JP2012049124A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、正極活物質として、電子伝導度が小さなものが含まれている場合であっても、正極合剤層と正極集電体との密着性が良好で、且つ、比容量が大きい非水電解質二次電池を提供することを目的とする。
【解決手段】正極活物質及び結着剤を含む正極合剤層が、正極集電体の少なくとも一方の面に形成された正極１と、負極２と、非水電解質とを含む非水電解質二次電池において、上記正極活物質が電子伝導度１×１０^−９Ｓ／ｃｍのＬｉＦｅＰＯ_４であり、且つ、上記正極合剤層が複数の層から成り、上記正極集電体の表面に直接形成された第１層中に存在する正極活物質の空孔率は４％であり、この第１層の表面に直接形成された第２層中に存在する正極活物質の空孔率は１１％であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は非水電解質二次電池に関し、特に、正極の改良に関する。

近年、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の移動情報端末の小型・軽量化が急速に進展しており、その駆動電源としての電池にはさらなる高容量化が要求されている。充放電に伴い、リチウムイオンが正、負極間を移動することにより充放電を行う非水電解質二次電池は、高いエネルギー密度を有し、高容量であり、しかも自己放電性が低いので、上記のような移動情報端末の駆動電源として広く利用されている。

ここで、リチウムの酸化還元電位は、−３．０３Ｖ（ｖｓ．ＮＨＥ）と低く、最も卑な金属であるため、リチウムを負極として用いることにより、高い起電力を得ることができる。しかしながら、リチウムは水と反応するため、リチウムを負極活物質として用いる場合、電解液としては非水系の電解液を用いるのが一般的である。

一方、非水電解質二次電池の正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ_２が広く用いられている。しかしながら、当該正極活物質に用いられるＣｏは、埋蔵量が少なく、高価であるため、ＬｉＣｏＯ_２に代わる正極活物質の研究が盛んに行われている。ＬｉＣｏＯ_２に代わる正極活物質としては、例えば、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４やＬｉＮｉＯ_２等が検討されている。しかしながら、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４を正極活物質として用いた場合には、ＬｉＣｏＯ_２を正極活物質として用いた場合ほど大きな容量が得られず、また、ＬｉＮｉＯ_２を正極活物質として用いた場合には、ＬｉＣｏＯ_２を正極活物質として用いた場合よりも放電電圧が低くなるという問題がある。

そこで、近年、リチウム含有遷移金属オキシアニオン化合物として、例えばオリビン構造を有するＬｉＦｅＰＯ_４、ナシコン構造を有するＬｉ_３Ｆｅ_２（ＰＯ_４）_３等が、ＬｉＣｏＯ_２に変わる正極活物質として注目されてきている。例えば、上記ＬｉＦｅＰＯ_４は、リチウムの拡散速度が遅いために、正極活物質粒子や結晶子サイズを小さくすることで、正極活物質内のリチウム拡散経路が短くなり、比容量を大きくすることができる。しかし、一次粒子がｎｍオーダーである場合、ハンドリング性が低下するという課題がある。

このようなことを考慮して、一次粒子を凝集させて、二次粒子を作製する場合があるが、単に、当該二次粒子を用いただけでは、正極活物質と正極集電体との密着性が低下したり、正極活物質と電解液との界面における反応面積が小さくなって、ＬｉＦｅＰＯ_４の比容量が小さくなるといった問題が発生する。

ここで、正極活物質であるＬｉＦｅＰＯ_４と正極集電体との密着性改善のため、正極合剤層形成時に、正極合剤スラリーの塗布を２回以上繰返すことで、圧延後に、正極集電体から正極合剤層が剥がれるのを抑制する提案が開示されている（下記特許文献１参照）。

また、正極合剤層を複数の層とし、正極集電体側の層の結着剤量を増やす一方、セパレータ側の層の結着剤量を減少させることで、正極集電体と正極合剤層と密着性を向上させ、かつ高容量化する提案が開示されている（下記特許文献２参照）。

更に、正極合剤層が２層であり、正極集電体側の正極合剤層の空隙率を３０％以上５０％未満とする一方、セパレータ側の正極合剤層の空隙率を５０％以上６０％未満と規制することで、出力密度を向上させることが可能となることが開示されている（下記特許文献３参照）。

