JP2012204291A - リチウムイオン二次電池およびこれに用いる正極材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】過放電に対する高い耐性を有するリチウムイオン二次電池を製造するのに有用な正極材料を提供すること。
【解決手段】本発明に係る正極材料は、リチウムイオン二次電池の正極に用いられるものであって、少なくともLi、Mn、CrおよびOを含む金属酸化物からなり該金属酸化物を構成する元素のモル比がLi:1.1〜1.3、Mn:0.2〜0.6、Cr:0.02〜0.6、および、O:2である。
【選択図】図1
【解決手段】本発明に係る正極材料は、リチウムイオン二次電池の正極に用いられるものであって、少なくともLi、Mn、CrおよびOを含む金属酸化物からなり該金属酸化物を構成する元素のモル比がLi:1.1〜1.3、Mn:0.2〜0.6、Cr:0.02〜0.6、および、O:2である。
【選択図】図1
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池およびこれに用いる正極材料に関する。
一般的なリチウムイオン二次電池は、正極材料としてコバルト酸リチウム(LiCoO2)が使用され、負極材料として黒鉛などの炭素材料が使用されている。
初回充放電において、正極をなすLiCoO2のクーロン効率は100%に近い値を示す。一方、負極をなす黒鉛のクーロン効率は固体電解質皮膜形成のために電荷が消費されることから電解質溶液や添加剤の種類にも依存するものの、通常95〜90%程度の値となる。正極材料がLiCoO2であり、かつ負極材料が黒鉛であるリチウムイオン二次電池が過放電の状態となると、負極側の電位がLi基準で上昇し、黒鉛と共に負極を構成する集電体(例えば、金属銅)の酸化および溶解が生じる。その結果、電池特性は大きく低下することになる。
過放電による電池の特性劣化を抑制する技術として、外部制御回路によって電池の電圧を調整し、電圧の急激な低下を防止する手法が知られている。また、正極材料(正極活物質)に特定の添加剤を配合して過放電を制限しようとする試みもなされている(例えば、特許文献1参照)。
ところで、200mAhg−1を超える放電容量を示すリチウムイオン二次電池の正極材料として、リチウム過剰マンガン酸化物(Li2MnO3系正極材料)が知られている。この材料の具体例として、Li[Li1/3Mn2/3]O2−LiMeO2(Me=Co、NiまたはMn)が挙げられる。
しかし、上記のようなリチウム過剰マンガン酸化物は、初回充電時に酸素の脱離および結晶構造変化を示すことから、初回充放電効率はLiCoO2と比較して低くまた一般に黒鉛負極よりも低いものとなる。正極材料としてリチウム過剰マンガン酸化物を使用し、かつ負極材料として黒鉛系材料を使用してリチウムイオン電池を作製した場合、正極材料としてLiCoO2を使用した場合とは異なり、過放電時には正極の電位が急激に低下することになる。結果としてリチウム過剰マンガン酸化物の不加逆な相変化、ならびに、リチウム過剰マンガン酸化物と共に正極を構成する集電体(例えば、アルミニウム)の腐食が生じる。これらの現象は電池特性の急激な低下を招来する。
そこで、本発明は、過放電に対する高い耐性を有するリチウムイオン二次電池を製造するのに有用な正極材料を提供することを目的とする。また、本発明は、この正極材料を正極に有するリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
本発明者らは、上述したようなリチウム過剰マンガン酸化物の耐過放電特性を向上すべく鋭意研究したところ、リチウム過剰マンガン酸化物にCrをドープした活物質、より具体的にはLiおよびMnの一部を3価のCrへと置換した活物質を正極材料として用いることが有効であることを見出し、以下の本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明に係る正極材料は、リチウムイオン二次電池の正極に用いられるものであって、少なくともLi、Mn、CrおよびOを含む金属酸化物からなり、該金属酸化物を構成する元素のモル比がLi:1.1〜1.3、Mn:0.2〜0.6、Cr:0.02〜0.6、および、O:2である。
上記正極材料によれば、外部制御回路を必要とせず、過放電に対する高い耐性を有するリチウムイオン二次電池(以下、場合により単に「電池」という。)を製造することが可能となる。正極材料としてCrを含有しないLi2MnO3系材料を使用した場合と比較して上記正極材料を使用した場合に過放電に対する耐性が向上する主因について、本発明者らは以下のとおり推察する。すなわち、本発明に係る正極材料は、従来のLi2MnO3系材料の一部をCrで置換したものである(図2参照)。3価のCrは電池の充電時には酸化されて6価となると同時にイオン半径が著しく低減して遷移金属相からリチウム層へと移動する。6価のCrはリチウム層において安定化され、一部のCrは放電時にも還元されずそのサイトに留まることになる。一方、電池において過放電が行われた場合にのみ、つまりは正極の電位が急激に低下した場合にのみ、Crの還元反応が進行することにより、正極材料の不可逆な相変化やアルミニウム製の集電体の腐食が生じる電位への到達を抑制する。
より具体的には、本発明の正極材料においては、正極の電位がLi基準で、例えば1.7V程度よりも下がってきた場合にのみ、Crの還元が進行する。Crの量を調節することにより、正極材料のクーロン効率は100%まで上昇させることが可能であり、電極の急激な劣化を抑制する。この場合、正極の電位は1.5V以下まで下がることはなく、上述したリチウムイオン電池を0Vまで過放電を行った場合でも、正極および負極のそれぞれの電位はリチウム基準で共に最大で1.5V程度まで低下および増加したときに反応が終了する。この電位は正極および負極のいずれにおいて集電体の腐食を起こすことがない電位であり、結果として電池の耐過放電特性は大きく改善する。
