JP2017004941A - 電池用正極活物質、および、電池 - Google Patents

電池用正極活物質、および、電池 Download PDF

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Abstract

【課題】従来技術においては、高容量の電池の実現が望まれる。
【解決手段】本開示の一様態における電池用正極活物質は、下記の組成式(1)により表される化合物を含み、
LixNay{LiαNaβMn(1-α-β-z)z}O2・・・(1)
ここで、前記Aは、Co、Ni、Fe、Alからなる群より選択される少なくとも一種であり、かつ、0.75≦x≦1.0、0<y≦0.01、0.75<x+y≦1、0.16≦α≦0.3、0<β≦0.01、0.2≦α+β≦0.3、および0≦z≦0.15を満たす。
【選択図】図1

Description

本開示は、電池用の正極活物質および電池に関する。
特許文献1には、式Lix{(LiyMn1-yz1-z}O2で表され、O2構造を有する酸化物から構成される複合金属酸化物が、開示されている。ここで、xは2/3を超え1未満であり、yは0を超え1/3未満であり、zは0.2以上1以下であり、MはMn、CoおよびNiからなる群より選択される少なくとも一種である、としている。
特開2012−204281号公報
従来技術においては、高容量の電池の実現が望まれる。
本開示の一様態における電池用正極活物質は、下記の組成式(1)により表される化合物を含む。
LixNay{LiαNaβMn(1-α-β-z)z}O2 ・・・式(1)
ここで、前記Aは、Co、Ni、Fe、Alからなる群より選択される少なくとも一種であり、かつ、下記の条件、
0.75≦x≦1.0、
0<y≦0.01、
0.75<x+y≦1、
0.16≦α≦0.3、
0<β≦0.01、
0.2≦α+β≦0.3、
0≦z≦0.15、
を満たす。
本開示によれば、高容量の電池を実現できる。
図1は、実施の形態2における電池の一例である電池10の概略構成を示す断面図である。 図2は、前駆体と実施例1の正極活物質と比較例1との正極活物質の粉末X線回折チャートを示す図である。
以下、本開示の実施の形態が、説明される。
(実施の形態1)
実施の形態1における電池用正極活物質は、下記の組成式(1)により表される化合物を含む。
LixNay{LiαNaβMn(1-α-β-z)z}O2 ・・・式(1)
ここで、式(1)におけるAは、Co、Ni、Fe、Alからなる群より選択される少なくとも一種である。
かつ、実施の形態1における電池用正極活物質においては、上述の化合物は、組成式(1)において、下記の条件、
0.75≦x≦1.0、
0<y≦0.01、
0.75<x+y≦1、
0.16≦α≦0.3、
0<β≦0.01、
0.2≦α+β≦0.3、
0≦z≦0.15、
を満たす。
以上の構成によれば、高容量の電池を実現できる。
上述の化合物を含む正極活物質を用いて、例えばリチウムイオン電池を構成する場合、3.3V程度の酸化還元電位(L/Li+基準)を有する。また、概ね、264mAh/g以上の容量を有する。
なお、上述の化合物は、組成式(1)においてxが0.75よりも小さい場合、利用できるLi量が少なくなる。このため、容量が不十分となる。
また、上述の化合物は、組成式(1)においてxが1.0より大きい場合、後述するように、Mnサイトに位置するLiがほとんど存在しなくなる。このため、酸素の酸化還元反応が利用できなくなる。このため、容量が不十分となる。
また、上述の化合物は、組成式(1)においてyが0である場合、構造が不安定化しやすい。このため、サイクル特性が不十分となる。
また、上述の化合物は、組成式(1)においてyが0.01より大きい場合、Liの拡散が阻害される。このため、電池特性が不十分となる。
また、上述の化合物は、組成式(1)においてx+yが0.75以下である場合、利用できるLi量が少なくなる。このため、容量が不十分となる。
また、上述の化合物は、組成式(1)においてx+yが1よりも大きい場合、酸素の酸化還元反応が利用できなくなる。このため、容量が不十分となる。
また、上述の化合物は、組成式(1)においてαが0.16よりも小さい場合、Li2MnO3よりもLiMnO2に近い構造となる。これにより、酸素の酸化還元反応が、効果的に、利用できなくなる。加えて、遷移金属層のLi量が減る。これらにより、容量が減少する。
また、上述の化合物は、組成式(1)においてαが0.3よりも大きい場合、不純物が増加する。これにより、初期充放電効率が低下し、容量が不十分となる。
また、上述の化合物は、組成式(1)においてβが0である場合、構造が不安定化する。このため、サイクル特性が不十分となる。
また、上述の化合物は、組成式(1)においてβが0.01よりも大きい場合、Liの拡散が阻害される。このため、電池特性が不十分となる。
また、上述の化合物は、組成式(1)においてα+βが0.2よりも小さい場合、酸素の酸化還元反応が利用できなくなる。このため、容量が不十分となる。