特開２００９−２４５８２７号公報 特開２００４−７９３７０号公報 特開２００２−１５１０５５号公報

しかしながら、正極活物質として、ＬｉＦｅＰＯ_４等の電子伝導度が小さなものを用いた場合に、上記特許文献１〜３に示した技術では、以下に示す課題を生じる。即ち、特許文献１の如く、正極合剤スラリーの塗布を２回以上繰返すだけでは、必ずしも正極合剤層と正極集電体との密着性を向上することができない。また、特許文献２の如く、正極集電体側の層の結着剤量を増やすと、当該層内における導電性が低下するため、正極活物質の利用率が低下して、比容量が小さくなる。更に、特許文献３の如く、セパレータ側の正極合剤層の空隙率を５０％以上６０％未満（真密度との比）とすると、セパレータ側の正極合剤層において、正極活物質の充填密度が極めて低くなって、正極活物質の利用率が低下する結果、比容量が小さくなるといった課題である。

そこで、本発明は、正極活物質として、電子伝導度が小さなものを用いた場合であっても、正極合剤層と正極集電体との密着性が良好で、且つ、比容量が大きい非水電解質二次電池を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明は、正極活物質及び結着剤を含む正極合剤層が、正極集電体の少なくとも一方の面に形成された正極と、負極と、非水電解質とを含む非水電解質二次電池において、上記正極活物質の電子伝導度が１×１０^−１８Ｓ／ｃｍ以上１×１０^−７Ｓ／ｃｍ以下であり、且つ、上記正極合剤層が複数の層から成り、上記正極集電体の表面に直接形成された第１層中に存在する正極活物質の空孔率は、この第１層の表面に直接形成された第２層中に存在する正極活物質の空孔率より小さくなっていることを特徴とする。

上記正極活物質の空孔率とは、一次粒子を凝集させて形成された二次粒子に関するものである。具体的には、電子伝導度が規制された上記正極活物質の二次粒子断面全体の面積に対する空孔の面積の比率（面積比）をいい、上記特許文献３に示されるような正極合剤層における空隙率（極板全体における空孔率）とは異なる。

ここで、上記空孔率が大きい場合には、二次粒子の内部の空孔体積が大きくなるので、正極活物質と電解液との界面における反応面積が大きくなって、比容量の大きな正極活物質を得ることができる。しかし、正極合剤スラリー作製時に、二次粒子内部の空孔部分に結着剤が浸透し易くなるため、二次粒子表面の結着剤量が減少する。このため、正極合剤層（正極活物質）と正極集電体との密着性が低くなる。
一方、上記空孔率が小さい場合には、正極合剤スラリー作製時に、二次粒子内部の空孔部分に結着剤が浸透し難くなるため、二次粒子表面において結着剤量が余り減少しない。このため、正極合剤層と正極集電体との密着性は向上する。しかし、正極活物質と電解液との界面における反応面積が小さくなるため、正極活物質の比容量が小さくなる。

そこで、上記構成の如く、正極集電体の表面に直接形成された第１層中に存在する正極活物質の空孔率が、第１層の表面に直接形成された第２層中に存在する正極活物質の空孔率より小さくなっていれば、正極活物質の空孔率が小さな第１層の存在により、正極合剤層（正極活物質）と正極集電体との密着性が向上する一方、正極活物質の空孔率が大きな第２層の存在により、比容量が大きくなる。尚、正極集電体と第１層とは異種物質であるので、第１層と正極集電体との界面において密着強度の低下は生じ易い一方、第１層と第２層とは同種物質である（共に正極合剤層を構成する）ので、第１層と第２層との界面において密着強度の低下は生じ難い。したがって、第２層中の正極活物質の空孔率がある程度大きくても〔当該正極活物質中（二次粒子中）に結着剤がある程度浸透しても〕、第１層と第２層との界面で剥離が生じるのは抑止される。

ここで、正極活物質の電子伝導度を１×１０^−１８Ｓ／ｃｍ以上１×１０^−７Ｓ／ｃｍ以下に規制するのは、以下に示す理由による。
電子伝導度が１×１０^−７Ｓ／ｃｍを超える正極活物質では、正極活物質の体積抵抗率が低く、十分な電子伝導度が得られている。したがって、正極活物質の二次粒子における空孔率が大きい場合（例えば、空孔率が６％以上の疎な二次粒子を用いる場合）のみならず、正極活物質の二次粒子における空孔率が小さい場合（例えば、空孔率が６％未満の密な二次粒子を用いる場合）であっても充分な比容量が得られる。即ち、空孔率の大小に関わらず充分な比容量が得られる。したがって、電子伝導度が１×１０^−７Ｓ／ｃｍを超える正極活物質に空孔率を規制する構成を適用しても、電池特性の向上を図ることはできない。尚、電子伝導度が１×１０^−７Ｓ／ｃｍを超える正極活物質としては、ＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＮｉ_１／３Ｃｏ_１／３Ｍｎ_１／３Ｏ_２、ＬｉＭｎ_２Ｏ_４等が例示される。

