JP2012084547A - 非水電解質リチウムイオン電池用正極材料およびこれを用いた電池 - Google Patents
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Abstract
制することのできる非水電解質リチウムイオン電池用正極材料を提供する。
【解決手段】リチウムニッケル酸化物表面にLi化合物を被覆して添着したものを含有してなる非水電解質リチウムイオン電池用正極材料であって、前記Li化合物が、リン酸リチウム、LiPON化合物、Li2O−B2O3化合物、Li2O−B2O3−LiI化合物、Li2S−SiS2化合物、Li2S−SiS2−Li3PO4化合物、水酸化リチウム、フッ化リチウム、酢酸リチウム、リチウムアセチリドエチレンジアミン、安息香酸リチウム、臭化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、シュウ酸リチウム、ピルビン酸リチウム、ステアリン酸リチウム、酒石酸リチウムおよび硫酸リチウムよりなる群から選ばれてなる少なくとも1種である非水電解質リチウムイオン電池用正極材料。
【選択図】図1
Description
本発明で用いることのできる集電体としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを利用することができる。例えば、アルミニウム箔、ステンレス(SUS)箔、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、SUSとアルミニウムのクラッド材あるいはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく使える。また、金属表面に、アルミニウムを被覆させた集電体であってもよい。また、場合によっては、2つ以上の金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。複合集電体を用いる場合、正極集電体の材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、SUS、チタンなどの導電性金属を用いることができるが、アルミニウムが特に好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えば、銅、ニッケル、銀、SUSなどの導電性金属を用いることができるが、SUS及びニッケル等が特に好ましい。また、複合集電体においては、正極集電体と負極集電体とは、互いに直接あるいは第三の材料からなる導電性を有する中間層を介して電気的に接続していれば良い。また、正極集電体及び負極集電体には、平板(箔)のほか、ラスプレート、すなわちプレートに切目を入れたものをエキスパンドすることにより網目空間が形成されるプレートにより構成されているものを用いることもできる。
ここで、正極活物質層の構成材料としては、本発明の正極材料を用いることを特徴とするものであり、既に説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。
負極活物質層に関しては、負極材料活物質を含む。この他にも、電子伝導性を高めるための導電助剤、バインダ、イオン伝導性を高めるための電解質支持塩(リチウム塩)、高分子ゲルないし固体電解質(ホストポリマー、電解液など)などが含まれ得る。負極活物質の種類以外は、基本的に本発明の「非水電解質リチウムイオン電池用正極材料」の項で記載した内容と同様であるため、ここでは説明を省略する。
本発明では、その使用目的に応じて、(a)電解液を染み込ませたセパレータ、(b)高分子ゲル電解質、(c)高分子固体電解質のいずれにも適用し得るものである。
セパレータに染み込ませることのできる電解液としては、既に説明した本発明の「非水電解質リチウムイオン電池用正極材料」の項の高分子ゲル電解質に含まれる電解液(電解質塩および可塑剤)と同様のものを用いることができるため、ここでの説明は省略するが、電解液の好適な1例を示せば、電解質として、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBOB、LiCF3SO3およびLi(CF3SO2)2の少なくとも1種類を用い、溶媒として、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソランおよびγ−ブチルラクトンよりなるエーテル類から少なくとも1種類を用い、前記電解質を前記溶媒に溶解させることにより、電解質の濃度が0.5〜2モル/リットルに調整されているものであるが、本発明はこれらに何ら制限されるべきものではない。
高分子ゲル電解質および高分子固体電解質としては、既に説明した本発明の「非水電解質リチウムイオン電池用正極材料」の項の高分子ゲル電解質および高分子固体電解質と同様のものを用いることができるため、ここでの説明は省略する。
絶縁層は、主にバイポーラ型電池の場合に用いられる。この絶縁層は、電池内で隣り合う集電体同士が接触したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こるのを防止する目的で、各電極の周囲に形成されてなるものである。本発明では、必要に応じて、電極の周囲に絶縁層を設けてもよい。これは、車両駆動用ないし補助用電源として利用するような場合には、電解液による短絡(液落)を完全に防止する必要がある。さらに、電池への振動や衝撃が長期にわたり負荷される。そのため、電池寿命の長期化の観点からは、絶縁層を設置することがより長期間の信頼性、安全性を確保する上で望ましく、高品質の大容量電源を提供できる点で望ましいためである。
