JP2015076132A - 正極活物質、非水電解質電池及び電池パック - Google Patents

正極活物質、非水電解質電池及び電池パック Download PDF

Info

Publication number
JP2015076132A
JP2015076132A JP2013209526A JP2013209526A JP2015076132A JP 2015076132 A JP2015076132 A JP 2015076132A JP 2013209526 A JP2013209526 A JP 2013209526A JP 2013209526 A JP2013209526 A JP 2013209526A JP 2015076132 A JP2015076132 A JP 2015076132A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
positive electrode
active material
electrode active
lithium
limn
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2013209526A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6385665B2 (ja
Inventor
圭吾 保科
Keigo Hoshina
圭吾 保科
稲垣 浩貴
Hirotaka Inagaki
浩貴 稲垣
高見 則雄
Norio Takami
則雄 高見
聖志 金村
Kiyoshi Kanemura
聖志 金村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2013209526A priority Critical patent/JP6385665B2/ja
Priority to US14/505,968 priority patent/US20150099176A1/en
Publication of JP2015076132A publication Critical patent/JP2015076132A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6385665B2 publication Critical patent/JP6385665B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/366Composites as layered products
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/364Composites as mixtures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/5825Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/20Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/30Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)

Abstract


【課題】優れた充放電特性およびレート特性を有する正極活物質、非水電解質電池および電池パックを提供する。
【解決手段】 本発明の正極活物質は、LiMn1−xPO(Mは、Mg,Fe,Ni,Co,TiおよびZrから選ばれる少なくとも1種の元素、0≦x<0.5)と、前記LiMn1−xPOの重量に対し、Sを0.03重量%以上0.5重量%以下、かつNを0.03重量%以上0.4重量%以下含む。
【選択図】 図1

