JP2012038564A - 活物質、活物質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】層状構造を有し、下記組成式(1)で表される、活物質。
LiyNiaCobMncMdOxFz1Pz2 (1)
[上記式(1)中、元素MはAl,Si,Zr,Ti,Fe,Mg,Nb,Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0≦y≦1.3、0<a≦0.3、0≦b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、0.07≦z1≦0.15、0.01≦z2≦0.1、1.9≦(x+z1)≦2.1。]
【選択図】図1
Description
LiyNiaCobMncMdOxFz1Pz2 (1)
上記式(1)中、元素MはAl,Si,Zr,Ti,Fe,Mg,Nb,Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0≦y≦1.3、0<a≦0.3、0≦b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、0.07≦z1≦0.15、0.01≦z2≦0.1、1.9≦(x+z1)≦2.1。
LiyNiaCobMncMdOx (2)
上記式(2)中、元素MはAl,Si,Zr,Ti,Fe,Mg,Nb,Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0≦y≦1.3、0<a≦0.3、0≦b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、1.90≦x≦2.05。
本実施形態の活物質は、層状構造を有し、下記組成式(1)で表されるリチウム含有複合酸化物である。
LiyNiaCobMncMdOxFz1Pz2 (1)
上記式(1)中、元素MはAl,Si,Zr,Ti,Fe,Mg,Nb,Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0≦y≦1.3、0<a≦0.3、0≦b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、0.07≦z1≦0.15、0.01≦z2≦0.1、1.9≦(x+z1)≦2.1。
活物質の製造では、まず活物質の前駆体(第一前駆体)を調製する。前駆体は、下記組成式(2)に対応する組成を有する。
LiyNiaCobMncMdOx (2)
上記式(2)中、元素MはAl,Si,Zr,Ti,Fe,Mg,Nb,Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0≦y≦1.3、0<a≦0.3、0≦b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、1.90≦x≦2.05。
Ni化合物:硫酸ニッケル六水和物、硝酸ニッケル六水和物、塩化ニッケル六水和物等。
Co化合物:硫酸コバルト七水和物、硝酸コバルト六水和物、塩化コバルト六水和物等。
Mn化合物:硫酸マンガン五水和物、硝酸マンガン六水和物、塩化マンガン四水和物、酢酸マンガン四水和物等。
M化合物:Al源、Si源、Zr源、Ti源、Fe源、Mg源、Nb源、Ba源、V源(酸化物、フッ化物等)。例えば、硝酸アルミニウム九水和物、フッ化アルミニウム、硫酸鉄七水和物、二酸化けい素、硝酸酸化ジルコニウム二水和物、硫酸チタン水和物、硝酸マグネシウム六水和物、酸化ニオブ、炭酸バリウム、酸化バナジウム等。
LiyNiaCobMncMdOx (2)
上記式(2)中、元素MはAl,Si,Zr,Ti,Fe,Mg,Nb,Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0≦y≦1.3、0<a≦0.3、0≦b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、1.90≦x≦2.05。
LiyNiaCobMncMdOxFz1Pz2 (1)
上記式(1)中、元素MはAl,Si,Zr,Ti,Fe,Mg,Nb,Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0≦y≦1.3、0<a≦0.3、0≦b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、0.07≦z1≦0.15、0.01≦z2≦0.1、1.9≦(x+z1)≦2.1。
