JP2014149962A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】充放電特性及びサイクル特性に優れた高容量な非水電解質二次電池を提供する。
【解決手段】本発明は、負極集電体とその上に形成された負極活物質層とを備える負極と、正極集電体とその上に形成された正極活物質層を備える正極と、を具備する非水電解質二次電池において、負極活物質層の充填密度は１．５４〜１．７１ｇ／ｃｍ^３であり、正極活物質層は、正極活物質粒子を含み、この正極活物質粒子は、内部に結晶子が存在する複数の一次粒子が凝集して形成された二次粒子からなり、この結晶子の平均サイズに対する一次粒子の平均粒子径の比が１．５〜５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の充放電特性とサイクル特性の改良に関する。

リチウムイオン二次電池に代表される非水電解質二次電池は、高エネルギー密度で高容量であるため、携帯電話、ノートパソコン等の電子機器、電気自動車などの駆動電源として用いられている。

近年、上記機器の小型化・高機能化が急速に進んでおり、その駆動電源である非水電解質二次電池には、さらなる小型化や高エネルギー密度化が要望されている。

非水電解質二次電池に用いられる正極活物質としては、例えば、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）が挙げられる。コバルト酸リチウムは、電位がリチウム基準で約４Ｖと高く、比容量密度が約１４０ｍＡｈ／ｇと大きく、また充放電サイクル寿命も長いといった長所を有している。

しかしながら、コバルトは、希少な資源であるため、コバルト酸リチウムを含む電池はコスト高となるという問題が生じる。

そこで、低コストでより高エネルギー密度の非水電解質二次電池の開発という観点から、コバルト酸リチウムに替わるリチウム含有複合酸化物の開発が進んでおり、リチウムニッケル複合酸化物を中心とする正極活物質が注目を集めている。なお、ニッケルは、Ｃｏよりも豊富に存在する資源である。

例えば、特許文献１には、層状構造の六方晶系リチウムニッケル複合酸化物であって、Ｌｉ_ｘＮｉ_{（１−ｙ−ｚ）}Ｃｏ_ｙＭ_ｚＯ_２の組成式で表され、前記組成式におけるｘが０．９５以上、１．１０以下、ｙが０より大きく、０．２０以下、ｚが０より大きく、０．１５以下で、Ｍ元素がＡｌ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｎｂの元素群から選択される少なくとも１種の元素からなり、前記リチウムニッケル複合酸化物の比表面積が０．５〜２．０ｍ^２／ｇである技術が開示されている。

特開２０１０−６４９４４号公報

ところで、さらなる高容量化の要求に応えるために、活物質の充填密度を高めることも行われている。

しかしながら、高容量に設計された正極と、高密度化された負極とを組み合わせて用いた場合、高密度化された負極はＬｉイオンの受入性が悪化し、充電時に正極から放出されたＬｉイオンの一部が負極に吸蔵されず金属リチウムとして析出する。この結果、充放電特性やサイクル特性を低下するという問題が新たに生じる。

本発明は、上記課題を解消するものであり、充放電特性及びサイクル特性に優れた高容量な非水電解質二次電池を提供することを目的とする。

本発明は、負極集電体とその上に形成された負極活物質層とを備える負極と、正極集電体とその上に形成された正極活物質層とを備える正極と、を具備する非水電解質二次電池において、負極活物質層の充填密度は１．５４〜１．７１ｇ／ｃｍ^３であり、正極活物質層は正極活物質粒子を含み、この正極活物質粒子は、内部に結晶子が存在する複数の一次粒子が凝集して形成された二次粒子からなり、この結晶子の平均サイズに対する一次粒子の平均粒子径の比が１．５〜５であることを特徴とする。

上記のように負極活物質層の充填密度を高くすると、負極のＬｉイオンの受入性が低下する。このとき、Ｌｉイオンが、負極の受入速度を超えて正極から放出されると、Ｌｉイオンの一部が負極上に金属リチウムとして析出してしまう。そこで、本発明においては、正極活物質粒子を構成する一次粒子内に存在する結晶子の平均サイズに対する一次粒子の平均粒径の比を１．５〜５として、正極からのＬｉイオンの放出速度を適切に制御している。具体的には、前記比を１．５〜５に制御することで、一次粒子内に適度な結晶子界面が形成され、Ｌｉイオンが正極活物質粒子内を移動する際に結晶子界面が移動障壁となり、正極からＬｉイオンが放出される速度が低下する。この結果、負極活物質層の充填密度を１．５４ｇ／ｃｍ^３以上と高くしても、金属リチウムが析出することなく、Ｌｉイオンが負極に吸蔵されることが可能となる。このため、負極活物質層の充填密度を高めた場合でも、非水電解質二次電池の充放電特性及びサイクル特性を向上させることができる。