正極および負極端子板は、必要に応じて使用すればよい。例えば、バイポーラ型のリチウムイオン電池の場合では、積層(ないし巻回)構造によっては、最外部の集電体から電極端子を直接取り出しても良く、この場合には正極および負極端子板は用いなくとも良い(図4参照のこと)。
正極および負極リードに関しては、バイポーラ型に限らず、バイポーラ型ではない従来公知のリチウムイオン電池で用いられるリードと同様のものを用いることができる。なお、電池外装材(電池ケース)から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆しておくのが好ましい。
バイポーラ型に限らず、リチウムイオン電池では、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、電池本体である電池積層体ないし電池巻回体全体を電池外装材ないし電池ケースに収容するのが望ましい。軽量化の観点からは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属(合金を含む)の両面をポリプロピレンフィルム等の絶縁体(好ましく耐熱性の絶縁体)で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムなど、従来公知の電池外装材を用いて、その周辺部の一部または全部を熱融着にて接合することにより、電池積層体を収納し密封した構成とするのが好ましい。この場合、上記正極および負極リードは、上記熱融着部に挟まれて上記電池外装材の外部に露出される構造とすればよい。また熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートフィルムなどを用いることが、自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を電池動作温度まですばやく加熱することができる点で好ましい。高分子−金属複合ラミネートフィルムとしては、特に制限されるべきものではなく、高分子フィルム間に金属フィルムを配置し全体を積層一体化してなる従来公知のものを使用することができる。具体例としては、例えば、高分子フィルムからなる外装保護層(ラミネート最外層)、金属フィルム層、高分子フィルムからなる熱融着層(ラミネート最内層)のように配置し全体を積層一体化してなるものが挙げられる。詳しくは、外装材に用いられる高分子−金属複合ラミネートフィルムは、上記金属フィルムの両面に、高分子フィルムとして、まず耐熱絶縁樹脂フィルムを形成し、少なくとも片面側の耐熱絶縁樹脂フィルム上に熱融着絶縁性フィルムが積層されたものである。かかるラミネートフィルムは、適当な方法にて熱融着させることにより、熱融着絶縁性フィルム部分が融着して接合し熱融着部が形成される。上記金属フィルムとしては、アルミニウムフィルム等が例示できる。また、上記絶縁性樹脂フィルムとしては、ポリエチレンテトラフタレートフィルム(耐熱絶縁性フィルム)、ナイロンフィルム(耐熱絶縁性フィルム)、ポリエチレンフィルム(熱融着絶縁性フィルム)、ポリプロピレンフィルム(熱融着絶縁性フィルム)等が例示できる。ただし、本発明の外装材は、これらに制限されるべきものではない。こうしたラミネートフィルムでは、超音波溶着等により熱融着絶縁性フィルムを利用して1対ないし1枚(袋状)のラミネートフィルムの熱融着による接合を、容易かつ確実に行うことができる。なお、電池の長期信頼性を最大限高めるためには、ラミネートシートの構成要素である金属フィルム同士を直接接合してもよい。金属フィルム間にある熱融着性樹脂を除去もしくは破壊して金属フィルム同士を接合するには超音波溶着を用いることができる。
例に限定されるものではない。
1. 正極の作製
表1に示すLiNi酸化物(平均粒径8μm)表面に表1に示すLi化合物を500nmの厚さになるように被覆(コート)して添着したもの(実施例1〜42、85、86)ないし表1に示すLiNi酸化物(平均粒径8μm)(比較例1〜2;Li化合物添着せず)をそれぞれ75質量%、導電助剤のアセチレンブラックを10質量%、バインダのポリフッ化ビニリデンを15質量%の割合で、溶媒としてN−メチエルー2−ピロリドン(NMP)を加えて撹拌してスラリーを調製して、これを正極集電体のアルミ箔(厚さ20μm)上にアプリケーターにて塗布して、真空乾燥機にて80℃程度で加熱乾燥した後、電極を直径15mmに打ち抜き、90℃にて高真空にて6時間乾燥した。打ち抜いた正極活物質層の厚さは50μmであった。なお、LiNi酸化物へのLi化合物の被覆(コート)の方法は、メカノフュージョンを用いて被覆厚さが500nmとなるように作製した。
負極活物質粉末として炭素系材料のカーボンを85質量%、導電助剤のアセチレンブラックを8質量%、気相成長カーボンファイバー(VGCF)を2質量%、バインダのポリフッ化ビニリデンを5質量%に、溶媒としてN−メチエルー2−ピロリドン(NMP)を加えて撹拌してスラリーを調製して、アプリケーターにて、負極集電体の銅箔(厚さ20μm)の上に塗布して、真空乾燥機にて80℃程度で加熱乾燥した後、電極を直径16mmに打ち抜き、90℃にて高真空にて6時間乾燥した。打ち抜いた負極の厚さ(負極活物質層)は80μmであった。