Description

本発明の実施形態は、正極活物質、非水電解質電池及び電池パックに関する。
リチウムイオンが負極と正極を移動することにより充放電が行われる非水電解質電池は、高エネルギー密度電池として、盛んに研究が進められている。
この非水電解質電池は、小型電子機器用電源としての利用に加え、中大型電源としての利用も期待される。そのような中大型用途では、寿命特性や高い安全性が要求される。
非水電解質電池の正極活物質は、一般にリチウム遷移金属複合酸化物が用いられており、遷移金属としてCo、Mn、Niなどが用いられている。近年、安価かつ安全性の高い正極材料としてスピネル型マンガン酸リチウムや、オリビン型リン酸鉄リチウム、オリビン型リン酸マンガンリチウムなどオリビン型化合物の研究が盛んとなっている。
オリビン型化合物は電子伝導性やリチウムイオン導電性が低いため、良好な充放電特性を得ることが困難であった。オリビン型化合物の充放電特性向上のための技術として、従来より、電子伝導性の向上させるための炭素被覆(特許文献1)あるいはリチウム拡散距離の低減、反応面積の増加のための小粒径化(特許文献2)などが検討されている。
特開2008−034306号公報 特開2008−184346号公報
実施形態は、優れた充放電特性を有する電池用活物質、非水電解質電池および電池パックを提供することを目的とする。
実施形態の正極活物質によれば、LiMn1−xPO(Mは、Mg,Fe,Ni,Co,TiおよびZrから選ばれる少なくとも1種の元素、0≦x<0.5)と、前記LiMn1−xPOの重量に対し、S(硫黄)を0.03重量%以上0.5重量%以下、かつN(窒素)を0.03重量%以上0.5重量%以下含む。
実施形態の非水電解質電池によれば、負極活物質を含む負極と、実施形態の正極活物質を含む正極と、非水電解質とを含む。
実施形態の電池パックによれば、実施形態の非水電解質電池を含む。
第2実施形態に係る非水電解質電池の断面図。 図2のA部の拡大断面図。 第2実施形態に係る他の非水電解質電池を模式的に示す部分切欠斜視図。 図3のB部の拡大断面図。 第3実施形態に係る電池パックの分解斜視図。 図5の電池パックの電気回路を示すブロック図。
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
第1実施形態によれば、LiMn1−xPO(Mは、Mg,Fe,Ni,Co,TiおよびZrから選ばれる少なくとも1種の元素、0≦x<0.5)と、前記LiMn1−xPOの重量に対し、Sを0.03重量%以上0.5重量%以下、かつNを0.03重量%以上0.4重量%以下含む正極活物質が提供される。
LiMn1−xPO(Mは、Mg,Fe,Ni,Co,TiおよびZrから選ばれる少なくとも1種の元素、0≦x<0.5)で表されるオリビン型リン酸マンガンリチウムは、熱安定性が良好であり、貴な可逆電位をもつため大きなエネルギー密度が期待できることから、安全性と高エネルギー密度の双方の特性を両立できる可能性のある材料である。しかしながら、電子伝導性やリチウムイオン導電性が低いため、良好な充放電特性を得ることが困難であった。従来のオリビン型化合物は電子伝導性やリチウムイオン導電性が低いため、良好な充放電特性を得るためのオリビン型化合物と炭素前駆体を混合する手法では、二次粒子内部まで炭素が被覆されにくいため、二次粒子内部まで十分に充放電反応が起こりにくいと考えられ、また、小粒径化する手法では、出発物質中のリチウム/遷移金属比率を30〜50倍にするリチウム過剰法であり、洗浄プロセス、原料コストなどの観点から好ましくない。
実施形態によれば、LiMn1−xPOにSを含むことにより、サイクル特性が向上する。これは、LiMn1−xPO表面に被膜を形成することに起因する。S量があまり少ないとサイクル特性の向上効果が得られない。逆にS量があまり多いとLiMn1−xPO表面への被膜形成量が多くなり抵抗が増加するため好ましくない。そのため、LiMn1−xPOの重量に対し、Sは0.03重量%以上0.5重量%以下とする。好ましいS量は0.04重量%以上0.3重量%以下であり、より好ましくは0.04重量%以上0.1重量%以下である。
さらに、実施形態によれば、LiMn1−xPOにNを含むことにより、レート特性が向上する。これは、LiMn1−xPOの粒子の成長が抑制されることに起因する。N量があまり少ないとレート特性向上効果が得られない。逆に、N量があまり多いとLiMn1−xPO粒子間の抵抗が増加するため好ましくない。そのため、LiMn1−xPOの重量に対し、Nを0.03重量%以上0.5重量とする。好ましいN量は0.05重量%以上0.35重量%以下であり、より好ましくは0.1重量%以上0.25重量%以下である。
実施形態の正極活物質は、一次粒子または前記一次粒子が凝集した二次粒子より選ばれるいずれか1種以上であり、一次粒子表面および二次粒子内部に電子伝導性向上のために炭素質材を含んでも良い。
この炭素質材は、SやNがLiMn1−xPO粒子表面および二次粒子内部に存在することにより、一次粒子表面および二次粒子内部により炭素質材が付着しやすくなる。
実施形態のLiMn1−xPOの比表面積は5m/g以上100m/g以下であることが好ましい。これは、正極活物質の反応面積を十分に確保し、レート特性を向上するためである。正極活物質の比表面積があまり小さいと反応面積を十分に確保できない。逆に比表面積が大きいと電極化が困難となるため好ましくない、そのため正極活物質の比表面積は5m/g以上100m/g以下であり、より好ましくは5m/g以上100m/g以上、さらに好ましくは10m/g以上、30m/g以下である。
実施形態のLiMn1−xPOの一次粒子の粒径は、リチウム拡散距離を短くするため500μm以下であることが好ましい。さらに好ましくは3μm以上15μm以下である。
また、その一次粒子が凝集した二次粒子の粒径は、高い電子伝導性を維持するために、20μm以下であることが好ましい。さらに好ましくは3μm以上15μm以下である。
実施形態の正極活物質は、LiMn1−a−bFeMgPO(0<a≦0.25、0<b≦0.15)であることが好ましい。これは、特に、優れた充放電サイクル性能およびレート特性が優れているためである。
本実施形態における正極活物質の一例について製造方法について以下に示す。
Li含有化合物とMn含有化合物とM含有化合物(M=Mg,Fe,Ni,Co,TiおよびZrから選ばれる少なくとも1種の元素)とP含有化合物とを、金属イオン濃度(Li、MnおよびM)が1.5mol/L以上50mol/L以下となるように水と混合し、耐圧容器に入れる。この際、得られる正極活物質の一次粒子表面および前記二次粒子内部に炭素質材を有する構成とするために、炭素(C)源としてC含有化合物を混合してもよい。さらに酸性物質やアルカリ性物質を用いて、得られる活物質の形状、結晶性等を制御のためにpH調整を行ってもよい。酸性物質としては硫酸溶液が好ましく、アルカリ性物質としてはアンモニア溶液が好ましい。
前記原料である各化合物の混合は不活性雰囲気下で行うことが好ましい。例えば、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気で行うことができる。この際、金属イオン濃度(Li、MnおよびM)があまり低いと得られる正極活物質の粒子が大きくなると共に生産性が低下するためであり、逆にあまり高いと微細な粒子ができやすくなり混合物の粘度が高くなり、反応が均一に進みにくくなる。このため、その金属イオン濃度は1.5mol/L以上50mol/L以下とすることが好ましい。より好ましくは3.0mol/L以上30mol/L以下であり、さらに好ましくは5mol/L以上10mol/L以下である。
混合の際には、のちの合成反応等での未反応物等の不純物を生成し難くするため、混合により得られる混合物は均一に混合することが好ましい。
原料であるLi含有化合物、Mn含有化合物およびM含有化合物に水和物を用いると、水和した結晶水を溶媒に用いることもできる。
ここで、Li含有化合物は、炭酸リチウム(LiCO)、水酸化リチウム(LiOH)、硫酸リチウム(LiSO)、硝酸リチウム(LiNO)、酢酸リチウム(LiCHCO)、塩化リチウム(LiCl)、リン酸リチウム(LiPO)、およびこれらLi含有化合物の水和物などを使用することができる。中でも硫酸リチウムが反応性に優れているため好ましい。
Mn含有化合物は、硫酸マンガン(MnSO)、酢酸マンガン(Mn(CHCO)、硝酸マンガン(Mn(NO)、塩化マンガン(MnCl)、およびこれらMn含有化合物の水和物などを使用することができる。中でも硫酸マンガンが反応性に優れているため好ましい。
M含有化合物は、Mを含む硫酸塩、酢酸塩、塩化塩、およびこれらの水和物を使用することができる。中でも硫酸塩が反応性に優れているため好ましい。
これら、Li含有化合物、Mn含有化合物、M含有化合物は、Sを含むものを用いることが好ましい。
P含有化合物は、リン酸リチウム(LiPO)、リン酸二水素アンモニウム(NHPO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、リン酸(HPO)などを用いることができる。中でも、Nを含むものを用いることが好ましい。
炭素源としてのC含有化合物は、C含有化合物は次に表される官能基(−COOA)(A=H,LiおよびNaから選ばれる少なくとも1種の元素)が含有される有機物が好ましい。例えば、サリチル酸、アセチルサリチル酸、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロースナトリウム、ナフタレンテトラカルボン酸、ナフタレンテトラカルボン酸リチウムなどが好ましい。そのほか、グルコース、マルトース、スクロース、セルロースなどの糖類や、ベンゼン環を含有する有機物を使用することができる。中でも、カルボキシメチルセルロースが一次粒子表面および二次粒子内部への炭素質材の付着量が過大にならず、炭素質材の付着による特性向上を図ることができ好ましい。
次に、耐圧容器に入れられた混合物を110℃以上240℃以下の温度で熱処理することにより合成し合成粉を得る。ここで、あまり熱処理温度が低いと未反応物等の不純物を生成しやすく、逆に熱処理温度が高いと合成粉が粒成長してしまいイオンの拡散距離が長くなりイオン伝導性が低下する。このため、合成時の熱処理温度は、110℃以上240℃以下であることが好ましい。より好ましくは120℃以上170℃以下であり、さらに好ましくは140℃以上160℃以下である。熱処理時間は、あまり短いと得られる合成粉の結晶中の欠陥が多くなりイオン伝導性が低下し好ましくなく、逆にあまりその時間が長いと粒成長してしまい同様にイオン伝導性が低下する。このため、熱処理時間は1時間以上10時間以下が好ましく、さらに好ましくは2時間以上5時間以下である。
本合成の基本的な工程は、一般に水熱法と称される方法である。
一般的な水熱法によるオリビン構造を有するリチウム遷移金属化合物の合成では、LiOHと、遷移金属硫酸化合物とHPOが用いられる。この際には、不純物生成を防ぐため、LiOHは過剰に混合する必要がある。一例として、遷移金属にMnを用いた場合の反応を示す。