前記比が１．５より小さいと、一次粒子内に存在する結晶子の数が少なくなり、その結果、結晶子間の界面数が少なくなり、Ｌｉイオンの移動障壁が減少する。このため、Ｌｉイオンが正極から放出されるＬｉイオンが多くなりすぎて、負極で受け入できないＬｉイオンが金属リチウムとして析出する。この結果、充放電特性やサイクル特性が低下する。一方、前記比が５よりも大きい場合、このような正極活物質粒子の作製時に、Ｌｉ欠損部分が生じてしまうために、初期容量が低下する。よって、結晶子の平均サイズに対する一次粒子の平均粒径の比は１．５〜５に規制する。

負極活物質層の充填密度が１．５４ｇ／ｃｍ^３よりも小さくなると、十分なエネルギー密度が得られない。また、負極活物質層の充填密度を１．７１ｇ／ｃｍ^３よりも大きくする場合、圧延圧力を大きくする必要があるため、製造コストが増加したり、負極活物質粒子が破損したりするおそれがある。よって、負極活物質層の充填密度は１．５４〜１．７１ｇ／ｃｍ^３に規制する。

高い初期容量と優れたサイクル特性とを両立できるため、結晶子の平均サイズに対する一次粒子の平均粒子径の比は２．０〜３．５とすることが好ましい。

上記非水電解質二次電池において、正極活物質粒子は、Ｌｉ_ｘＮｉ_ｙＭ_{（１−ｙ）}Ｏ_２（０．９５≦ｘ≦１．１０、０．６５≦ｙ≦１．０、Ｍは、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｙ、Ｍｏ、及びＷよりなる群から選択される少なくとも１種の元素である。）で示される化合物の粒子からなる構成とすることができる。Ｎｉ以外の元素は含まれなくともよいが、Ｎｉ以外の前記のような元素が含まれることにより、正極活物質粒子の構造がより安定化される。よって、前記式で表される化合物の粒子は、高容量であり、またサイクル特性や熱安定性に優れる。

上記非水電解質二次電池において、一次粒子の平均粒子径は０．３〜１．０μｍであり、二次粒子の平均粒子径は５〜１５μｍである構成とすることができる。一次粒子の平均粒子径が小さすぎると、不均一な結晶が多くなり、容量が低下するおそれがある。一方、一次粒子の平均粒子径が大きすぎると、結晶が崩壊し易くなり、容量や熱安定性が低下するおそれがある。一次粒子の平均粒子径は０．４〜０．７μｍとすることがさらに好ましい。

二次粒子の平均粒子径が小さすぎると、正極活物質粒子と導電材との混合性が低下したり、正極活物質層の充填密度を高めることができなかったりするおそれがある。二次粒子の平均粒子径が大きすぎる場合、正極活物質層の充填密度を高めることはできるが、正極作製時の極板平滑性が低下するおそれがある。二次粒子の平均粒子径は８〜１３μｍとすることがさらに好ましい。

上記非水電解質二次電池において、一次粒子内に存在する結晶子の平均サイズが、１５０〜３７０ｎｍである構成とすることができる。結晶子の平均サイズが小さすぎると、結の成長が不十分となり易いため、結晶内にＬｉ欠損部分が多く存在し、このため、容量が低下するおそれがある。結晶子の平均サイズが大きすぎると、正極活物質粒子から一度にＬｉイオンが放出され易くなり、正極活物質粒子の熱安定性が低下するおそれがある。結晶子の平均サイズは１９０〜２６０ｎｍであることがさらに好ましい。

また、上記非水電解質二次電池において、負極活物質層は負極活物質を含み、この負極活物質は炭素材料からなる構成とすることができる。

ここで、結晶子とは、単結晶とみなすことができる領域のことであり、結晶子の平均サイズは、ブルカーエイエックスエス（株）のＸ線回折装置を用い、高精度で測定したデータを、DIFFRAC^plus TOPASによるリーベルト解析によって得ることができる。

一次粒子とは、外見上の幾何学的形態から判断して、単位粒子と考えられるものであり、一次粒子の平均粒子径は、以下のようにして求めることができる。具体的には、多数の二次粒子を樹脂埋めし、この樹脂の切り出し断面を研磨して走査型電子顕微鏡で観察し、そのときの一次粒子の長軸方向における平均長さを平均粒子径とする。なお、一次粒子の長軸方向における平均長さは、走査型電子顕微鏡写真を、（株）マウンテック製「画像解析式粒度分布測定ソフトウェア Mac-View」で画像処理することにより求める。測定する一次粒子の数は３００個以上とする。

二次粒子は、一次粒子が凝集して形成されたものであり、二次粒子の平均粒子径は、レーザ回折／散乱式粒度分布測定装置（例えば、（株）堀場製作所製のLA920）を用いて測定することができる。具体的には、メジアン径Ｄ５０を二次粒子の平均粒子径とする。

