JP2009527089A - マンガン系リチウム二次電池 - Google Patents

マンガン系リチウム二次電池 Download PDF

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Abstract

本発明は、マンガン系リチウム金属酸化物を含有する陽極、陰極及び電解質を含むマンガン系リチウム二次電池において、前記陰極は、導電性または半導性の特性によって表面上でマンガンイオンを還元させることができるMn捕捉剤が陰極活物質粒子の一部または全部に被覆されることを特徴とするマンガン系リチウム二次電池を提供する。
Mn捕捉剤は、マンガン系陽極活物質から電解液に溶出されたマンガンイオンが優先的に陰極活物質粒子の表面に被覆されたMn捕捉剤上に析出されるように誘導することで、マンガンイオンが陰極活物質の表面に直接析出されることを抑制すると共に、析出されたマンガン成分と電解液との分解反応を抑制し、これによって、電池の保存性能に優れたマンガン系リチウム二次電池を提供することができる。

Description

本発明は、導電性または半導性の特性によって表面上でマンガンイオンを還元させることができるMn捕捉剤が陰極活物質粒子の一部または全部に被覆された陰極を含む高性能マンガン系リチウム二次電池に関する。
モバイル機器の技術開発及び需要の増加に伴い、エネルギー源として二次電池の需要が急に増加している。このような二次電池のうち、高エネルギー密度と高放電電圧を有するリチウム二次電池に関して多くの研究が行われ、商用化して広く使用されている。さらに、車両の排ガスによる環境問題などを解決できるハイブリッド自動車のような電気自動車の開発が加速化し、リチウム二次電池をこのような車両の動力源として使用しようとする研究が大きく進展している。
リチウム二次電池は、陽極、陰極、電解質から構成されるが、最初の充電で陽極活物質からのリチウムイオンが、陰極活物質、例えば、カーボン粒子内に挿入され、放電時に再度脱離するなどの、両電極を往復しながらエネルギーを伝達する役割を果たしているため、充放電が可能である。
リチウム二次電池に使用される陽極活物質としては、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物などが挙げられ、この中でも、資源的に豊かで、安いマンガンを主原料とするリチウムマンガン複合酸化物が注目を浴びている。
しかし、Mn系リチウム二次電池では、充放電の進行によって電解液にマンガンが溶出され、この溶出されたマンガン成分が陰極活物質、例えば、炭素材の表面に析出され、陰極活物質の表面に析出されたマンガンは、陰極活物質から電子を受けて還元反応によって電解液の陰極活物質からの分解を促進し、これによって電池の抵抗が増加してしまい、電池が劣化するという問題点を持っている。文献[Electrochimica Acta 47(2002) 1229−1239]には、陰極活物質の表面に析出されたマンガンがリチウムイオン電池において可逆容量を急に減少させることが示されている。
このようなマンガン成分の析出は、高温保存時にさらに深刻化する傾向にあり、これは、電池の抵抗増加をもたらす。電気自動車の電源としてマンガン系リチウム二次電池が使用される場合、前述のような問題点は、出力の深刻な低下をもたらし、高性能(高出力)マンガン系リチウム二次電池の開発を阻害する主要な原因である。
このようなマンガン系リチウム二次電池の性能低下を防止するための従来の研究は、スピネル構造の分解を抑制する方法と、電解液添加剤を用いる方法がある。しかし、依然として分解の完璧な抑制ができず、電解液の高温保管時に自己劣化による性能低下が発生している。
従って、前述のような問題点を解決することで、高温で長時間保存しても、優れた保存特性を発揮することができるマンガン系リチウム二次電池の開発必要性が高まっている。
本発明の目的は、陰極活物質の表面上に析出されたマンガンによる電池の性能低下を防止することにある。
