JP2009123464A - リチウムイオン二次電池用正極活物質、正極、その製造方法及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リチウムイオン二次電池用正極活物質は、LixCo1−y−zMyCezOb−aXa…(1)(式中のMはB、Mg、Al、Si、P、S、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Y、Zr、Mo、Ag、W、In、Sn、Pb及びSbから成る群より選ばれた少なくとも1種の元素、Xはハロゲン元素を示し、x、y、a及びbはそれぞれ0.2<x≦1.2、0≦y≦0.1、0.5<z≦5.0、1.8≦b≦2.2、0≦a≦1.0の範囲内の値である。)で表される平均組成を有し、セリウム(Ce)濃度が、内部よりも表面近傍において高い。
【選択図】なし
Description
ところで、従来の最大4.2Vで作動する非水電解質二次電池では、正極に用いられるコバルト酸リチウムなどの正極活物質は、その理論容量に対して6割程度の容量を活用しているに過ぎない。このため、さらに充電電圧を上げることにより、残存容量を活用することが原理的に可能である。実際に、充電時の上限電圧を4.25V以上にすることにより、高エネルギー密度化可能であることが知られている(例えば特許文献1参照)。また、さらなる高容量化の要求に応えるために、最近、ケイ素(Si)や、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)などを用いた高容量の負極の検討も盛んに行われている。
このようにガスが発生すると、例えば非水電解質二次電池がラミネートフィルムから成る外装部材に収容されている場合には、外装部材が膨れて厚みが増加してしまい、電子機器の電池収納部の規格に合わなくなるといった問題が生じることがあった。また、正極と電解液との反応により電池の内部抵抗が増加してしまい、充分な容量を取り出せなくなってしまうという問題も生じる。
しかし、これらフッ素系の電解液は、高温保存時に正極で分解し、ガス発生を促進してしまうという問題があった。
即ち、上述のような処理を施すと、電極作製時に正極合剤スラリーの性状が変化してしまい、集電体上へのスラリー塗布が困難になることが判明した。具体的には、正極合剤スラリー中において、導電材のカーボンが凝集してスラリー流動性が悪化してしまうため、分散媒の添加量を増加させなくてはならず、この一方、分散媒の添加量を増加すると、スラリーの保存中に分離が進行し易くなってしまう。
LixCo1−y−zMyCezOb−aXa…(1)
(式中のMはホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、リン(P)、硫黄(S)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、銀(Ag)、タングステン(W)、インジウム(In)、スズ(Sn)、鉛(Pb)及びアンチモン(Sb)から成る群より選ばれた少なくとも1種の元素、Xはハロゲン元素を示し、x、y、a及びbはそれぞれ0.2<x≦1.2、0≦y≦0.1、0.5<z≦5.0、1.8≦b≦2.2、0≦a≦1.0の範囲内の値である。)で表される平均組成を有し、
セリウム(Ce)濃度が、内部よりも表面近傍において高いことを特徴とする。
上記正極活物質は、次の(1)式
LixCo1−y−zMyCezOb−aXa…(1)
(式中のMはホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、リン(P)、硫黄(S)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、銀(Ag)、タングステン(W)、インジウム(In)、スズ(Sn)、鉛(Pb)及びアンチモン(Sb)から成る群より選ばれた少なくとも1種の元素、Xはハロゲン元素を示し、x、y、a及びbはそれぞれ0.2<x≦1.2、0≦y≦0.1、0.5<z≦5.0、1.8≦b≦2.2、0≦a≦1.0の範囲内の値である。)で表される平均組成を有し、セリウム(Ce)濃度が、内部よりも表面近傍において高く、
上記正極合剤層中に、硫黄(S)及び/又はリン(P)を有する化合物が含まれることを特徴とする。
上記正極活物質が、次の(1)式
LixCo1−y−zMyCezOb−aXa…(1)
(式中のMはホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、リン(P)、硫黄(S)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、銀(Ag)、タングステン(W)、インジウム(In)、スズ(Sn)、鉛(Pb)及びアンチモン(Sb)から成る群より選ばれた少なくとも1種の元素、Xはハロゲン元素を示し、x、y、a及びbはそれぞれ0.2<x≦1.2、0≦y≦0.1、0.5<z≦5.0、1.8≦b≦2.2、0≦a≦1.0の範囲内の値である。)で表される平均組成を有し、セリウム(Ce)濃度が、内部よりも表面近傍において高く、
上記正極合剤層中に、硫黄(S)及び/又はリン(P)を有する化合物が含まれる、リチウムイオン二次電池用正極を製造するに当たり、
上記正極合剤層を形成するのに用いられる正極合剤スラリーに、上記硫黄(S)及び/又はリン(P)を含む化合物を添加することを特徴とする。
上記正極活物質は、次の(1)式
LixCo1−y−zMyCezOb−aXa…(1)