また、電子伝導度が１×１０^−１８Ｓ／ｃｍ未満の正極活物質では、石英ガラスと同等の絶縁体の領域であって、体積抵抗率が高く、電子伝導度が極端に低くなる。したがって、正極活物質の二次粒子における空孔率が小さい場合のみならず、正極活物質の二次粒子における空孔率が大きい場合であっても充分な比容量が得られない。即ち、空孔率の大小に関わらず充分な比容量を得られない。したがって、電子伝導度が１×１０^−１８Ｓ／ｃｍ未満の正極活物質に空孔率を規制する構成を適用しても、やはり、電池特性の向上を図ることはできない。

これに対して、電子伝導度が１×１０^−１８Ｓ／ｃｍ以上１×１０^−７Ｓ／ｃｍ以下の正極活物質では、正極活物質の二次粒子における空孔率が大きい場合には、比容量は大きくなるが、正極合剤層（正極活物質）と正極集電体との密着性が低くなる一方、正極活物質の二次粒子における空孔率が小さい場合には、正極合剤層と正極集電体との密着性は向上するが、比容量が小さくなる。したがって、このような電子伝導度を有する正極活物質に、空孔率を規制する構成を適用することにより、本発明の作用効果が十分に発揮される。

尚、正極合剤層としては、正極集電体の表面に直接形成された第１層と、この第１層の表面に直接形成された第２層とに限定するものではなく、第２層の表面に直接形成された第３層や、第３層の表面に直接形成された第４層が存在していても良い。この場合、上記と同様の理由（第１層と第２層との界面で剥離が生じるのを抑えられるという理由）により、第２層と第３層との界面での剥離や、第３層と第４層との界面での剥離は余り考慮する必要がない。したがって、第３層や第４層における正極活物質の空孔率は第２層と同様に規制すれば足る。

上記正極合剤層は、上記第１層と第２層とのみから成ることが望ましい。
上記の如く第３層等が存在していても良いが、層の数が多くなると正極合剤スラリーの塗布回数が多くなって、正極の製造工程が煩雑になるからである。また、２つの層だけで本発明の作用効果を十分に発揮できるからである。

上記第１層中に配置された正極活物質の空孔率が０．１％以上６％未満であり、上記第２層中に配置された正極活物質の空孔率が６％以上８０％以下であることが望ましく、特に、上記第１層中に配置された正極活物質の空孔率が１％以上５％以下であり、上記第２層中に配置された正極活物質の空孔率が７％以上３０％以下であることが望ましく、その中でも、上記第１層中に配置された正極活物質の空孔率が２％以上４％以下であり、上記第２層中に配置された正極活物質の空孔率が７％以上１５％以下であることが望ましい。

電子伝導度が１×１０^−１８Ｓ／ｃｍ以上１×１０^−７Ｓ／ｃｍ以下の正極活物質では、正極活物質の空孔率が６％未満の密な二次粒子の場合、充放電時に、正極活物質と電解液との界面における反応面積が小さくなり、更に、正極活物質二次粒子内部の電子移動がされ難くなるため、電子伝導度が１×１０^−７Ｓ／ｃｍを超える正極活物質と比較して、充分な比容量を得ることができないことがある。但し、正極活物質の空孔率が６％未満の密な二次粒子の場合、二次粒子内部に結着剤が浸透され難いため、正極合剤層と正極集電体との密着性に関しては良好であると考えられる。

一方、電子伝導度が１×１０^−１８Ｓ／ｃｍ以上１×１０^−７Ｓ／ｃｍ以下の正極活物質では、正極活物質の空孔率が６％以上の場合、正極活物質と電解液との界面における反応面積が大きくなり、炭素導電剤が二次粒子内部に入り込むことで、正極活物質二次粒子内部の電子移動がされ易くなるため、充分な比容量が得られると考えられる。但し、空孔率が６％以上の疎な二次粒子の場合は、二次粒子内部に結着剤が浸透され易いため、正極合剤層と正極集電体との密着性が低下することがある。
そこで、上記の如く、第１層中に配置された正極活物質の空孔率の上限を６％未満に規制する一方、第２層中に配置された正極活物質の空孔率の下限を６％以上に規制することにより、正極合剤層と正極集電体との密着性を向上させつつ、充分な比容量を得ることができる。

但し、第１層の正極活物質の空孔率が０．１％未満の場合、当該正極活物質の空孔率が０．１％以上６％未満である場合と比較して、正極合剤層と正極集電体との密着性は向上するが、正極活物質と電解液との界面における反応面積が極めて小さくなって、比容量が著しく低下する。以上のことから、第１層中に配置された正極活物質の空孔率は０．１％以上６％未満であることが好ましく、特に、１％以上５％以下であることが好ましく、その中でも、２％以上４％以下であることが好ましい。