本発明者らは、深みのある研究とさまざまな実験を重ねた結果、マンガン親和力を有しながら導電性または半導性を有する無機物(Mn捕捉剤)が陰極活物質の表面に被覆されている場合は、前記無機物上にマンガンが析出されて陰極活物質上にマンガンが析出されることを抑制し、陰極活物質上に直接析出されたマンガンによる電解液分解の促進が抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、マンガン系リチウム金属酸化物を含有する陽極、陰極及び電解質を含むマンガン系リチウム二次電池において、前記陰極は、導電性または半導性の特性によって表面上でマンガンイオンを還元させることができるMn捕捉剤が陰極活物質粒子の一部または全部に被覆されることを特徴とするマンガン系リチウム二次電池を提供する。
また、本発明は、導電性または半導性の特性によって表面上でマンガンイオンを還元させることができるMn捕捉剤が陰極活物質粒子の一部または全部に被覆されることを特徴とする陰極活物質および前記陰極活物質を含む陰極を提供する。
以下、本発明の詳細を説明する。
本発明に係るMn捕捉剤は、電子を受けることができるように導電性または半導性を有する必要がある。また、マンガンとの親和性を有するものが好ましい。
Mn捕捉剤として使用できる材料としては、電子伝導性チタン系化合物が挙げられ、その非制限的な例としては、TiO、TiSが挙げられる。場合によっては、これらを混合して使用することができる。Mn捕捉剤は、酸化物の形態であることが好ましく、TiOが特に好ましい。比較例に提示されるように、ZrO、MgO、Alは、導電性を有しない不導体であるため、マンガンイオンをその物質に還元させることができず、Mn捕捉剤としての役割を果たすことができない。
本発明者の実験によれば、長期保存時、Mn捕捉剤として形成された被膜の表面上にマンガンが析出されることが確認され、これによって、長期保存時における電池の抵抗増加が抑制されることが確認された(表2参照)。
炭素材のような陰極活物質の表面に被覆されたMn捕捉剤は、直接接触した陰極活物質から電子を受けてMn捕捉剤の表面からMnを析出させることができる。
例えば、Mn捕捉剤としての機能を有するTiOなどの被膜は、炭素系陰極活物質の表面に塗布されているため、長期保存時、陰極の炭素表面に直接析出されるマンガンによる炭素系活物質の劣化を大きく緩和させることができる。
Mn捕捉剤は、陰極の表面上に被覆されているため、優先的にマンガンイオンと接触し、その接触表面においてマンガンイオンが電子を受けて還元するようになり、還元されるマンガンが活物質の表面に移動しない程度の親和力を持っているため、マンガンがMn捕捉剤に優先的に析出される。
このように、マンガンがMn捕捉剤の表面に優先的に析出されるため、前記Mn捕捉剤の被膜は、マンガン系リチウム二次電池において、マンガンが、陰極の炭素表面でなく、Mn捕捉剤の被膜に析出されることで陰極活物質の劣化を抑制する作用を果たすことができる。
その具体的な作動原理については、Mn2+がTiOから還元され、O−Ti−O−Mnまたは(TiO)Mnの形態を取って安定化し、陰極活物質の表面への直接析出時に電解液の分解を促進することで抵抗が増加する現象が抑制されるようになる。
Mn捕捉剤は、陰極活物質の全重量の0.1〜20重量%の範囲で含まれることが好ましく、1〜10重量%であることがより好ましい。0.1重量%を下回る場合は、被膜形成による効果が期待できなくなり、20重量%を上回る場合は、電池の出力電圧が低下するおそれがある。
本発明において使用可能な陰極活物質は、特に制限なく、リチウムを吸蔵及び放出できるリチウム合金、カーボン、石油コークス、活性化カーボン、グラファイトまたは他のカーボン類などのようなリチウム吸着物質を使用することができ、その他、リチウムを吸蔵及び放出できる、リチウムに対する電位が2V未満のLiTi12のような金属酸化物を使用することもできる。
炭素系陰極活物質が特に好ましく、その非制限的な例としては、グラファイト系炭素、コークス系炭素、ハードカーボンなどが挙げられる。
本発明に係る被膜は、さまざまな形態をとることができ、例えば、活物質粒子表面の全部を塗布した形態または表面の一部を塗布した形態とすることができる。なお、表面の一部のみに施される被膜には、クラスター状の被膜が含まれる。
陰極活物質にMn捕捉剤被膜を形成する方法は、特に制限されることなく、例えば、金属酸化物の被膜形成に関する、当業界で公知の乾式法、湿式法、気相法、無電解めっき法などを使用することができる。