3LiOH+MnSO+HPO
→ LiMnPO+LiSO+3H
上記反応では耐圧容器にLiSOが残る。この反応ではLiSOは出発原料として使用できないため、最終的には廃棄する必要がある。
これに対し、出発原料としてLi源,Mn源およびM源に硫酸化合物を用い、P源にアンモニウム化合物を用いると、以下の反応となる。
3/2LiSO+MnSO+(NHHPO
→ LiMnPO+LiSO+(NHSO+1/2HSO
上記反応では、合成後、耐圧容器に残った溶液にLi源,Mn源およびM源である各硫酸化合物とP源にアンモニウム化合物を添加することにより繰り返し合成することができ、反応後の生成物を再利用することが可能となり好ましい。
次に、得られた合成粉を洗浄・乾燥した後、400℃以上800℃以下の温度で熱処理を行うことで結晶性の向上を図り、C含有化合物を混合した場合には炭化を促進することにより、本実施形態のLiMn1−xPOを製造する。この熱処理は、不活性雰囲気下で熱処理を行うことが好ましい。不活性雰囲気下で熱処理を行うことにより、マンガンなど遷移金属の酸化を抑制することができる。例えば、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気で行うことができる。ここで、あまり熱処理温度が低いと結晶が形成されにくくイオン伝導性が低下し好ましくなく、逆に熱処理温度が高いと得られる粒子が過剰に粒成長してしまい同様にイオン伝導性が低下する。このため、熱処理温度は、400℃以上800℃以下であることが好ましい。より好ましくは500℃以上700℃以下であり、さらに好ましくは550℃以上650℃以下である。熱処理時間は、あまり短いと得られる合成粉の結晶性の向上を図れずイオン伝導性が低下し好ましくなく、逆にあまりその時間が長いと粒成長してしまい同様にイオン伝導性が低下する。このため、熱処理時間は0.5時間以上10時間以下が好ましく、さらに好ましくは1時間以上5時間以下である。
本実施形態のSを0.03重量%以上0.5重量%以下、かつNを0.03重量%以上0.5重量%以下含む正極活物質を得るためには、S量あるいはN量を適切に制御するために原料の量を制御する、あるいは各熱処理温度や時間を制御することで得ることが可能である。
本実施形態の一例として、LiMn0.75Fe0.25POの製造方法の一例を記す。
Li含有化合物として炭酸リチウム、Mn含有化合物として硫酸マンガン五水和物およびFe含有化合物として硫酸鉄七水和物を用いる。さらにC含有化合物としてカルボキシメチルセルロースを用いる。これらを原料として、窒素雰囲気中で純水に溶解混合する。原料中の金属のモル比は次の比率とする。
Li:Mn:Fe=3:0.75:0.25
LiMn0.75Fe0.25POを製造する際、リチウム欠損した不純物が生成されやすいため、化学量論比以上のLiを用いることが好ましい。出発原料中のLiと遷移金属のモル比Li/(Mn+M)は1以上であれば限定されるものではない。
次に、出発原料を溶解混合した溶液を耐圧容器に入れて密閉し、攪拌させながら200℃で3時間熱処理を施し合成する。本合成の際に不純物の生成を抑制するために、耐圧容器内を十分に攪拌させながら熱処理することが好ましい。
熱処理後、遠心分離により合成粉を抽出する。抽出後は合成粉の凝集を防ぐため凍結乾燥により乾燥し合成粉を回収する。
得られた合成粉をアルゴン雰囲気下において、700℃で1時間熱処理することにより正極活物質である目的物であるLiMn0.75Fe0.25POを得ることができる。
本実施形態のLiMn1−xPOにおけるMnとM元素の組成比は誘導結合プラズマ発光分光分析法(Inductively Coupled Plasma Atomic emission spectroscopy:ICP−AES)により測定できる。具体的には、二次電池から測定する場合には、ドラフト中で二次電池を分解し、正極を得る。得られた正極を削り取り試料とする。試料は硫酸、硝酸、過塩素酸、フッ化水素を用いて加熱分解した後、希硝酸に溶解して定容とする。この溶液を用いてICP−AES法によりMn,Mの定量を行う。Sについては高周波燃焼過熱−赤外線吸収法によって測定する。さらにNは不活性ガス融解−熱伝導度法によって測定する。
本実施形態によれば、二次電池に使用した場合に優れた充放電サイクル性能およびレート特性を有する電池用活物質を得ることができる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態に係る非水電解質電池を図1、図2を参照してより具体的に説明する。図1は、第2実施形態に係る非水電解質電池の断面図、図3は図2のA部の拡大断面図を示す。
扁平状の捲回型電極群1は、2枚の樹脂フィルムの間に金属層を介在したラミネートフィルムからなる外装部材2内に収納されている。扁平状の捲回型電極群1は、外側から負極3、セパレータ4、正極5、セパレータ4の順で積層した積層物を渦巻状に捲回し、プレス成型することにより形成される。最外層の負極3は、図2に示すように負極集電体3aの内面側の片面に負極活物質を含む負極層3bを形成した構成を有し、その他の負極3は、負極集電体3aの両面に負極層3bを形成して構成されている。正極5は、正極集電体5aの両面に正極層5bを形成して構成されている。
捲回型電極群1の外周端近傍において、負極端子6は最外層の負極3の負極集電体3aに接続され、正極端子7は内側の正極5の正極集電体5aに接続されている。これらの負極端子6および正極端子7は、外装部材2の開口部から外部に延出されている。例えば液状非水電解質は、外装部材2の開口部から注入されている。外装部材2の開口部を負極端子6および正極端子7を挟んでヒートシールすることにより捲回型電極群1および液状非水電解質を完全密封している。
第2実施形態に係る他の非水電解質電池は、前述した図1および図2に示す構成のものに限らず、例えば図3および図4に示す構成にすることができる。図3は、第2実施形態に係る別の扁平型非水電解質電池を模式的に示す部分切欠斜視図で、図4は図3のB部の拡大断面図である。
積層型電極群11は、2枚の樹脂フィルムの間に金属層を介在したラミネートフィルムからなる外装部材12内に収納されている。積層型電極群11は、図4に示すように正極13と負極14とをその間にセパレータ15を介在させながら交互に積層した構造を有する。正極13は複数枚存在し、それぞれが集電体13aと、集電体13aの両面に担持された正極層13bとを備える。負極14は複数枚存在し、それぞれが集電体14aと、集電体14aの両面に担持された負極層14bとを備える。各負極14の集電体14aは、一辺が正極13から突出している。突出した集電体14aは、帯状の負極端子16に電気的に接続されている。帯状の負極端子16の先端は、外装部材12から外部に引き出されている。また、図示しないが、正極13の集電体13aは、集電体14aの突出辺と反対側に位置する辺が負極14から突出している。負極14から突出した集電体13aは、帯状の正極端子17に電気的に接続されている。帯状の正極端子17の先端は、負極端子16とは反対側に位置し、外装部材12の辺から外部に引き出されている。
以下、本実施形態の非水電解質電池に用いられる負極、正極、非水電解質、セパレータ、外装部材、正極端子、負極端子について詳細に説明する。
(負極)
この負極は、負極集電体と、集電体の片面もしくは両面に担持され、活物質、導電剤および結着剤を含む負極材料層とを有する。
負極活物質は、リチウムチタン酸化物を含む。リチウムチタン酸化物には、Li4/3+xTi5/3(0≦x≦1)で表されるスピネル構造リチウムチタン酸化物、LiTiO(0≦x≦1)で表されるブロンズ構造(B)又はアナターゼ構造のチタン酸化物(充電前の組成はTiO)、LiNbTiO(0≦x、より好ましい範囲は0≦x≦1、1≦a≦4)で表されるニオブチタン酸化物、ラムスデライド構造のLi2+xTi(0≦x≦1)、Li1+xTi(0≦x≦1)、Li1.1+xTi1.8(0≦x≦1)、Li1.07+xTi1.86(0≦x≦1)などが含まれる。LiTiOで表されるチタン酸化物は、アナターゼ構造のTiO、ブロンズ構造のTiO(B)が好ましく、熱処理温度が300〜600℃の低結晶性のものも好ましい。他には、リチウムチタン酸化物のTiの一部がNb、Mo,W,P、V、Sn、Cu、Ni及びFeよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素で置換されたものも用いることができる。
負極活物質の一次粒子の平均粒径を0.001μm以上1μm以下の範囲にするのが好ましい。また、粒子形状は、粒状、繊維状のいずれの形態でも良好な性能が得られる。繊維状の場合は、繊維径が0.1μm以下であることが好ましい。
負極活物質は、その平均粒径が1μm以下で、かつN2吸着によるBET法での比表面積が3〜200m/gの範囲であることが望ましい。これにより、負極の非水電解質との親和性をさらに高くすることができる。
負極材料層(集電体を除く)のBET法による比表面積は、3m/g以上50m/g以下にすることができる。比表面積のより好ましい範囲は、5m/g以上50m/g以下である。
負極の多孔度(集電体を除く)は、20〜50%の範囲にすることが望ましい。これにより、負極と非水電解質との親和性に優れ、かつ高密度な負極を得ることができる。多孔度のさらに好ましい範囲は、25〜40%である。
負極集電体は、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔であることが望ましい。
アルミニウム箔およびアルミニウム合金箔の厚さは、20μm以下、より好ましくは15μm以下である。アルミニウム箔の純度は99.99質量%以上が好ましい。アルミニウム合金としては、マグネシウム、亜鉛、ケイ素などの元素を含む合金が好ましい。一方、鉄、銅、ニッケル、クロムなどの遷移金属は100質量ppm以下にすることが好ましい。
導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、コークス、炭素繊維、黒鉛、金属化合物粉末、金属粉末等を1種もしくは混合して用いることができる。より好ましくは、熱処理温度が800℃〜2000℃の平均粒子径10μm以下のコークス、黒鉛、アセチレンブラック、TiO、TiC、TiN、Al,Ni,Cu、Feなど金属粉末が挙げられる。
結着剤としては、例えば、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)、フッ素系ゴム、アクリル系ゴム、スチレンブタジェンゴム、コアシェルバインダーなどが挙げられる。
負極の活物質、導電剤及び結着剤の配合比は、負極活物質80〜95質量%、導電剤1〜18質量%、結着剤2〜7質量%の範囲にすることが好ましい。