また、第２層の正極活物質の空孔率が８０％を超える場合、比容量は大きくなるが、二次粒子内部に結着剤が多く吸収されて、第１層との密着性が低下する場合がある。以上のことから、第２層中に配置された正極活物質の空孔率は６％以上８０％以下であることが好ましく、特に、７％以上３０％以下であることが好ましく、その中でも、７％以上１５％以下であることが好ましい。

尚、上述の如く、空孔率が６％以上の正極活物質においては、二次粒子内部に結着剤が多く吸収されるため、これを第１層の正極活物質として用いると、正極集電体と二次粒子の界面付近の結着剤量が減少して、正極合剤層と正極集電体との密着性が低下する。そこで、このような正極活物質を用いた場合に、結着剤（例えば、ＰＶＤＦ）の量を増加させることによって、正極合剤層と正極集電体との密着性を向上させるような方法も考えられる。しかし、当該方法では、二次粒子を構成する一次粒子間の抵抗値が高くなるため、正極活物質の空孔率が０．１％以上６％未満で、且つ、結着剤を増加させない場合と比較して、比容量が小さくなる。したがって、結着剤の量を増加させるような方策は、実用上、望ましくない。

また、空孔率が０．１％以上６％未満の正極活物質と、空孔率が６％以上８０％以下の正極活物質とを混合させて単一の正極合剤層を形成することも考えられる。しかしながら、空孔率が６％以上８０％以下の正極活物質の存在により、やはり二次粒子内部に多量の結着剤が吸収されてしまうため、正極合剤層と正極集電体との密着性が低下する。したがって、空孔率が異なる正極活物質を混合するような方策は、実用上、望ましくない。

上記第１層に含まれる正極活物質と上記第２層に含まれる正極活物質との質量比が１０：９０〜９０：１０の範囲であることが望ましく、特に、２５：７５〜７５：２５の範囲であることが望ましい。
第１層の正極活物質の割合が少な過ぎると、正極合剤層と正極集電体との密着性が低下することがある一方、第２層の正極活物質の割合が少な過ぎると、比容量が低下することがある。したがって、第１層に含まれる正極活物質と第２層に含まれる正極活物質との質量比は、上記のように規制するのが好ましい。

上記正極合剤層の総量に対する上記結着剤の量が、１質量％以上１０質量％以下であることが望ましく、特に、２質量％以上６質量％以下であることが好ましい。
正極合剤層の総量に対する結着剤の量が１質量％未満になると正極集電体と正極合剤層との密着性が低下することがある一方、正極合剤層の総量に対する結着剤の量が１０質量％を超えると、一次粒子間または、二次粒子間の結着剤量が増加して、極板の抵抗値が高くなる。このため、負荷特性が悪化して、比容量が小さくなることがある。

上記正極活物質がリチウム含有遷移金属オキシアニオン化合物である、ことが望ましく、このリチウム含有遷移金属オキシアニオン化合物がＬｉＦｅＰＯ_４であることが望ましい。

（その他の事項）
（１）電子伝導度が１×１０^−１８Ｓ／ｃｍ以上１×１０^−７Ｓ／ｃｍ以下の正極活物質としては、上記リチウム含有遷移金属オキシアニオン化合物の他に、フッ化金属化合物が挙げられる。
上記リチウム含有遷移金属オキシアニオン化合物としては、オリビン構造を有するものと、ナシコン構造を有するものとがある。上記オリビン構造を有するものとしては、一般式Ｌｉ_{（１＋ｎ）}ＭＸＯ_４（ｎ：０〜１，ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｔｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素、ＸはＰまたはＳｉ）で示されるものが例示される。尚、上記一般式において、Ｍとしては、Ｆｅが主成分として含まれることが好ましく、また、その一部がＭｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉ等で一部置換されているものが好ましく用いられる。典型的な化合物としては、ＭのほとんどがＦｅであるＬｉＦｅＰＯ_４が挙げられる。また、上記ナシコン構造を有するものとしては、一般式Ｌｉ_{（１＋ｎ）}Ｍ_２（ＰＯ_４）_３（ｎ：０〜２，ＭはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｔｉから選ばれる少なくとも１種以上の元素）で示されるものが例示される。
上記フッ化金属化合物としては、一般式ＭＦ_３（ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｔｉから選ばれる少なくとも１種類以上の元素）で示されるものが例示される。