また、上述の化合物は、組成式(1)においてα+βが0.3よりも大きい場合、初期充放電効率が低下する。このため、容量が不十分となる。
また、実施の形態1における電池用正極活物質においては、組成式(1)で表される化合物は、空間群C2/mに属する結晶構造を有する。
組成式(1)において、LiとMnの比率は、{Li(x+α)/Mn(1-α-β)}で示される。
ここで、0.91≦x+α≦1.3、である。また、0.7≦(1−α−β)≦0.84、である。
したがって、LiとMnの比率は、理論的には、1.18≦{Li(x+α)/Mn(1-α-β)}≦1.86であり、1よりも大きな値となる。
すなわち、Mn1原子あたりのLi原子数は、例えば、従来の正極活物質であるLiMnO2に比べて、大きい。
また、組成式(1)の括弧内に記載しているLiαNaβは、Mnと同じサイトに位置していると考えられる。
Mnサイトに位置するLiは、酸素の酸化還元を伴いながら、Mnサイトから脱離、または、Mnサイトに挿入され得る。
このため、組成式(1)で表される化合物は、例えば、従来の正極活物質であるLiMnO2よりも、Mn1原子あたりに、より多くのLiを挿入および脱離させることが可能である。
すなわち、組成式(1)で表される化合物は、Liが挿入・脱離しやすい構造を備える。
したがって、実施の形態1における電池用正極活物質は、高容量のリチウムイオン電池を実現するのに、適している。
組成式(1)で表される化合物は、例えば、リチウムを含む溶融塩中において、Na4Mn25を前駆体として用いて、この前駆体中のNaをLiに置換することによって、合成されうる。
Na4Mn25は、空間群FDDDZに属する結晶構造を有する。このため、空気中で不安定な化合物である。
Na4Mn25は、結晶構造内に多くのNaを含む。このため、上述した置換反応により、多くのLi原子を含ませることができる。
また、組成式(1)で表される化合物は、置換されていないNaを含む。
ここで、Naのイオン半径に比べて、Liのイオン半径は、小さい。
このため、NaとLiとの置換交換後に、結晶構造内に残存するNaが結晶構造の一部を歪める。これにより、Liの拡散性が、向上する。これにより、Liの挿入および脱離の反応が生じやすくなる。
また、残存するNaは、正極活物質が酸化および還元されても、移動せずに、結晶構造内にとどまる。このため、Liの挿入および脱離に伴う結晶構造の変形を、抑制しうる。したがって、高容量と結晶構造の安定性とを、両立しうると考えられる。
また、実施の形態1における電池用正極活物質は、上述の化合物を、主成分として、含んでもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
ここで、「主成分」とは、実施の形態1の電池用正極活物質が、例えば、90重量%以上の割合で、上述の化合物を含んでいる状態を意味する。
なお、実施の形態1の電池用正極活物質は、上述の化合物を主成分として含みながら、さらに、不可避的な不純物、または、上述の化合物を合成する際に用いられる出発原料および副生成物および分解生成物など、を含んでいてもよい。
また、実施の形態1における電池用正極活物質においては、上述の化合物は、組成式(1)において、0.18≦α≦0.24を満たす化合物であってもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
また、実施の形態1における電池用正極活物質においては、上述の化合物は、組成式(1)において、x=0.75であり、かつ、z=0である化合物であってもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
また、実施の形態1における電池用正極活物質においては、上述の化合物は、組成式(1)において、Aは、Co、Ni、Feからなる群より選択される少なくとも一種であり、かつ、0.75≦x≦0.8を満たし、かつ、α=0.22であり、かつ、z=0.07である化合物であってもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
また、実施の形態1における電池用正極活物質においては、上述の化合物は、組成式(1)において、Aは、Co、Ni、Feからなる群より選択される少なくとも一種であり、かつ、0.75≦x≦0.8を満たし、かつ、α=0.22であり、かつ、z=0.15である化合物であってもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
また、実施の形態1における電池用正極活物質においては、上述の化合物は、組成式(1)において、0≦z≦0.07を満たす化合物であってもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
また、実施の形態1における電池用正極活物質においては、上述の化合物は、組成式(1)において、y=0.01である化合物であってもよい。