(式中のMはホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、リン(P)、硫黄(S)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、銀(Ag)、タングステン(W)、インジウム(In)、スズ(Sn)、鉛(Pb)及びアンチモン(Sb)から成る群より選ばれた少なくとも1種の元素、Xはハロゲン元素を示し、x、y、a及びbはそれぞれ0.2<x≦1.2、0≦y≦0.1、0.5<z≦5.0、1.8≦b≦2.2、0≦a≦1.0の範囲内の値である。)で表される平均組成を有し、セリウム(Ce)濃度が、内部よりも表面近傍において高く、
上記正極合剤層中に、硫黄(S)及び/又はリン(P)を有する化合物が含まれる、ことを特徴とする。
(1−1)正極活物質
本発明の正極活物質は、その表面にセリウム(Ce)を多く含み、セリウム濃度が内部よりも表面近傍で高くなっているが、典型的には、全体形状が粒子状をなし、その中心部となる所定のリチウム複合酸化物粒子の表面の少なくとも一部にセリウム濃度が高い表面層が形成されているものである。
LixCo1−y−zMyCezOb−aXa…(1)
(式中のMはホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、リン(P)、硫黄(S)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、銀(Ag)、タングステン(W)、インジウム(In)、スズ(Sn)、鉛(Pb)及びアンチモン(Sb)から成る群より選ばれた少なくとも1種の元素、Xはハロゲン元素を示し、x、y、a及びbはそれぞれ0.2<x≦1.2、0≦y≦0.1、0.5<z≦5.0、1.8≦b≦2.2、0≦a≦1.0の範囲内の値である。)
リチウム源としては炭酸リチウム、水酸化リチウム及び硝酸リチウムが挙げられ、コバルト源としては酸化コバルト、炭酸コバルト及びオキシ水酸化コバルトなどが挙げられ、セリウム源としては酸化セリウムや硝酸セリウムなどが挙げられる。
また、他の方法としては、セリウムを含有しないリチウム複合化合物の表面にセリウム化合物を被着させることによっても得られる。被着方法としては、メカノヒュージョン、メカノハイブリダイゼーション及び噴霧乾燥などの方法が挙げられる。また、被着させた粉体を熱処理することによって、表面層と複合酸化物粒子との接合を強固にすることができる。
また、表面近傍、代表的には、上記表面層におけるセリウムの含有量は、上記リチウム複合酸化物中のコバルト(Co)に対する割合で、5〜50at%であることが好ましい。
5at%未満では、高温保存時の活物質表面と電解液との反応を十分に抑えることができず、50at%を超えると、活物質粒子へのリチウムイオンの挿入が阻害されてしまうため負荷特性が悪化することがある。
正極合剤は、上記の正極活物質と導電材と結着材を含むものであるが、本発明では、硫黄(S)及び/又はリン(P)を含む化合物を含有している。好ましくは、これらの化合物は、上記リチウム複合酸化物粒子の表面近傍に多く存在し、典型的には、この粒子表面の少なくとも一部を被覆して表面層を構成する。
この表面層は、反応抑制層として機能するものであり、リチウム複合酸化物粒子の表面近傍、代表的には上記表面層における硫黄(S)及びリン(P)の少なくとも1種の含有量は、リチウム複合酸化物粒子の内部よりも高くなっている。
これらの材料は、例えば化合物として表面層に含まれており、具体的には、硫黄(S)は、例えばLi2SO4として表面層に含まれ、リン(P)は、例えばLi3PO4又はLiCoPO4として表面層に含まれる。
硫黄含有化合物としては、1種又は2種以上の硫黄含有化合物を使用することができる。硫黄含有化合物としては、例えば、硫酸、亜硫酸、硫酸アンモニウム、硫酸水素アンモニウム及び有機硫酸塩などが挙げられる。リン含有化合物としては、1種又は2種以上のリン含有化合物を使用することができる。リン含有化合物としては、リン酸、亜リン酸、次亜リン酸、リン酸アンモニウム、リン酸水素アンモニウム及び有機リン酸塩などが挙げられる。なお、本発明においては、ホスホン酸、メタンスルホン酸、スルホン安息香酸又はスルホン安息香酸無水物及びこれらの混合物を特に好適に使用することができる。
また、正極活物質を樹脂に埋め込み断面出しを行った後、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS:Time−Of−Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy)により断面内の分布を確認することができる。さらに、エックス線回折(XRD:X−Ray Diffraction)測定やTOF−SIMSの測定により、表面化合物を同定することができる。
なお、上記リチウム複合酸化物の中心粒径は、1μm以上30μm未満の範囲内であることが好ましい。1μm以上にすると、正極と電解液の反応を抑制してガス発生量の増加を抑制でき、30μm未満にすると、十分な容量や優れた負荷特性を得ることができる。
上述の如く、セリウム(Ce)は、活物質表面に安定な被膜を形成し、電解液との反応を抑制するものと考えられる。また、リン(P)及び硫黄(S)の少なくとも1種を含む化合物を正極合剤スラリーに添加することにより、薄い被膜がリチウム複合酸化物粒子の表面に形成されるが、この被膜は電解質に対する活性が低いため、高温保存状態での正極と電解液との反応を抑制でき、ガス発生や内部抵抗の上昇を抑えることが可能となると推測される。
一方、リン(P)及び硫黄(S)の少なくとも1種を含む化合物による表面改質では、添加量が多くなると、合剤スラリー性状が著しく悪化してしまう。そこで、セリウムによる表面改質を行った正極活物質を用い、正極合剤スラリーにリン(P)及び硫黄(S)の少なくとも1種を含む化合物を最小限添加することにより、両者の欠点を補いつつ、高温保存特性を改善することが可能となる。