図1に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100は、互いに対向する板状の負極20及び板状の正極10と、負極20と正極10との間に隣接して配置される板状のセパレータ18と、を備える発電要素30と、リチウムイオンを含む電解質溶液と、これらを密閉した状態で収容するケース50と、負極20に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケースの外部に突出される負極リード62と、正極10に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケースの外部に突出される正極リード60とを備える。
[第一前駆体の作製]
硝酸リチウム12.80g、硝酸コバルト六水和物3.50g、硝酸マンガン六水和物24.20g、硝酸ニッケル六水和物7.55gを蒸留水に溶解させた第一前駆体の原料混合物に、グルコース0.3g及び硝酸1mlを加え、さらにポリビニルアルコール(1wt%水溶液)15mlを加えた。この原料混合物を200℃に加熱したホットプレート上で、蒸留水が蒸発するまで攪拌することにより、黒色の粉末(実施例1の第一前駆体)が得られた。つまり、原料混合物の蒸発乾固により、実施例1の第一前駆体を得た。なお、原料混合物における硝酸リチウム、硝酸ニッケル六水和物、硝酸コバルト及び硝酸マンガン六水和物の配合量の調整により、第一前駆体が含有するLi,Ni,Co及びMnのモル数を、0.15molのLi1.2Ni0.17Co0.08Mn0.55O2に相当するように調整した。つまり、実施例1の第一前駆体から、0.15molのLi1.2Ni0.17Co0.08Mn0.55O2が生成するように、原料混合物中の各元素のモル数を調整した。原料混合物に添加したグルコース0.3g(0.00167mol)は、実施例1の第一前駆体から得られる活物質のモル数0.15molに対して、1.11モル%とした。
第一前駆体を乳鉢で10分程度粉砕した後、900℃で10時間大気中において焼成して、実施例1のリチウム化合物(第二前駆体)を得た。実施例1のリチウム化合物の結晶構造を粉体X線回折法により解析した。実施例2の活物質は、菱面体晶系の空間群R(-3)m構造の主相を有することが確認された。また、実施例2の活物質のX線回折パターンにおいて2θが20〜25°付近に、Li2MnO3型の単斜晶系の空間群C2/m構造に特有の回折ピークが観察された。
実施例1のリチウム化合物(第二前駆体)と、導電助剤と、バインダーを含む溶媒とを混合して、正極用塗料を調製した。正極用塗料を正極集電体であるアルミニウム箔(厚み20μm)にドクターブレード法で塗布後、100℃で乾燥し、圧延した。これにより、リチウム化合物(第二前駆体)の層及び正極集電体から構成される正極を得た。導電助剤としては、カーボンブラック(電気化学工業(株)製、DAB50)及び黒鉛(ティムカル(株)製、KS−6)を用いた。バインダーを含む溶媒としては、PVDFを溶解したN−メチル−2−ピロリジノン(呉羽化学工業(株)製、KF7305)を用いた。
実施例1の第二前駆体の代わりに天然黒鉛を用い、導電助剤としてカーボンブラックだけを用いたこと以外は、正極用塗料と同様の方法で、負極用塗料を調製した。負極用塗料を負極集電体である銅箔(厚み16μm)にドクターブレード法で塗布後、100℃で乾燥し、圧延した。これにより、負極活物質層及び負極集電体から構成される負極を得た。
上で作製した正極、負極とセパレータ(ポリオレフィン製の微多孔質膜)を所定の寸法に切断した。正極、負極には、外部引き出し端子を溶接するために電極用塗料を塗布しない部分を設けておいた。正極、負極、セパレータをこの順序で積層した。積層するときには、正極、負極、セパレータがずれないようにホットメルト接着剤(エチレン−メタアクリル酸共重合体、EMAA)を少量塗布し固定した。正極、負極には、それぞれ、外部引き出し端子としてアルミニウム箔(幅4mm、長さ40mm、厚み100μm)、ニッケル箔(幅4mm、長さ40mm、厚み100μm)を超音波溶接した。この外部引き出し端子に、無水マレイン酸をグラフト化したポリプロピレン(PP)を巻き付け熱接着させた。これは外部端子と外装体とのシール性を向上させるためである。正極、負極、セパレータを積層した電池要素を封入する電池外装体として、PET層、Al層及びPP層から構成されるアルミニウムラミネート材料を用いた。PET層の厚さは12μmであった。Al層の厚さは40μmであった。PP層の厚さは50μmであった。なお、PETはポリエチレンテレフタレート、PPはポリプロピレンである。電池外装体を作製では、PP層を外装体の内側に配置させた。この外装体の中に電池要素を入れ電解液を適当量添加し、外装体を真空密封した。これにより、実施例1のリチウム化合物を用いたリチウムイオン二次電池を作製した。なお、電解液としては、エチレンカーボンネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合溶媒にLiPF6を濃度1M(1mol/L)で溶解させたものを用いた。混合溶媒におけるECとDMCとの体積比は、EC:DMC=30:70とした。