乾式法は、溶媒を使用することなく混合する方法であり、湿式法は、反応を促進するためにエタノール、メタノール、水、アセトンなどの適切な溶媒を添加し、溶媒がほとんどなくなるまで混合する方法である。
乾式法の例としては、モルタルグラインダー混合法またはメカノフュージョン法などが挙げられる。
以下、Mn捕捉剤が一部または全部に被覆された陰極活物質の製造方法の具体例を挙げて説明する。
被覆しようとする陰極活物質そのもの(例えば、炭素材、金属または金属酸化物)または希望の当量比で混合されたその前駆体化合物(例えば、各金属のヒドロキシド、メタルニトラート、メタルオキサイド、メタルカーボネート、メタルアセテート、メタルオキサラート、メタルスルファート、メタルクロライドなどのような水溶性または非水溶性金属化合物)とMn捕捉剤材料とを混合する。
このように製造された混合物を熱処理する前に、ペレット状に圧縮することが好ましいが、この過程は省略することができる。
前述の過程を経て製造した混合物を350〜550℃で1〜10時間一次熱処理を施すことでMn捕捉剤が一部または全部に被覆された陰極活物質粉末を製造する。前記熱処理工程では、窒素雰囲気下で0.5〜10℃/分の速度で昇温と降温を行い、各熱処理温度で前記一定時間の間維持する。
Mn捕捉剤の粒子は、平均粒度が数十ナノメーター〜数百ナノメーターのものを使用することができる。陰極活物質として使用する材料の粒度は、数ミクロン〜50ミクロンであるため、陰極活物質の粒度より小さなものが好ましい。
このようにMn捕捉剤で被覆された陰極活物質は、Mn捕捉剤が陰極の表面上に安定的に吸着されるように350〜500℃で熱処理することが好ましい。
陰極活物質上のMn捕捉剤の被膜厚さは、3nm〜500nmの範囲であることが好ましい。被膜の厚さが500nmを上回ると、電池の充放電時に抵抗として作用してしまい、電池の使用効率を低下するおそれがある。
本発明は、また、前述のようにMn捕捉剤で一部または全部被覆された陰極活物質を陰極の構成要素として使用した高性能リチウム二次電池を提供する。本発明に係る高性能リチウム二次電池は、ハイブリッド自動車を含む電気自動車の動力源として非常に有用である。
本発明に係る陰極活物質を使用して陽極、陰極、分離膜およびリチウム塩含有非水電解質から構成されるリチウム二次電池を製造する方法は、当業界で公知の通常の方法を使用することができ、その一実施例では、前記両電極の間に分離膜を介在して組立てた後、電解質を投入して製造する。
陽極は、例えば、陽極集電体上に陽極活物質、導電剤および結合剤の混合物を塗布した後、乾燥して製造され、必要に応じて、前記混合物に充填剤をさらに添加することができる。
前記陽極活物質は、スピネル構造のリチウムマンガン酸化物、スピネル構造のリチウムマンガン酸化物とその他の陽極活物質を含むものである。本発明によってMn捕捉剤が十分に機能するためには、前記陽極は、マンガンスピネル系陽極活物質を30重量%以上含むことが好ましい。
集電体は、導電性材料であれば、特に制限なく使用できるが、陽極集電体の場合は、アルミニウム、ニッケルまたはこれらの組合で製造されたフォイルが好ましい。
本発明において、陰極は、本発明によって製造された陰極活物質の他に、電気伝導性を付与するための導電剤材料と集電体との間で接着させる役割をする結合剤をさらに使用することもできる。前述のように製造された陰極活物質に対して導電剤を1〜30wt%の重量比で、結合剤を1〜10%の重量比で混合し、これを分散剤に添加および攪拌してペーストを製造した後、これを金属材料の集電体に塗布、圧縮した後、乾燥してラミネート状の陰極を製造する。
陰極集電体は、銅、金、ニッケル、銅合金またはこれらの組合で製造されたフォイルが好ましい。
本発明において使用可能な分離膜は、特に制限なく使用できるが、多孔性分離膜を使用することができ、例えば、ポリプロピレン系、ポリエチレン系、ポリオレフィン系多孔性分離膜などが挙げられる。
