JP2017091777A - 非水二次電池用正極材料及びその製造方法、並びにその非水二次電池用正極材料を用いた非水二次電池用正極及びそれを用いた非水二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の非水二次電池用正極材料は、酸化物粒子からなり、上記酸化物粒子は、バルク部と、上記バルク部を被覆する表層部とを備えている。また、上記バルク部は、コバルト酸リチウムからなり、上記表層部は、Alを含む酸化物からなる。更に、上記非水二次電池用正極材料を充放電した場合、上記コバルト酸リチウムのCoO6八面体のスタッキングに由来するX線回折線において、放電時の回折ピークの最大強度をIdとし、充電時の回折ピークの最大強度をIcとし、その比をIc/Idとすると、Ic/Id<0.1であることを特徴とする。
本発明の非水二次電池用正極材料の製造方法は、前述の本発明の非水二次電池用正極材料を製造できれば特に限定されず、気相法、固相法、溶液法等を適用できるが、LiCoO2粒子の表面にAlを含む酸化物からなる表層部を確実に形成するために、溶液法を適用することが好ましく、上記溶液法の中でも特に液相合成反応を用いるゾルゲル法が好ましい。
次に、本発明の非水二次電池用正極について説明する。本発明の非水二次電池用正極は、上記本発明の非水二次電池用正極材料を正極活物質として含むことを特徴とする。本発明の非水二次電池用正極は、上記本発明の非水二次電池用正極材料を正極活物質として含むことにより、高容量で、高電圧下でも充放電サイクル特性に優れている。
次に、本発明の非水二次電池について説明する。本発明の非水二次電池は、上記本発明の非水二次電池用正極と、負極と、非水電解質と、セパレータとを備えている。本発明の非水二次電池は、本発明の非水二次電池用正極を備えているので、高容量で、高電圧下でも充放電サイクル特性に優れている。
上記負極には、例えば、負極活物質、バインダ及び必要に応じて導電助剤等を含む負極合剤層を、集電体の片面又は両面に有する構造のもの、負極活物質を単独で使用して負極としたもの、又は負極活物質を単独で集電体上に負極剤層として積層したものが使用できる。
上記非水電解質には、リチウム塩を有機溶媒に溶解した非水電解液を使用することができる。
上記セパレータには、80℃以上(より好ましくは100℃以上)170℃以下(より好ましくは150℃以下)において、その孔が閉塞する性質(即ち、シャットダウン機能)を有していることが好ましく、通常の非水二次電池等で使用されているセパレータ、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン製の微多孔膜を用いることができる。セパレータを構成する微多孔膜は、例えば、PEのみを使用したものやPPのみを使用したものであってもよく、また、PE製の微多孔膜とPP製の微多孔膜との積層体であってもよい。更に、ポリアミドイミド、ポリイミド等の耐熱性の樹脂を用いたセパレータや、上記微多孔膜の表面に無機粒子を用いた多孔質層を形成して耐熱性を付与したセパレータを用いてもよい。
本発明の非水二次電池の形態としては、スチール缶やアルミニウム缶等を外装缶として使用した筒形(角筒形や円筒形等)等が挙げられる。また、金属を蒸着したラミネートフィルムを外装体としたソフトパッケージ電池とすることもできる。
本発明の非水二次電池は、正極の充電電圧の上限をリチウム基準で4.5V以上として使用することができ、上記本発明の正極と上記従来の負極とを備えた電池の充電電圧の上限として4.4V以上の高電圧に設定しても、充放電サイクル特性を良好に維持できる。
<正極活物質の被覆処理>
先ず、LiCoO2粉体(平均粒径7μm)10gを、アセトン10gに分散させた活物質分散液を調製した。次に、トルエン22gと、DPGを35質量%溶解したアセトン溶液1.2gとを混合して被覆液を調製した。次に、上記被覆液に反応前駆体であるアルミニウムエトキシド(AE)0.16gを加えて撹拌して溶解させて被覆混合液を調製した。次に、上記活物質分散液に上記被覆混合液を滴下して混合して反応溶液を調製した。