また、実施の形態1における電池用正極活物質においては、上述の化合物は、組成式(1)において、β=0.01である化合物であってもよい。
<化合物の作製方法>
以下に、実施の形態1の電池用正極活物質に含まれる上述の化合物の製造方法の一例が、説明される。
まず、前駆体であるNa4Mn25を用意する。
Na4Mn25は、例えば、次の方法により、作製されうる。
Naを含む原料、および、Mnを含む原料を用意する。例えば、Naを含む原料としては、Na2O、Na22、Na2CO3、NaOH、など、が挙げられる。また、Mnを含む原料としては、MnO2等の各種の酸化状態の酸化マンガン、MnCO3、MnNO3等の塩類、Mn(OH)2、MnOOH等の水酸化物、など、が挙げられる。
これらの原料を、Mnに対してNaが1.9:1以上2.3:1以下(より好ましくは、1.95:1以上2.1:1以下)のモル比となるように、Naを含む原料およびMnを含む原料を秤量する。
本発明者の詳細な検討によれば、Na4Mn25を得るためのNaとMnとのモル比は、Mnに対してNaが2.0:1である。
混合比を2.0:1から上述した範囲でずらすことによって、Na4Mn25以外に、副生成物として、Na2Oが生成される。
Na2Oを副生成物として含むNa4Mn25を用いて、NaとLiとの交換を行う。
これにより、組成式(1)における「x、y、α、および、β」を、組成式(1)で示す範囲において、変化させることができる。
秤量したNaを含む原料およびMnを含む原料を、例えば、湿式法または乾式法で、混合する。例えば、ボールミルなどの混合装置を使用することができる。
得られた原料混合物を焼成することによって、Na4Mn25を含む前駆体が得られる。
焼成工程は、例えば、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気などの不活性雰囲気、または、窒素と水素の混合雰囲気などの還元雰囲気下で行う。焼成は500℃以上800℃以下の温度で、6時間以上24時間以下の時間行う。
用いる原料、および、原料混合物の混合条件および焼成条件を調製することにより、実質的に、Na4Mn25のみを含む前駆体を得ることができる。
また、Mnに対するNaのモル比を2.0以上2.3未満の範囲で選択することにより、Na2OとNa4Mn25とを含む前駆体が得られる。
前駆体の粒子が大きい場合には、必要に応じて、得られた前駆体をボールミルなどで粉砕してもよい。
次に、得られた前駆体に含まれるNa4Mn25のNaをLiと交換する。
前駆体を、Liを含む溶融塩に浸漬し、放置する。
溶融塩は、LiNO3、LiCl、LiOHからなる群から選ばれる少なくとも1つを含む。好ましくは、溶融塩は、LiNO3およびLiClを含んでいる。
上述したリチウム塩の少なくとも1種を用意し、リチウム塩を加熱し、リチウム塩を溶融させる。
この中にNa4Mn25を含む前駆体を浸漬し、1時間以上3時間以下の範囲で放置する。これによって、NaをLi置換させる置換反応を生じさせる。
置換反応のため、リチウム塩が溶融する温度以上でリチウム塩を保持することが好ましい。
また、置換反応促進のために、溶融塩を高温で保持することが好ましい。
ただし、350℃を大きく超えると、Na4Mn25の結晶構造が変化し、組成式(1)で示される化合物が得られなくなる。
前駆体が主成分であるNa4Mn25に加えて、Na2Oを含む場合、98重量部のNa4Mn25に対して、Na2Oを、2重量部含むことが好ましい。
Na2Oを含むことにより、溶融塩中の酸素分圧が向上する。これにより、組成式(1)で示される化合物が得られる。
溶融塩中で、前駆体を放置後、得られた化合物を、例えば、水洗する。
これによって、溶融塩やNaなどが除去され、より純度の高い組成式(1)で示される化合物が得られる。
得られた組成式(1)で示される化合物の組成は、例えば、ICP発光分光分析法により決定することができる。
また、粉末X線分析によって結晶構造の空間群を決定することにより、組成式(1)で示される化合物を同定することができる。
以上のように、実施の形態1のある一様態における電池用正極活物質の製造方法は、組成式Na4Mn25で示される化合物を含む前駆体を用意する工程(a)と、前駆体をリチウムを含む溶融塩に浸漬して前駆体中のNaをLiに置換することにより電池用正極活物質を得る工程(b)と、を包含する。
また、上述の工程(a)は、Naを含む原料とMnを含む原料とを、Mnに対してNaが2.0:1以上2.3:1以下のモル比となる割合で混合し、混合原料を調製する工程を、包含してもよい。
このとき、上述の工程(a)は、当該混合原料を焼結させる工程を、包含してもよい。
また、上述の工程(a)においては、Mnに対してNaが2.0:1以上2.3:1未満のモル比となる割合で、Naを含む原料とMnを含む原料とを混合することで、前駆体として、NaMnO2およびNa14Mn29の少なくとも一方をさらに含ませてもよい。
