JP2013004284A - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態の非水電解質二次電池は、中心部にオリビン型LiFePO4と、前記中心部の外側にLiFexPyOzで表すことのできるリチウムリン酸鉄を有する中間部と、前記中間部の外側にLiFeaPbOcで表すことのできるリチウムリン酸鉄を有する表面部とで構成される正極活物質粒子を含有する正極と、チタン酸リチウムを含有する負極とを備え、前記中心部のリチウムリン酸鉄のPに対するFeのモル濃度比は、前記LiFexPyOzのx/yの平均より大きく、前記正極活物質粒子の表面部のLiFeaPbOcのa/bの平均値は、前記LiFexPyOzのx/yの平均より小さく、前記中心部のLiFexPyOzのx/yが表面部から中心部方向に向かって、連続的又は断続的に大きくなる領域が含まれることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
このようなこの非水電解質二次電池は、小型の携帯電話やノートパソコン等に用いられる非水電解質二次電池以上に、瞬間的に大電流を放出する特性が重要視される。
リチウムチタン複合酸化物を負極に、リチウムリン酸鉄を正極に用いた電池では、従来のリチウムイオン二次電池よりも、はるかに安全、長寿命を有する革新的な二次電池となりうる。
ところが、リチウムリン酸鉄は水分と容易に反応し、正極活物質から鉄が溶出しやすいといった問題がある。また、負極として用いる粒子サイズの非常に細かいリチウムチタン複合酸化物には大量の結晶水が含まれていることを発明者らは確認した。つまり、このような正極・負極の組み合わせの場合、負極に含まれる大量の結晶水により、リチウムリン酸鉄は溶解し、容量劣化を招きやすく、本来の正極・負極のポテンシャルを十分に引き出すことができなかった。
前記中心部のリチウムリン酸鉄のPに対するFeのモル濃度比は、前記LiFexPyOzのx/yの平均より大きく、前記正極活物質粒子の表面部のLiFeaPbOcのa/bの平均値は、前記LiFexPyOzのx/yの平均より小さく、前記中心部のLiFexPyOzのx/yが表面部から中心部方向に向かって、連続的又は断続的に大きくなる領域が含まれることを特徴とする。
実施形態の正極活物質は、中心部にオリビン型LiFePO4を有するリチウムリン酸鉄と、前記中心部の外側にLiFexPyOzで表すことのできるリチウムリン酸鉄を有する中間部と、中間部の外側にLiFeaPbOcで表すことのできるリチウムリン酸鉄とで構成される。そして、正極活物質の粒子中に、LiFexPyOzのx/yが表面部から中心方向に連続的又は断続的に大きくなる領域が前記正極活物質粒子中に含まれる。増加する領域が含まれることによって、リチウムの拡散を円滑に進めることができる。また、正極活物質の表面部のa/bを小さくすることで、水の浸食を防ぐ形態となっており、この表面部がLi3PO4等の被覆層ではないため、充放電に表面部が寄与することができる。
正極活物質粒子は、オリビン型のLiFePO4を酸又は水洗処理を行い、不活性雰囲気下にて熱処理することで得られる。処理に用いる酸は、塩酸、硫酸、硝酸などの鉄を溶解する酸であればよい。酸の種類、濃度、処理温度を適宜調整して、正極活物質粒子の表面やその内部の鉄の濃度を調整する。酸あるいは水洗処理を行うことで、予めLiFePO4からFeを一部溶出させ、表面部及び中心部のPに対するFeのモル濃度比が中心部より低い形態となる。このような酸・水洗処理を施した状態では表面層(表面部)は乱れた構造となっている。例えば、処理後の表面にLi1+αFeP2O7、LiβFe4(P2O7)3、Li3Fe2(PO4)とオリビン型LiFePO4を含む場合、Li1+αFeP2O7、LiβFe4(P2O7)3、Li3Fe2(PO4)3相などが十分に形成されていない。この状態では粒子内部へのリチウム拡散が阻害される。また、酸・水洗処理により粒子内部に結晶水として蓄積されるため、そのままではかえって水の侵食反応を助長させてしまう。よって、酸・水洗処理の後、不活性雰囲気下にて加熱することで、表面の構造を所望の形態にし、結晶水を除去することにより、リチウム拡散性及び耐水性に優れる正極活物質粒子を合成することができる。
負極は、例えば、本発明の非水電解質電池用負極材料を含むリチウムチタン複合酸化物とリチウム複合酸化物の混合活物質、導電剤及び結着剤からなる負極合剤を適当な溶媒に懸濁して混合し、塗液としたものを集電体の片面もしくは両面に塗布し、乾燥することにより作製される。
前記非水電解質は、非水溶媒に電解質を溶解することにより調製される液体状非水電解質(非水電解液)、高分子材料に前記非水溶媒と前記電解質を含有した高分子ゲル状電解質、高分子材料に前記電解質を含有した高分子固体電解質、リチウムイオン伝導性を有する無機固体電解質が挙げられる。
非水電解質電池の一実施形態である円筒形非水電解質二次電池を示す部分断面図の一例を図1に示す。例えば、ステンレスからなる有底円筒状の容器1内の底部には、絶縁体2が配置されている。電極群3は、前記容器1内に収納されている。前記電極群3は、正極4と負極6をその間にセパレータ5を介在して渦巻き状に捲回することにより作製される。
