記の化学式26の芳香族炭化水素系化合物を用いることができる。
Figure 2008210767
(化学式26で、R〜Rはそれぞれ独立的に水素、ハロゲン、炭素数1〜炭素数10のアルキル基、ハロアルキル基及びこれらの組み合わせから成る群より選択されるものである)。
好ましくは、芳香族炭化水素系有機溶媒はベンゼン、フルオロベンゼン、1、2−ジフルオロベンゼン、1、3−ジフルオロベンゼン、1、4−ジフルオロベンゼン、1、2、3−トリフルオロベンゼン、1、2、4−トリフルオロベンゼン、クロロベンゼン、1、2−ジクロロベンゼン、1、3−ジクロロベンゼン、1、4−ジクロロベンゼン、1、2、3−トリクロロベンゼン、1、2、4−トリクロロベンゼン、ヨードベンゼン、1、2−ジヨードベンゼン、1、3−ジヨードベンゼン、1、4−ジヨードベンゼン、1、2、3−トリヨードベンゼン、1、2、4−トリヨードベンゼン、トルエン、フルオロトルエン、1、2−ジフルオロトルエン、1、3−ジフルオロトルエン、1、4−ジフルオロトルエン、1、2、3−トリフルオロトルエン、1、2、4−トリフルオロトルエン、クロロトルエン、1、2−ジクロロトルエン、1、3−ジクロロトルエン、1、4−ジクロロトルエン、1、2、3−トリクロロトルエン、1、2、4−トリクロロトルエン、ヨードトルエン、1、2−ジヨードトルエン、1、3−ジヨードトルエン、1、4−ジヨードトルエン、1、2、3−トリヨードトルエン、1、2、4−トリヨードトルエン、キシレン、及びこれらの組み合わせから成る群より選択されるものである。
電解質は、通常電池特性向上のために使用される添加剤をさらに含むことができる。具体的には、リチウム二次電池の熱的安定性を向上させるために下記の化学式27の構造を有するエチレンカーボネート系化合物などを使用できる:
Figure 2008210767
(化学式27で、XとYはそれぞれ独立的に水素、ハロゲン基、シアノ基(CN)、ニトロ基(NO)及びフッ素化された炭素数1〜炭素数5のアルキル基から成る群より選択され、XとYのうちの少なくとも一つはハロゲン基、シアノ基(CN)、ニトロ基(NO)及びフッ素化された炭素数1〜炭素数5のアルキル基から成る群より選択される)。
より好ましくは、エチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、ジフルオロエチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、ジクロロエチレンカーボネート、ブロモエチレンカーボネート、ジブロモエチレンカーボネート、ニトロエチレンカーボネート、シアノエチレンカーボネート、及びこれらの混合物から成る群より選択されることを使用することが好ましく、最も好ましくは、フルオロエチレンカーボネートを使用してもよい。
エチレンカーボネート系添加剤の含有量は特に限定されないが、熱的安定性効果を得ることができる範囲にして適切に添加できる。
リチウム二次電池の種類に応じて正極と負極の間にセパレータが存在することがある。このようなセパレータとしてはポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン又はこれらの2層以上の多層膜を用いることができ、ポリエチレン/ポリプロピレン2層セパレータ、ポリエチレン/ポリプロピレン/ポリエチレン3層セパレータ、ポリプロピレン/ポリエチレン/ポリプロピレン3層セパレータなどのような混合多層膜を用いることができることは勿論である。
以下、本発明の望ましい実施例及び比較例を記載する。しかしながら、下記の実施例は本発明の望ましい一実施例であるだけ本発明が下記の実施例に限定されるものではない。
実施例1〜実施例15及び比較例1〜比較例23:リチウム二次電池の製造
エチレンカーボネート/ジメチルカーボネート/エチルメチルカーボネート(EC/DMC/EMC)が3/3/4の体積比に混合された非水性有機溶媒に、下記表1に記載されたようにリチウム塩を添加して電解質を製造した。
正極活物質として平均粒径が10μmのLiCoO、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)及び導電材としてカーボン(Super−P)を94/3/3の質量比に混合した後、N−メチル−2−ピロリドンに分散させて、正極活物質層形成用組成物を製造した。この組成物を厚さ15μmのアルミニウム箔にコーティングした後乾燥、圧延して正極を製造した。この時圧延圧力と圧延回数及び温度を調節して、下記表1でのように多様な合剤密度の正極を製造した。
負極活物質としてカーボンとバインダーとしてPVDFを94:6の質量比に混合した後、N−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極スラリーを製造した。このスラリーを厚さ10μmの銅箔にコーティングした後乾燥、圧延して負極を製造した。
製造された電極を厚さ25μmのポリエチレン材質のセパレータを使って、巻取り、圧縮した後、製造された電解液をそれぞれ注入して、18650円筒形の電池を製造した。
下記表1でLiTFSIはリチウムビス(トリメタンスルホニル)イミド:Li[N(SOCF])を意味し、LiBETIはリチウムビス(パーフルオロエチルスルホニル)イミド:Li[N(SOCFCF])を意味する。
Figure 2008210767
実施例16