また、上述の工程(a)においては、Mnに対してNaが2.2:1以上2.25:1以下のモル比となる割合で混合してもよい。
また、上述の工程(b)においては、リチウムを含む溶融塩は、LiClおよびLiNO3を含んでもよい。
また、上述の電池用正極活物質の製造方法は、上述の工程(b)の後に、電池用正極活物質を水洗する工程を、さらに、包含してもよい。
また、実施の形態1のある一様態における電池用正極活物質が含む上述の化合物は、リチウムを含む溶融塩中において、組成式Na4Mn25で示される化合物を含む前駆体を用いて、前駆体中のNaをLiに置換することによって得られる化合物である。このとき、前駆体は、さらに、Na2Oを含んでもよい。
なお、上述のNaを含む原料とMnを含む原料とに加えて、A(すなわち、Co、Ni、Fe、Alからなる群より選択される少なくとも一種)を含む原料を、さらに用いてもよい。この場合、前駆体には、Na4Mn2-γAγO5(ここで、0<γ<2)で示される化合物が含まれうる。Aを含む原料の混合割合を調整することで、組成式(1)における「z」を、組成式(1)で示す範囲において、変化させることができる。なお、Aを含む原料を用いなければ、z=0となる。
(第2の実施形態)
以下、実施の形態2が説明される。なお、上述の実施の形態1と重複する説明は、適宜、省略される。
実施の形態2における電池は、上述の実施の形態1における電池用正極活物質を含む正極と、負極と、電解質と、を備える。
以上の構成によれば、高容量の電池を実現できる。
すなわち、上述の実施の形態1で説明されたように、正極活物質が、Mn1原子に対して、多くのLi原子を含む。したがって、高容量の電池を実現することが可能となる。
実施の形態2における電池は、例えば、リチウムイオン二次電池、非水電解質二次電池、など、として、構成されうる。
すなわち、実施の形態2における電池において、例えば、負極は、リチウムを吸蔵および放出しうる負極活物質を含んでもよい。
また、実施の形態2における電池において、例えば、電解質は、非水電解質(例えば、非水電解液)であってもよい。すなわち、実施の形態2における電池は、電解質(例えば、リチウム塩など)が溶解する非水溶媒をさらに備えてもよい。
図1は、実施の形態2における電池の一例である電池10の概略構成を示す断面図である。
図1に示されるように、電池10は、正極21と、負極22と、セパレータ14と、ケース11と、封口板15と、ガスケット18と、を備えている。
セパレータ14は、正極21と負極22との間に、配置されている。
正極21と負極22とセパレータ14とには、非水電解質(例えば、非水電解液)が含浸されている。
正極21と負極22とセパレータ14とによって、電極群が形成されている。
電極群は、ケース11の中に収められている。
ガスケット18と封口板15とにより、ケース11が閉じられている。
正極21は、正極集電体12と、正極集電体12の上に配置された正極活物質層13と、を備えている。
正極集電体12は、例えば、金属材料(アルミニウム、ステンレス、アルミニウム合金、など)で作られている。
なお、正極集電体12を省略し、ケース11を正極集電体として使用することも可能である。
正極活物質層13は、上述の実施の形態1における電池用正極活物質を含む。
正極活物質層13は、必要に応じて、例えば、添加剤(導電剤、イオン伝導補助剤、結着剤、など)を含んでいてもよい。
負極22は、負極集電体16と、負極集電体16の上に配置された負極活物質層17と、を備えている。
負極集電体16は、例えば、金属材料(アルミニウム、ステンレス、アルミニウム合金、など)で作られている。
なお、負極集電体16を省略し、封口板15を負極集電体として使用することも可能である。
負極活物質層17は、負極活物質を含んでいる。
負極活物質層17は、必要に応じて、例えば、添加剤(導電剤、イオン伝導補助剤、結着剤、など)を含んでいてもよい。
負極活物質として、金属材料、炭素材料、酸化物、窒化物、錫化合物、珪素化合物、など、が使用されうる。
金属材料は、単体の金属であってもよい。もしくは、金属材料は、合金であってもよい。金属材料の例として、リチウム金属、リチウム合金、など、が挙げられる。
炭素材料の例として、天然黒鉛、コークス、黒鉛化途上炭素、炭素繊維、球状炭素、人造黒鉛、非晶質炭素、など、が挙げられる。
容量密度の観点から、珪素(Si)、錫(Sn)、珪素化合物、錫化合物、を好適に使用できる。珪素化合物および錫化合物は、それぞれ、合金または固溶体であってもよい。
珪素化合物の例として、SiOx(ここで、0.05<x<1.95)が挙げられる。また、SiOxの一部の珪素を他の元素で置換することによって得られた化合物(合金又は固溶体)も使用できる。ここで、他の元素とは、ホウ素、マグネシウム、ニッケル、チタン、モリブデン、コバルト、カルシウム、クロム、銅、鉄、マンガン、ニオブ、タンタル、バナジウム、タングステン、亜鉛、炭素、窒素及び錫からなる群より選択される少なくとも1種である。
