JP2015128023A - リチウムイオン電池用の正極活物質およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
先ず、非特許文献1に示される正極活物質では、二次電池としての十分なエネルギー密度が得られていない。非特許文献1において実測されたデータによれば、実容量が3.2Vにおいて190mAh/gと示されていることから、エネルギー密度は608mAh/gにとどまっている。また、特許文献1に示される正極活物質では、充放電試験において、電圧値が2.0V付近で正極活物質が分解したことが確認されている。
例えば、金属酸化物の酸化を防ぐため、乾式下で(例えば、相対湿度10%以下)ボールミルを用いることが好ましく、そのうち特に、原料を充分に粉砕・混合することができる点から遊星型ボールミルを用いることが好ましい。この他にも、固形物質の粉砕・混合の目的で従来から用いられている各種の手段が適用可能であり、例えば、振動ミル、ターボミル、ディスクミル等を挙げることができる。
なお、これら金属Mの酸化物は、1種類のみならず複数種類を混合して用いることもできる。
第1段階では、炭素源として、アセチレンブラック、グラファイトまたは、カーボンナノチューブなどを使用することができ、このうち特に、取り扱いの容易性などからアセチレンブラックを用いることが好ましい。第2段階では、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、サーマルブラック等を使用することができるが、電極として使用する際の導電性の高さからアセチレンブラックが好適である。(例えば、後述の実施例参照)
非水系リチウムイオン二次電池10は、正極活物質層2および正極集電体4を備える正極6と負極活物質層3および負極集電体5を備える負極7と、正極6と負極7に挟持される電解質層1を備える。
集電体としては、アルミニウム、チタン、ニッケル、ステンレス、銅等の導電体が用いられる。集電体の形状は、箔状、網状および多孔体状等が挙げられる。これらのなかでも、二次電池の正極作動電位において安定であり、薄膜に加工し易く、安価であるという点から、アルミニウム箔が好ましい。
バインダーとしては、熱可塑性樹脂が用いられ、具体的には、ポリフッ化ビニリデン(以下、「PVDF」と言うことがある。)、ポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」と言うことがある。)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体および四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル系共重合体等のフッ素樹脂;ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂等が挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は、1種または2種以上が組み合わされて用いられる。
非水系リチウムイオン二次電池用正極は、集電体に、活物質、導電材およびバインダーを含む正極合材を担持(積層)することによって製造される。
集電体に、正極合材を担持する方法としては、(1)正極合材を加圧成形する方法、(2)有機溶媒等と正極合材を混合して、正極合材のペーストを調製し、そのペーストを、集電体に塗工し、さらに、集電体に塗工したペーストを乾燥した後、プレスする等して固着する方法が挙げられる。
負極電極は、一般に、集電体に、活物質、導電材およびバインダーを含む負極合材を担持(積層)することによって製造される。
集電体に、負極合材を担持する方法としては、(1)負極合材を加圧成形する方法、(2)有機溶媒等と負極合材を混合して、負極合材のペーストを調製し、そのペーストを、集電体に塗工し、さらに、集電体に塗工したペーストを乾燥した後、プレスする等して固着する方法が挙げられる。
負極活物質としては、エネルギー密度を稼ぐ上ではリチウム金属あるいは、リチウムを含有した合金が望ましいが、負極にリチウム含有組成のものを用いると製造過程で還元もしくは不活性ガス雰囲気が不可欠となる。製造コストを低減し、電池の安全性を高めるためには、グラファイト等の炭素材料が好適である。その他の負極候補としては、リチウムイオンを挿入・脱離することのできる周期表第14族元素を単体または主成分として含む金属元素、例えば、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)等が挙げられる。本発明の正極活物質にはリチウムが含有されているため、このようにリチウムを含まない材料も負極として用いることが可能である。
本発明における非水電解質とは、アルカリイオンを含有する物質からなる液体または固体であって、アルカリイオンとして、主にリチウムイオンを含有する。
非水電解質は、リチウムイオン以外のアルカリイオンを含んでいてもよい。リチウムイオン以外のアルカリイオンとしては、リチウムイオンおよびカリウムイオンのいずれか一方、あるいは、リチウムイオンおよびカリウムイオンの両方が好ましい。