負極は、例えば次の方法により作製することができる。まず、負極活物質、導電剤及び結着剤を溶媒に懸濁してスラリーを調製する。このスラリーを、負極集電体の片面又は両面に塗布し、乾燥して、負極活物質層を形成する。その後、プレスを施す。或いは、負極活物質、導電剤及び結着剤をペレット状に形成し、負極活物質層として用いることもできる。
(正極)
正極は、集電体と、この集電体の片面または両面に形成され、活物質、導電剤および結着剤を含む正極活物質含有層(正極材料層)とを備える。
本実施形態における非水電解質電池は、正極活物質として上記第1実施形態に係る正極活物質を用いる。その他、種々の酸化物を含んでもよい。
酸化物は、例えばリチウムを吸蔵した二酸化マンガン(MnO)、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケルおよびリチウムマンガン複合酸化物(例えばLiMnまたはLiMnO)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLiNiO)、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLiNi1−yCo)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLiMnCo1−y)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(LiMn2−yNi)、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(例えばLiFePO、LiFe1−yMnPO、LiCoPO)、硫酸鉄(例えばFe(SO)、またはバナジウム酸化物(例えばV)を用いることができる。ここで、x、yは0<x≦1、0≦y≦1であることが好ましい。
ポリマーは、例えばポリアニリンやポリピロールのような導電性ポリマー材料、またはジスルフィド系ポリマー材料を用いることができる。イオウ(S)、フッ化カーボンもまた活物質として使用できる。
好ましい活物質は、正極電圧が高いリチウムマンガン複合酸化物(例えばLiMn)、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLiNiO)、リチウムコバルト複合酸化物(例えばLiCoO)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えばLiNi1−yCo)、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えばLiMn2−yNi)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えばLiMnCo1−y)、またはリチウムリン酸鉄(例えばLiFePO)が挙げられる。ここで、x、yは0<x≦1、0≦y≦1であることが好ましい。
さらに好ましい活物質は、リチウムコバルト複合酸化物またはリチウムマンガン複合酸化物である。これらの活物質は、イオン伝導性が高いため、第1の実施形態に係る活物質からなる負極活物質との組み合わせにおいて、正極活物質中のリチウムイオンの拡散が律速段階になり難い。このため、前記活物質は第1の実施形態に係る活物質からなる負極活物質との適合性に優れる。
導電剤は、活物質の集電性能を高め、集電体との接触抵抗を抑える。導電剤の例は、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などの炭素質物を含む。
結着剤は、活物質と導電剤を結着させる。結着剤の例は、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)、フッ素系ゴムを含む。
正極活物質含有層中の活物質、導電剤および結着剤は、それぞれ80質量%以上95質量%以下、3質量%以上18質量%以下および2質量%以上17質量%以下の割合で配合することが好ましい。導電剤は、3質量%以上の量にすることにより上述した効果を発揮することができる。導電剤は、18質量%以下の量にすることにより高温保存下での導電剤表面での非水電解質の分解を低減することができる。結着剤は、2質量%以上の量にすることにより十分な正極強度が得られる。結着剤は、17質量%以下の量にすることにより、正極中の絶縁材料である結着剤の配合量を減少させ、内部抵抗を減少できる。
集電体は、例えばアルミニウム箔、またはMg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、Siのような元素を含むアルミニウム合金箔であることが好ましい。
正極は、例えば活物質、導電剤および結着剤を汎用されている溶媒に懸濁してスラリーを調製し、このスラリーを集電体に塗布し、乾燥し、その後、プレスを施すことにより作製される。正極はまた活物質、導電剤および結着剤をペレット状に形成して正極活物質含有層とし、これを集電体上に形成することにより作製されてもよい。
(非水電解質)
非水電解質は、例えば電解質を有機溶媒に溶解することにより調製される液状非水電解質、または液状電解質と高分子材料を複合化したゲル状非水電解質が挙げられる。
液状非水電解質は、電解質を0.5M以上2.5M以下の濃度で有機溶媒に溶解することが好ましい。
電解質の例は、過塩素酸リチウム(LiClO)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCFSO)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CFSO]のリチウム塩、またはこれらの混合物を含む。電解質は、高電位でも酸化し難いものであることが好ましく、LiPFが最も好ましい。
有機溶媒の例は、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ビニレンカーボネートのような環状カーボネート;ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)のような鎖状カーボネート;テトラヒドロフラン(THF)、2メチルテトラヒドロフラン(2MeTHF)、ジオキソラン(DOX)のような環状エーテル;ジメトキシエタン(DME)、ジエトキシエタン(DEE)のような鎖状エーテル;またはγ−ブチロラクトン(GBL)、アセトニトリル(AN)、スルホラン(SL)を含む。これらの有機溶媒は、単独または混合溶媒の形態で用いることができる。
高分子材料の例は、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリエチレンオキサイド(PEO)を含む。
好ましい有機溶媒は、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)およびジエチルカーボネート(DEC)からなる群のうち、少なくとも2つ以上を混合した混合溶媒、またはγ−ブチロラクトン(GBL)を含む混合溶媒である。
(セパレータ)
セパレータは、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、もしくはポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、または合成樹脂製不織布が挙げられる。好ましい多孔質フィルムは、ポリエチレンまたはポリプロピレンから作られ、一定温度において溶融し、電流を遮断することが可能であるために安全性を向上できる。
(外装部材)
外装部材は、厚さ0.5mm以下のラミネートフィルムから形成される。また、外装部材は厚さ1.0mm以下の金属製容器が用いられる。金属製容器は、厚さ0.5mm以下であることがより好ましい。
外装部材の形状は、扁平型(薄型)、角型、円筒型、コイン型、ボタン型等が挙げられる。外装部材は、電池寸法に応じて、例えば携帯用電子機器等に積載される小型電池用外装部材、二輪乃至四輪の自動車等に積載される大型電池用外装部材が挙げられる。
ラミネートフィルムは、樹脂層間に金属層を介在した多層フィルムが用いられる。金属層は、軽量化のためにアルミニウム箔若しくはアルミニウム合金箔が好ましい。樹脂層は、例えばポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の高分子材料を用いることができる。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行って外装部材の形状に成形することができる。
金属製容器は、アルミニウムまたはアルミニウム合金等から作られる。アルミニウム合金は、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金が好ましい。合金中に鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属が含まれる場合、その量は100質量ppm以下にすることが好ましい。
(正極端子)
正極端子は、リチウムイオン金属に対する電位が3.0V以上4.5V以下の範囲において電気的に安定であり、且つ導電性を有する材料から形成される。アルミニウム、或いは、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu及びSiのような元素を含むアルミニウム合金から形成されることが好ましい。正極端子は、正極集電体との接触抵抗を低減するために、正極集電体と同様の材料から形成されることが好ましい。
(負極端子)
負極端子は、リチウムイオン金属に対する電位が1.0V以上3.0V以下の範囲において電気的に安定であり、かつ導電性を有する材料から形成される。アルミニウム、又は、Mg,Ti,Zn,Mn,Fe,Cu,Siのような元素を含むアルミニウム合金から形成されることが好ましい。負極端子は、負極集電体との接触抵抗を低減するために、負極集電体と同様の材料から形成されることが好ましい。
上記の実施形態によれば、入出力特性が向上された非水電解質電池を提供することができる。
(第3実施形態)
第3の実施形態に係る電池パックは、前述した第2の実施形態の非水電解質電池(単電池)を1個または複数有する。複数の単電池を備える場合、各単電池は電気的に直列もしくは並列に接続されている。
このような電池パックを図5および図6を参照して詳細に説明する。単電池には、図1および図3に示す非水電解質電池を使用することができる。
例えば、前述した図1に示す非水電解質電池から構成される複数の単電池21は、外部に延出した負極端子6および正極端子7が同じ向きに揃えられるように積層され、粘着テープ22で締結することにより組電池23を構成している。これらの単電池21は、図6に示すように互いに電気的に直列に接続されている。
プリント配線基板24は、負極端子6および正極端子7が延出する単電池21側面と対向して配置されている。プリント配線基板24には、図6に示すようにサーミスタ25、保護回路26および外部機器への通電用端子27が搭載されている。なお、組電池23と対向する保護回路基板24の面には組電池23の配線と不要な接続を回避するために絶縁板(図示せず)が取り付けられている。