錫化合物の例として、Ni2Sn4、Mg2Sn、SnOx(ここで、0<x<2)、SnO2、SnSiO3、など、が挙げられる。これらから選択される1種の錫化合物が、単独で使用されてもよい。もしくは、これらから選択される2種以上の錫化合物の組み合わせが、使用されてもよい。
また、負極活物質の形状は特に限定されない。負極活物質としては、公知の形状(粒子状、繊維状、など)を有する負極活物質が使用されうる。
また、リチウムを負極活物質層17に補填する(吸蔵させる)ための方法は、特に限定されない。この方法としては、具体的には、(a)真空蒸着法などの気相法によってリチウムを負極活物質層17に堆積させる方法、(b)リチウム金属箔と負極活物質層17とを接触させて両者を加熱する方法がある。いずれの方法においても、熱によってリチウムを負極活物質層17に拡散させることができる。また、リチウムを電気化学的に負極活物質層17に吸蔵させる方法もある。具体的には、リチウムを有さない負極22およびリチウム金属箔(正極)を用いて電池を組み立てる。その後、負極22にリチウムが吸蔵されるように、その電池を充電する。
正極21および負極22の結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチルエステル、ポリアクリル酸エチルエステル、ポリアクリル酸ヘキシルエステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル、ポリメタクリル酸エチルエステル、ポリメタクリル酸ヘキシルエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルサルフォン、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、など、が使用されうる。または、結着剤として、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、エチレン、プロピレン、ペンタフルオロプロピレン、フルオロメチルビニルエーテル、アクリル酸、ヘキサジエン、からなる群より選択される2種以上の材料の共重合体が、使用されてもよい。さらに、上述の材料から選択される2種以上の材料の混合物が、結着剤として、使用されてもよい。
正極21および負極22の導電剤としては、グラファイト、カーボンブラック、導電性繊維、フッ化黒鉛、金属粉末、導電性ウィスカー、導電性金属酸化物、有機導電性材料、など、が使用されうる。グラファイトの例としては、天然黒鉛および人造黒鉛が挙げられる。カーボンブラックの例としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、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、サーマルブラックが挙げられる。金属粉末の例としては、アルミニウム粉末が挙げられる。導電性ウィスカーの例としては、酸化亜鉛ウィスカーおよびチタン酸カリウムウィスカーが挙げられる。導電性金属酸化物の例としては、酸化チタンが挙げられる。有機導電性材料の例としては、フェニレン誘導体が挙げられる。
セパレータ14としては、大きいイオン透過度および十分な機械的強度を有する材料が使用されうる。このような材料の例としては、微多孔性薄膜、織布、不織布、など、が挙げられる。具体的に、セパレータ14は、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィンで作られていることが望ましい。ポリオレフィンで作られたセパレータ14は、優れた耐久性を有するだけでなく、過度に加熱されたときにシャットダウン機能を発揮できる。セパレータ14の厚さは、例えば、10〜300μm(又は10〜40μm)の範囲にある。セパレータ14は、1種の材料で構成された単層膜であってもよい。もしくは、セパレータ14は、2種以上の材料で構成された複合膜(または、多層膜)であってもよい。セパレータ14の空孔率は、例えば、30〜70%(又は35〜60%)の範囲にある。「空孔率」とは、セパレータ14の全体の体積に占める空孔の体積の割合を意味する。「空孔率」は、例えば、水銀圧入法によって測定される。
非水電解液は、非水溶媒と、非水溶媒に溶けたリチウム塩と、を含む。
非水溶媒としては、環状炭酸エステル溶媒、鎖状炭酸エステル溶媒、環状エーテル溶媒、鎖状エーテル溶媒、環状エステル溶媒、鎖状エステル溶媒、フッ素溶媒、など、が使用されうる。
環状炭酸エステル溶媒の例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、など、が挙げられる。
鎖状炭酸エステル溶媒の例としては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、など、が挙げられる。
環状エーテル溶媒の例としては、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,3−ジオキソラン、など、が挙げられる。
