JP2011049125A - リチウムイオン電池用正極及びLi2NiPO4F系正極活物質の電気化学特性の測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のリチウムイオン電池用正極は、Li2NiPO4F系正極活物質が正極用集電体に担持されているリチウムイオン電池用正極であって、前記Li2NiPO4F系正極活物質が物理的な衝撃力によって前記正極用集電体に打ち込まれていることを特徴とする。
【選択図】なし
Description
Li2NiPO4Fへ適当な不純物をドープしてなる正極活物質においても同様の効果が得られる。
(1)正極用集電体と前記Li2NiPO4F系正極活物質とを接触させておき、重量物を打ち付ける方法。
(2)Li2NiPO4F系正極活物質の粉末を正極用集電体に高速で衝突させる方法。
(3)正極用集電体をターゲット電極とするスパッタリング現象によって行う方法。
ここで、電気化学的特性の測定方法とは、サイクリックボルタンメトリー、電位走査法、充放電特性測定、クロノポテンシオメトリー、分極抵抗法等、電気化学的手法を用いた全ての計測法を含む。
また、容器内に正極用集電体を設置し、Li2NiPO4F系正極活物質の粉末をショットブラスト法と同様、羽根車の遠心力や風力等の力によって高速で正極用集電体に衝突させる方法もとることができる。
さらには、Li2NiPO4F系正極活物質にAu等の電子良導体をスパッタリング等の方法で付着させ、こうしてAuがコーティングされたLi2NiPO4F系正極活物質を電導助剤や結着材と混合して成形してもよい。
正極用集電体の成形材料は、充電時において安定であることが要求される。特に、酸化還元電位の高いオリビン型結晶構造を有するリン酸塩系及びオリビンフッ化物系の正極活物質を用いるときには、耐食性に優れた素材を使用することが好ましい。
例えば、電解質としてLiPF6、LiBF4を使用する場合、オーステナイト系ステンレス、Ni、Al、Ti等を用いることができるが、使用する正極活物質の動作電位を考慮し、適宜選択することが好ましい。例えば、電解質としてLiPF6を用いる場合は、Li/Li+電極に対して6Vでも使用することができるが、電解質としてLiBF4を用いる場合、SUS304はLi/Li+電極に対し5.8V以下で充放電可能な場合のみ用いることができる。また、電解質としてLiTFSIを使用する場合、正極用集電体表面に耐食性皮膜を形成させるべく、LiPF6を共存させることが好ましい。LiBETI及びLiTFSもLiTFSIの場合と同様である。
また、Al等の導電金属材料へ導電性DLC(ダイヤモンドライクカーボン)を周知の方法で被覆したものを正極用集電体として用いることもできる。電解質がLiBF4やLiPF6など、容易にフッ化物皮膜を形成するようなリチウム塩の場合は、アルミニウム上へ厚いフッ化皮膜が形成し、耐食性は向上するものの、電子伝導性が低下し、ひいてはオーミック過電圧増加に伴う、高出力化が阻害されることとなる。Al等の導電金属材料へ導電性DLCを被覆すれば、フッ化物皮膜は導電性DLCの欠陥部分の極わずかな面積でのみ発生するだけである。このため、高電圧化しても電子伝導性の低下は無視できる程度となり、懸念されている高電圧化による出力低下は防ぐことが可能となる。
ここで、導電性ダイヤモンドライクカーボンとは、ダイヤモンド結合(炭素同士のSP3混成軌道結合)とグラファイト結合(炭素同士のSP2混成軌道結合)の両方の結合が混在しているアモルファス構造をとるカーボンのうち、導電性が1000Ωcm以下のものをいう。ただし、アモルファス構造以外に、部分的にグラファイト構造からなる結晶構造(すなわちSP2混成軌道結合からなる六方晶系結晶構造)からなる相を有し、これにより導電性が発揮されるものも含まれる。グラファイトとダイヤモンドの中間の性質を有するダイヤモンドライクカーボンは、成膜時にダイヤモンドライクカーボンを構成する炭素原子のSP2混成軌道結合とSP3混成軌道結合の比率を調整することで、導電性を調節することができる。