正極側リード28は、組電池23の最下層に位置する正極端子7に接続され、その先端はプリント配線基板24の正極側コネクタ29に挿入されて電気的に接続されている。負極側リード30は、組電池23の最上層に位置する負極端子6に接続され、その先端はプリント配線基板24の負極側コネクタ31に挿入されて電気的に接続されている。これらのコネクタ29,31は、プリント配線基板24に形成された配線32,33を通して保護回路26に接続されている。
サーミスタ25は、単電池21の温度を検出し、その検出信号は保護回路26に送信される。保護回路26は、所定の条件で保護回路26と外部機器への通電用端子27との間のプラス側配線34aおよびマイナス側配線34bを遮断できる。所定の条件とは、例えばサーミスタ25の検出温度が所定温度以上になったときである。また、所定の条件とは単電池21の過充電、過放電、過電流等を検出したときである。この過充電等の検出は、個々の単電池21もしくは単電池21全体について行われる。個々の単電池21を検出する場合、電池電圧を検出してもよいし、正極電位もしくは負極電位を検出してもよい。後者の場合、個々の単電池21中に参照極として用いるリチウム電極が挿入される。図5および図6の場合、単電池21それぞれに電圧検出のための配線35を接続し、これら配線35を通して検出信号が保護回路26に送信される。
正極端子7および負極端子6が突出する側面を除く組電池23の三側面には、ゴムもしくは樹脂からなる保護シート36がそれぞれ配置されている。
組電池23は、各保護シート36およびプリント配線基板24と共に収納容器37内に収納される。すなわち、収納容器37の長辺方向の両方の内側面と短辺方向の内側面それぞれに保護シート36が配置され、短辺方向の反対側の内側面にプリント配線基板24が配置される。組電池23は、保護シート36およびプリント配線基板24で囲まれた空間内に位置する。蓋38は、収納容器37の上面に取り付けられている。
なお、組電池23の固定には粘着テープ22に代えて、熱収縮テープを用いてもよい。この場合、組電池の両側面に保護シートを配置し、熱収縮チューブを周回させた後、熱収縮チューブを熱収縮させて組電池を結束させる。
図5および図6では単電池21を直列接続した形態を示したが、電池容量を増大させるためには並列に接続してもよい。組み上がった電池パックを直列、並列に接続することもできる。
また、電池パックの態様は用途により適宜変更される。電池パックの用途としては、大電流特性でのサイクル特性が望まれるものが好ましい。具体的には、デジタルカメラの電源用や、二輪乃至四輪のハイブリッド電気自動車、二輪乃至四輪の電気自動車、アシスト自転車等の車載用が挙げられる。特に、車載用が好適である。
プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)およびジエチルカーボネート(DEC)からなる群のうち、少なくとも2つ以上を混合した混合溶媒、またはγ−ブチロラクトン(GBL)を含む非水電解質を用いることによって、高温特性の優れた非水電解質電池を得ることができる。このような非水電解質電池を複数有する組電池を備えた電池パックは、特に車載用に好適である。
第3の実施形態によれば、第2の実施形態に係る非水電解質電池を含むため、初期容量、大電流性能及び寿命性能に優れた電池パックを実現することができる。
以下、本実施形態の実施例を説明する。なお、本発明の主旨を超えない限り、以下に記載される実施例に限定されるものでない。
(実施例1)
硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、硫酸鉄七水和物(FeSO・7HO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを窒素雰囲気中で純水に溶解させた。このとき、溶解させた金属のモル比を次の比率とした。
Li:Mn:Fe=3:0.75:0.25
上記出発物質を溶解させた溶液を耐圧容器に入れて密閉し、攪拌させながら200℃で3時間熱処理を施した。熱処理後、遠心分離によりサンプルを抽出し、サンプル粉末の凝集を防ぐため凍結乾燥によりサンプルを回収した。
回収したサンプルを遊星ボールミル装置にてエタノール中で5時間粉砕した後、アルゴン雰囲気下において、700℃で1時間熱処理を施すことにより表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.75Fe0.25POの正極活物質を得た。
<評価用セルの作製>
乾燥アルゴン中で、LiMn0.75Fe0.25POを含む正極と対極であるLi金属とをグラスフィルター(セパレータ)を介して対向させ、正極と対極のLi金属とに触れぬようにリチウム金属を参照極として挿入する。これらの部材を3極式ガラスセルに入れ、正極、対極、参照極の夫々をガラスセルの端子に接続し、電解液を注ぎ、セパレータと電極に充分に電解液が含浸された状態で、ガラス容器を密閉する。なお、電解液には、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)が体積比率1:2で混合された混合溶媒に電解質としてのLiPFを1.0mol/L溶解させたものを使用した。
<充放電試験>
作製した評価用セルを用い25℃環境において充放電試験を行った。サイクル試験は25℃で行い、充電は定電流定電圧モードで行い、充電レートは0.1C、充電電位は4.5V vs. Li/Li+、充電終止条件は20時間もしくは0.01Cカットとした。放電は定電流モードで行い、放電レートは0.1C、放電終止条件は2.0V vs. Li/Li+とした。
レート試験は25℃で行い、充電条件はサイクル試験と同様の条件で行い、放電は放電レートを0.1Cと3Cとし、放電終止条件は2.0V vs. Li/Li+とした。
得られた結果を表1に示す。
(実施例2)
原料に硫酸リチウム(LiSO)と水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)をモル比1:1として使用し、硝酸マンガン六水和物(Mn(NO・6HO)、塩化鉄四水和物(FeCl・4HO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用いること以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.75Fe0.25POの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例3)
原料に硫酸リチウム(LiSO)と硝酸リチウム(LiNO)をモル比1:1として使用し、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、硫酸鉄七水和物(FeSO・7HO)、リン酸(HPO)カルボキシメチルセルロースナトリウムを用いること以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.75Fe0.25POの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例4)
原料に硫酸リチウム(LiSO)と硝酸リチウム(LiNO)をモル比1:1として使用し、酢酸マンガン四水和物(Mn(CHCO・4HO)、塩化鉄四水和物(FeCl・4HO)、リン酸(HPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用いること以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.75Fe0.25POの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例5)
原料に硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、硫酸鉄七水和物(FeSO・7HO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用い、目的物をLiMn0.75Fe0.25POとし、アルゴン雰囲気下での熱処理を600℃とした以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.75Fe0.25POの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例6)
遊星ボールミル装置における粉砕時間を1時間とした以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.75Fe0.25POの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例7)
遊星ボールミル装置における粉砕時間を10時間とした以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.75Fe0.25POの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例8)
目的物をLiMn0.9Fe0.1POとした以外は実施例1と同様とし表1に示すS量およびN量を有する正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例9)
原料に硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、硫酸マグネシウム(MgSO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用いたこと以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.9Mg0.1POの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例10)
原料に硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、硫酸ニッケル六水和物(NiSO・6HO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用いたこと以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.9Ni0.1POの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例11)
原料に硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、硫酸コバルト七水和物(CoSO・7HO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用いたこと以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.9Co0.1POの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例12)