<正極の作製>
オリビン型リチウムリン酸鉄(LiFePO4)粉末を0.5Nの硫酸内に30分間浸した後、水洗・ろ過を行い、水分を除去した。その後、Ar雰囲気下にて3時間熱処理を行った。
負極活物質としては、スピネル型リチウムチタン酸化物に、負極活物質材料の粉末85重量%に導電剤としてのグラファイト5重量%と、同じく導電剤としてのアセチレンブラック3重量%と、PVdF7重量%と、NMPとを加えて混合し、厚さ11μmのアルミ箔からなる集電体に塗布し、乾燥し、プレスすることにより負極を作製した。
前記正極、ポリエチレン製多孔質フィルム及びセルロースからなるセパレータ、前記負極、及び前記セパレータをそれぞれこの順序で積層した後、前記負極が最外周に位置するように渦巻き状に捲回して電極群を作製した。
さらに、エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)の混合溶媒に(混合体積比率1:2)に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1.0モル/L溶解して非水電解液を調製した。
正極の作製条件を変えた他は、実施例1と同様に活物質を作製、電池を作製した。実施例1同様の表面組成等の構成を表1にまとめて記載した。
正極にベアのLiFePO4を用いたこと以外は実施例1と同様な方法にて電池を作製した。
正極のLiFePO4に2.5wt%のカーボンにて被覆させたこと以外は実施例1と同様な方法にて電池を作製した。
正極にLiFePO4にLi3PO4を単に濃度勾配なしに被覆させたこと以外は実施例1と同様な方法にて電池を作製した。
実施例1〜および、比較例1〜の電池をSOC 100%状態に調整し、80℃環境下にて貯蔵試験を行った。1週間おきに25℃に戻し、容量測定を行った。その後、再びSOC 100%状態に調整し、80℃環境下にて貯蔵を繰り返し行い、合計10週間試験した。貯蔵前の容量に対する10週間後の容量比率(%)を表2にまとめた。
一方、実施例1をはじめ、表面のFe濃度の比率が低いほうが容量劣化が小さいことを確認した。これは負極等に含まれる水分の影響を受けにくくなったことに由来していると考えられる。
実施例1〜および、比較例1〜の電池を1Cレートでの容量、ならびに30Cレートでの容量測定を行った。1Cレートでの容量に対する30Cレートの容量維持率について表2にまとめた。
以上の結果より、本発明を施すことにより、レート特性を維持しつつ、高い高温耐久性を有することが確認できた。
Claims (7)
- 中心部にオリビン型LiFePO4と、前記中心部の外側にLiFexPyOzで表すことのできるリチウムリン酸鉄を有する中間部と、前記中間部の外側にLiFeaPbOcで表すことのできるリチウムリン酸鉄を有する表面部とで構成される正極活物質粒子を含有する正極と、
チタン酸リチウムを含有する負極とを備え、
前記中心部のリチウムリン酸鉄のPに対するFeのモル濃度比は、前記LiFexPyOzのx/yの平均より大きく、
前記正極活物質粒子の表面部のLiFeaPbOcのa/bの平均値は、前記LiFexPyOzのx/yの平均より小さく、
前記中間部のLiFexPyOzのx/yが表面部から中心部方向に向かって、連続的又は断続的に大きくなる領域が含まれることを特徴とする非水電解質二次電池。
- 前記領域は、前記正極活物質粒子の最表面から中心方向に粒子の直径の0.1%以上20%以下の範囲内に含まれることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記領域は、前記正極活物質粒子の最表面から中心方向に粒子の直径の0.5%以上15%以下の範囲内に含まれることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記正極活物質粒子の表面部のXPS測定によるLiFexPyOzのx/yは0.1以上0.5以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
- 前記正極活物質粒子の表面部には、Li3PO4、Li1+αFeP2O7、LiβFe4(P2O7)3、Li3+γFe2(PO4)3(0≦α≦1、0≦β≦3、0≦γ≦2)のうち、少なくとも1種類以上の化合物とオリビン型LiFePO4が含まれていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
- 前記正極活物質粒子は、酸又は水洗処理し、不活性雰囲気下で加熱処理したものであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
- 前記中間部及び表面部は、酸又は水洗処理し、不活性雰囲気下で加熱処理したものであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
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