勿論、上記耐食性導電性金属材料を導電性DLCで被覆してもよい。
正極用集電体の形状及び構造は、正極活物質や電池の構造に応じて、任意に設計可能である。
<Li2NiPO4Fの調製>
本発明において正極活物質となるLi2NiPO4Fは、以下のようにして調製した。すなわち、先ず、炭酸リチウム(Li2CO3)と、酸化ニッケル(NiO)と、五酸化二リン(P2O5)とが化学量論比0.5:1.0:0.5となるように秤量した後、めのう乳鉢を用いてよく混合する。そしてこの混合物を大気中500℃で12時間の仮焼を行なった後、780℃で48時間の本焼成を行った。こうして得られた焼成物をと化学量論比で等量のフッ化リチウム(LiF)を添加し、白金るつぼに入れた後、石英真空封管中で780℃で72時間の焼成を行い、Li2NiPO4Fを得た。こうして得られたLi2NiPO4FのX線回折パターンを図1に示す。
上述のようにして得られたLi2NiPO4Fをめのう乳鉢に入れ、Li2NiPO4Fの上に金からなる薄板を載せ、さらにその上にLi2NiPO4Fをふりかけた後、乳棒で強く押し付けてLi2NiPO4FとAu薄膜とを圧着させることにより、実施例のリチウムイオン電池用正極を得た。
(サイクリックボルタンメトリー測定)
上記のようにして作製した実施例のリチウムイオン電池用正極について、以下の2つの条件によりサイクリックボルタンメトリーの測定を行った。
・条件1
条件1では、電解液としてセバコニトリル:エチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC)=50::25:25(容量比)の混合有機溶媒にLiBF4を1mol/Lの濃度となるように溶解させたものを用いた。この電解液に実施例のリチウムイオン電池用正極を浸漬し、対極及び参照極としてLi金属を用い、電位の掃引速度は100mV/秒とし、Li/Li+参照電極に対して2.5〜6.0Vの範囲で電位掃引を行った。
・条件2
条件2では、電解液としてセバコニトリル:エチレンカーボネート(EC)=50:50の混合有機溶媒にLiBF4を1mol/Lの濃度となるように溶解させたものを用いた。その他については、条件1と同様であり、説明を省略する。
上記のようにして作製した実施例のリチウム電池用正極を用い、例えば上記特許文献2に記載の方法によって、リチウムイオン電池を作製することができる。以下にその詳細を述べる。
(正極)
正極として上記実施例のリチウム電池用正極を用いる。
(負極)
黒鉛より成る負極活物質と、スチレン系結着剤との質量比が98:2となるように、N−メチルピロリドン溶剤中で両者を混合して、負極合剤スラリーを調製する。次に、この負極合剤スラリーを銅箔から成る負極芯体の両面の全面にわたって均一に塗布した後、乾燥、圧延して負極とする。
図5に示すように、上述のようにして作製した正極1と負極2とに、それぞれにリード1a、1bを取り付けた後、両極1、2をポリエチレン製のセパレータを介して重ね合わせる。そして、巻き取り機により捲回し、更に、最外周をテープ止めし加圧することにより偏平渦巻状の電極体4とする。
シート状のアルミラミネート材を用意し、このアルミラミネート材における端部近傍同士を重ね合わせ、更に、重ね合わせ部を溶着して、封止部5c(図4参照)を形成する。次に、図6に示すように、この筒状のアルミラミネート材の収納空間6内に電極体4を挿入した。この際、筒状のアルミラミネート材の一方の開口部から両集電タブが突出するように電極体4を配置した。次に、この状態で、リード1a、1bが突出している開口部のアルミラミネート材を溶着して封止しし、封止部5a(図7参照)を形成した。この際、溶着は高周波誘導溶着装置を用いて行うことができる。
上記の構造のようなリチウムイオン電池の他、ボタン型電池とすることもできる。すなわち、図8に示すように、SUS316Lからなる有底円筒状の電極缶11と、SUS316Lからなる有底円筒状で扁平状の電極キャップ12とを用意する。
エチレンカーボネート:ジメチルカーボネート:セバコニトリル=25:25:50(容量比)の混合溶媒にLiBF4を1mol/Lとなるように溶解した溶液