電解質としては、例えば、LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、低級脂肪族カルボン酸リチウム塩、LiAlCl4が挙げられる。これらは、2種以上を混合した混合物を使用してもよい。
電解質としては、LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiCF3SO3およびLiN(SO2CF3)2からなる群より選択される少なくとも1種のリチウム塩を含むことが好ましい。
固体電解質としては、例えば、ポリエチレンオキサイド系の高分子、ポリオルガノシロキサン鎖およびポリオキシアルキレン鎖から選ばれる少なくとも1種以上を含む高分子等の高分子固体電解質に電解液を保持させた、いわゆるゲルタイプの電解質や、Li2S−SiS2、Li2S−GeS2、Li2S−P2S5、Li2S−B2S3、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li2S−SiS2−Li2SO4等の硫化物含有電解質;LiZr2(PO4)3等のNASICON型電解質等の無機固体電解質が挙げられる。
このような固体電解質を用いることにより、非水系リチウムイオン二次電池の安全性をより高めることができることがある。
なお、本発明の非水系リチウムイオン二次電池において、固体電解質を用いる場合には、固体電解質がセパレータとして機能する場合もある。その場合には、セパレータを必要としないこともある。
本発明の非水系リチウムイオン二次電池は、通常、セパレータをさらに備えている。
セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、含窒素芳香族重合体等の材質からなる多孔質フィルム、不織布、織布等の形態をなす材料が用いられる。
セパレータの厚さは、一般に、5〜200μm程度であることが好ましく、より好ましくは5〜40μm程度である。
なお、リチウムデンドライトは、充放電の繰り返しに伴って電極に析出するリチウムの樹枝状晶のことである。このリチウムデンドライトによって、正極と負極が短絡すると、非水系リチウムイオン二次電池が機能しなくなる。
(実施例1)
フッ化リチウム(LiF、和光純薬社製)と酸化鉄(FeO、和光純薬社製)を前述した式(6)の組成よりLi過剰となるように、モル比がLiF:FeO=1.2:1となるように秤量し、雰囲気制御可能である遊星ボールミル用容器に入れ、直径3mmのジルコニアボール40gと共に、アルゴン雰囲気下において密閉した。これを600rpmの条件下でボールミル(フリッチュ社製、pulverisette7)で混合粉砕した。ボールミルで混合粉砕時間について、24時間、48時間、および72時間とした各サンプルを取得した。その後、さらに炭素源としてアセチレンブラックを、活物質:アセチレンブラック(電気化学工業社製、HS−100)が70重量%:5重量%となる比率で加え、これを600rpmの条件下で24時間、混合した。
次に、得られた混合物:炭素源(アセチレンブラック)を75重量%:20重量%の比率になるように、アセチレンブラックを秤量し、雰囲気制御可能である遊星ボールミル用容器に入れ、直径3mmのジルコニアボール20gと共に、アルゴン雰囲気下において密閉した。これを400rpmの条件下で、3時間ボールミルで混合することで、LiF−FeO混合正極(LiFeOF化合物正極)を製造した。
実施例1の非水系リチウムイオン二次電池用正極活物質について、X線回折測定を行った。詳細な測定条件は以下の通りである。
X線回折測定装置:TTRIII(Cu−Kα、リガク製)
測定範囲:2θ=10〜80°
測定間隔:0.02°
走査速度:0.02°/min
測定電圧:50kV
測定電流:300mA
すなわち、本発明に係る正極活物質は、本質的には混合物から成ることから、総称すれば混合正極といえるものの、そのなかでも原料にLiFとFeOを用いた場合には、製造条件によっては、化合物LiFeOFから成る正極活物質(化合物正極)といえることが示された。
(実施例2)
正極活物質として、上記実施例1の方法により製造し、カーボンコート処理を施した非水系リチウムイオン二次電池用正極活物質と結着剤としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)(ダイキン工業社製、Polyflon PTFE F−103)をそれぞれ用意した。これらカーボンコート後の正極活物質、および結着剤を、カーボンコート後の正極活物質:結着剤=95重量%:5重量%となるように混合したものをφ10mmのディスク状電極に成形した。
正極集電体として、チタンメッシュを準備した。
負極として、リチウム金属(本城金属社製)を準備した。
電解液として、非水電解液1M LiPF6/EC:DMC=1:1(体積比)(富山薬品工業株式会社社製)を準備した。