鎖状エーテル溶媒としては、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、など、が挙げられる。
環状エステル溶媒の例としては、γ−ブチロラクトン、など、が挙げられる。
鎖状エステル溶媒の例としては、酢酸メチル、など、が挙げられる。
フッ素溶媒の例としては、フルオロエチレンカーボネート、フルオロプロピオン酸メチル、フルオロベンゼン、フルオロエチルメチルカーボネート、フルオロジメチレンカーボネート、など、が挙げられる。
非水溶媒として、これらから選択される1種の非水溶媒が、単独で、使用されうる。もしくは、非水溶媒として、これらから選択される2種以上の非水溶媒の組み合わせが、使用されうる。
非水電解液には、フルオロエチレンカーボネート、フルオロプロピオン酸メチル、フルオロベンゼン、フルオロエチルメチルカーボネート、フルオロジメチレンカーボネートからなる群より選択される少なくとも1種のフッ素溶媒が含まれていてもよい。
これらのフッ素溶媒が非水電解液に含まれていると、非水電解液の耐酸化性が向上する。
その結果、高い電圧で電池10を充電する場合にも、電池10を安定して動作させることが可能となる。
リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiSbF6、LiAsF6、LiSO3CF3、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252、LiN(SO2CF3)(SO249)、LiC(SO2CF33、など、が使用されうる。リチウム塩として、これらから選択される1種のリチウム塩が、単独で、使用されうる。もしくは、リチウム塩として、これらから選択される2種以上のリチウム塩の混合物が、使用されうる。リチウム塩の濃度は、例えば、0.5〜2mol/リットルの範囲にある。
なお、実施の形態2における電池は、コイン型、円筒型、角型、シート型、ボタン型、扁平型、積層型、など、種々の形状の電池として、構成されうる。
<実施例1>
[正極活物質の作製]
Na2Oとボールミルによりあらかじめ粉砕したMnOとを、Na/Mn=2.15の割合で混合し、粉末状の原料混合物を得た。
得られた原料混合物を窒素ガス中で密閉し、540℃で焼成した。これによって、前駆体を得た。
得られた前駆体に対して、粉末X線回折測定を実施した。
測定の結果が、図2に示される。
前駆体は、Na4Mn25およびNa2Oを含んでいた。
前駆体の総量に対するNa4Mn25のモル比率は、0.99であった。
次に、LiNO3とLiClとを、0.87:0.13のモル比で、総量10gとなるように秤量し、アルミナ製坩堝に入れた。
さらに、1gの上述の前駆体を加えて、大気雰囲気280℃で2時間熱処理した。これにより、LiNO3およびLiClの溶融塩中において、前駆体のNaとLiとを、イオン交換反応によって、交換させた。
その後、これを水洗することで、正極活物質として用いる化合物を得た。
得られた化合物に対して、粉末X線回折測定を実施した。測定の結果は、図2に示される。
得られた化合物の空間群は、C2/mであった。
また、得られた化合物の組成を、ICP発光分光分析法および不活性ガス溶融―赤外線吸収法により求めた。
その結果、得られた化合物の組成は、Li0.75Na0.01(Li0.24Na0.01Mn0.75)O2であった。
[電池の作製]
次に、70質量部の上述の化合物と、20質量部の導電剤と、10質量部のポリフッ化ビニリデン(PVDF)と、適量の2−メチルピロリドン(NMP)とを、混合した。これにより、正極合剤スラリーを得た。
20μmの厚さのアルミニウム箔で形成された正極集電体の片面に、正極合剤スラリーを塗布した。
正極合剤スラリーを乾燥および圧延することによって、正極活物質層を備えた厚さ60μmの正極板を得た。
得られた正極板を、直径12.5mmの円形状に打ち抜くことによって、正極を得た。
また、厚さ300μmのリチウム金属箔を、直径14.0mmの円形状に打ち抜くことによって、負極を得た。
また、フルオロエチレンカーボネート(FEC)とエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを、1:1:6の体積比で混合して、非水溶媒を得た。
この非水溶媒に、LiPF6を、1.0mol/リットルの濃度で、溶解させることによって、非水電解液を得た。
得られた非水電解液を、セパレータ(セルガード社製、品番2320、厚さ25μm)に、染み込ませた。
セルガード(登録商標)2320は、ポリプロピレン層とポリエチレン層とポリプロピレン層とで形成された、3層セパレータである。
上述の正極と負極とセパレータとを用いて、露点が−50℃に管理されたドライボックスの中で、CR2032規格のコイン型電池を、作製した。
<実施例2〜10>