尚、本願において電子伝導度は、正極活物質の体積抵抗率を測定し、その逆数を計算することで算出した。具体的には、電子伝導度が１×１０^−６Ｓ／ｃｍより大きい材料に関してはＪＩＳＫ７１９４に準拠した粉体抵抗測定システム（三菱化学アナリテック製粉体抵抗測定システムＭＣＰ−ＰＤ４１、ロレスタ−ＧＰ）を用いて体積抵抗率を求め、その逆数を計算することで、電子伝導度を算出した。一方、電子伝導度が１×１０^−６Ｓ／ｃｍより小さい材料に関してはＪＩＳＫ６９１１に準拠した粉体抵抗測定システム（三菱化学アナリテック製粉体抵抗測定システムＭＣＰ−ＰＤ４１、ハイレスタ−ＵＰ）を用いて体積抵抗率を求め、その逆数を計算することで電子伝導度を算出した。

ここで、上記リチウム含有遷移金属オキシアニオン化合物等における電子伝導度を、下記表１に示す。

上記表１における各正極活物質の電子伝導度等を考慮した場合、正極活物質の電子伝導度は１×１０^−１７Ｓ／ｃｍ以上１×１０^−９Ｓ／ｃｍ以下であることがより好ましい。

（２）負極に用いる負極活物質としては、リチウムを可逆的に吸蔵・放出できるものであれば特に限定されず、例えば、炭素材料や、リチウムと合金化する金属或いは合金材料や、金属酸化物等を用いることができる。なお、材料コストの観点からは、負極活物質に炭素材料を用いることが好ましく、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズピッチ系炭素繊維（ＭＣＦ）、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、コークス、ハードカーボン、フラーレン、カーボンナノチューブ等を用いることができ、特に、高率充放電特性を向上させる観点からは、黒鉛材料を低結晶性炭素で被覆した炭素材料を用いることが好ましい。

（３）非水電解液の溶質としては、リチウムイオン伝導性を有するものである限りにおいて特に限定されるものではない。例えば、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（Ｃ_ｌＦ_２ｌ＋１ＳＯ_２）（Ｃ_ｍＦ_２ｍ＋１ＳＯ_２）（１，ｍは、それぞれ０以上の整数）、ＬｉＣ（Ｃ_ｐＦ_２ｐ＋１ＳＯ_２）（Ｃ_ｑＦ_２ｑ＋１ＳＯ_２）（Ｃ_ｒＦ_２ｒ＋１ＳＯ_２）（ｐ、ｑ、ｒは、それぞれ０以上の整数）、ジフルオロ（オキサラト）ホウ酸リチウム等が挙げられる。これらの非水電解質は一種類で使用してもよく、二種類以上組み合わせて使用してもよい。また、上記溶質は、通常、０．１〜１．５Ｍ／Ｌ、好ましくは０．５〜１．５Ｍ／Ｌの濃度で溶媒に溶解されて使用される。

一方、非水電解液の溶媒としては、環状炭酸エステル、水素基の一部がフッ素化されている環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、水素基の一部がフッ素化されている鎖状炭酸エステル、エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、ニトリル類、アミド類等が挙げられる。上記環状炭酸エステルの具体例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどが挙げられる。上記水素基の一部がフッ素化されている環状炭酸エステルの具体例としては、トリフルオロプロピレンカーボネートやフルオロエチルカーボネートなどが挙げられる。上記鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネートなどが挙げられる。

本発明によれば、正極合剤層と正極集電体との密着性が高く、かつ比容量の大きい非水電解質二次電池を得ることができるといった優れた効果を奏する。

実施例に示された非水電解質二次電池の説明図である。

以下、本発明を下記形態に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。

（正極［作用極］の作製）
先ず、電子伝導度が１×１０^−９Ｓ／ｃｍの正極活物質であるＬｉＦｅＰＯ_４粉末（空孔率４％（面積比））と、導電剤としての炭素材料と、結着剤としてのＰＶＤＦとを、質量比で９０：５：５の割合で加えて混合し、更にＮ−メチルピロリドンを適量加え混合することにより第１層用の正極合剤スラリーを調製した。次に、この正極合剤スラリーをアルミニウム箔から成る正極集電体上に、ドクターブレード法を用いて塗布した後、ホットプレートを用いて８０℃で乾燥させた。これにより、正極集電体の表面に、正極合剤層の第１層が形成された。次いで、空孔率１１％のＬｉＦｅＰＯ_４粉末を正極活物質として用いた他は上記と同様にして、第２層用の正極合剤スラリーを調製し、この正極合剤スラリーを上記第１層上にドクターブレード法を用いて塗布した後、ホットプレートを用いて８０℃で乾燥させた。これにより、第１層の表面に第２層が形成された。尚、上記正極合剤層における第１層と第２層との正極活物質の質量比は、第１層の正極活物質：第２層の正極活物質＝７５：２５とした。