なお、負極活物質層の充填密度は、負極活物質層の寸法と、重量と、厚みと、から求めることができる。例えば、負極が、負極集電体と、その上に形成された負極活物質層とから構成される場合、単板状に切り出した測定用負極板の寸法と、負極集電体の重量を除いた測定用負極板の重量と、負極集電体の厚みを除いた測定用負極板の厚みとから、求めることができる。なお、負極板及び負極集電体の厚みは、厚み計を用いて測定できる。

また、負極活物質層の充填密度は、例えば圧延圧力を調節することにより制御することができる。

以上のように、本発明によれば、負極活物質層の充填密度を高めた場合でも、正極活物質粒子を構成する１次粒子内に存在する結晶子の平均サイズに対する一次粒子の平均粒子径を制御することにより、非水電解質二次電池の充放電特性及びサイクル特性を向上させることができる。

本発明の一実施形態にかかる円筒型非水電解液二次電池の構成を模式的に示す縦断面図である。

図１に、本発明の一実施形態にかかる円筒型非水電解質二次電池の構成を模式的に示す縦断面図を示す。図１に示す円筒型電池は、発電要素、前記発電要素を内部に収容した有底の円筒型電池ケース６、この電池ケース６の開口部を封口する封口体１８を含む。電池ケース６の開口端部と封口体１８との間には、絶縁ガスケット１０が配置されており、これにより、電池ケース６と封口体１８とが絶縁される。

発電要素は、正極板１、負極板３、および正極板１と負極板３との間に配置された多孔質絶縁体としてのセパレータ５からなる極板群、ならびに非水電解質（図示せず）からなる。非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解されたリチウム塩とを含む。

次に、正極板１および負極板３について説明する。
正極板１は、正極集電体と、正極集電体の片面または両面に形成された正極活物質層とを含む。正極活物質層は、正極活物質粒子を含み、この正極活物質粒子は、複数の一次粒子が凝集して形成された二次粒子からなる。負極板３は、負極集電体と、負極集電体の片面または両面に形成された負極活物質層とを含む。本発明において、電池容量を高めるため、負極活物質層の充填密度を１．５４〜１．７１ｇ／ｃｍ^３としている。

負極活物質層の充填密度を高くすると、負極活物質層のＬｉイオン受入性が低下し、負極活物質に吸蔵されなかったＬｉイオンが金属リチウムとして負極上に堆積する。そこで、本発明では、正極活物質粒子を構成する一次粒子内に存在する結晶子の平均サイズに対する一次粒子の平均粒子径の比を１．５〜５に調節することにより、正極活物質粒子からのＬｉイオンの放出速度を適切に制御している。この結果、Ｌｉイオンが金属リチウムとして負極上に堆積することを抑制でき、よって、負極活物質層の充填密度を高くしたときの非水電解質二次電池の充放電特性及びサイクル特性を向上させることができる。

前記正極活物質粒子において、一次粒子の平均粒子径は０．３〜１．０μｍであることが好ましく、二次粒子の平均粒子径は５〜１５μｍであることが好ましい。一次粒子の平均粒子径が小さすぎると、不均一な結晶が多くなり、容量が低下するおそれがある。一方、一次粒子の平均粒子径が大きすぎると、結晶が崩壊し易くなり、容量や熱安定性が低下するおそれがある。一次粒子の平均粒子径は０．４〜０．７μｍであることがさらに好ましい。

また、二次粒子の平均粒子径が小さすぎると、正極活物質粒子と導電材との混合性が低下したり、正極活物質層の充填密度を高めることができなくなったりするおそれがある。二次粒子の平均粒子径が大きすぎる場合、正極活物質層の充填密度を高めることはできるが、正極作製時の極板平滑性が低下するおそれがある。二次粒子の平均粒子径は８〜１３μｍであることがさらに好ましい。

一次粒子内に存在する結晶子の平均サイズは、１５０〜３７０ｎｍであることが好ましい。結晶子の平均サイズが小さすぎると、結晶の成長が不十分となり易いため、結晶内にＬｉ欠損部分が多く存在し、このため、容量が低下するおそれがある。結晶子の平均サイズが大きすぎると、正極活物質粒子から一度にＬｉイオンが放出され易くなり、熱安定性が低下するおそれがある。結晶子の平均サイズは１９０〜２６０ｎｍであることがさらに好ましい。

上記正極活物質粒子は、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能であり、かつ複数の一次粒子が凝集して形成された二次粒子から構成されれば、特に限定されないが、例えば、Ｎｉを主成分として含むリチウムニッケル複合酸化物粒子を用いることができる。