被覆処理した上記正極活物質前駆体90質量部と、導電助剤であるアセチレンブラック(平均粒子径:50nm)5質量部と、バインダであるポリフッ化ビニリデン(PVDF)5質量部とを混合して正極合剤とし、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散させて、正極合剤含有ペーストを調製した。
電池の組み立てはアルゴングローブボックスの中で行った。負極にはリチウム金属を用い、セパレータには多孔性のポリプロピレンフィルムを用いた。電池外装体にはアルミラミネートフィルムを用いた。上記セパレータを介して上記正極と上記負極とを対向させた積層体を上記外装体内に装填し、一部を残して上記外装体の外周を溶着封止した。次に、上記外装体内にエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比1:2の混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解させた電解液を200μL注入した。注入後に上記外装体を完全に溶着封止し、非水二次電池を得た。
作製した電池を、25℃環境下で、電池電圧が4.7Vに達するまで0.05C(LiCoO2の理論容量約274mAh/gを1Cとする。)の定電流で充電し、4.7Vに達した後は、4.7Vの定電圧で充電電流が0.005C未満になるまで充電した。この初回充電によりLiCoO2理論充電容量の90%より多くのLiが脱離し、正極活物質内部と表面被覆層との間の格子不整合性が十分に高まり、結晶子サイズの微細化を起こさせた。充電後、0.05Cの 定電流で電池電圧が2.5Vになるまで放電した。その際、上記初回充放電における充電容量と放電容量とを記録した。
初回充放電を終了した電池を、25℃環境下で、電池電圧が4.7Vに達するまで0.2Cの定電流で充電し、4.7Vに達した後は、4.7Vの定電圧で充電電流が0.02C未満になるまで充電した。その後、0.2Cの 定電流で電池電圧が2.5Vになるまで放電した。この一連の操作を1サイクルとして、20サイクルまで繰り返した。その際、各サイクルにおける充電容量と放電容量とを記録した。
上記充放電の各段階の電池をArグローブボックス内で解体して正極シートを取り出し、その正極シートを洗浄した後に乾燥して正極サンプルとした。その正極サンプルをXRD測定用の気密サンプルホルダー内にセットし、その気密サンプルホルダーを大気環境下の実験室に取り出し、直ぐに大気非暴露のex situ法でXRD測定を行った。
活物質分散液のアセトンの量を20gとすることで、反応溶液の混合反応溶媒の比誘電率を15に調整した以外は実施例1と同様にして、正極の作製、電池の組み立て、初回充放電、充放電サイクル試験、正極活物質のXRD測定を行った。
被覆混合液のトルエンの量を60gとすることで、反応溶液の混合反応溶媒の比誘電率を5に調整した以外は実施例1と同様にして、正極の作製、電池の組み立て、初回充放電、充放電サイクル試験、正極活物質のXRD測定を行った。
正極活物質として未被覆のLiCoO2粉体を用いた以外は実施例1と同様にして、正極の作製、電池の組み立て、初回充放電、充放電サイクル試験、正極活物質のXRD測定を行った。図5に比較例1で測定したX線回折パターンを示す。図5から、比較例1では、2サイクル目充電時においても比較的強い強度の回折ピークが観察されることが分かる。また、図5に基づき、実施例1と同様にしてIc/Idを算出したところ、0.28であった。以上の結果から、比較例1のLiCoO2活物質では、高電圧結晶相転移時に結晶子の微細化が十分に起きていないと考えられる。
活物質分散溶のアセトンの量を30gとすることで、反応溶液の混合反応溶媒の比誘電率を17に調整した以外は実施例1と同様にして、正極の作製、電池の組み立て、初回充放電、充放電サイクル試験、正極活物質のXRD測定を行った。
活物質分散溶の溶媒をアセトンからヘプタンに変更し、ヘプタンの量を10gとすることで、反応溶液の混合反応溶媒の比誘電率を3に調整した以外は実施例1と同様にして、正極の作製、電池の組み立て、初回充放電、充放電サイクル試験、正極活物質のXRD測定を行った。
初回充電時の上限電圧(定電圧充電の電圧)を4.6Vとした以外は実施例1と同様にして、正極の作製、電池の組み立て、初回充放電、充放電サイクル試験、正極活物質のXRD測定を行った。