上記正極材料をなす金属酸化物はCoを更に含有し、Crのモル比に対するCoのモル比の割合は1/30〜30であることが好ましい。このような割合でCrの一部をCoで置換することで、より容量の大きい電池を製造することが可能となる。
本発明は、上記正極材料を有する正極を備えたリチウムイオン二次電池を提供する。すなわち、本発明に係るリチウムイオン二次電池は、上記正極材料を有する正極と、炭素材料からなる活物質を有する負極と、リチウム塩および炭酸エステル化合物を含有する電解質溶液と、絶縁性を有する多孔体からなるセパレータとを備える。
本発明に係るリチウムイオン二次電池は、過放電に対する高い耐性を有する。過放電に対する耐性をより一層高める観点から、負極をなす炭素材料は、比表面積が0.3〜20m2/gのグラファイトであることが好ましい。
本発明によれば、過放電に対する高い耐性を有するリチウムイオン二次電池を製造することが可能となる。
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、ここではコイン型のリチウムイオン二次電池について説明するが、本発明に係る正極材料を適用可能なリチウムイオン二次電池のタイプはコイン型に限定されるものではない。例えば、ボタン型、ペーパー型、角型、あるいはスパイラル構造を有する筒型などのリチウムイオン二次電池に本発明の正極材料を適用してもよい。また、リチウムイオン二次電池の大きさも任意であり、大型、小型または薄型としてもよい。
図1は、コイン型のリチウムイオン二次電池の構造を示す模式断面図である。この電池100は、正極12と負極14とがセパレータ15を介して積層されたものである。正極12、負極14およびセパレータ15はいずれも円板状であり、金属製の外装部品11および外装部品13によって画成される空間内に収容されている。外装部品11,13の内部は電解質溶液が満たされており、外装部品11,13の周縁部はシールガスケット17を介してかしめられることにより密閉されている。なお、外装部品13と負極14の間には金属製のバネ18とスペーサ19が配置されている。
正極12は、正極集電体12aと、その一方面上に設けられた正極材料層12bとからなる。正極材料層12bに含まれる正極材料は、少なくともLi、Mn、CrおよびOを含むリチウム過剰マンガン酸化物からなる。正極集電体12aとしては、アルミニウム製の箔が挙げられる。正極材料であるリチウム過剰マンガン酸化物は、構成元素のモル比が以下のとおりである。
Li:1.1〜1.3
Mn:0.2〜0.6
Cr:0.02〜0.6
O:2
Li:1.1〜1.3
Mn:0.2〜0.6
Cr:0.02〜0.6
O:2
上記正極材料の構成元素がLi、Mn、CrおよびOである場合、該正極材料は下記式(1)で表すことができる。
Li[Li(X/2)MnXCrY]O2 …(1)
Li[Li(X/2)MnXCrY]O2 …(1)
式(1)中、Xは0.2〜0.6であり、好ましくは0.3〜0.5であり、より好ましくは0.35〜0.45である。Xが0.2未満であると可逆容量が低くなりやすく、他方、0.6を越えるとサイクル特性が低下しやすい。Yは0.02〜0.6であり、好ましくは0.05〜0.4であり、より好ましくは0.1〜0.3である。Yが0.02未満であると耐過放電特性が低下しやすく、他方、0.6を越えると可逆容量が低くなりやすい。なお、XとYの和(X+Y)は、好ましくは0.7〜0.9であり、より好ましくは0.75〜0.85である。XとYの和が上記範囲外であると分相を生じやすく特性が低下しやすい。
上記正極材料の構成元素がLi、Mn、Cr、CoおよびOである場合、該正極材料は下記式(2)で表すことができる。
Li[Li(X/2)MnXCrY―ZCoZ]O2 …(2)
Li[Li(X/2)MnXCrY―ZCoZ]O2 …(2)
式(2)中、Xは0.2〜0.6であり、好ましくは0.3〜0.5であり、より好ましくは0.35〜0.45である。Xが0.2未満であると可逆容量が低くなりやすく、他方、0.6を越えるとサイクル特性が低下しやすい。Yは0.02〜0.6であり、好ましくは0.05〜0.4であり、より好ましくは0.1〜0.3である。Yが0.02未満であると耐過放電特性は低下しやすく、他方、0.6を越えると可逆容量が低くなりやすい。なお、XとYの和(X+Y)は、好ましくは0.7〜0.9であり、より好ましくは0.75〜0.85である。XとYの和が上記範囲外であると分相を生じやすく特性が低下しやすい。
式(2)に示すとおり、上記正極材料におけるCoはCrの一部を置換するよう存在する。Crのモル比(Y−Z)に対するCoのモル比(Z)の割合(Z/(Y−Z))は、好ましくは1/30〜30であり、より好ましくは1/20〜20である。この割合が1/30未満であると1/30以上である場合と比較して電池の容量が不十分となりやすく、他方、30を越えると30以下である場合と比較してCrの含有量が少ないために電池の過放電耐性が不十分となりやすい。Yの値に依存するが、Zは好ましくは0.1〜0.3であり、より好ましくは0.15〜0.25である。
正極12は、例えば、上記正極材料を含む塗工液を準備し、これを正極集電体12aの一方面上に塗った後、溶媒を乾燥させることによって得ることができる。塗工液には、上記正極材料の他に、バインダー、導電助剤等を適宜配合する。なお、正極材料の平均粒径は1〜20μm程度が好ましく、比表面積は0.5〜30m2/g程度が好ましい。
バインダーは、上記の正極材料および導電助剤等を集電体に結着することができれば特に限定されず、公知の結着剤を使用できる。例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂や、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)と水溶性高分子(カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸ナトリウム、デキストリン、グルテン等)との混合物等が挙げられる。