このようなリチウムニッケル複合酸化物としては、Ｌｉ_ｘＮｉ_ｙＭ_{（１−ｙ）}Ｏ_２（０．９５≦ｘ≦１．１０、０．６５≦ｙ≦１．０、Ｍは、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｙ、Ｍｏ、及びＷよりなる群から選択される少なくとも１種の元素である。）で示されるリチウムニッケル複合酸化物が好ましい。このようなリチウムニッケル複合酸化物は、高容量であるとともに、サイクル特性や熱安定性にも優れる。

なかでも、Ｌｉ_ｘＮｉ_ｙＣｏ_ｚＭ１_{（１−ｙ−ｚ）}Ｏ_２（０．９５≦ｘ≦１．１０、０．６５≦ｙ≦１．０、０≦ｚ≦０．２０、０≦１−ｙ−ｚ≦０．１５、Ｍ１は、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｙ、Ｍｏ、及びＷよりなる群から選択される少なくとも１種である。）を用いることが好ましい。前記式で表されるリチウムニッケル複合酸化物は、高容量であるとともに、サイクル特性及び熱安定性がより優れている。

上記正極活物質粒子は、以下のようにして作製することができる。例えばニッケル化合物とリチウム化合物とを混合し、得られた混合物を、酸素や空気などの酸化性雰囲気中、６００〜８００℃で焼成し、焼成物を必要に応じて粉砕・分級することにより、正極活物質粒子を得ることができる。このとき、正極活物質粒子を構成する一次粒子の平均粒子径や結晶子の平均サイズは、リチウム化合物とニッケル化合物を反応合成させる際の温度や時間を調節することで制御することができる。また、二次粒子の平均粒子径は、粉砕や分級の条件を調節することにより制御できる。

リチウム化合物としては、公知のものを使用でき、その中でも、水酸化リチウムが好ましい。ニッケル化合物とリチウム化合物との使用割合は特に制限されず、得ようとする正極活物質が利用される非水電解質二次電池の他の構成、用途などに応じて適宜選択すればよい。

ニッケル化合物としては、公知の材料、例えばニッケル水酸化物、ニッケル酸化物、またはニッケル炭酸塩を用いることができる。

また、上記のようなリチウムニッケル複合酸化物を作製する場合、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｙ、Ｍｏ、及びＷよりなる群から選択される少なくとも１種の元素をさらに含むニッケル水酸化物、ニッケル酸化物、またはニッケル炭酸塩を用いればよい。このようなニッケル水酸化物、ニッケル酸化物、またはニッケル炭酸塩は、これらの化合物を生成する際に、その原料に前記元素を含む化合物を予め添加することにより得ることができる。

あるいは、上記リチウムニッケル複合酸化物を作製するときに、上記元素を含まないニッケル化合物とリチウム化合物との混合物に、上記元素を含む化合物を添加してもよい。

なお、添加する元素の種類は、電池の求められる特性に応じて適宜選択され、上記元素のうち１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて使用できる。

負極活物質としては、充電・放電によりリチウムイオンを吸蔵・放出できる炭素材料を用いることが好ましい。たとえば、有機高分子化合物（フェノール樹脂、ポリアクリロニトリル、およびセルロース等）を焼成することにより得られる炭素材料、コークスやピッチを焼成することにより得られる炭素材料、人造黒鉛、天然黒鉛、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維などが好ましい。負極活物質の形状としては、繊維状、球状、鱗片状、塊状などが挙げられる。

次に、図１の円筒型電池の他の構成要素について説明する。ただし、図１の円筒型電池に含まれる他の構成要素は、以下に限定されない。
電池ケース６の開口部の上端より少し下方には内側に向かう溝入れが行われており、環状支持部７が電池ケース６の内側に向かって膨出形成されている。環状支持部７上には封口体１８が嵌合している。

封口体１８は、プレート８、外部接続端子となるキャップ９ならびにプレート８とキャップ９の間に配置された上弁体１３および下弁体１４からなる。上弁体１３と下弁体１４との間には絶縁体であるフィルター１９が挟持されるとともに、上弁体１３と下弁体１４とは溶接点１５で導通接続されている。

封口体１８の周縁部には絶縁ガスケット１０が配置されており、これによって電池ケース６と封口体１８とが絶縁されている。さらに、電池ケース６の開口端部が絶縁ガスケット１０にかしめられ、これにより電池ケース６が密閉されている。

また、正極板１には正極活物質層を有さない無地部（正極集電体露出部）が設けられ、そこに正極リード２の一端が接続される。正極リード２の他端は、封口体１８のプレート８に接続されている。
負極板３には負極活物質層を有さない無地部（負極集電体露出部）が設けられ、ここに負極リード４の一端が接続される。負極リード４の他端は、電池ケース６の内底部に接続されている。

なお、図１に示す円筒型非水電解質二次電池においては、封口体１８を構成する上弁体１３は環状の易破壊部１３ａを備え、下弁体１４は環状の易破壊部１４ａを備える。電池内圧が上昇した場合には、下弁体１４の易破壊部１４ａが破断し、さらに電池内圧が上昇した場合には上弁体１３の易破壊部１３ａが破断して、キャップ９の排出孔１６からガスを外部に放出する。これにより、電池内圧が異常上昇することを防止することができる。