上記の電池を、電流値30mA/gで4.6Vまで定電流で充電した後、電流値30mA/gで2.0Vまで定電流放電した。充放電工程における電池の温度を25℃に調整した。充放電工程後、正極集電体の表面に形成された活物質に対して、ICP分析及び蛍光X線分析を行った。分析の結果、充放電工程後の正極集電体の表面には、Li1.2Ni0.17Co0.08Mn0.55O1.9F0.08P0.08で表される実施例1の活物質が形成されていることが確認された。つまり、充放電工程により、実施例1のリチウム化合物(第二前駆体)内に、電解質中のP及びFが導入されることにより、実施例1の活物質が形成されたことが確認された。
上記の充放電工程後の実施例1の電池を、電流値30mA/gで4.6Vまで定電流で充電した後、電流値30mA/gで2.0Vまで定電流放電した。実施例1の放電容量は230mAh/gであった。この充放電サイクルを100サイクル繰返すサイクル試験を行った。試験は25℃で行った。実施例1の電池の初期放電容量を100%とすると、100サイクル後の放電容量は92%であった。以下では、初期放電容量を100%としたときの、100サイクル後の放電容量の割合をサイクル特性という。サイクル特性が高いことは、電池が充放電サイクル耐久性に優れていることを示す。
実施例2〜16,29,30、比較例1,3及び17では、第一前駆体の原料混合物の組成を調整することにより、下記表1〜3に示す組成式(2)で表される各リチウム化合物(第二前駆体)を作製した。
実施例19〜24では、リチウム化合物(第二前駆体)にP及びFを導入するための充放電工程において、電池の温度を表4に示す値に調整した。この事項以外は、実施例1と同様の方法で、実施例19〜24の第一前駆体、リチウム化合物(第二前駆体)、活物質及びリチウムイオン二次電池を作製した。
[上記式(2)中、元素MはAl,Si,Zr,Ti,Fe,Mg,Nb,Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0≦y≦1.3、0<a≦0.3、0≦b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、1.90≦x≦2.05。]
[上記式(1)中、元素MはAl,Si,Zr,Ti,Fe,Mg,Nb,Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0≦y≦1.3、0<a≦0.3、0≦b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、0.07≦z1≦0.15、0.01≦z2≦0.1、1.9≦(x+z1)≦2.1。]
Claims (5)
- 層状構造を有し、下記組成式(1)で表される、活物質。
LiyNiaCobMncMdOxFz1Pz2 (1)
[上記式(1)中、元素MはAl,Si,Zr,Ti,Fe,Mg,Nb,Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0≦y≦1.3、0<a≦0.3、0≦b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、0.07≦z1≦0.15、0.01≦z2≦0.1、1.9≦(x+z1)≦2.1。] - 正極集電体と、正極活物質を含む正極活物質層と、を有する正極と、
負極集電体と、負極活物質を含む負極活物質層と、を有する負極と、
前記正極活物質層と前記負極活物質層との間に位置するセパレータと、
前記負極、前記正極、及び前記セパレータに接触している電解質と、を備え、
前記正極活物質が請求項1に記載の活物質を含む、
リチウムイオン二次電池。 - 前記電解質は、LiPF6が溶解した非水電解質である、
請求項2に記載のリチウムイオン二次電池。 - LiPF6が溶解した非水電解質を備えるリチウムイオン二次電池の正極表面にリチウム化合物を配置し、前記リチウムイオン二次電池を1回以上充放電させることにより、前記リチウム化合物から活物質を形成する工程を備え、
前記リチウム化合物が、層状構造を有し、下記組成式(2)で表される、
活物質の製造方法。
LiyNiaCobMncMdOx (2)
[上記式(2)中、元素MはAl,Si,Zr,Ti,Fe,Mg,Nb,Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0≦y≦1.3、0<a≦0.3、0≦b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、1.90≦x≦2.05。] - 充放電させるときの前記リチウムイオン二次電池の温度を0〜40℃に維持する、
請求項4に記載の活物質の製造方法。
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