原料に硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、チタニウムテトラプロポキシド(Ti(CO))、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用いたこと以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.9Ti0.1POの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例13)
原料に硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、ジルコニウムブトキシド(Zr(CO))、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用いたこと以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.9Zr0.1POの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例14)
原料に硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、硫酸鉄七水和物(FeSO・7HO)、硫酸マグネシウム(MgSO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用い、溶解させた金属のモル比を次の比率としたこと以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.55Fe0.4Mg0.05POの正極活物質を得た。
Li:Mn:Fe:Mg=3:0.55:0.4:0.05
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例15)
原料に硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、硫酸鉄七水和物(FeSO・7HO)、硫酸マグネシウム(MgSO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用い、溶解させた金属のモル比を次の比率としたこと以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.6Fe0.35Mg0.05POの正極活物質を得た。
Li:Mn:Fe:Mg =3:0.6:0.35:0.05
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例16)
原料に硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、硫酸鉄七水和物(FeSO・7HO)、硫酸マグネシウム(MgSO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用い、溶解させた金属のモル比を次の比率としたこと以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.7Fe0.2Mg0.1POの正極活物質を得た。
Li:Mn:Fe:Mg =3:0.7:0.2:0.1
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例17)
原料に硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、硫酸鉄七水和物(FeSO・7HO)、硫酸マグネシウム(MgSO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用い、溶解させた金属のモル比を次の比率としたこと以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.8Fe0.1Mg0.1POの正極活物質を得た。
Li:Mn:Fe:Mg =3:0.8:0.1:0.1
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例18)
原料に硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、硫酸鉄七水和物(FeSO・7HO)、硫酸マグネシウム(MgSO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用い、溶解させた金属のモル比を次の比率としたこと以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMn0.9Fe0.05Mg0.05POの正極活物質を得た。
Li:Mn:Fe:Mg =3:0.9:0.05:0.05
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(実施例19)
原料に硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用い、溶解させた金属のモル比を次の比率としたこと以外は実施例1と同様とし、表1に示すS量およびN量を有するLiMnPOの正極活物質を得た。
Li:Mn =3:1
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表1に示す。
(比較例1)
原料に水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)、硝酸マンガン六水和物(Mn(NO・6HO)、塩化鉄四水和物(FeCl・4HO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用いたこと以外は実施例1と同様とし、表2に示すS量およびN量を有するLiMn0.75Fe0.25POとの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表2に示す。
(比較例2)
原料に硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、硫酸鉄七水和物(FeSO・7HO)、リン酸(HPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用いたこと以外は実施例1と同様とし、表2に示すS量およびN量を有するLiMn0.75Fe0.25POとの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表2に示す。
(比較例3)
原料に硫酸リチウム(LiSO)、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)、硫酸鉄七水和物(FeSO・7HO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用い、窒素雰囲気下での熱処理を600℃で1時間とした以外は実施例1と同様とし、表2に示すS量およびN量を有するLiMn0.75Fe0.25POの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表2に示す。
(比較例4)
原料にリン酸リチウム(LiPO)、酢酸マンガン四水和物(Mn(CHCOO)2・O)、塩化鉄四水和物(FeCl・4HO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用いたこと以外は実施例1と同様とし、表2に示すS量およびN量を有するLiMn0.75Fe0.25POの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表2に示す。
(比較例5)
原料に水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)、酢酸マンガン四水和物(Mn(CHCOO)・4H2O)、塩化鉄四水和物(FeCl・4HO)、酢酸マグネシウム四水和物(Mg(CHCOO)・4HO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用い、溶解させた金属のモル比を次の比率としたこと以外は実施例1と同様とし、表2に示すS量およびN量を有するLiMn0.7Fe0.2Mg0.1POの正極活物質を得た。
Li:Mn:Fe:Mg =3:0.7:0.2:0.1
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表2に示す。
(比較例6)
目的物を表2に示すS量およびN量を有するLiMn0.8Fe0.1Mg0.1POし、溶解させた金属のモル比を次の比率とした以外は比較例5と同じとし正極活物質を得た。
Li:Mn:Fe:Mg =3:0.8:0.1:0.1
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表2に示す。
(比較例7)
原料に水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)、酢酸マンガン四水和物(Mn(CHCOO)・4HO)、酢酸マグネシウム四水和物(Mg(CHCOO)・4HO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用いたこと以外は実施例1と同様とし、表2に示すS量およびN量を有するLiMn0.9Mg0.1POの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表2に示す。
(比較例8)
原料に水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)、酢酸マンガン四水和物(Mn(CH3COO)・4HO)、リン酸水素二アンモニウム((NHHPO)、カルボキシメチルセルロースナトリウムを用いたこと以外は実施例1と同様とし、表2に示すS量およびN量を有するLiMnPOの正極活物質を得た。
得られた正極活物質を用いて、実施例1と同様に評価用セルを作製し、充放電試験を行った。得られた結果を表2に示す。
Figure 2015076132
Figure 2015076132
表1に示す実施例1〜19、および表2に示す比較例1〜9から、本発明の正極活物質は、容量維持率およびレート特性が良好であり、優れた充放電特性を有している。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1 … 捲回型電極群、 2,12 … 外装部材、
3,14 … 負極、 4,15 … セパレータ、
5,13 … 正極、 6,16… 負極端子、
7,17 … 正極端子、 11 … 積層型電極群、
21 … 単電池、 23 … 組電池
24 … プリント配線基板、 25 … サーミスタ、
26 … 保護回路、 27 … 通電用端子、
37 … 収納容器