また、キャップ９と上弁体１３との間に、ＰＴＣ素子１７を配設することにより、安全性がより高められている。

（正極活物質の作製）
硫酸ニッケル、硫酸コバルトおよび硝酸アルミニウムが溶解している混合溶液に尿素を加え、この溶液を攪拌しながら、溶液温度を８０〜１００℃の間に調節して、結晶成長速度を制御し、沈殿物を得た。こうして、ＮｉとＣｏとＡｌとの原子比率が０．７５：０．２０：０．０５のニッケル−コバルト−アルミニウム共沈水酸化物（Ｎｉ_０．７５Ｃｏ_０．２０Ａｌ_０．０５（ＯＨ）_２）を得た。

次に、得られたニッケル−コバルト−アルミニウム共沈水酸化物と、水酸化リチウム一水和物（ＬｉＯＨ・Ｈ_２Ｏ）とを、リチウムとニッケルとコバルトとアルミニウムの原子比率がＬｉ：Ｎｉ：Ｃｏ：Ａｌ＝１．００：０．７５：０．２０：０．０５になるように混合した。得られた混合物を、アルミナ製容器に入れ、酸素雰囲気下の電気炉中で、８００℃１５時間反応させて、アルミニウム固溶ニッケル−コバルト酸リチウム（ＬｉＮｉ_０．７５Ｃｏ_０．２０Ａｌ_０．０５Ｏ_２）を得た。得られたアルミニウム固溶ニッケル−コバルト酸リチウムを正極活物質Ａとした。

合成手順は正極活物質Ａと同様であるが、焼成温度及び焼成時間を表１に示されるように変更して、正極活物質Ｂ〜Ｊを得た。

また、表１には、結晶子の平均サイズ、一次粒子の平均粒子径、結晶子の平均サイズに対する一次粒子の平均粒子径の比（粒径比）及び二次粒子の平均粒子径を示す。ここで、結晶子の平均サイズ、一次粒子の平均粒子径、及び二次粒子の平均粒子径は、上記のようにして求めた。

粒径比が1．５〜５の範囲にある正極活物質Ｃ〜Ｉの二次粒子の累積粒度分布に関し、Ｄ５０に対するＤ１０の比は、０．４５〜０．６０の範囲にあり、Ｄ５０に対するＤ９０の比は、１．４５〜１．９０の範囲にあった。ここで、Ｄ１０、Ｄ５０及びＤ９０は、それぞれ前記二次粒子の体積基準の累積粒度分布における、小粒子側からの累積体積が１０％であるときの粒子径、５０％であるときの粒子径、及び９０％であるときの粒子径である。

また、正極活物質Ｃ〜Ｉにおいて、画像解析式粒度分布測定ソフトウェアを用いて測定された一次粒子の長軸方向における長さの累積粒度分布において、Ｄ５０に対するＤ１０の比は、０．３以上であり、Ｄ５０に対するＤ９０の比は、２以下であった。ここで、Ｄ１０、Ｄ５０及びＤ９０は、それぞれの累積粒度分布における、小粒子側からの累積個数が１０％であるときの長軸方向における長さ、５０％であるときの長軸方向における長さ、及び９０％であるときの長軸方向における長さである。

なお、正極活物質Ａ、Ｂ、Ｊの二次粒子及び一次粒子の長軸方向における長さの累積粒度分布においても、Ｄ５０に対するＤ１０の比及びＤ５０に対するＤ９０の比は、上記範囲内にあった。

≪実施例１≫
正極活物質Ｃを用い、図１に示されるような円筒型リチウム二次電池を、上記のようにして作製した。

（正極板の作製）
上記正極活物質Ｃと、導電材としてのカーボンブラックと、結着剤としてのポリ四フッ化エチレンを含む水性ディスパージョンとを、固形分の質量比で１００：３：１０の割合で混錬した。得られた混合物を、カルボキシメチルセルロース水溶液（濃度１％）に懸濁させて、正極合剤ペーストを調製した。

この正極合剤ペーストを、厚さ３０μｍのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に、ドクターブレード方式で、その全体の厚さが約２３０μｍとなるように塗布した。ここで、全体の厚さとは、正極集電体と、正極集電体の両面に塗布されたペースト（又は正極活物質層）との合計の厚さをいう。

正極合剤ペーストを乾燥後、全体の厚さが１８０μｍになるように圧延し、圧延後の極板を所定寸法に切断して、正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極板を得た。この正極板には、正極集電体の正極活物質層が形成されていない部分に、アルミニウム製の正極リードを溶接した。