上述の実施例1から、Na/(Mn+遷移金属酸化物)の比率を、それぞれ、変えた。
表1に、実施例2〜10の正極活物質を製造する際の条件と、合成した正極活物質の組成比と、が示される。
また、表1に、実施例2〜10における、前駆体の総量に対するNa4Mn25のモル比率と、が示される。
これ以外は、上述の実施例1と同様にして、実施例2〜10の正極活物質を合成した。また、実施例2〜10の正極活物質として得られた化合物の空間群は、いずれも、C2/mであった。
また、実施例2〜10の正極活物質を用いて、上述の実施例1と同様にして、コイン型電池を作製した。
<比較例1>
LiOH・H2Oとニッケル・コバルト・アルミニウム複合水酸化物とを混合し、粉末状の原料混合物を得た。
得られた原料混合物を、大気雰囲気中かつ800℃で焼成した。これにより、リチウムニッケル複合酸化物の粒子を得た。
得られた正極活物質に対して、粉末X線回折測定を実施した。測定の結果は、図2に示される。
得られたリチウムニッケル複合酸化物の粒子を用いて、上述の実施例1と同様にして、コイン型電池を作製した。
(正極活物質の粉末X線回折測定結果)
図2は、実施例1の正極活物質の前駆体であるNa4Mn25と、実施例1の正極活物質と、比較例1の正極活物質との粉末X線回折チャートである。
図2から分かるように、実施例1の正極活物質の粉末X線回折チャートは、前駆体の粉末X線回折チャートと、全く、異なっている。
これは、NaとLiの交換によって、Na4Mn25とは異なる結晶構造の化合物が得られていることを、示している。
また、実施例1の正極活物質の粉末X線回折チャートは、比較例1の正極活物質の粉末X線回折チャートと、異なっている。
<電池の評価>
正極に対する電流密度を0.005mA/cm2に設定し、4.9Vの電圧に達するまで、実施例1の電池を充電した。
その後、放電終止電圧を2.0Vに設定し、0.05mA/cm2の電流密度で、実施例1の電池を放電させた。
初回放電容量は、314mAh/gであった。
また、実施例1と同様にして、実施例2〜10のコイン型電池の容量を測定した。
正極に対する電流密度を0.05mA/cm2に設定し、4.7Vの電圧に達するまで、比較例1の電池を充電した。
その後、放電終止電圧を2.0Vに設定し、0.005mA/cm2の電流密度で、比較例1の電池を放電させた。
比較例1の電池の初回放電容量は、203mAh/gであった。
以上の結果が、表1に示される。
Figure 2017004941
表1に示されるように、実施例1〜4の電池は、274〜315mAh/gの初回放電容量を有する。
すなわち、実施例1〜4の電池の初回放電容量は、比較例1の電池の初回放電容量よりも、大きい。
この理由としては、実施例1〜4では、結晶構造内に多くのNaを含むNa4Mn25を用いて、NaをLiに交換することによって、遷移金属に対してより多くのLiを含む正極活物質が合成できたことが考えられる。
また、別の理由としては、実施例1〜4では、結晶構造内にNaを含むことによって、結晶構造の一部に歪みが生じ、リチウムの拡散性が向上したことが考えられる。
また、表1に示されるように、実施例2〜4の電池の初回放電容量は、実施例1の電池の初回放電容量よりも、小さい。
この理由としては、実施例2〜4では、組成式(1)におけるαの値が小さい(すなわち、遷移金属層に含有されるLiの量が小さい)ことにより、結晶構造の歪みが小さくなり、リチウムの拡散性が低下したことが考えられる。
なお、Na/(Mn+遷移金属)モル比を2.4よりも大きくした場合では、0≦α≦0.15となり、初回放電容量は大きく減少した。
したがって、αは、0.18≦α<0.24を満たすことが好ましいことが分かった。
また、表1に示されるように、実施例8〜10の電池の初回放電容量は、実施例1〜7の電池の初回放電容量よりも、小さい。
この理由としては、実施例8〜10では、組成式(1)におけるzの値が大きい(すなわち、異種元素Aの固溶量が増大した)ことにより、不純物が増加したことが考えられる。
なお、zが0.15よりも大きい場合には、不純物としてNaMnO2が生成し、初回放電容量は大幅に低下した。
したがって、zは、0≦z≦0.15を満たすことが好ましいことが分かった。
また、表1に示されるように、zが、0≦z≦0.07を満たすことによって、より大容量の正極活物質を実現し得ることが分かった。
本開示の電池用正極活物質は、二次電池などの電池の正極活物質として、好適に利用されうる。
10 電池
11 ケース
12 正極集電体
13 正極活物質層
14 セパレータ
15 封口板
16 負極集電体
17 負極活物質層
18 ガスケット
21 正極
22 負極

Claims (11)

  1. 下記の組成式(1)により表される化合物を含み、
    LixNay{LiαNaβMn(1-α-β-z)z}O2 ・・・式(1)
    ここで、前記Aは、Co、Ni、Fe、Alからなる群より選択される少なくとも一種であり、かつ、下記の条件、
    0.75≦x≦1.0、