電解液はLi塩(電解質)と有機溶媒とを含んでいる。
Li塩には、Liイオン電池用の一般的なLi塩を用いることができる。例えば、LiPF6(六フッ化リン酸リチウム)、LiBF4(四フッ化ホウ酸リチウム)、LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)、LiTFS(トリフルオロメタンスルホン酸リチウム)、LiBETI(リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド)又はこれらの2種以上を用いることができる。
なかでも、正極の酸化還元電位が4.5V以上のものについては、LiPF6、及び/又はLiBF4を使用することが好ましい。また、LiTFSIやLiTFSやLiBETIを用いる場合、LiPF6又はLiBF4を添加することが好ましい。
更にはニトリル化合物を有機溶媒として用いることができる。ここで、ニトリル化合物としては、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物を挙げることができる。
シアノ酢酸エステルとしてはシアノ酢酸メチル、シアノ酢酸エチル、シアノ酢酸プロピル、シアノ酢酸ブチル等が挙げられる。これらのシアノ酢酸エステルは、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
電位窓を広げる作用の観点からジニトリル化合物が好ましい。中でも、セバコニトリルの採用が更に好ましい。
ただし、ニトリル化合物は粘度が高いので、上述の鎖状炭酸エステル、環状炭酸エステル及び/又は環状カルボン酸エステルと併用することが好ましい。更に好ましくはニトリル化合物と鎖状炭酸エステル及び環状炭酸エステルとを併用する。鎖状炭酸エステルとしてはジメチルカーボネートを採用することができ、環状炭酸エステルとしてはエチレンカーボネートを採用することができる。
この場合、有機溶媒全体に占めるニトリル化合物の配合割合は1〜90容量%とすることが好ましい。更に好ましくは5〜70容量%であり、更に更に好ましくは、10〜50容量%である。
正極は正極活物質と集電体とを備える。
(正極活物質)
正極活物質として、本発明はLi2NiPO4Fを用いる。また、ニッケルを他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又は2種以上を用いることができる(特開2008−130525号参照)。
2−2 特性
この正極活物質の酸化還元電位は、上記酸化物系とは異なり300℃未満では発熱反応が小さい上、酸素は発生せず、安全性が高いことから注目されている。
また、電池の電気容量密度(mAh/g)を上記リン酸塩系よりも高くできる(特開2003−229126号公報参照)。しかし、Li2NiPO4F系の放電電位は5.2V(vs Li/Li+)程度であり、5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。
正極用集電体とは正極活物質を担持する導電性の基板である。
正極の集電体の成形材料は、充電時において安定であることが要求される。例えば、電解質としてLiPF6、LiBF4を使用する場合、オーステナイト系ステンレス、Ni、Al、Ti等を用いることができるが、使用する正極活物質の動作電位を考慮し、適宜選択することが好ましい。例えば、電解質としてLiPF6を用いる場合は、Li/Li+電極に対して6Vでも使用することができるが、電解質としてLiBF4を用いる場合、SUS304はLi/Li+電極に対し5.8V以下で充放電可能な場合のみ用いることができる。また、電解質としてLiTFSIを使用する場合、正極集電体表面に耐食性皮膜を形成させるべく、LiPF6を共存させることが好ましい。LiBETI及びLiTFSもLiTFSIの場合と同様である。