しかる後、正極集電体上に正極合剤層が形成されたものを、圧延ローラーにて圧延した後、２ｃｍ×２ｃｍのサイズに切り取り、更にアルミニウム製の正極集電タブを取り付けた。最後に、１１０℃で２時間真空乾燥させることにより正極を作製した。尚、正極合剤層における電極充填密度は約２．０ｇ／ｃｍ^３であった。

尚、上記正極活物質の空孔率〔二次粒子内部の空孔率（面積比）〕は、以下のようにして算出した。
リチウム含有遷移金属オキシアニオン化合物であるＬｉＦｅＰＯ_４と、炭素材料と、ＰＶＤＦとが含まれる電極を、クロスセクションポリッシャーにて切断し、電極断面におけるリチウム含有遷移金属オキシアニオン化合物の二次粒子部分のＳＥＭ像を、倍率１万〜５万倍の条件で観察した。得られた画像から、Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓの解析ソフトを用いて、正極活物質の空孔率を計算した。具体的には、二次粒子の空孔部分の色と二次粒子の空孔部分以外の部分の色とを、白色と黒色又は黒色と白色の部分に分割し、それぞれの面積を求め、その面積の比から空孔率（面積比）を求めた。また、後述する正極活物質（Ｌｉ_１．１５Ｎｉ_０．４Ｃｏ_０．２Ｍｎ_０．４Ｏ_２）についても、同様の方法で空孔率（面積比）を求めた。

（負極及び参照極の作製）
負極（対極）と参照極とには、共にリチウム金属を用いた。

（電解液の調製）
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを、体積比で３：７の割合で混合した溶媒に、１モル／リットルのＬｉＰＦ_６を溶解させて調製した。

（電池の作製）
図１に示すように、正極１と負極２の間及び正極１と参照極４との間に、それぞれセパレータ３を配し、これらをアルミラミネート５で包み込むことにより、アルミラミネートセルを作製した。

（実施例１）
上記発明を実施するための形態で示したセルを用いた。
このようにして作製したセルを、以下、本発明セルＡ１と称する。

（実施例２）
正極合剤層における第１層と第２層との正極活物質の質量比を、第１層の正極活物質：第２層の正極活物質＝５０：５０としたこと以外は、実施例1と同様にしてセルを作製した。
このようにして作製したセルを、以下、本発明セルＡ２と称する。

（実施例３）
正極合剤層における第１層と第２層との正極活物質の質量比を、第１層の正極活物質：第２層の正極活物質＝２５：７５としたこと以外は、実施例1と同様にしてセルを作製した。
このようにして作製したセルを、以下、本発明セルＡ３と称する。

（比較例１）
第２層を形成しなかった（但し、正極合剤層における正極活物質量は実施例１と同様とした）こと以外は、実施例1と同様にしてセルを作製した。
このようにして作製したセルを、以下、比較セルＺ１と称する。

（比較例２）
第１層の正極活物質として、空孔率が１１％のＬｉＦｅＰＯ_４粉末を用い、且つ、第２層を形成しなかった（但し、正極合剤層における正極活物質量は実施例１と同様とした）こと以外は、実施例1と同様にしてセルを作製した。
このようにして作製したセルを、以下、比較セルＺ２と称する。

（比較例３）
第１層の正極活物質として、空孔率が１１％のＬｉＦｅＰＯ_４粉末を用い、第２層の正極活物質として、空孔率が４％のＬｉＦｅＰＯ_４粉末を用いたこと以外は、実施例２と同様にしてセルを作製した。
このようにして作製したセルを、以下、比較セルＺ３と称する。

（比較例４）
下記のようにして正極を作製したこと以外は、実施例２と同様にしてセルを作製した。
このようにして作製したセルを、以下、比較セルＺ４と称する。
第１層を作製する際、第１層の正極合剤層の空孔率が３９％（真密度との比）、電極充填密度が２．２ｇ／ｃｍ^３となるようにした。また、第２層を作製する際、第１層と同一のスラリー（空孔率が４％のＬｉＦｅＰＯ_４粉末を正極活物質として用いたスラリー）を用い、第２層の正極合剤層の空孔率が５６％（真密度との比）、電極充填密度が１．６ｇ／ｃｍ^３となるようにした。なお、正極合剤層の空孔率は圧延により調整した。また、正極合剤層の空孔率は、以下のように定義できる。
正極合剤層の空孔率とは、ＬｉＦｅＰＯ_４の真密度（３．６ｇ／ｃｍ^３）に対する、ＬｉＦｅＰＯ_４の正極合剤層における空孔部分の割合である。この定義に基づき、下記式（Ａ）より算出できる。
正極合剤層の空孔率＝〔１−（極板充填密度／真密度）〕×１００（％）・・・（Ａ）