次に、図1及び図2を参照しながら、第1の実施形態による二次電池の構成の一例について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態による二次電池の一構成例を示す斜視図である。
この二次電池は、正極リード11及び負極リード12が取り付けられた電池素子10をフィルム状の外装部材1の内部に収納した構成を有している。
正極リード11及び負極リード12は、それぞれ例えば短冊状であり、外装部材1の内部から外部に向かい例えば同一方向にそれぞれ導出されている。正極リード11は、例えばアルミニウムなどの金属材料により構成されており、負極リード12は、例えばニッケル(Ni)などの金属材料により構成されている。
絶縁層は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン及びこれらの共重合体などのポリオレフィン樹脂により構成されている。水分透過性を低くすることができ、気密性に優れているからである。
金属層は、箔状や板状のアルミニウム、ステンレス、ニッケル及び鉄などにより構成されている。最外層は、例えば絶縁層と同様の樹脂により構成されていてもよいし、ナイロンなどにより構成されていてもよい。破れや突き刺しなどに対する強度を高くすることができるからである。外装部材1は、絶縁層、金属層及び最外層以外の他の層を備えていてもよい。
電池素子10は、正極13と負極14とをセパレータ15及び電解質16を介して積層し、巻回したものであり、最外周部は保護テープ17により保護されている。
正極13は、例えば、正極集電体13Aと、この正極集電体13Aの両面に設けられた正極合剤層13Bとを有している。正極集電体13Aは、例えば、アルミニウム箔などの金属箔により構成されている。
また、正極合剤層13Bは、上記の正極活物質に加えて、他の正極活物質を混合して含んでいてもよい。他の正極活物質としては、例えば、リチウムとニッケルとを含むリチウムニッケル複合酸化物、リチウムとマンガンとを含むスピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物、又はリチウムと鉄とを含むリン酸化合物が挙げられる。
負極合剤層14Bは、例えば、負極活物質として、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な負極材料のいずれか1種又は2種以上を含んで構成されており、必要に応じて導電材及び結着材を含んでいてもよい。
また、リチウムを吸蔵及び放出することが可能な負極材料としては、リチウムと合金を形成可能な金属元素又は半金属元素を構成元素として含む材料が挙げられる。具体的には、リチウムと合金を形成可能な金属元素の単体、合金及び化合物、又はリチウムと合金を形成可能な半金属元素の単体、合金及び化合物、又はこれらの1種若しくは2種以上の相を少なくとも一部に有する材料が挙げられる。
ケイ素(Si)の化合物又はスズ(Sn)の化合物としては、例えば、酸素(O)又は炭素(C)を含むものが挙げられ、ケイ素(Si)又はスズ(Sn)に加えて、上述した第2の構成元素を含んでいてもよい。
負極活物質としてケイ素(Si)、スズ(Sn)及びゲルマニウム(Ge)などの化合物を含む負極14を用いた場合であっても、充放電サイクル特性を向上させることができるからである。
特に、酸化還元安定性の点からは、フッ素系高分子化合物が望ましく、中でも、ビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレンとを成分として含む共重合体が好ましい。さらに、この共重合体は、モノメチルマレイン酸エステルなどの不飽和二塩基酸のモノエステル、三フッ化塩化エチレンなどのハロゲン化エチレン、炭酸ビニレンなどの不飽和化合物の環状炭酸エステル、又はエポキシ基含有アクリルビニルモノマーなどを成分として含んでいてもよい。より高い特性を得ることができるからである。
次に、第1の実施形態の二次電池の製造方法の一例について説明する。
まず、例えば、正極集電体13Aに正極合剤層13Bを形成し正極13を作製する。正極合剤層13Bは、例えば、正極活物質の粉末と導電材と結着材を混合して正極合剤を調製した後、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとし、この正極合剤スラリーを正極集電体13Aに塗布し乾燥させ、圧縮成型することにより形成する。
なお、上記の硫黄及び/又はリンを被覆した正極活物質を用いる代わりにリチウム複合酸化物を用い、これを含むスラリーに、上記のホスホン酸やメタンスルホン酸などを添加したものを正極合剤スラリーとして用いてもよい。
一方、例えば、正極13と同様にして、負極集電体14Aに負極合剤層14Bを形成し負極14を作製する。次に、正極集電体13Aに正極リード11を取り付けると共に、負極集電体14Aに負極リード12を取り付ける。
更にまた、表面層にはリン(P)及び硫黄(S)の少なくとも1種も含まれるので、電解液との反応が更に抑制される。
この抑制効果は負極活物質にケイ素(Si)、スズ(Sn)、ゲルマニウム(Ge)などの化合物を用いた負極14を用い、電解質16にフッ素化された環状又は鎖状エステルを用いた二次電池においてさらに顕著な威力を発揮する。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。本実施形態による二次電池は、第1の実施形態の二次電池において、ゲル状の電解質16に代えて電解液を用いるものである。この場合、電解液はセパレータ15に含浸される。電解液としては、上述の第1の実施形態と同様のものを用いることができる。
この第2の実施形態では、上述の第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