導電助剤としては、例えば、カーボンブラック等の炭素材料、銅、ニッケル、ステンレス、鉄等の金属粉、炭素材料および金属微粉の混合物、ITO等の導電性酸化物が挙げられる。
溶媒としては、例えば、ジメチルホルムアミド、N−メチル−2−ピロリドン、水等を用いることができる。
塗工液には、上記正極材料に加え、Crを含有しない従来の正極活物質を配合し、両者を併用してもよい。Crを含有しない従来の正極活物質としては、例えば、リチウム含有金属酸化物が挙げられ、より具体的には、LiCoO2、LiNiO2、LiFePO4およびLiNiCoMnO2などが挙げられる。
負極14は、負極集電体14aと、その一方面上に設けられた負極材料層14bとからなる。負極14は、例えば、負極材料を含む塗工液を準備し、これを負極集電体14aの一方面上に塗った後、溶媒を乾燥させることによって得ることができる。負極集電体14aとしては、銅箔等を使用できる。塗工液には、負極材料に加えて正極12の製造に用いるのと同様のバインダーおよび導電助剤等を適宜配合する。
負極材料としては、例えば、グラファイト(黒鉛)、アモルファスカーボン等の炭素材料が挙げられる。大きい容量の電池を作製する観点から、負極材料の平均粒径は好ましくは1〜100μm(より好ましくは3〜50μm)であり、比表面積は好ましくは0.3〜20m2/g(より好ましくは0.5〜10m2/g)である。
電解質溶液は、正極材料層12b、負極材料層14b、および、セパレータ15の内部に含有させるものである。電解質溶液としては、特に限定されず、例えば、本実施形態では、リチウム塩および炭酸エステル化合物を含む電解質溶液を使用することができる。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiCF3、CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2、LiBOB等の塩が使用できる。これらの塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。炭酸エステル化合物としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、4−エチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、1,3−オキサン−2−オン等が挙げられる。これらの化合物は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
セパレータ15は、電気絶縁性(電子絶縁性)の多孔体から形成されていればよく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンおよびポリオレフィンなどのポリマー製の膜または繊維不織布が挙げられる。
(実施例1)
正極材料は以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3およびCH3COOHをLi:Mn:Cr=1.2:0.4:0.4となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で800℃、5時間焼成してLi[Li0.2Mn0.4Cr0.4]O2を得た。
正極材料は以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3およびCH3COOHをLi:Mn:Cr=1.2:0.4:0.4となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で800℃、5時間焼成してLi[Li0.2Mn0.4Cr0.4]O2を得た。
正極中の、正極材料の比率を90重量パーセント、導電補助材としてアセチレンブラックを5重量パーセント、バインダーとしてポリフッ化ビニリデンを5重量パーセントとなるように秤量し、ジメチルホルムアミドを溶媒として加えて均一に混合したのち、集電用金属箔体である圧延アルミ箔の上に塗膜形成し、加熱乾燥して溶媒を除去した後、ロールタイプの加圧機を通し、ポンチにて円盤状に打ち抜き正極を作製した。電池に組み込まれた正極材料は24mgであった。
負極は、負極材料として平均粒径20マイクロメートル、比表面積1m2/gのグラファイトを用い、負極中の比率を95重量パーセントとし、バインダーとしてポリフッ化ビニリデンを用い、比率を5重量パーセントとなるように秤量し、ジメチルホルムアミドを溶媒として加えて均一に混合したのち、集電用金属箔体である圧延銅箔の上に塗膜形成し、加熱乾燥して溶媒を除去した後、ロールタイプの加圧機を通し、ポンチにて円盤状に打ち抜き作製した。電池に組み込まれた負極材料は23mgであった。
上記のようにして準備した正極材料、正極および負極を使用し、図1に示す電池と同様の構成の電池を以下のようにして製造した。まず、金属製の外装部品11内に円板状の正極12を収容し、他方、金属製の外装部品13内に円板状の負極14を収容した。これらをポリプロピレン製の厚み25μmのセパレータ15を介して積層した。なお、外装部品13と負極14の間には金属製のバネ18とスペーサ19を配置した。外装部品11および外装部品13の内部は電解質溶液が満たされており、外装部品11および外装部品13の周縁部はシールガスケット17を介してかしめられることにより密閉した。電解質溶液にはエチレンカーボネートとジメチルカーボネートの3対7の体積比の混合物に、1モル/リットルの濃度にLiPF6を溶解したものを用いた。
(実施例2)
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3およびCH3COOHをLi:Mn:Cr=1.17:0.33:0.5となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で800℃、5時間焼成してLi[Li0.17Mn0.33Cr0.5]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は25.1mgであった。