Claims (8)

  1. LiMn1−xPO(Mは、Mg,Fe,Ni,Co,TiおよびZrから選ばれる少なくとも1種の元素、0≦x<0.5)と、前記LiMn1−xPOの重量に対し、Sを0.03重量%以上0.5重量%以下、かつNを0.03重量%以上0.5重量%以下含む正極活物質。
  2. 前記正極活物質は、一次粒子または前記一次粒子が凝集した二次粒子より選ばれるいずれか1種以上であり、前記一次粒子表面および前記二次粒子内部に炭素質材を有する請求項1に記載の正極活物質。
  3. 前記一次粒子表面および前記二次粒子内部に、前記Sおよび前記Nが存在する請求項1または2に記載の正極活物質。
  4. 前記正極活物質の比表面積は5m/g以上100m/g以下である請求項1乃至3のいずれか1項に記載の正極活物質。
  5. 前記正極活物質は、LiMn1−a−bFeMgPO(0<a≦0.25、0<b≦0.15)である請求項1乃至4いずれか1項に記載の正極活物質。
  6. 負極活物質を含む負極と、
    請求項1乃至5いずれか1項記載の正極活物質を含む正極と、
    非水電解質と
    を含む非水電解質電池。
  7. 前記負極活物質は、スピネル構造を有するチタン酸リチウムを含む請求項6に記載の非水電解質電池。
  8. 請求項7記載の非水電解質電池を含む電池パック。
JP2013209526A 2013-10-04 2013-10-04 非水電解質二次電池用正極活物質、非水電解質二次電池、電池パック及び車 Active JP6385665B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013209526A JP6385665B2 (ja) 2013-10-04 2013-10-04 非水電解質二次電池用正極活物質、非水電解質二次電池、電池パック及び車
US14/505,968 US20150099176A1 (en) 2013-10-04 2014-10-03 Positive electrode active material, nonaqueous electrolyte battery, and battery pack