(3−1)正極活物質
第3の実施形態における正極活物質は、上述の第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。
次に、図3及び4を参照しながら、第3の実施形態による二次電池の構成について説明する。
図3は、本発明の第3の実施形態による二次電池の一構成例を示す断面図である。
この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶21の内部に、帯状の正極31と帯状の負極32がセパレータ33を介して巻回された巻回電極体30を有している。セパレータ33には、液状の電解質である電解液が含浸されている。電池缶21は、例えばニッケル(Ni)のめっきがされた鉄(Fe)により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶21の内部には、巻回電極体30を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板22、23がそれぞれ配置されている。
巻回電極体30は、例えば、センターピン34を中心に巻回されている。巻回電極体30の正極31にはアルミニウム(Al)などから成る正極リード35が接続されており、負極32にはニッケル(Ni)などから成る負極リード36が接続されている。正極リード35は安全弁機構25に溶接されることにより電池蓋24と電気的に接続されており、負極リード36は電池缶21に溶接され電気的に接続されている。
正極31は、例えば、正極集電体31Aと、この正極集電体31Aの両面に設けられた正極合剤層31Bとを有している。負極32は、例えば、負極集電体32Aと、この負極集電体32Aの両面に設けられた負極合剤層32Bとを有している。正極集電体31A、正極合剤層31B、負極集電体32A、負極合剤層32B、セパレータ33及び電解液の構成はそれぞれ、上述の第1の実施形態における正極集電体13A、正極合剤層13B、負極集電体14A、負極合剤層14B、セパレータ15及び電解液と同様である。
次に、第3の実施形態による二次電池の製造方法の一例について説明する。
正極31は、以下のようにして作製する。まず、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1−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させて正極合剤スラリーとする。次に、この正極合剤スラリーを正極集電体31Aに塗布し、溶剤を乾燥させた後、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極合剤層31Bを形成し、正極31を得る。なお、上記の硫黄及び/又はリンを被覆した正極活物質を用いる代わりにリチウム複合酸化物を用い、これを含むスラリーに、上記のホスホン酸やメタンスルホン酸などを添加したものを正極合剤スラリーとして用いてもよい。
正極31及び負極32を電池缶21の内部に収納した後、電解質を電池缶21の内部に注入し、セパレータ33に含浸させる。その後、電池缶21の開口端部に電池蓋24、安全弁機構25及び熱感抵抗素子26を、ガスケット27を介してかしめることにより固定する。以上により、図3に示した二次電池が作製される。
この第3の実施形態では、上述の第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
第4の実施形態による二次電池は、正極合剤層以外は上述の第1の実施形態と同様の構成を有する。なお、上述の第1の実施形態と同一又は対応する部分には同一の符号を付して説明する。
正極活物質の中心粒径は、1μm以上30μm未満の範囲内であることが好ましい。1μm以上にすると、正極と電解液の反応を抑制してガス発生量の増加を抑制でき、30μm未満にすると、十分な容量や優れた負荷特性を得ることができるからである。
正極合剤層13B中において硫黄(S)又はリン(P)がリチウム複合酸化物の粒子表面近傍に多く存在することの確認方法としては、正極13を樹脂に埋め込み断面出しを行った後TOF−SIMSにより断面内の分布を確認する方法が挙げられる。また、正極表面をアルゴンスパッタしながらXPSにより元素分析をすることにより確認することも可能である。
正極活物質と導電材と結着剤と硫黄含有化合物及びリン含有化合物の少なくとも1種とを混合して正極合剤を調製した後、分散媒であるN−メチルピロリドン中で混練してペースト状の正極合剤スラリーとし、この正極合剤スラリーを正極集電体13Aに塗布し乾燥させ、圧縮成型する。以上により、正極合剤層13Bが作製される。なお、硫黄含有化合物及びリン含有化合物としては、例えば、上述の第1の実施形態と同様のものを用いることができる。
この第4の実施形態では、上述の第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
正極活物質は以下のように作製した。まず、Co:Ce=95:5のモル比率になるようにLiCoO2、CeO2超微粉末を所定量秤量し、粉体複合化装置(ホソカワミクロン製ノビルタNOB)に投入し、4kWの出力でで15分間処理を行った。処理後の粉末を空気気流中、950℃で5時間熱処理を行った後、75μm以下に篩別することにより、所望の正極活物質を得た。
次に、作製した正極活物質をSEM−EDSにて元素分布を面分析した結果、セリウム(Ce)元素比率は31at%であり、仕込み量に対して多いモル比率でセリウム(Ce)元素が検出され、正極活物質の表面にセリウム(Ce)元素が多く存在している、即ちCe濃度が内部よりも表面で高いことがわかった。