本発明の電解質は、Aのような構造を有する塩であって、Aは、Li、Na、Kのようなアルカリ金属カチオンまたはこれらの組合からなるイオンを含み、Bは、PF 、BF 、Cl、Br、I、ClO 、AsF 、CHCO 、CFSO 、N(CFSO 、C(CFSO のようなアニオンまたはこれらの組合からなるイオンを含む塩が、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ガンマブチロラクトンまたはこれらの混合物からなる群から選択される有機溶媒に溶解、解離されているものなどを使用することができるが、これに限定されない。
上記の内容は、本発明に係る陰極活物質を使用して構成することのできる電池の構成要素に関する例示的な説明であり、場合によっては、構成要素の一部を除外したり置換したり他の構成要素を追加したりすることができる。
以下、本発明の実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は何らこれらに限定されるものではない。
[実施例1]
平均粒度が10μmのハードカーボン粉末と平均粒度が50nmのアナターゼタイプのTiOとを97:3の重量比でメカノフュージョン装置に投入し、約250rpmで10分間プレミックスした後、約1000rpmで30分間混合してハードカーボンの表面をTiOで被覆した。このように被覆されたハードカーボン粉末を約400℃で熱処理して炭素系陰極活物質を製造した。測定の結果、被膜の厚さは、約100nmであった。
前記陰極活物質90重量%、結合剤としてPVDF 9重量%、Super−P 1重量%にNMPを添加してスラリーを製造した後、Cuフォイルに被覆した後、130℃で乾燥して陰極を製造した。
また、LiMn 90重量%、導電剤としてSuper−P 5重量%および結合剤としてPVDF 5重量%を混合し、これにNMPを添加してスラリーを製造し、Alフォイルに被覆した後、130℃で乾燥して陽極を製造した。
このように製造された陰極と陽極を使用して韓国公開特許第2001−82059号に開示された構造を有するバイセルタイプの電池を製作し、1M LiPF EC/EMC=1:2の電解液を注入してバイセルタイプの電池を組み立てた。
[比較例1]
TiOを使用しないことを除いては、実施例1と同様にして陰極活物質、陰極、陽極、バイセル電池を製作した。
[比較例2]
TiOの代わりにZrOを3重量%使用したことを除いては、実施例1と同様にして陰極活物質、陰極、陽極、バイセル電池を製作した。
[比較例3]
TiOの代わりにMgOを3重量%使用したことを除いては、実施例1と同様にして陰極活物質、陰極、陽極、バイセル電池を製作した。
[比較例4]
TiOの代わりにAlを3重量%使用したことを除いては、実施例1と同様にして陰極活物質、陰極、陽極、バイセル電池を製作した。
<実験1>
実施例1および比較例1で製作された各電池を1mAで4.2Vまで充電し、電流1mA、終結電圧2.5Vで放電した。次いで、50%充電状態で各電池の陰極表面全体におけるマンガン濃度の平均値をICP放出分光器を用いて測定した。次いで、各電池を50%充電状態で55℃で10日間保存した後、50%充電状態で電池を分解して陰極のみを分離し、ICP放出分光器を用いて陰極表面全体におけるマンガン濃度の平均値を測定した。陰極表面上のMn濃度増加率を下記の表1に記載した。
Figure 2009527089
炭素系陰極活物質に被覆されたTiOは、マンガン捕捉剤の役割を果たすが、炭素材に比べて電子伝導性が落ちるため、マンガンの還元量が少なくなり、マンガン還元量の減少は、電池性能に有利である。表1からわかるように、炭素系陰極活物質の一部にTiOが被覆された実施例1では、陰極表面全体のマンガン還元量が比較例1に比べて減少している。
<実験2>
実施例1、比較例1〜4で製造された各電池を1mAで4.2Vまで充電し、電流1mA、終結電圧2.5Vで放電した。このような初期充放電の後は、電流10mAおよび上限電圧4.2Vで充電し、2.5Vの終結電圧で放電するという充放電サイクルを3回繰り返して3サイクルの容量を測定した。その後、50%充電状態で出力を測定し、50%充電状態で65℃の温度でそれぞれ1週間および2週間保存した後、3サイクルの容量を測定し、容量対比50%の充電状態で出力を測定した。高温保存後の出力減少率を表2に示した。次に、実施例1のバイセルを分解して陰極の表面をDMC溶液で洗浄した後、SEMでEDSを測定した。