1gの(NHHPOと1.5gのAlナイトレート(Al(NO・9HO)を100mlの水に添加してコーティング液を製造した。この時非晶質AlPO相がコロイド形態に析出された。このコーティング液10mlに平均粒径が10μmのLiCoO20gを添加して混合した後、130℃で30分間乾燥した。乾燥した粉末を400℃で5時間熱処理して、表面にAlとPを含む固溶体化合物とAlPO化合物を含む表面処理層が形成された正極活物質を製造した。この時AlとPの総量は活物質に対して1質量%だけ含有させた。
製造された正極活物質を使うことを除いては実施例1と同一な方法で実施してリチウム二次電池を製造した。
実施例17
LiCoOの代わりに平均粒径が13μmのLiMnを使ったことを除いて実施例16と同一な方法で実施して、リチウム二次電池を製造した。
実施例18
LiCoOの代わりに平均粒径が13μmのLiNi0.9Co0.1Sr0.002を使ったことを除いては実施例16と同一な方法でリチウム二次電池を製造した。
実施例19
コーティング液20mlに平均粒径が10μmの活物質SnO20gを添加したことを除いて実施例16と同一な方法でリチウム二次電池を製造した。この時、AlとPの総量は活物質に対して2質量%だけ含有させた。
実施例1〜実施例15、及び比較例1〜比較例23で製造されたリチウム二次電池に対して常温及び高温での寿命特性を評価した。
実施例1〜実施例15及び比較例1〜比較例23で製造されたリチウム二次電池を0.2Cに充電し、0.2Cに放電を1回実施して(形成工程)0.5C充電、0.2C放電を1回実施した(標準工程)。次にリチウム二次電池に対する充電は1.0C、放電は1.0Cに25℃及び45℃でそれぞれ300回寿命特性を評価した。結果を下記表2に示した。
Figure 2008210767
表1に示すように、正極の合剤密度が増加することによって常温での寿命特性が減少するが、リチウム塩でLiPF、LiBF及びリチウムイミド系化合物を混合用いた実施例1〜実施例10のリチウム二次電池の場合高合剤密度の正極を使っても常温及び高温での寿命特性が全て優れていた。しかしながらLiPF、LiBF及びリチウムイミド系化合物の含有量が本発明の含有量範囲を外れた実施例11〜実施例15の場合常温及び高温での寿命特性が低下した。
実施例16〜実施例19のリチウム二次電池に対しても上記と同一な方法で常温及び高温での寿命特性を評価した。その結果、実施例3と同等水準の寿命特性を示した。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施するのが可能であり、これもまた本発明の範囲に属することは当然である。
本発明の一実施例によるリチウム二次電池の概略断面図である。
符号の説明
1 リチウム二次電池
2 正極
3 負極
4 セパレータ
5 容器
6 封入部材

Claims (14)

  1. リチウムイオンを挿入及び脱離することができる正極活物質を含む正極と、
    リチウムイオンを挿入及び脱離することができる負極活物質を含む負極と、
    非水性有機溶媒及びリチウム塩を含む電解質とを含み、
    前記正極活物質は3.65g/cc以上の合剤密度を有し、
    前記リチウム塩は、リチウムヘキサフルオロホスファート(LiPF)、リチウムテトラフルオロボラート(LiBF)及びリチウムイミド系化合物を含むことを特徴とするリチウム二次電池。
  2. 前記リチウムイミド系化合物が、Li[N(SOCF]、Li[N(SOCFCF]及びこれらの混合物から成る群より選択され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。
  3. 前記リチウムイミド系化合物が、0.1M 〜0.7Mの濃度で含まれることを特徴とする請求項1又は2に記載のリチウム二次電池。
  4. 前記LiPFが、0.7M 〜1.5Mの濃度で含まれることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
  5. 前記LiBFが、電解液総質量に対して0.05質量%〜0.5質量%で含まれることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
  6. 前記電解質が、LiSbF、LiAsF、LiClO、LiCFSO、LiCSO、LiAlO、LiAlCl、LiSOCF、LiCl、LiI、LiB(C、及びこれらの混合物から成る群から選択されるリチウム塩をさらに含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
  7. 前記正極活物質が、3.7〜4.1g/ccの合剤密度を持つことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
  8. 前記正極活物質が、下記の化学式1〜化学式24の化合物から成る群より選択されることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
    [化学式1]Li1-b(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5)
    [化学式2]Li1-b2−c(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05)
    [化学式3]LiE2-b4−c(0≦b≦0.5、0≦c≦0.05)
    [化学式4]LiNi1−b−cCoα(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α≦2)