正極活物質は以下のように作製した。まず、Co:Ce=95:5のモル比率になるようにLiCoO2、CeO2超微粉末を所定量秤量し、粉体複合化装置(ホソカワミクロン製ノビルタNOB)に投入し、4kWの出力でで15分間処理を行った。処理後の粉末を空気気流中、950℃で5時間熱処理を行った後、75μm以下に篩別することにより、所望の正極活物質を得た。
次に、作製した正極活物質をSEM−EDSにて元素分布を面分析した結果、セリウム(Ce)元素比率は31at%であり、仕込み量に対して多いモル比率でセリウム(Ce)元素が検出され、正極活物質の表面にセリウム(Ce)元素が多く存在していることがわかった。
上記正極を用いる以外は、実施例Aと同様の方法で電池を作製した。
正極活物質は以下のように作製した。まず、Co:Ce=98.5:1.5のモル比率になるようにLiCoO2、CeO2超微粉末を所定量秤量し、粉体複合化装置(ホソカワミクロン製ノビルタNOB)に投入し、4kWの出力で15分間処理を行った。処理後の粉末を空気気流中、950℃で5時間熱処理を行った後、75μm以下に篩別することにより、所望の正極活物質を得た。
次に、作製した正極活物質をSEM−EDSにて元素分布を面分析した結果、セリウム(Ce)元素比率は9at%であり、仕込み量に対して多いモル比率でセリウム(Ce)元素が検出され、正極活物質の表面にセリウム(Ce)元素が多く存在していることがわかった。
最後に、作製した電池素子を、アルミニウム箔をポリオレフィンで挟んだアルミラミネートフィルムから成る外装部材の間に挟み込み、一辺を除く外周縁部を熱融着して袋状とし、外装部材の内部に収納した。次に、電解液を外装部材の内部にその未着部を介して注入し、外装部材の未着部を熱融着して密封した。なお、電解液には、フルオロエチレンカーボネート(FEC)とジエチルカーボネート(DEC)とを3:7の質量比で混合した溶媒に、リチウム塩であるLiPF6を1.0mol/dm3となるように溶解させたものを用いた。以上により、500mAh級の扁平型の二次電池が作製された。
Co:Ce=97:3のモル比率になるようにLiCoO2、CeO2超微粉末を所定量秤量し、粉体複合化装置(ホソカワミクロン製ノビルタNOB)にて処理する以外は、実施例1と同様に正極活物質を合成し、電池を作製した。
Co:Ce=95:5のモル比率になるようにLiCoO2、CeO2超微粉末を所定量秤量し、粉体複合化装置(ホソカワミクロン製ノビルタNOB)にて処理する以外は、実施例1と同様に正極活物質を合成し、電池を作製した。
正極活物質は以下のように作製した。まず、Co:Ce=98.5:1.5のモル比率になるようにLiCoO2、CeO2超微粉末を所定量秤量し、粉体複合化装置(ホソカワミクロン製ノビルタNOB)に投入し、4kWの出力でで15分間処理を行った。処理後の粉末を空気気流中、950℃で5時間熱処理を行った後、75μm以下に篩別することにより、所望の正極活物質を得た。
次に、作製した正極活物質をSEM−EDSにて元素分布を面分析した結果、セリウム(Ce)元素比率は9.7at%であり、仕込み量に対して多いモル比率でセリウム(Ce)元素が検出され、正極活物質の表面にセリウム(Ce)元素が多く存在していることがわかった。
次に、この正極をTOF−SIMSにて分析した。Li4PO4、Li2CoPO4、Li2CoPH2O4、Li3CoPO4、Li3CoPO4Hの正二次イオン、PO2、LiP2O4、Co2PO4、CoP2O5、CoP2O5H、CoP2O6、CoP2O6Hの負二次イオンに基づくフラグメントのピークが観察された。これらの結果は、正極活物質の粒子表面にLi3PO4、LiCoPO4などの化合物が生成していることを示唆している。
正極活物質は以下のように作製した。まず、Co:Ce=98.5:1.5のモル比率になるようにLiCoO2、CeO2超微粉末を所定量秤量し、粉体複合化装置(ホソカワミクロン製ノビルタNOB)に投入し、4kWの出力で15分間処理を行った。処理後の粉末を空気気流中、950℃で5時間熱処理を行った後、75μm以下に篩別することにより、所望の正極活物質を得た。
上記活物質95.975重量部、結着剤のポリフッ化ビニリデン3重量部、導電材であるケッチェンブラック1重量部、H3PO30.025重量部を分散媒であるN−メチルピロリドン中で混練したものを、正極合剤スラリーとした。このスラリーを厚み30μmのアルミニウムから成る正極集電体に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極合剤層を形成することにより正極を作製した。
このように作製した正極を用いる以外は、実施例1と同様に電池を作製した。
正極活物質は以下のように作製した。まず、Co:Ce=98.5:1.5のモル比率になるようにLiCoO2、CeO2超微粉末を所定量秤量し、粉体複合化装置(ホソカワミクロン製ノビルタNOB)に投入し、4kWの出力で15分間処理を行った。処理後の粉末を空気気流中、950℃で5時間熱処理を行った後、75μm以下に篩別することにより、所望の正極活物質を得た。
上記活物質95.99重量部、結着剤のポリフッ化ビニリデン3重量部、導電材であるケッチェンブラック1重量部、H3PO30.01重量部を分散媒であるN−メチルピロリドン中で混練したものを、正極合剤スラリーとした。このスラリーを厚み30μmのアルミニウムから成る正極集電体に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極合剤層を形成することにより正極を作製した。
このように作製した正極、負極を用いる以外は、実施例1と同様に電池を作製した。