（負極板の作製）
負極活物質である天然黒鉛と、スチレン−ブタジエンゴム系結着剤のディスパージョンとを、固形分の質量比で１００：５の割合で混錬して、負極合剤ペーストを調製した。この負極合剤ペーストを、厚さ２０μｍの銅箔からなる負極集電体の両面に、ドクターブレード方式で、全体の厚さが約２３０μｍとなるように塗布した。なお、全体の厚さは、上記と同様である。

負極合剤ペーストを乾燥後、負極活物質層の充填密度が１．５５３ｇ／ｃｍ^３になるように圧延し、圧延後の極板を所定寸法に切断して負極板を得た。この負極板には、負極集電体の負極活物質層が形成されていない部分に、ニッケル製の負極リードを溶接した。

（非水電解質の調製）
エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを１：３のモル比で混合した混合溶媒に、溶質であるＬｉＰＦ_６を１モル／Ｌの濃度で溶解して、非水電解質を調製した。

（電池の組み立て）
上記のようにして作製した正極板と負極板とを、厚さ２５μｍのポリエチレン製の微多孔フィルムからなるセパレータを介して渦巻状に巻回して、極板群を得た。この極板群を、電池ケースに収容し、正極リードを封口体を構成するプレートに溶接し、負極リードを電池ケースの内底面に溶接した。次いで、この電池ケースに、上記のように調製した非水電解質を注液し、封口体で電池ケースを封口した。電池ケースの封口は、絶縁ガスケットの圧縮率が３０％となるように、電池ケースの開口端部を、絶縁ガスケットを介して封口体にかしめつけることによって行った。このようにして、比較電池１を作製した。

得られた電池の直径は１８．０ｍｍであり、総高は６５．０ｍｍであった。設計容量は２０００ｍＡｈとした。

≪実施例２〜１５及び比較例１〜５≫
正極活物質の種類及び負極活物質層の充填密度を、表２に示されるように変更したこと以外、上記と同様にして、実施例２〜１５及び比較例１〜５の電池を作製した。

［評価］
実施例１〜１５及び比較例１〜５の各電池を、電池内部の安定化を目的に２４時間エージングさせた。このエージング期間の経過後に、各電池を、充電電圧を４．２Ｖに設定して５時間充電した。次いで、充電後の電池を、４００ｍＡの定電流で、電池電圧が２．５Ｖに低下するまで放電した。このような充放電サイクルを５００回繰り返した。

１サイクル目の放電容量を、初期容量として表２に示す。さらに、１サイクル目の放電容量に対する５００サイクル目の放電容量の比を容量維持率として表２に示す。さらに、表２には、結晶子の平均サイズに対する一次粒子の平均粒子径の比（粒径比）も示している。

電池１〜３の結果から、負極活物質層の充填密度を１．５４ｇ／ｃｍ^３以上に高くした場合でも、粒径比を１．５以上とすることにより、８０％以上の容量維持率が得られることがわかる。また、２０００ｍＡｈ以上の初期容量が得られることもわかる。

負極活物質層の充填密度を１．５４〜１．５６ｇ／ｃｍ^３の範囲とした電池１および４〜９、比較電池１〜２に関し、粒径比が１．５よりも小さい比較電池１は、容量維持率が８０％未満であった。一方で、粒径比が１．５〜５の範囲にある電池１、４〜９では、８６％以上の容量維持率が得られた。

粒径比が小さくなると、一次粒子内に存在する結晶子の数が減少し、結晶子間の界面数が低下して、Ｌｉイオンの移動障壁が減少するために、正極から放出されるＬｉイオンの量が多くなりすぎ、Ｌｉイオンの一部が、負極上に金属リチウムとして析出してしまう。

一方で、一次粒子内に存在する結晶子の数を増やす、つまり結晶子の平均サイズに対する1次粒子の平均粒子径の比を１．５以上とすることにより、正極から放出されるＬｉイオンの量が適切に制御される。この結果、Ｌｉイオンが金属リチウムとして負極上に体積することを抑制でき、よって、容量維持率を８０％よりも大きくでき、優れたサイクル特性が得られる。

ただし、粒径比が５を超える比較電池２では、１９２０ｍＡｈと初期容量が著しく低下していた。これは、結晶子の平均サイズを小さく設計する場合、焼成温度を低くしたり、焼成時間を短くしたりする必要があり、この場合、焼成時の熱量が不十分で結晶が十分成長できず、その結果、正極活物質粒子にＬｉ欠損部分が生じてしまうためであると考えられる。

負極活物質層の充填密度を１．７０〜１．７１ｇ／ｃｍ^３の範囲とした電池３および１０〜１５、比較電池３〜５についても、上記と同様な傾向が見られた。具体的には、粒径比が１．５よりも小さい比較電池３〜４は、容量維持率がそれぞれ６０．１％及び７３．９％であり、十分な容量維持率が得られなかった。一方、粒径比を１．５〜５の範囲にある電池３及び１０〜１５は、８１％以上の高い容量維持率が得られた。また、粒径比が５よりも大きい比較電池５では、１９０１ｍＡｈと初期容量が著しく低下していた。