Figure 2009527089
表2からわかるように、本発明に係るTiOで被覆されたハードカーボン粉末を陰極活物質として使用したリチウム二次電池(実施例1)は、非被覆のハードカーボンを使用したリチウム二次電池、ZrO、MgOおよびAlで被覆されたハードカーボンを使用したリチウム二次電池(比較例1、2、3、4)に比べて、65℃の高温保存時に優れた保持特性を示すことが確認された。
このような結果は、実施例1のMn捕捉剤(例えば、TiO)周囲のEDS(エネルギー分散型X線分析)を示したSEM写真からみて、マンガンがMn捕捉剤としてのTiOに析出されていると考えられるところ、実施例1のTiO被膜は、高温保存時にマンガンの析出を誘引していることがわかる。即ち、マンガンがTiO被膜に析出されて炭素系陰極活物質の劣化を緩和させることで、長期保存時における炭素材料の劣化を防止することができる。
以上のように、本発明によれば、Mn捕捉剤は、マンガン系陽極活物質から電解液に溶出されたマンガンが優先的に陰極活物質の表面に被覆されたMn捕捉剤上に析出されるように誘導し、陰極活物質表面への直接析出を抑制すると共に、析出されたマンガン成分と電解液との分解反応を抑制することで、陰極活物質の劣化を緩和し、これによって、電池の高温又は長期保存性能が優れたマンガン系リチウム二次電池を提供することができる。
本発明に係るマンガン系リチウム二次電池は、高出力、長期間使用および高温の条件で使用される電気自動車の動力源としての高性能マンガン系リチウム二次電池に非常に有用である。
なお、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、上記の内容を基に本発明の範囲内で様々に応用および変更を行うことが可能であろう。

Claims (11)

  1. マンガン系リチウム二次電池であって、
    マンガン系リチウム金属酸化物を含有する陽極と、陰極と、及び電解質を備えてなるものであり、
    前記陰極が、陰極活物質を含んでなり、導電性または半導性の特性によって表面上でマンガンイオンを還元させることができるMn捕捉剤が陰極活物質粒子の一部または全部に被覆されることを特徴とする、マンガン系リチウム二次電池。
  2. Mn捕捉剤が、陰極活物質の全重量の0.1〜20重量%の範囲で含まれてなることを特徴とする、請求項1に記載のマンガン系リチウム二次電池。
  3. 前記Mn捕捉剤が、電子伝導性チタン系化合物であることを特徴とする、請求項1に記載のマンガン系リチウム二次電池。
  4. 前記Mn捕捉剤が、TiOおよびTiSからなる群から選択されるものであることを特徴とする、請求項1に記載のマンガン系リチウム二次電池。
  5. 前記Mn捕捉剤が、TiOであることを特徴とする、請求項1に記載のマンガン系リチウム二次電池。
  6. 前記陰極活物質が、炭素系のものであることを特徴とする、請求項1に記載のマンガン系リチウム二次電池。
  7. 前記炭素系陰極活物質が、グラファイト系炭素、コークス系炭素およびハードカーボンからなる群から選択される1つまたは2つ以上の炭素粒子であることを特徴とする、請求項6に記載のマンガン系リチウム二次電池。
  8. 前記陽極が、マンガンスピネル系陽極活物質を30重量%以上含んでいることを特徴とする、請求項1に記載のマンガン系リチウム二次電池。
  9. 電気自動車の動力源として使用されることを特徴とする、請求項1に記載のマンガン系リチウム二次電池。
  10. 導電性または半導性の特性によって表面上でマンガンイオンを還元させることができるMn捕捉剤が、陰極活物質粒子の一部または全部に被覆されることを特徴とする、陰極活物質。
  11. 導電性または半導性の特性によって表面上でマンガンイオンを還元させることができるMn捕捉剤が、陰極活物質粒子の一部または全部に被覆された陰極活物質を含んでなることを特徴とする、陰極。
JP2008555161A 2006-02-17 2007-02-16 マンガン系リチウム二次電池 Active JP5208768B2 (ja)

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