正極活物質は以下のように作製した。まず、Co:Ce=98.5:1.5のモル比率になるようにLiCoO2、CeO2超微粉末を所定量秤量し、粉体複合化装置(ホソカワミクロン製ノビルタNOB)に投入し、4kWの出力で15分間処理を行った。処理後の粉末を空気気流中、950℃で5時間熱処理を行った後、75μm以下に篩別することにより、所望の正極活物質を得た。
上記活物質95.99重量部、結着剤のポリフッ化ビニリデン3重量部、導電材であるケッチェンブラック1重量部、スルホン安息香酸0.01重量部を分散媒であるN−メチルピロリドン中で混練したものを、正極合剤スラリーとした。このスラリーを厚み30μmのアルミニウムから成る正極集電体に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極合剤層を形成することにより正極を作製した。
このように作製した正極を用いる以外は、実施例5と同様に電池を作製した。
正極は以下のようにして作製した。中心粒径12μm、比表面積0.20m2/gのLiCoO295.9重量部、結着剤である第一の高分子としてポリフッ化ビニリデン3重量部、第二の高分子としてポリビニルピロリドン0.05重量部、導電材であるケッチェンブラック1重量部、メタンスルホン酸0.05重量部を分散媒であるN−メチルピロリドン中で混練したものを、正極合剤スラリーとした。このスラリーを厚み30μmのアルミニウムから成る正極集電体に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極合剤層を形成することにより正極を作製した。
この正極について、TOF−SIMSにより分析した結果、実施例4と同じ二次イオンフラグメントのピークが観察された。
次に、上述のようにして作製した正極を用いる以外は、上述の実施例7とすべて同様にして二次電池を作製した。
正極は以下のようにして作製した。中心粒径12μm、比表面積0.20m2/gのLiCoO295.9重量部、結着剤である第一の高分子としてポリフッ化ビニリデン3重量部、第二の高分子としてポリビニルピロリドン0.05重量部、導電材であるケッチェンブラック1重量部、スルホン安息香酸無水物0.05重量部を分散媒であるN−メチルピロリドン中で混練したものを、正極合剤スラリーとした。このスラリーを厚み30μmのアルミニウムから成る正極集電体に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極合剤層を形成することにより正極を作製した。
この正極について、TOF−SIMSにより分析した結果、実施例4と同じ二次イオンフラグメントのピークが観察された。
次に、上述のようにして作製した正極を用いる以外は、上述の実施例7とすべて同様にして二次電池を作製した。
正極は以下のようにして作製した。中心粒径12μm、比表面積0.20m2/gのLiCoO296重量部、結着剤であるポリフッ化ビニリデン3重量部、導電材であるケッチェンブラック1重量部を分散媒であるN−メチルピロリドン中で混練したものを、正極合剤スラリーとした。このスラリーを厚み30μmのアルミニウムから成る正極集電体に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極合剤層を形成することにより正極を作製した。
次に、この正極をTOF−SIMSにより分析した。Li4PO4、Li2CoPO4、Li2CoPH2O4、Li3CoPO4、Li3CoPO4Hの正二次イオン、PO2、LiP2O4、Co2PO4、CoP2O5、CoP2O5H、CoP2O6、CoP2O6Hの負二次イオンに基づくフラグメントのピークはいずれも観察されなかった。次に、この正極を、上述の実施例4と同様に樹脂包埋しアルゴンイオンミリング装置にて断面加工処理をした後に、TOF−SIMSにて分析を行った結果、リン化合物が面内に存在しないことがわかった。次に、上述のようにして作製した正極を用いる以外は、上述の実施例Aとすべて同様にして二次電池を作製した。
正極は以下のようにして作製した。中心粒径12μm、比表面積0.20m2/gのLiCoO295.8重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3重量部、導電材であるケッチェンブラック1重量部、H3PO30.05重量部を分散媒であるN−メチルピロリドン中で混練したものを、正極合剤スラリーとした。このスラリーを厚み30μmのアルミニウムから成る正極集電体に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極合剤層を形成することにより正極を作製した。
次に、上述のようにして作製した正極を用いる以外は、上述の実施例Aとすべて同様にして二次電池を作製した。
正極は以下のようにして作製した。中心粒径12μm、比表面積0.20m2/gのLiCoO296重量部、結着剤であるポリフッ化ビニリデン3重量部、導電材であるケッチェンブラック1重量部を分散媒であるN−メチルピロリドン中で混練したものを、正極合剤スラリーとした。このスラリーを厚み30μmのアルミニウムから成る正極集電体に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極合剤層を形成することにより正極を作製した。
次に、この正極をTOF−SIMSにより分析した。Li4PO4、Li2CoPO4、Li2CoPH2O4、Li3CoPO4、Li3CoPO4Hの正二次イオン、PO2、LiP2O4、Co2PO4、CoP2O5、CoP2O5H、CoP2O6、CoP2O6Hの負二次イオンに基づくフラグメントのピークはいずれも観察されなかった。次に、この正極を、上述の実施例4と同様に樹脂包埋しアルゴンイオンミリング装置にて断面加工処理をした後に、TOF−SIMSにて分析を行った結果、リン化合物が面内に存在しないことがわかった。
次に、上述のようにして作製した正極を用いる以外は、上述の実施例1とすべて同様にして二次電池を作製した。