以上のことから、負極活物質層の充填密度が１．５４〜１．７１ｇ／ｃｍ^３と高くしたとき、正極活物質粒子の一次粒子内に存在する結晶子の平均サイズに対する一次粒子の平均粒子径の比を、１．５〜５とすることで、良好なサイクル特性と十分な初期容量を得ることができる。結晶子の平均サイズに対する一次粒子の平均粒子径の比は、初期容量とサイクル特性の両方をさらに向上できるため、２．０〜３．５とすることが好ましい。

（追記事項）
圧延前の正極活物質層の厚さは、正極集電体の片面に形成する場合は好ましくは２０〜１５０μｍであり、正極集電体の両面に形成する場合は合計で好ましくは５０〜２５０μｍである。

正極板の圧延は、ロールプレス機によって正極板が、例えば１３０〜２００μｍの厚みになるまで線圧１０００〜２０００ｋｇ／ｃｍで数回を行うか、または線圧を変えて行ってもよい。

正極集電体としては、非水電解質二次電池の分野で常用されるものを使用でき、たとえば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、チタンなどを含有するシート、箔などが挙げられる。シートは多孔質体でもよい。多孔質体には、たとえば、発泡体、織布、不織布などが含まれる。正極集電体の厚さは、特に限定されないが通常１〜５００μｍ、好ましくは１０〜６０μｍである。これらの中でも、アルミニウム、アルミニウム合金などが好ましい。正極集電体の表面は、ラス加工またはエッチング処理が施されていてもよい。

負極集電体は銅箔からなり、その厚みが５μｍ〜３０μｍの範囲にあるものが好ましい。また、負極集電体の表面はラス加工もしくはエッチング処理されていてもよい。

セパレータとしては、高分子材料からなる微多孔性フィルムが好ましく用いられる。前記高分子材料としては、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニリデン、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテル（ポリエチレンオキシドやポリプロピレンオキシド）、セルロース（カルボキシメチルセルロースやヒドロキシプロピルセルロース）、ポリ（メタ）アクリル酸、およびポリ（メタ）アクリル酸エステルなどが挙げられる。これらの高分子材料は１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて使用できる。また、これらの微多孔性フィルムを重ね合わせた多層フィルムも用いることができる。なかでもポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデンなどからなる微多孔性フィルムが好適である。微多孔性フィルムの厚みは１５μｍ〜３０μｍが好ましい。

電池ケースとしては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼などからなるものを使用できる。これらの材料からなる金属板に、絞り加工などを施して電池ケースの形状にすることができる。電池ケースの防蝕性を高めるために加工後の電池ケースにめっき処理を施しても良い。

また、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる電池ケースを用いることにより、軽量でエネルギー密度の高い角型の二次電池を作製することができる。

非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解された溶質とを含む。
非水溶媒としては、主成分として環状カーボネートおよび鎖状カーボネートを含有するものが好ましい。たとえば、環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートおよびブチレンカーボネートから選ばれる少なくとも一種を用いることが好ましい。また、鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートおよびエチルメチルカーボネート等よりなる群から選択される少なくとも一種を用いることが好ましい。

溶質としては、たとえば、アニオンが電子吸引性の強い官能基を有するリチウム塩が用いられる。これらの例としては、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_２、ＬｉＮ（ＳＯ_２Ｃ_２Ｆ_５）_２およびＬｉＣ（ＳＯ_２ＣＦ_３）_３等が挙げられる。これらの溶質は、一種類で使用しても良く、二種類以上を組み合わせて使用しても良い。また、これらの溶質は、前記非水溶媒に対して０．５〜１．５Ｍの濃度で溶解させることが好ましい。

また、非水電解質に、例えばビニレンカーボネート、シクロヘキシルベンゼン、ｔｅｒｔ−アミルベンゼン等の添加剤を添加してもよい。

プレートとしては、耐非水電解質性および耐熱性を備える材料からなるものを特に限定されることなく用いることができる。そのなかでも、耐非水電解質性と耐熱性が高く、かつ軽いアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるものが好ましい。上弁体および下弁体としては、可撓性を有するアルミニウム製の薄い金属箔からなるものが好ましい。

正極リードおよび負極リードとしては、当該分野で公知のものを用いることができる。たとえば、正極リードとしては、アルミニウムからなるもの等が挙げられる。負極リードとしては、ニッケルからなるもの等が挙げられる。

正極及び負極に用いられる導電材としては、たとえば、カーボンブラック、黒鉛、炭素繊維、金属繊維などを使用できる。カーボンブラックとしては、たとえば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどが挙げられる。導電材は１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて使用できる。