（比較例５）
第１層の正極活物質として、電子伝導度が１×１０^−４Ｓ／ｃｍ且つ空孔率が３％のＬｉ_１．１５Ｎｉ_０．４Ｃｏ_０．２Ｍｎ_０．４Ｏ_２粉末を用い、且つ、第２層は形成しなかった（但し、正極合剤層における正極活物質量は実施例１と同様とした）こと、及び、電極密度を２．８ｇ／ｃｍ^３となるようにしたこと以外は、上述した実施例１と同様にしてセルを作製した。
このようにして作製したセルを、以下、比較セルＺ５と称する。

（比較例６）
第１層の正極活物質として、電子伝導度が１×１０^−４Ｓ／ｃｍ且つ空孔率が３％のＬｉ_１．１５Ｎｉ_０．４Ｃｏ_０．２Ｍｎ_０．４Ｏ_２粉末を用い、且つ、第２層の正極活物質として、空孔率が３９％のＬｉ_１．１５Ｎｉ_０．４Ｃｏ_０．２Ｍｎ_０．４Ｏ_２粉末を用いたこと、及び、電極密度を２．８ｇ／ｃｍ^３となるようにしたこと以外は、上述した実施例１と同様にしてセルを作製した。
このようにして作製したセルを、以下、比較セルＺ６と称する。

（実験）
上記の本発明セルＡ１〜Ａ３及び比較セルＺ１〜Ｚ６について、圧延後の密着性を調べると共に、下記の条件にて充放電を行って、放電容量を調べたので、それらの結果を表２及び表３に示す。

〔充放電条件〕
・温度
室温（２５℃）
・充電条件
本発明セルＡ１〜Ａ３及び比較セルＺ１〜Ｚ４では、１．５ｍＡの電流でセル電圧が４．２Ｖ［ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ^＋］となるまで定電流充電を行った。また、比較セルＺ５、Ｚ６では、１．５ｍＡの電流でセル電圧が４．３Ｖ［ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ^＋］となるまで定電流充電を行った。
・放電条件
本発明セルＡ１〜Ａ３及び比較セルＺ１〜Ｚ４では、１．５ｍＡの電流でセル電圧が２．０Ｖ[ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ^＋]となるまで定電流放電を行った。比較セルＺ５、Ｚ６では、１．５ｍＡの電流でセル電圧が２．５Ｖ［ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ^＋］となるまで定電流放電を行った。

表２から明らかなように、正極活物質としてリチウム含有遷移金属オキシアニオン化合物（ＬｉＦｅＰＯ_４）を用い、且つ、正極集電体に最も近い第１層に、空孔率（二次粒子内部の空孔率）が４％（面積比）のＬｉＦｅＰＯ_４を、この第１層の表面（正極集電体とは異なる側）に形成された第２層に、空孔率が１１％のＬｉＦｅＰＯ_４を配置させ、しかも、第１層と第２層とのＬｉＦｅＰＯ_４の質量比を２５：７５〜７５：２５に規制した本発明セルＡ１〜Ａ３では、正極合剤層と正極集電体との密着性が優れ、かつ放電容量（比容量）が大きくなることがわかる。

これは、第１層に二次粒子内部の空孔率が４％（面積比）のＬｉＦｅＰＯ_４を用いることで、二次粒子内部に結着剤が浸透されるのを防ぎ、これにより、正極合剤層と正極集電体との密着性を向上でき、しかも、第２層に二次粒子内部の空孔率が１１％（面積比）のＬｉＦｅＰＯ_４を用いることで、ＬｉＦｅＰＯ_４と電解液との界面での反応面積が第１層よりも大きくなり、これによって、比容量の向上を図ることができるからと考えられる。

これに対して、比較セルＺ２、Ｚ３では圧延後における正極合剤層と正極集電体との密着性が低いため、電極を作製することができなかった。これは、正極集電体と接する第１層に含まれるＬｉＦｅＰＯ_４の二次粒子内部の空孔率が１１％（面積比）であり、二次粒子内部に結着剤が多く吸収されるため、正極集電体と正極合剤層との界面付近での結着剤量が減少したためと考えられる。