セパレータとしてポリプロピレンセパレーター(商標セルガード3501)を準備した。
電池ケースとして、コインセル(SUS2032型)を準備した。上記正極集電体、正極合剤、上記電解質層、および上記負極を、アルミ箔、正極合剤層、電解質層、リチウム金属の順となるように電池ケースに収納して、実施例2の非水系リチウムイオン二次電池を製造した。
以上の工程は、すべてアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で行った。
(実施例3)
用いた負極材料をリチウム金属からチタン酸リチウムLi4Ti5O12(LTO)に変更した以外は、実施例2と同様に行った。
実施例2および、実施例3の非水系リチウムイオン二次電池について、25℃、定電流モードで充放電試験を行った。具体的には、まず、以下の電流密度の条件下、5Vを上限として、定電流モードで充電を行った。次に、1.0V、1.3Vまたは、1.5Vまで放電を行い、得られた容量を放電容量とした。
実施例2、3の電流密度:0.2mA/cm2
次に述べるように、LiFeOF化合物正極を簡便に調整するため、LiFとFeOをそれぞれ、雰囲気制御容器をアルゴン雰囲気下で密閉した後、600rpmで24時間粉砕することで、1/100μmオーダーまで微細化したものを用いた。その後、実施例1と同様の方法で24時間混合することで得た。図4に電流密度:0.2mA/cm2の条件下で測定して得られたLiFeOF化合物正極の初回および2回目の充放電曲線を示す。図4から、初回充電容量は、4.9Vまで265mAh/gであることが確認された。この結果は、LiFeOFの理論容量275mAh/gとほぼ一致していた。
また、初回放電反応においては、初回放電容量は292mAh/gを示し、110%の充放電効率を発揮した。また、表1に示すようにリチウム金属負極に対する初回放電反応においてレート特性を検討した結果、電流密度1.0mA/cm2で190mAh/gを示した。微細化したLiFとFeOを用いて調製したLiFeOF化合物正極のエネルギー密度は、電流密度0.2mA/cm2で730Wh/kgという従来では得られない高い値が示された。例えば、上述した非特許文献1で示されたエネルギー密度が608Wh/kgであることからも、従来の二次電池で得られるエネルギー密度よりも格段に高いことが確認された。
先ず、図5(a)は、実施例3のミリング時間が72時間のサンプルを正極に用いて、チタン酸リチウム(LTO)を負極とした場合の非水系リチウムイオン二次電池の充放電曲線を示している。この充放電曲線から、初回充放電容量は、180/149mAh/gであることが確認された。
次に、図5(b)は、同サンプルを用いて電圧範囲0.3〜3.4Vで得られたサイクル特性を示している。この結果から、LiFeOF化合物正極の放電容量は、40サイクルにおいても130mAh/gを維持していることが確認された。このように、本発明の非水系リチウムイオン二次電池用正極活物質を用いることで、安定かつ良好な充放電が可能であることが見出された。
(実施例4)
本発明に係る正極活物質が加熱により受ける影響を確認した。
実施例1により得られた72時間のメカニカルミリング後の正極活物質のサンプルに対して、加熱焼成を行った。100℃、150℃、200℃、300℃、および400℃の各温度で焼成した後のサンプルのXRD測定結果を図6に示す。この結果から、本発明に係る正極活物質は、焼成温度が150℃の場合では充分に安定であるが、200℃の場合では、化合物LiFeOFは消滅してLiFとFe3O4に分解されており、焼成温度が400℃の場合ではほぼ完全に分解されたことが確認された。なお、上記の加熱実験では、温度制御がよくない高温層を用いたので、300度以下の加熱条件では、設定温度に対するばらつきが大きく、高温側では+30%程度の誤差が想定される実験条件であったため、加熱温度を150℃と設定した場合では、実温度が190℃程度まで上昇した時間があるものと考えられる。このようなことから、LiFとFeOを混合して得る本発明の正極活物質を製造する際には、200℃未満の温度条件で行うことが好ましい。また、本発明の正極活物質がLiFとFe3O4に分解された事実から、次の2つが理解される。(1)先ず、本発明の正極活物質は、1つの態様として、原料の酸化金属にFe3O4を用いた場合、すなわち、当該LiFとFe3O4から成る正極活物質が含まれることが当然に理解される。(2)次に、本発明の正極活物質は、1つの態様として、原料の酸化金属にFeOを用いた場合には、上述のLiFeOFに、LiF、FeO、Fe3O4の少なくとも1つを含む正極活物質が含まれることが当然に理解される。
(実施例5)
ミリング時間を24時間として作成した本発明に係る正極活物質について、FeOを酸化マンガン(MnO)に変更した以外は、実施例1、実施例2および、実施例3と同様に実施した。
先ず、リチウム金属を負極に用いた場合の充放電曲線(電流密度:0.2mA/cm2、電圧範囲:1.8〜4.9V)を図8(a)に示す。この結果から、初回放電反応においては、初回充電容量は220mAh/g、初回放電容量は220mAh/gを示し、100%の充放電効率を発揮した。