初回充電時の上限電圧を4.8V(定電圧充電の電圧)とした以外は実施例1と同様にして、正極の作製、電池の組み立て、初回充放電、充放電サイクル試験、正極活物質のXRD測定を行った。
初回充電を、充電容量が245mAh/g(理論充電容量比:89.4%)に達した時点で終了した(容量終止式の充電)以外は実施例1と同様にして、正極の作製、電池の組み立て、初回充放電、充放電サイクル試験、正極活物質のXRD測定を行った。
Claims (11)
- 酸化物粒子からなる非水二次電池用正極材料であって、
前記酸化物粒子は、バルク部と、前記バルク部を被覆する表層部とを含み、
前記バルク部は、コバルト酸リチウムからなり、
前記表層部は、Alを含む酸化物からなり、
前記非水二次電池用正極材料を充放電した場合、前記コバルト酸リチウムのCoO6八面体のスタッキングに由来するX線回折線において、放電時の回折ピークの最大強度をIdとし、充電時の回折ピークの最大強度をIcとし、その比をIc/Idとすると、Ic/Id<0.1であることを特徴とする非水二次電池用正極材料。 - Li基準で4.5Vよりも高い充電電圧で用いられる請求項1に記載の非水二次電池用正極材料。
- 前記放電時の放電下限電圧が、Li基準で2.5〜3.5Vであり、前記充電時の充電上限電圧が、Li基準で4.55〜4.75Vである請求項1又は2に記載の非水二次電池用正極材料。
- 前記表層部は、一般組成式Li(AlxCo1-x)O2で表される複合酸化物からなる請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水二次電池用正極材料。
- 前記表層部の含有量が、前記表層部を構成するAlを含む酸化物の組成がAl2O3として換算した場合、前記バルク部100質量部に対して、0.1〜2質量部である請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水二次電池用正極材料。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水二次電池用正極材料の製造方法であって、
コバルト酸リチウム粒子を、アルミニウムアルコキシドと、ポリオール類及び2種以上の有機溶媒を含む混合反応溶媒と、塩基とを用いたゾルゲル法により、Alを含む酸化物で被覆して被覆複合酸化物を作製する工程と、
前記被覆複合酸化物粒子を初回充放電する工程とを含み、
前記混合反応溶媒の比誘電率が5〜15であることを特徴とする非水二次電池用正極材料の製造方法。 - コバルト酸リチウム粒子を、第1の有機溶媒に分散させて分散液を調製する第1の工程と、
アルミニウムアルコキシドと、ポリオール類と、第2の有機溶媒とを含む混合液を調製する第2の工程と、
前記分散液と前記混合液とを混合して、反応溶液を調製する第3の工程と、
前記反応溶液に塩基及び水を添加して、前記コバルト酸リチウム粒子の表面にゲル皮膜を形成する第4の工程と、
前記ゲル皮膜を形成した前記コバルト酸リチウム粒子を含む前記反応溶液をろ過して得た固形分を乾燥し、前記固形分を焼成する第5の工程と、
焼成した前記固形分を初回充放電する第6の工程とを含み、
前記反応溶液に含まれる混合反応溶媒の比誘電率が5〜15であり、
前記初回充放電の充電上限電圧が、Li基準で4.7V以上4.8V未満であり、
前記初回充放電の充電容量をAQ、LiCoO2の理論充電容量をTQとすると、AQ>0.9TQの関係が成立する請求項6に記載の非水二次電池用正極材料の製造方法。 - 前記ポリオール類が、ジプロピレングリコールである請求項6又は7に記載の非水二次電池用正極材料の製造方法。
- 前記塩基が、アンモニアである請求項6〜8のいずれか1項に記載の非水二次電池用正極材料の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水二次電池用正極材料を正極活物質として含むことを特徴とする非水二次電池用正極。
- 正極と、負極と、非水電解質とを含む非水二次電池であって、
前記正極が、請求項10に記載の非水二次電池用正極であることを特徴とする非水二次電池。
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