    [化学式5]LiNi1−b−cCo2−αα(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2)
    [化学式6]LiNi1−b−cCo2−α(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2)
    [化学式7]LiNi1−b−cMnα(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α≦2)
    [化学式8]LiNi1−b−cMn2−αα(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2)
    [化学式9]LiNi1−b−cMn2−α(0.95≦a≦1.1、0≦b≦0.5、0≦c≦0.05、0<α<2)
    [化学式10]LiNi(0.90≦a≦1.1、0≦b≦0.9、0≦c≦0.9、0.001≦d≦0.2)
    [化学式11]LiNiCoMn(0.90≦a≦1.1、0≦b≦0.9、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5、0.001≦e≦0.2)
    [化学式12]LiNiG(0.90≦a≦1.1、0.001≦b≦0.1)
    [化学式13]LiCoG(0.90≦a≦1.1、0.001≦b≦0.1)
    [化学式14]LiMnG(0.90≦a≦1.1、0.001≦b≦0.1)
    [化学式15]LiMn(0.90≦a≦1.1、0.001≦b≦0.2)
    [化学式16]QO
    [化学式17]QS
    [化学式18]LiQS
    [化学式19]V
    [化学式20]LiV
    [化学式21]LiIO
    [化学式22]LiNiVO
    [化学式23]Li(3−f)(PO(0≦f≦3)
    [化学式24]Li(3−f)Fe(PO(0≦f≦2)
    (前記化学式1〜化学式24において、AはNi、Co、Mn、及びこれらの組み合わせから成る群から選択され;BはAl、Ni、Co、Mn、Cr、Fe、Mg、Sr、V、希土類元素及びこれらの組み合わせから成る群から選択され;DはO、F、S、P、及びこれらの組み合わせから成る群から選択され;EはCo、Mn、及びこれらの組み合わせから成る群から選択され;FはF、S、P、及びこれらの組み合わせから成る群から選択され;GはMg、Ca、Sr、Ba、Ra、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、Rf、V、Nb、Ta、Db、Cr、Mo、W、Sg、Tc、Re、Bh、Fe、Ru、Os、Hs、Rh、Ir、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、B、Al、Ga、In、Tl、Si、Ge、Sn、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te、Po、Fe、Sr、ランタン族元素、及びこれらの組み合わせから成る群から選択され;QはTi、Mo、Mn、及びこれらの組み合わせから成る群から選択され;IはCr、V、Fe、Sc、Y、Ti、及びこれらの組み合わせから成る群から選択され;JはV、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、及びこれらの組み合わせから成る群から選択されるものである)。
  9. 前記正極活物質は、下記の化学式25の化合物によって、表面処理されたものであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
    [化学式25]
    MXO
    (前記化学式25でMはアルカリ金属、アルカリ土金属、13族元素、14族元素、遷移金属及び希土類元素から成る群から選択される少なくとも一つの元素であり、前記Xは酸素と二重結合を形成できる元素であり、kは2〜4の範囲にある)。
  10. 前記元素MがNa、K、Mg、Ca、Sr、Ni、Co、Si、Ti、B、Al、Sn、Mn、Cr、Fe、V、Zr及びこれらの組み合わせから成る群から選択されることを特徴とする請求項9に記載のリチウム二次電池。
  11. 前記二重結合形成可能な元素はP、S、W及びこれらの組み合わせから成る群より選択されることを特徴とする請求項9又は10に記載のリチウム二次電池。
  12. 前記負極活物質はリチウム、リチウムと合金化可能な金属物質、炭素質物質、前記金属物質と炭素質物質を含む複合物質及びこれらの混合物から成る群より選択されることを特徴とする請求項1〜11のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
  13. 前記リチウムと合金可能な金属はAl、Si、Sn、Pb、Zn、Bi、In、Mg、Ga、Cd、Ag、Ge、Ti、及びこれらの組み合わせから成る群より選択されることを特徴とする請求項12に記載のリチウム二次電池。
  14. 前記非水性有機溶媒はカーボネート系溶媒、エステル系溶媒、エーテル系溶媒、ケトン系溶媒、アルコール系溶媒、陽子性溶媒、非陽子性溶媒、及びこれらの混合物から成る群より選択される有機溶媒を含むことを特徴とする請求項1〜13のいずれか1項に記載のリチウム二次電池。
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