また、Al等の導電金属材料へ導電性DLC(ダイヤモンドライクカーボン)を周知の方法で被覆したものを集電体として用いることもできる。電解質がLiBF4やLiPF6など、容易にフッ化物皮膜を形成するようなリチウム塩の場合は、アルミニウム上へ厚いフッ化皮膜が形成し、耐食性は向上するものの、電子伝導性が低下し、ひいてはオーミック過電圧増加に伴う、高出力化が阻害されることとなる。Al等の導電金属材料へ導電性DLCを被覆すれば、フッ化物皮膜は導電性DLCの欠陥部分の極わずかな面積でのみ発生するだけである。このため、高電圧化しても電子伝導性の低下は無視できる程度となり、懸念されている高電圧化による出力低下は防ぐことが可能となる。
ここで、導電性ダイヤモンドライクカーボンとは、ダイヤモンド結合(炭素同士のSP3混成軌道結合)とグラファイト結合(炭素同士のSP2混成軌道結合)の両方の結合が混在しているアモルファス構造をとるカーボンのうち、導電性が1000Ωcm以下のものをいう。ただし、アモルファス構造以外に、部分的にグラファイト構造からなる結晶構造(すなわちSP2混成軌道結合からなる六方晶系結晶構造)からなる相を有し、これにより導電性が発揮されるものも含まれる。グラファイトとダイヤモンドの中間の性質を有するダイヤモンドライクカーボンは、成膜時にダイヤモンドライクカーボンを構成する炭素原子のSP2混成軌道結合とSP3混成軌道結合の比率を調整することで、導電性を調節することができる。
勿論、上記耐食性導電性金属材料を導電性DLCで被覆してもよい。
集電体の形状及び構造は、正極活物質や電池の構造に応じて、任意に設計可能である。
リチウムイオン電池用正極は、リチウムイオン電池に組み込む前に、ニトリル化合物を1容量%以上含む有機溶媒中にリチウム塩が溶解した前処理用電解液中に正電極を浸漬する浸漬処理工程を行い、さらに電極に正電圧を付与する正電圧処理工程を行なう。こうして前処理された電極は、ニトリル化合物を全く含まない電解液や、ニトリル化合物の添加量の少ない電解液を用いたリチウムイオン電池に用いても、電位窓が広く、高い電位においても電解液を分解し難くなる(特願2009−180007号参照)。このような広い電位窓の電極となる理由は、電極上に窒素を成分として含む耐食性の皮膜が形成されるためであると推測される。
負極は負極活物質と集電体とを備える。
(負極活物質)
負極活物質とは「正極よりも低い電位で結晶構造内にリチウムが挿入/離脱され、それに伴って酸化/還元が行われる物質」をいう。
負極活物質としては、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン等の種々の炭素材料やチタン酸リチウム(Li4Ti5O12)、H2Ti12O25、H2Ti6O13、Fe2O3などが挙げられる。また、これらを適宜混合した複合体も挙げることができる。さらには、Si微粒子やSi薄膜、これらのSiがSi−Ni、Si−Cu、Si−Nb、Si−Zn、Si−Sn等のSi系合金となった微粒子や薄膜が挙げられる。さらには、SiO酸化物、Si−SiO2複合体、Si−SiO2−カーボンなどの複合体等を挙げることができる。
負極用の集電体は、電解液にニトリル化合物を用いたとき(他の有機溶剤との併用を含む)には、電解液中のLi塩に応じて適宜選択する必要がある。すなわち、電解質としてLiPF6、LiBF4を使用する場合、オーステナイト系ステンレス、Ni、Al、Ti等の使用が可能となる。ただし、使用する負極活物質の動作電位に応じて、適宜選択する必要がある。負極活物質としてカーボン系やSi系を使用する場合において、電解質としてLiBF4を使用した場合は、Cu以外のAl、Ni、Ti、オーステナイト系ステンレス等からなる集電体を使用することができる。負極活物質としてチタン酸リチウムやFe2O3系の化合物を用いた場合は、Cuを含む上記材料の全てが適用可能である。一方、電解質としてLiPF6使用時はAl、Ni及びTiが好ましく、オーステナイト系ステンレス及びCuは好ましくない。また、電解質としてLiTFSIや、LiBETI、やLiTFSを使用する場合、Ni、Ti、Al、Cu、オーステナイト系ステンレスの何れも使用することができる。