正極及び負極に用いられる結着剤としては、分散媒に溶解または分散できるものであれば、特に限定なく使用できる。たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、フッ素系結着剤、ゴム粒子、アクリル系重合体、ビニル系重合体などを使用できる。フッ素系結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などが挙げられる。これらは、ディスパージョンの形態で用いるのが好ましい。ゴム粒子としては、アクリルゴム粒子、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）粒子、アクリロニトリルゴム粒子などが挙げられる。これらの中でも、正極活物質層の耐酸化性を向上させることなどを考慮するとフッ素を含む結着剤が好ましい。これらの結着剤は１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて使用できる。

合剤ペーストを調製するときに用いられる分散媒は、結着剤が分散または溶解可能なものが適切である。有機系結着剤を用いる場合、分散媒としては、たとえば、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルホルムアミド、ヘキサメチルスルホルアミド、テトラメチル尿素などのアミド類、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルアミンなどのアミン類、メチルエチルケトン、アセトン、シクロヘキサノンなどのケトン類、テトラヒドロフランなどのエーテル類、ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド類などが好ましい。これらの中でも、ＮＭＰ、メチルエチルケトンなどが好ましい。また、ＳＢＲなどの水系結着剤を用いる場合は、分散媒としては水や温水が好ましい。分散媒は、１種を単独でまたは必要に応じて２種以上を組み合わせて使用できる。

また、合剤ペーストの調製には、この分野で常用される方法を採用できる。たとえば、プラネタリーミキサー、ホモミキサー、ピンミキサー、ニーダー、ホモジナイザーなどの混合装置を用いて上記各成分を混合する方法が挙げられる。混合装置は、単独でまたは２種以上を組み合わせて使用される。さらに、正極合剤ペーストの混練時に必要に応じて各種分散剤、界面活性剤、安定剤などを添加してもよい。

また、合剤ペーストを調製するときに用いられる増粘剤としては、この分野で常用されるものを使用でき、エチレン−ビニルアルコール共重合体、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどが挙げられる。

合剤ペーストは、たとえば、スリットダイコーター、リバースロールコーター、リップコーター、ブレードコーター、ナイフコーター、グラビアコーターおよびディップコーターなどを用いて集電体の表面に塗布できる。集電体に塗布された合剤ペーストは、自然乾燥に近い乾燥を行うことが好ましいが、生産性を考慮すると７０℃〜２００℃の温度で１０分間〜５時間乾燥させるのが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、充放電特性とサイクル特性が優れた高容量な非水電解質二次電池を提供できる。よって、産業上の利用可能性は大きい。

１ 正極板
２ 正極リード
３ 負極板
４ 負極リード
５ セパレータ
６ 電池ケース
７ 環状支持部
８ プレート
９ キャップ（外部接続端子）
１０ 絶縁ガスケット
１１ 上部絶縁板
１２ 下部絶縁板
１３ 上弁体
１３ａ 上弁体易破壊部
１４ 下弁体
１４ａ 下弁体易破壊部
１５ 溶接点
１６ 排出孔
１７ ＰＴＣ素子
１８ 封口体
１９ フィルター

Claims (5)

1. 負極集電体及び前記負極集電体上に形成された負極活物質層を備える負極と、正極集電体及び前記正極集電体上に形成された正極活物質層を備える正極と、を具備する非水電解質二次電池において、
   前記負極活物質層の充填密度が１．５４〜１．７１ｇ／ｃｍ^３であり、
   前記正極活物質層は、正極活物質粒子を含み、
   前記正極活物質粒子は、内部に結晶子が存在する複数の一次粒子が凝集して形成された二次粒子からなり、前記結晶子の平均サイズに対する前記一次粒子の平均粒子径の比が１．５〜５である、
   ことを特徴とする非水電解質二次電池。
2. 請求項１に記載の非水電解質二次電池において、
   前記正極活物質粒子は、Ｌｉ_ｘＮｉ_ｙＭ_{（１−ｙ）}Ｏ_２（０．９５≦ｘ≦１．１０、０．６５≦ｙ≦１．０、Ｍは、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｙ、Ｍｏ、及びＷよりなる群から選択される少なくとも１種の元素である。）で表される化合物の粒子からなる、
   ことを特徴とする非水電解質二次電池。
3. 請求項１又は２に記載の非水電解質二次電池において、
   前記一次粒子の平均粒子径が、０．３〜１．０μｍであり、前記二次粒子の平均粒子径が、５〜１５μｍである、
   ことを特徴とする非水電解質二次電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池において、
   前記結晶子の平均サイズが、１５０ｎｍ〜３７０ｎｍである、
   ことを特徴とする非水電解質二次電池。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池において、
   前記負極活物質層は、負極活物質を含み、前記負極活物質は、炭素材料からなる、
   ことを特徴とする非水電解質二次電池。

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