また、比較セルＺ１では、第１層のＬｉＦｅＰＯ_４として空孔率が４％のもの（本発明セルＡ１〜Ａ３と同じもの）を用いているため、圧延後の密着性に問題はない。しかし、正極合剤層全てにおいて、二次粒子内部の空孔率が４％（面積比）であるため、ＬｉＦｅＰＯ_４と電解液との界面における反応面積が小さくなって、放電容量（比容量）が小さくなっている。

更に、比較セルＺ４でも、第１層のＬｉＦｅＰＯ_４として空孔率が４％のもの（本発明セルＡ１〜Ａ３と同じもの）を用いているため、圧延後の密着性に問題はないが、第２層の電極充填密度が、第１層の電極充填密度よりも低くなっているため、正極活物質の利用率が低下し、この結果、放電容量（比容量）が小さくなったと考えられる。

表３から明らかなように、正極合剤層全てにおいて、空孔率（二次粒子内部の空孔率）３％（面積比）のＬｉ_１．１５Ｎｉ_０．４Ｃｏ_０．２Ｍｎ_０．４Ｏ_２を用いた比較セルＺ５と、第１層に空孔率（二次粒子内部の空孔率）３％（面積比）のＬｉ_１．１５Ｎｉ_０．４Ｃｏ_０．２Ｍｎ_０．４Ｏ_２を配置させ、さらに第２層に空孔率（二次粒子内部の空孔率）３９％（面積比）のＬｉ_１．１５Ｎｉ_０．４Ｃｏ_０．２Ｍｎ_０．４Ｏ_２を配置させて第１層と第２層とのＬｉ_１．１５Ｎｉ_０．４Ｃｏ_０．２Ｍｎ_０．４Ｏ_２の質量比を５０：５０にさせた比較セルＺ６とでは、放電容量（比容量）が同じであり、正極材料にＬｉＦｅＰＯ_４を用いた場合のような放電容量（比容量）の向上は見られなかった。よって、本発明では、電子伝導度が１×１０^−１８Ｓ／ｃｍ以上１×１０^−７Ｓ／ｃｍ以下である正極材料を用いた場合にのみ効果がある。

本発明は、例えば携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の移動情報端末の駆動電源で、特に高容量が必要とされる用途に適用することができる。また、高温での連続駆動が要求される高出力用途で、ＨＥＶや電動工具といった電池の動作環境が厳しい用途にも展開が期待できる。

１：正極
２：負極
３：セパレータ
４：参照極
５：アルミラミネート

Claims (10)

1. 正極活物質及び結着剤を含む正極合剤層が、正極集電体の少なくとも一方の面に形成された正極と、負極と、非水電解質とを含む非水電解質二次電池において、
   上記正極活物質の電子伝導度が１×１０^−１８Ｓ／ｃｍ以上１×１０^−７Ｓ／ｃｍ以下であり、且つ、上記正極合剤層が複数の層から成り、上記正極集電体の表面に直接形成された第１層中に存在する正極活物質の空孔率は、この第１層の表面に直接形成された第２層中に存在する正極活物質の空孔率より小さくなっていることを特徴とする非水電解質二次電池。
2. 上記正極合剤層は、上記第１層と上記第２層とのみから成る、請求項１に記載の非水電解質二次電池。
3. 上記第１層中に配置された正極活物質の空孔率が０．１％以上６％未満であり、上記第２層中に配置された正極活物質の空孔率が６％以上８０％以下である、請求項２に記載の非水電解質二次電池。
4. 上記第１層中に配置された正極活物質の空孔率が１％以上５％以下であり、上記第２層中に配置された正極活物質の空孔率が７％以上３０％以下である、請求項３に記載の非水電解質二次電池。
5. 上記第１層中に配置された正極活物質の空孔率が２％以上４％以下であり、上記第２層中に配置された正極活物質の空孔率が７％以上１５％以下である、請求項４に記載の非水電解質二次電池。
6. 上記第１層に含まれる正極活物質と上記第２層に含まれる正極活物質との質量比が１０：９０〜９０：１０の範囲である、請求項１〜５の何れか１項に記載の非水電解質二次電池。
7. 上記第１層に含まれる正極活物質と上記第２層に含まれる正極活物質との質量比が２５：７５〜７５：２５の範囲である、請求項６に記載の非水電解質二次電池。
8. 上記正極合剤層の総量に対する上記結着剤の量が、１質量％以上１０質量％以下である、請求項１〜７の何れか１項に記載の非水電解質二次電池。
9. 上記正極活物質がリチウム含有遷移金属オキシアニオン化合物である、請求項１〜８の何れか１項に記載の非水電解質二次電池。
10. 上記リチウム含有遷移金属オキシアニオン化合物がＬｉＦｅＰＯ_４である、請求項９に記載の非水電解質二次電池。

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