正極は以下のようにして作製した。中心粒径12μm、比表面積0.20m2/gのLiCoO295.8重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3重量部、導電材であるケッチェンブラック1重量部、H3PO30.2重量部を分散媒であるN−メチルピロリドン中で混練したものを、正極合剤スラリーとした。このスラリーを厚み30μmのアルミニウムから成る正極集電体に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極合剤層を形成することにより正極を作製した。
次に、上述のようにして作製した正極を用いる以外は、上述の実施例1とすべて同様にして二次電池を作製した。
正極は以下のようにして作製した。中心粒径12μm、比表面積0.20m2/gのLiCoO295.8重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3重量部、導電材であるケッチェンブラック1重量部、H3PO30.05重量部を分散媒であるN−メチルピロリドン中で混練したものを、正極合剤スラリーとした。このスラリーを厚み30μmのアルミニウムから成る正極集電体に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して正極合剤層を形成することにより正極を作製した。
次に、上述のようにして作製した正極を用いる以外は、上述の実施例1とすべて同様にして二次電池を作製した。
次に、上述のようにして作製した二次電池について0.2Cの定電流で電池電圧が4.2Vに達するまで定電流充電を行った後、4.2Vの定電圧で電流値が0.01C相当に達するまで定電圧充電を行った。次に、0.2Cの定電流密度で電池電圧が2.5Vに達するまで定電流放電を行った。上記初回充放電ののち再度4.2Vまで充電した二次電池を85℃の恒温槽中に12時間保存した。その後、保存前と保存後にて測定したパック厚みからその厚み増加量を求め、その厚み増加量を正極起因のガス発生量の尺度とした。
次に、上述のようにして求めた厚み増加量を用いて、各実施例び各比較例の厚み変化率を以下の式により求めた。その結果を表1に示す。なお、この厚み変化率は、比較例1のパック厚み変化利率を100%としたものである。
アルミラミネートパック厚み変化率(%)=[(各実施例の85℃12時間保存後のパック厚み増加量(mm))/(比較例Aの85℃12時間保存後のパック厚み増加量(mm))]×100
各実施例及び各比較例について、正極の合剤スラリーを作製する際に、最適粘度のスラリーが完成するまでに要した分散媒(N−メチルピロリドン)の添加量について、以下の式にて求めた値で比較した。
分散媒量比(%)=[(各実施例において合剤スラリー作製に要したN−メチルピロリドン量(g))/(比較例1において要したN−メチルピロリドン量(g))]×100
さらに、作製された正極の合剤層と集電体の間の剥離強度を測定して比較した。塗布・プレス後の電極を幅25mmにカットし、両面テープを貼り付けたのち、箔をピーリングして剥離強度を測定した。以下の式にて求めた値にて、剥離強度を比較した。
剥離強度比(%)=[(各実施例において作製した正極の剥離強度(N/mm))/(比較例Aにおいて作製した正極の剥離強度(N/mm))×100
しかし、比較例2及び3のように正極にリン(P)や硫黄(S)を含む化合物を添加しただけでは、正極合剤スラリー作製時に分散媒を多量に要する上、プレス後の剥離強度が著しく低下してしまう。これに対して、実施例4〜では、セリウムで表面処理をした活物質を用いているため、リン(P)や硫黄(S)を含む化合物の添加を最小限に抑えても充分な高温保存特性が得られ、分散媒が減量できるうえ、プレス後の剥離強度を改善することが可能となる。
このように、本発明によって、高容量負極を用いた電池において、高温保存特性及び正極の生産性と耐久性を兼ね備えた電池を提供することが可能となる。
例えば、上述の実施形態及び実施例において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
また、上述の実施形態及び実施例では、扁平型及び円筒型の二次電池に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、角型、ボタン型、薄型、大型及び積層ラミネート型の二次電池についても同様に適用することができる。また、二次電池に限らず、一次電池についても適用することができる。
LipNi(1−q−r)MnqM1rO(2−y)Xz…(2)
(式中M1はNi、Mnを除く2族〜15族から選ばれる元素のうち少なくとも一種を、Xは酸素(O)以外の16族元素及び17族元素のうち少なくとも1種を示す。p、q、y、zは0≦p≦1.5、0≦q≦1.0、0≦r≦1.0、−0.10≦y≦0.20、0≦z≦0.2の範囲内の値である。)
LiaM2bPO4…(3)
(式中のM2は2族〜15族から選ばれる元素のうち少なくとも一種を示す。a、bは0≦a≦2.0、0.5≦b≦2.0の範囲内の値である。)
Claims (10)
- 次の(1)式
LixCo1−y−zMyCezOb−aXa…(1)
(式中のMはホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、リン(P)、硫黄(S)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、銀(Ag)、タングステン(W)、インジウム(In)、スズ(Sn)、鉛(Pb)及びアンチモン(Sb)から成る群より選ばれた少なくとも1種の元素、Xはハロゲン元素を示し、x、y、a及びbはそれぞれ0.2<x≦1.2、0≦y≦0.1、0.5<z≦5.0、1.8≦b≦2.2、0≦a≦1.0の範囲内の値である。)で表される平均組成を有し、