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3およびCH3COOHをLi:Mn:Cr=1.17:0.33:0.5となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で800℃、5時間焼成してLi[Li0.17Mn0.33Cr0.5]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は25.1mgであった。
(実施例3)
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3およびCH3COOHをLi:Mn:Cr=1.23:0.47:0.3となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で800℃、5時間焼成してLi[Li0.23Mn0.47Cr0.3]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は25mgであった。
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3およびCH3COOHをLi:Mn:Cr=1.23:0.47:0.3となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で800℃、5時間焼成してLi[Li0.23Mn0.47Cr0.3]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は25mgであった。
(実施例4)
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.2:0.4:0.35:0.05となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。粘性の液体になるまで撹拌させながら加熱した。この溶液を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.2Mn0.4Cr0.35Co0.05]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は26.3mgであった。
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.2:0.4:0.35:0.05となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。粘性の液体になるまで撹拌させながら加熱した。この溶液を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.2Mn0.4Cr0.35Co0.05]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は26.3mgであった。
(実施例5)
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.2:0.4:0.3:0.1となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.2Mn0.4Cr0.3Co0.1]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は27mgであった。
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.2:0.4:0.3:0.1となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.2Mn0.4Cr0.3Co0.1]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は27mgであった。
(実施例6)
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.2:0.4:0.2:0.2となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.2Mn0.4Cr0.2Co0.2]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は25.2mgであった。
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.2:0.4:0.2:0.2となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.2Mn0.4Cr0.2Co0.2]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は25.2mgであった。
(実施例7)
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.2:0.4:0.1:0.3となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.2Mn0.4Cr0.1Co0.3]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は26.3mgであった。
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.2:0.4:0.1:0.3となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.2Mn0.4Cr0.1Co0.3]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は26.3mgであった。
(実施例8)