次に、チタン酸リチウム(LTO)を負極として用いた場合の充放電曲線(電流密度:0.2mA/cm2、電圧範囲:0.3〜3.4V)を図8(b)に示す。この結果から、初回充電容量は200mAh/g、初回放電容量は145mAh/gを示し、73%の充放電効率を発揮した。
さらに、炭素電極(グラファイト)を負極として用いた場合の充放電曲線(電流密度:0.2mA/cm2、電圧範囲:1.8〜4.9V)を図8(c)に示す。この結果から、初回放電容量は、150mAh/gを示し、60%の充放電効率を発揮した。
(実施例6)
フッ化リチウム(LiF、和光純薬社製)と四酸化三マンガン(Mn3O4、和光純薬社製)をモル比がLiF:Mn3O4=4.5:1となるように秤量し、雰囲気制御可能である遊星ボールミル用容器に入れ、直径3mmのジルコニアボール30gと共に、アルゴン雰囲気下において密閉した。これを600rpmの条件下でボールミル(フリッチュ社製、pulverisette7)で攪拌した。ボールミルで攪拌した時間について、8時間としたサンプルを取得した。次に、得られた混合物:炭素源(アセチレンブラック)を70重量%:25重量%の比率になるように、アセチレンブラックを秤量し、雰囲気制御可能である遊星ボールミル用容器に入れ、直径3mmのジルコニアボール20gと共に、アルゴン雰囲気下において密閉した。これを350rpmの条件下で、5時間ボールミルで攪拌することで、LiF−Mn3O4混合正極を製造した。得られたLiF−Mn3O4混合正極は、XRDピークが観測されないことから、微粒子化されているものと考えられる。これ以外の工程については、実施例2、実施例3と同様の方法で行った。
先ず、リチウム金属を負極に用いた場合の充放電曲線(電流密度:0.2mA/cm2、電圧範囲:1.5〜4.8V)を図9(a)に示す。この結果から、初回充放電反応においては、初回充電容量は177mAh/g、初回放電容量は230mAh/gを示し、130%の充放電効率を発揮した。
次に、炭素電極(グラファイト)を負極として用いた場合の充放電曲線(電流密度:0.2mA/cm2、電圧範囲:2.0〜4.8V)を図9(b)に示す。この結果から、初回充電容量は170mAh/g、初回放電容量は100mAh/gを示し、60%の充放電効率を発揮した。
(実施例7)
LiF−Mn2O3及び、LiF−MnO2混合正極の調製は、Mn3O4をMn2O3又は、MnO2に変更した以外は、実施例6と同様に行った。
先ず、LiF−Mn2O3のリチウム金属を負極に用いた場合の充放電曲線(電流密度:0.2mA/cm2、電圧範囲:1.5〜4.8V)を図10(a)に示す。この結果から、初回充放電反応においては、初回充電容量は140mAh/g、初回放電容量は200mAh/gを示した。次に、LiF−MnO2のリチウム金属を負極に用いた場合の充放電曲線(電流密度:0.2mA/cm2、電圧範囲:1.5〜4.8V)を図10(b)に示す。この結果から、初回充放電反応においては、初回充電容量が75mAh/g、初回放電容量が225mAh/gを示した。
(実施例8)
ミリング時間を24時間として作成した本発明に係る正極活物質について、FeOを酸化チタン(TiO)に変更した以外は、実施例1および実施例2と同様に行った。
2 正極層
3 負極層
4 正極集電体
5 負極集電体
6 正極
7 負極
10 非水系リチウムイオン二次電池
Claims (7)
- フッ化リチウム(LiF)と金属Mの酸化物(MはFe、Mn、Tiのうち少なくとも1つの金属元素)から成ることを特徴とする非水系リチウムイオン二次電池用の正極活物質。
- 金属Mの酸化物が、FeO、Fe3O4、MnO、Mn2O3、Mn3O4、MnO2、またはTiOのうちの少なくとも1つであることを特徴とする請求項1に記載の非水系リチウムイオン二次電池用の正極活物質。
- 結晶構造が立方晶系の空間群Fm−3mに属するLiFeOFであることを特徴とする非水系リチウムイオン二次電池用の正極活物質。
- LiFeOFに、LiF、FeO、Fe3O4のうち少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項3に記載の非水系リチウムイオン二次電池用の正極活物質。
- 正極に請求項1〜4のいずれかに記載の正極活物質を備え、負極にグラファイトまたはリチウムチタン酸化物を備えた非水系リチウムイオン二次電池。
- フッ化リチウム(LiF)と金属Mの酸化物(MはFe、Mn、Tiのうちの少なくとも1つの金属元素)を不活性雰囲気下で、加熱することなく乾式で混合することを特徴とする非水系リチウムイオン二次電池用の正極活物質の製造方法。
- フッ化リチウム(LiF)と金属酸化物FeOを不活性雰囲気下で、加熱することなく乾式で混合することを特徴とする非水系リチウムイオン二次電池用の正極活物質の製造方法。
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