正極活物質と集電体との間に導電性の電子伝導部材を介在させて、両者の間に十分な電子伝導パスを確保することが好ましい。
ここで電子伝導部材は正極活物質と集電体との間に電子伝導パスを形成できればその形態は特に限定されるものではなく、例えばアセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト粉、ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン等の導電性粉体(導電助剤)を用いることができる。ダイヤモンドライクカーボン及びグラッシーカーボンは、カーボンブラックやグラファイトよりもはるかに広い電位窓を有しており、高電位を付与した場合の耐食性に優れているため、好適に用いることができる。また、これらの導電助剤に金属微粒子が担持されていることも好ましい。金属微粒子としては、例えばPt、Au、Ni等が挙げられる。これらは、単独で用いても良いし、これらの合金であっても良い。
電子伝導材料として、正極活物質を被覆する導電性皮膜(DLC膜等)、正極活物質を埋入させた導電性薄膜(金板等)を用いることができる。
正極用電子伝導部材と同様な物を用いることができる。
セパレータは電解液中へ浸漬され、正極と負極とを分離し両者の短絡を防ぐとともに、Liイオンの通過を許容する。
かかるセパレータには、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂から成る多孔質フィルムが挙げられる。
ケースは電解液に対する耐食性を有する材質で形成される。その形状は、電池の目的用途に応じて任意に設計できる。
リチウム塩が溶解している電解液を使用する場合には、オーステナイト系ステンレスからなる基材、Ti、Ni及び/又はAlからなるケースを用いることができる。但し使用する正極、負極活物質の動作電位により適宜選択しなければならない場合もある。
ケースが集電体を兼ねる場合や集電体に電気的に結合される場合は、各電極の集電体形成材料と同一若しくは同種の材料で形成される。
102…Li2NiPO4Fからなる粒子
103…電解液
1…正極
2…負極
1a、1b…リード
4…電極体
11、12…電池ケース(11…電極缶、12…電極キャップ)
13…スペーサ(集電体)
14…リチウムペレット(陰極活物質)
15…セパレータ
17…スペーサ(集電体)
18…電極材ペレット
Claims (6)
- Li2NiPO4F系正極活物質が正極用集電体に担持されているリチウムイオン電池用正極であって、
前記Li2NiPO4F系正極活物質が物理的な衝撃力によって前記正極用集電体に打ち込まれていることを特徴とするリチウムイオン電池用正極。 - 前記物理的な衝撃力による前記正極用集電体への打ち込みは、該正極用集電体と前記Li2NiPO4F系正極活物質とを接触させておき、重量物を打ち付けることによって行うことを特徴とする請求項1記載のリチウムイオン電池用正極。
- 前記物理的な衝撃力による前記正極用集電体への打ち込みは、前記Li2NiPO4F系正極活物質の粉末を前記正極用集電体に高速で衝突させることによって行われることを特徴とする請求項1記載のリチウムイオン電池用正極。
- 前記物理的な衝撃力による前記正極用集電体への打ち込みは、前記正極用集電体をターゲット電極とするスパッタリング現象によって行うことを特徴とする請求項1記載のリチウムイオン電池用正極。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載のリチウムイオン電池用正極活物質と、環状炭酸エステル及び鎖状炭酸エステルを含む溶液にリチウム塩が溶解している電解液と、を用いたリチウムイオン電池。
- Li2NiPO4F系正極活物質の電気化学的挙動を調べるための電気化学的測定方法であって、
前記Li2NiPO4F系正極活物質が物理的な衝撃力によって電子伝導体に打ち込まれた電極を作用極として用いることを特徴とするLi2NiPO4F系正極活物質の電気化学特性の測定方法。
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