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013209526A JP6385665B2 (ja) 2013-10-04 2013-10-04 非水電解質二次電池用正極活物質、非水電解質二次電池、電池パック及び車

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015076132A true JP2015076132A (ja) 2015-04-20
JP6385665B2 JP6385665B2 (ja) 2018-09-05

Family

ID=52777198

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013209526A Active JP6385665B2 (ja) 2013-10-04 2013-10-04 非水電解質二次電池用正極活物質、非水電解質二次電池、電池パック及び車

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20150099176A1 (ja)
JP (1) JP6385665B2 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2017111133A1 (ja) * 2015-12-25 2018-09-20 富士フイルム株式会社 全固体二次電池、全固体二次電池用粒子、全固体二次電池用固体電解質組成物および全固体二次電池用電極シートならびにこれらの製造方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114335476B (zh) * 2021-12-31 2023-08-11 蜂巢能源科技股份有限公司 一种负极材料的制备方法及其应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003187799A (ja) * 2001-12-21 2003-07-04 Sanyo Electric Co Ltd 非水電解質電池
WO2010082402A1 (ja) * 2009-01-15 2010-07-22 株式会社Gsユアサ リチウム二次電池用正極活物質及びリチウム二次電池

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4999292B2 (ja) * 2004-07-21 2012-08-15 三洋電機株式会社 非水電解質電池
US20080014507A1 (en) * 2006-07-17 2008-01-17 Kejha Joseph B High power high energy lithium-ion cell
JP5541560B2 (ja) * 2008-10-03 2014-07-09 株式会社Gsユアサ 正極材料、正極材料の製造方法、及び該製造方法で製造された正極材料が備えられている非水電解質二次電池
DE102010006083B4 (de) * 2010-01-28 2014-12-11 Süd-Chemie Ip Gmbh & Co. Kg Substituiertes Lithium-Mangan-Metallphosphat
DE102010006082A1 (de) * 2010-01-28 2011-08-18 Süd-Chemie AG, 80333 Leitmittelzusatzfreie Elektrode für eine Sekundärlithiumionenbatterie

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003187799A (ja) * 2001-12-21 2003-07-04 Sanyo Electric Co Ltd 非水電解質電池
WO2010082402A1 (ja) * 2009-01-15 2010-07-22 株式会社Gsユアサ リチウム二次電池用正極活物質及びリチウム二次電池

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2017111133A1 (ja) * 2015-12-25 2018-09-20 富士フイルム株式会社 全固体二次電池、全固体二次電池用粒子、全固体二次電池用固体電解質組成物および全固体二次電池用電極シートならびにこれらの製造方法
US10797354B2 (en) 2015-12-25 2020-10-06 Fujifilm Corporation All-solid state secondary battery, particles for all-solid state secondary battery, solid electrolyte composition for all-solid state secondary battery, and electrode sheet for all-solid state secondary battery, and methods for manufacturing same

Also Published As

Publication number Publication date
US20150099176A1 (en) 2015-04-09
JP6385665B2 (ja) 2018-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6407515B2 (ja) 正極活物質、非水電解質二次電池、電池パック及び車
JP5230713B2 (ja) 電池用活物質、非水電解質電池及び電池パック
JP6320809B2 (ja) 正極活物質、非水電解質電池および電池パック
JP5121614B2 (ja) 電池用活物質、非水電解質電池および電池パック
JP5341837B2 (ja) 正極、非水電解質電池及び電池パック
US10224542B2 (en) Active material, nonaqueous electrolyte battery, battery module, battery pack, automobile and vehicle
CN106953067B (zh) 电极、非水电解质电池、电池包及车辆
US9735417B2 (en) Method of manufacturing active material
JP6416214B2 (ja) 非水電解質二次電池用活物質、非水電解質二次電池用電極、非水電解質二次電池、電池パックおよび非水電解質二次電池用活物質の製造方法
JP2009043679A (ja) 電池用活物質、電池用活物質の製造方法、非水電解質電池および電池パック
KR101753977B1 (ko) 전지용 활물질, 비수 전해질 전지 및 전지 팩
JP6096985B1 (ja) 非水電解質電池及び電池パック
US10096828B2 (en) Active material, nonaqueous electrolyte battery, battery module, battery pack, automobile and vehicle
JP5694411B2 (ja) 電池用負極、非水電解質電池及び電池パック
JP4966347B2 (ja) 負極活物質、非水電解質電池及び電池パック
JP2014029849A (ja) 非水電解質二次電池及びその製造方法
JP5586549B2 (ja) 電池用活物質、非水電解質電池および電池パック
JP6385665B2 (ja) 非水電解質二次電池用正極活物質、非水電解質二次電池、電池パック及び車
JP5646661B2 (ja) 正極、非水電解質電池及び電池パック
WO2015040753A1 (ja) 正極活物質、非水電解質電池及び電池パック
JP5833176B2 (ja) 非水電解質電池及び電池パック
JP5567056B2 (ja) 非水電解質電池及び電池パック

Legal Events

Date Code Title Description
RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20150129

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20150129

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160831

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170530

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170531

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20170728

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170920

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20180130

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20180426

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20180508

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180710

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180808

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6385665

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151