セリウム(Ce)濃度が、内部よりも表面近傍において高いことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。 - 全体形状が粒子状をなすとともに、その粒子表面の少なくとも一部に表面層を有し、
セリウム(Ce)濃度が当該粒子内部よりも上記表面層において高い、ことを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。 - 上記表面近傍におけるセリウム(Ce)の含有量が、コバルト(Co)に対する割合で5〜50at%の範囲内であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物。
- 正極活物質と導電材と結着材を含む正極合剤層と、集電体を備えるリチウムイオン二次電池用正極において、
上記正極活物質は、次の(1)式
LixCo1−y−zMyCezOb−aXa…(1)
(式中のMはホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、リン(P)、硫黄(S)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、銀(Ag)、タングステン(W)、インジウム(In)、スズ(Sn)、鉛(Pb)及びアンチモン(Sb)から成る群より選ばれた少なくとも1種の元素、Xはハロゲン元素を示し、x、y、a及びbはそれぞれ0.2<x≦1.2、0≦y≦0.1、0.5<z≦5.0、1.8≦b≦2.2、0≦a≦1.0の範囲内の値である。)で表される平均組成を有し、セリウム(Ce)濃度が、内部よりも表面近傍において高く、
上記正極合剤層中に、硫黄(S)及び/又はリン(P)を有する化合物が含まれることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極。 - 上記正極合剤層において、硫黄(S)及び/又はリン(P)の含有量が、コバルト(Co)に対する割合で0.02at%以上0.10at%未満の範囲内であることを特徴とする請求項4に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 上記正極合剤層において、上記硫黄(S)及び/又はリン(P)を含む化合物が、上記正極活物質の内部よりも表面近傍において高い濃度で存在することを特徴とする請求項4に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- リチウムイオンを吸蔵及び脱離可能な金属材料としてケイ素(Si)、スズ(Sn)及びゲルマニウム(Ge)から成る群より選ばれた少なくとも1種の元素を含む負極とともに用いられることを特徴とする請求項4に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 正極活物質と導電材と結着材を含む正極合剤層と、集電体を備え、
上記正極活物質が、次の(1)式
LixCo1−y−zMyCezOb−aXa…(1)
(式中のMはホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、リン(P)、硫黄(S)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、銀(Ag)、タングステン(W)、インジウム(In)、スズ(Sn)、鉛(Pb)及びアンチモン(Sb)から成る群より選ばれた少なくとも1種の元素、Xはハロゲン元素を示し、x、y、a及びbはそれぞれ0.2<x≦1.2、0≦y≦0.1、0.5<z≦5.0、1.8≦b≦2.2、0≦a≦1.0の範囲内の値である。)で表される平均組成を有し、セリウム(Ce)濃度が、内部よりも表面近傍において高く、
上記正極合剤層中に、硫黄(S)及び/又はリン(P)を有する化合物が含まれる、リチウムイオン二次電池用正極を製造するに当たり、
上記正極合剤層を形成するのに用いられる正極合剤スラリーに、上記硫黄(S)及び/又はリン(P)を含む化合物を添加することを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極の製造方法。 - 正極活物質と導電材と結着材を含む正極合剤層と集電体を有する正極と、負極と、電解質を備えるリチウムイオン二次電池において、
上記正極活物質は、次の(1)式
LixCo1−y−zMyCezOb−aXa…(1)
(式中のMはホウ素(B)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、リン(P)、硫黄(S)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、銀(Ag)、タングステン(W)、インジウム(In)、スズ(Sn)、鉛(Pb)及びアンチモン(Sb)から成る群より選ばれた少なくとも1種の元素、Xはハロゲン元素を示し、x、y、a及びbはそれぞれ0.2<x≦1.2、0≦y≦0.1、0.5<z≦5.0、1.8≦b≦2.2、0≦a≦1.0の範囲内の値である。)で表される平均組成を有し、セリウム(Ce)濃度が、内部よりも表面近傍において高く、
上記正極合剤層中に、硫黄(S)及び/又はリン(P)を有する化合物が含まれる、ことを特徴とするリチウムイオン二次電池。 - 上記電解質は、環状炭酸エステル又は鎖状炭酸エステルの水素の一部若しくは全部がフッ素化された化合物を含むことを特徴とする請求項9に記載のリチウムイオン二次電池。
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