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.17:0.33:0.2:0.3となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.17Mn0.33Cr0.2Co0.3]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は26.2mgであった。
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.17:0.33:0.2:0.3となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.17Mn0.33Cr0.2Co0.3]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は26.2mgであった。
(実施例9)
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.23:0.47:0.2:0.1となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.23Mn0.47Cr0.2Co0.1]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は26mgであった。
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.23:0.47:0.2:0.1となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.23Mn0.47Cr0.2Co0.1]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は26mgであった。
(実施例10)
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.23:0.47:0.1:0.2となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.23Mn0.47Cr0.1Co0.2]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は26.2mgであった。
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.23:0.47:0.1:0.2となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.23Mn0.47Cr0.1Co0.2]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は26.2mgであった。
(実施例11)
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.1:0.2:0.4:0.3となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.1Mn0.2Cr0.4Co0.3]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は26.2mgであった。
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Cr(NO3)3、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Cr:Co=1.1:0.2:0.4:0.3となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1となるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をAr雰囲気下にてペレット成型し、Ar雰囲気下で900℃、5時間焼成してLi[Li0.1Mn0.2Cr0.4Co0.3]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は26.2mgであった。
(実施例12)
負極材料として、平均粒径40マイクロメートル、比表面積0.4m2/gのグラファイトを用いた以外は、実施例5と同様に電池を作製した。なお、該負極材料は、平均粒径20マイクロメートル、比表面積1m2/gのグラファイトを分級することによって得た。
負極材料として、平均粒径40マイクロメートル、比表面積0.4m2/gのグラファイトを用いた以外は、実施例5と同様に電池を作製した。なお、該負極材料は、平均粒径20マイクロメートル、比表面積1m2/gのグラファイトを分級することによって得た。
(実施例13)
負極材料として、平均粒径10マイクロメートル、比表面積5m2/gのグラファイトを用いた以外は、実施例5と同様に電池を作製した。なお、該負極材料は、平均粒径20マイクロメートル、比表面積1m2/gのグラファイトを粉砕することによって得た。
負極材料として、平均粒径10マイクロメートル、比表面積5m2/gのグラファイトを用いた以外は、実施例5と同様に電池を作製した。なお、該負極材料は、平均粒径20マイクロメートル、比表面積1m2/gのグラファイトを粉砕することによって得た。
(実施例14)
負極材料として、平均粒径7マイクロメートル、比表面積11m2/gのグラファイトを用いた以外は、実施例5と同様に電池を作製した。なお、該負極材料は、平均粒径20マイクロメートル、比表面積1m2/gのグラファイトを粉砕することによって得た。
負極材料として、平均粒径7マイクロメートル、比表面積11m2/gのグラファイトを用いた以外は、実施例5と同様に電池を作製した。なお、該負極材料は、平均粒径20マイクロメートル、比表面積1m2/gのグラファイトを粉砕することによって得た。
(実施例15)