上記で作製した正極(実施例1〜42、85、86および比較例1〜2)及び負極(全て同じ)を用いて、それぞれの電池(コインセル)を構成した。詳しくは、セパレータにはポリプロピレン(PP)系微多孔質セパレータ(微細孔の平均孔径800nm、空孔率35%、厚さ30μm)を用い、非水系電解液には1.0MのLiPF6のEC+DEC溶液を用いて、コインセルを組んだ。正負極の容量バランスは正極支配とした。
表1に示すLiNi酸化物(平均粒径8μm)表面に表1に示すLi化合物を500nmの厚さになるように被覆(コート)して添着したもの(実施例1〜42、85、86)ないし表1に示すLiNi酸化物(平均粒径8μm)(比較例1〜2;Li化合物添着せず)に代えて、表2に示すLiNi酸化物(平均粒径8μm)表面に表2に示すLi化合物を、LiNi酸化物の体積100に対して1になるように点在して添着したもの(実施例43〜84、87、88)ないし表2に示すLiNi酸化物(平均粒径8μm)(比較例3〜4;Li化合物添着せず)をそれぞれ用いた以外は、実施例1と同様にして正極の作製、負極の作製及び電池の作製と評価を行った。得られた結果を表2に示す。
13 Li化合物、
31 バイポーラ型でない非水電解質リチウムイオン二次電池、
32 電池外装材、
33 正極集電体、
34 正極活物質層、
35 電解質層、
36 負極集電体、
37 負極活物質層、
38 発電要素、
39 正極(端子)リード、
40 負極(端子)リード、
41 バイポーラ型の非水電解質リチウムイオン二次電池(バイポーラ電池)、
42 集電体、
43 正極活物質層、
44 負極活物質層、
45 バイポーラ電極、
45a 電極積層体の最上層の電極、
45b 電極積層体の最下層の電極、
46 電解質層、
47 電極積層体(バイポーラ電池本体)、
48 正極リード、
49 負極リード、
50 電池外装材(外装パッケージ)、
51、51’ 組電池、
52 外部弾性体、
53 検知線、
54 検知タブ端子、
55 組電池ケース、
56、58 バスバー、
59 端子リード、
62 正極端子、
64 負極端子、
70 複合組電池、
72 複合組電池正極端子連結板、
74 複合組電池負極端子連結板、
76 連結板、
77 固定ネジ、
80 電気自動車、
91 粒子(不定形粒子を含む)
L 最大の長さ。
Claims (5)
- リチウムニッケル酸化物表面にLi化合物を被覆して添着したものを含有してなる非水電解質リチウムイオン電池用正極材料であって、
前記Li化合物が、リン酸リチウム、LiPON化合物、Li2O−B2O3化合物、Li2O−B2O3−LiI化合物、Li2S−SiS2化合物、Li2S−SiS2−Li3PO4化合物、水酸化リチウム、フッ化リチウム、酢酸リチウム、リチウムアセチリドエチレンジアミン、安息香酸リチウム、臭化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、シュウ酸リチウム、ピルビン酸リチウム、ステアリン酸リチウム、酒石酸リチウムおよび硫酸リチウムよりなる群から選ばれてなる少なくとも1種である非水電解質リチウムイオン電池用正極材料。 - 前記Li化合物の厚さが、50nm〜1μmの範囲であることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質リチウムイオン電池用正極材料。
- 前記Li化合物が、リン酸リチウム、LiPON化合物、Li2O−B2O3化合物、Li2O−B2O3−LiI化合物、Li2S−SiS2化合物、Li2S−SiS2−Li3PO4化合物、水酸化リチウムおよびフッ化リチウムよりなる群から選ばれてなる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1または2に記載の非水電解質リチウムイオン電池用正極材料。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の正極材料を用いてなることを特徴とする非水電解質リチウムイオン電池。
- 正極材料活物質に、Li化合物を混入させ、ハイブリダイゼーションシステム、コスモス、メカノフュージョン、サーフュージングシステムおよびメカノミル・スピードニーダー・スピードミル・スピラコーターの少なくとも1つの装置を用いて乾式混合することを特徴とするリチウムニッケル酸化物表面にLi化合物を被覆して添着したものを含有してなる非水電解質リチウムイオン電池用正極材料の製造方法であって、
前記Li化合物が、リン酸リチウム、LiPON化合物、Li2O−B2O3化合物、Li2O−B2O3−LiI化合物、Li2S−SiS2化合物、Li2S−SiS2−Li3PO4化合物、水酸化リチウム、フッ化リチウム、酢酸リチウム、リチウムアセチリドエチレンジアミン、安息香酸リチウム、臭化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、シュウ酸リチウム、ピルビン酸リチウム、ステアリン酸リチウム、酒石酸リチウムおよび硫酸リチウムよりなる群から選ばれてなる少なくとも1種である非水電解質リチウムイオン電池用正極材料の製造方法。
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