    0<y≦0.01、
    0.75<x+y≦1、
    0.16≦α≦0.3、
    0<β≦0.01、
    0.2≦α+β≦0.3、
    0≦z≦0.15、
    を満たす、
    電池用正極活物質。
  2. 前記化合物は、空間群C2/mに属する結晶構造を有する、
    請求項1に記載の電池用正極活物質。
  3. 前記化合物を、主成分として、含む、
    請求項1または2に記載の電池用正極活物質。
  4. 0.18≦α≦0.24を満たす、
    請求項1から3のいずれかに記載の電池用正極活物質。
  5. x=0.75であり、
    z=0である、
    請求項4に記載の電池用正極活物質。
  6. 前記Aは、Co、Ni、Feからなる群より選択される少なくとも一種であり、
    0.75≦x≦0.8を満たし、
    α=0.22であり、
    z=0.07である、
    請求項4に記載の電池用正極活物質。
  7. 前記Aは、Co、Ni、Feからなる群より選択される少なくとも一種であり、
    0.75≦x≦0.8を満たし、
    α=0.22であり、
    z=0.15である、
    請求項4に記載の電池用正極活物質。
  8. 0≦z≦0.07を満たす、
    請求項1から4のいずれかに記載の電池用正極活物質。
  9. y=0.01であり、
    β=0.01である、
    請求項5から8のいずれかに記載の電池用正極活物質。
  10. 請求項1から9のいずれかに記載の電池用正極活物質を含む正極と、
    負極と、
    電解質と、
    を備える、
    電池。
  11. 前記電解質が溶解する非水溶媒をさらに備え、
    前記負極は、リチウムを吸蔵および放出しうる負極活物質を含む、
    請求項10に記載の電池。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180113185A (ko) * 2017-04-05 2018-10-15 삼성전자주식회사 고용량 소듐 이온 전지용 양극활물질
WO2023181703A1 (ja) * 2022-03-25 2023-09-28 愛知製鋼株式会社 正極活物質、その製造方法及び非水電解質二次電池

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108023082B (zh) * 2017-12-04 2021-04-16 中南大学 一种具有多相复合层状结构的钠离子电池正极材料的制备方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080007469A (ko) * 2005-05-17 2008-01-21 소니 가부시끼 가이샤 정극 활성 물질 및 그의 제조 방법, 및 전지
KR101535325B1 (ko) * 2010-03-29 2015-07-08 스미토모 긴조쿠 고잔 가부시키가이샤 비수계 전해질 이차 전지용 정극 활성 물질과 그의 제조 방법, 및 상기 정극 활성 물질의 전구체, 및 상기 정극 활성 물질을 이용한 비수계 전해질 이차 전지
JP2012204281A (ja) 2011-03-28 2012-10-22 Tokyo Univ Of Science 複合金属酸化物、リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極、及びリチウム二次電池
US9893356B2 (en) * 2014-04-15 2018-02-13 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Cathode active material for nonaqueous electrolyte secondary battery, nonaqueous electrolyte secondary battery, and method of producing cathode active material for nonaqueous electrolyte secondary battery

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180113185A (ko) * 2017-04-05 2018-10-15 삼성전자주식회사 고용량 소듐 이온 전지용 양극활물질
KR102609554B1 (ko) * 2017-04-05 2023-12-04 삼성전자주식회사 고용량 소듐 이온 전지용 양극활물질
WO2023181703A1 (ja) * 2022-03-25 2023-09-28 愛知製鋼株式会社 正極活物質、その製造方法及び非水電解質二次電池

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