負極材料として、平均粒径3マイクロメートル、比表面積20m2/gのグラファイトを用いた以外は、実施例5と同様に電池を作製した。なお、該負極材料は、平均粒径20マイクロメートル、比表面積1m2/gのグラファイトを粉砕することによって得た。
負極材料として、平均粒径3マイクロメートル、比表面積20m2/gのグラファイトを用いた以外は、実施例5と同様に電池を作製した。なお、該負極材料は、平均粒径20マイクロメートル、比表面積1m2/gのグラファイトを粉砕することによって得た。
(比較例1)
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn=1.2:0.4:0.4となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1になるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をペレット成型し、空気雰囲気下で950℃、5時間焼成してLi1.2Mn0.8O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は25.3mgであった。
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn=1.2:0.4:0.4となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1になるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をペレット成型し、空気雰囲気下で950℃、5時間焼成してLi1.2Mn0.8O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は25.3mgであった。
(比較例2)
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Co=1.2:0.4:0.4となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1になるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をペレット成型し、空気雰囲気下で950℃、5時間焼成しLi[Li0.2Mn0.4Co0.4]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は25mgであった。
正極材料を以下のとおり合成した。すなわち、Li(CH3COO)、Mn(CH3COO)2、Co(CH3COO)2およびLiNO3をLi:Mn:Co=1.2:0.4:0.4となるようにし、かつCH3COO−:NO3 −=3:1になるようにしてエタノールに溶解した。得られた溶液が粘性の液体になるまで撹拌しながら加熱した。この液体を電気炉にて400℃で30分加熱した。そして、空気中で600℃、3時間加熱後に試料をペレット成型し、空気雰囲気下で950℃、5時間焼成しLi[Li0.2Mn0.4Co0.4]O2を得た。正極材料以外は、実施例1と同様に電池を作製した。電池に組み込まれた正極材料は25mgであった。
<作製した電池の評価>
作製した電池について充放電を行って可逆性を評価した。まず、各電池の初期容量を、電流20mA/gにて、充電カット電圧4.7V、放電カット電圧2.0Vの条件で測定した。結果を表1に示した。なお、表1の負極材料の欄におけるかっこ内の数値は、負極材料の平均粒径および比表面積をそれぞれ示す。負極材料の平均粒径は島津製作所製SALAD−2200(商品名)を用いて測定した値であり、比表面積はMicromeritics社製トライスターII3020(商品名)を用いて測定した値である。
作製した電池について充放電を行って可逆性を評価した。まず、各電池の初期容量を、電流20mA/gにて、充電カット電圧4.7V、放電カット電圧2.0Vの条件で測定した。結果を表1に示した。なお、表1の負極材料の欄におけるかっこ内の数値は、負極材料の平均粒径および比表面積をそれぞれ示す。負極材料の平均粒径は島津製作所製SALAD−2200(商品名)を用いて測定した値であり、比表面積はMicromeritics社製トライスターII3020(商品名)を用いて測定した値である。
次に各電池を、室温(25℃)下で、電流20mA/gにて、充電カット電圧4.7V、放電カットは充電容量と同等の容量まで放電する、充放電を繰り返すサイクル評価を行った。図3〜6は、初回の容量を100%とした維持率の変化を示すグラフである。実施例の電池は比較例の電池に比べ、初期容量が高く、いずれも高い可逆性を示した。図7は、4.8〜1.5Vの定電流充放電評価における容量と電圧の関係を示すグラフである。図7に示すとおり、Crを含む正極材料を使用した正極は、電圧1.8V付近で電圧プラトーが認められ、容量が300mAh/g付近にまで到達した。
12…正極、12a…正極集電体、12b…正極材料層、14…負極、14a…負極集電体、14b…負極材料層、15…セパレータ、100…電池。
Claims (4)
- リチウムイオン二次電池の正極に用いられる正極材料であって、
少なくともLi、Mn、CrおよびOを含む金属酸化物からなり、該金属酸化物を構成する元素のモル比が
Li:1.1〜1.3、
Mn:0.2〜0.6、
Cr:0.02〜0.6、および、
O:2
である、正極材料。 - 前記金属酸化物はCoを更に含有し、Crのモル比に対するCoのモル比の割合は1/30〜30である、請求項1に記載の正極材料。
- 請求項1または2に記載の正極材料を有する正極と、
炭素材料からなる活物質を有する負極と、
リチウム塩および炭酸エステル化合物を含有する電解質溶液と、
電子絶縁性を有する多孔体からなるセパレータと、
を備えるリチウムイオン二次電池。 - 前記炭素材料は、比表面積が0.3〜20m2/gのグラファイトである、請求項3に記載のリチウムイオン二次電池。
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