JP2017191720A - 非水電解質二次電池及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】低い抵抗と高い耐久性を備えた非水電解質二次電池及びその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の非水電解質二次電池1は、正極活物質を含む正極活物質層21を備えた正極2と、負極活物質を含む負極活物質層31を備えた負極3と、非水電解質4とを、各活物質層21,31が対向した状態で有し、正極活物質が、ポリアニオン構造のコア部と、それを被覆するシェル部とを、コア部の比表面積(A(m2/g))と、正極活物質に占めるシェル部の質量割合(B(mass%))と、の関係が0.1≦B/A≦5で有し、両活物質層21,31の対向面の面積(C(mm2))と、電池容量(D(mAh))とが、C/D≧45(mm2/mAh)の関係を満たし、非水電解質4が0.1〜1mass%の割合で、オキサラート錯体のリチウム塩を含む。本発明の製造方法は、二次電池1を組み立て、35℃以上の温度で、4.1V以上の被膜生成処理を施す。【選択図】図1
Description
本発明は、非水電解質二次電池及びその製造方法に関し、詳しくはポリアニオン構造の酸化物よりなるコア部の表面をシェル部が被覆した正極活物質を用いた非水電解質二次電池及びその製造方法に関する。
ノート型コンピュータ、携帯電話、デジタルカメラ等の普及に伴い、これら小型の電子機器を駆動するための二次電池の需要が拡大している。そして、これら電子機器には、高容量化が可能であることから、非水電解質二次電池(特に、リチウムイオン二次電池)の使用が進められている。
非水電解質二次電池は、小型の電子機器への利用に加えて、車両(EV,HV,PHV)や家庭用電源(HEMS)等の大電力が求められる用途への適用も検討されている。この場合、非水電解質二次電池の電極板の大型化,多数の電極板を積層させて電極体を形成する,多数の電池セルを組み合わせて組電池とすること等の手段により、大電力を得られるようにしている。
非水電解質二次電池は、通常、正極板及び負極板をセパレータを介した状態で積層して電極体を形成し、非水電解質とともにケースに収容している。電極板は、金属板(金属箔)よりなる集電体の表面に、電極活物質を含むペーストを塗布・乾燥し、所定の形状に成形して製造される。
非水電解質二次電池としては、リチウムイオン二次電池がある。リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを吸蔵・放出する正極活物質を用いる。
非水電解質二次電池としては、リチウムイオン二次電池がある。リチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを吸蔵・放出する正極活物質を用いる。
リチウムイオン二次電池の正極活物質としては、結晶構造中にXO4四面体(X=P,As,Si,Mo等の元素)を含むポリアニオン系正極活物質が、その構造が安定していることから使用が進められている。ポリアニオン系正極活物質のうち、オリビン型構造(LiMPO4)の正極活物質(例えば、LiFePO4やLiMnPO4)が熱安定性に優れていることから、リチウムイオン電池への適用が進められている。特に、LiMnPO4は、LiFePO4より高電位であるため、電池のエネルギー密度を向上させることができ、利用が進められている。
オリビン型構造の正極活物質を用いたリチウム電池は、特許文献1に記載されている。特許文献1には、LiMnFePO4系の正極活物質が記載されている。
オリビン型構造の正極活物質を用いたリチウム電池は、特許文献1に記載されている。特許文献1には、LiMnFePO4系の正極活物質が記載されている。
このポリアニオン系の正極活物質は、XO4四面体が安定構造であることから、電子伝導性やLi拡散速度が低いことが問題となっている。この問題に対し、電子伝導性を付与することを目的として、活物質粒子の微粒子化や活物質表面へのカーボンよりなる被膜を形成することが提案されている。さらに、活物質粒子の表面のカーボン被膜がLi拡散能の障壁を抑制するために、カーボン被膜を薄くすることも検討されている。
しかしながら、活物質表面のカーボン被膜を薄くすることは、電極作製時の材料の混練やプレスの各工程において、活物質表面のカーボン被膜の破損を招き、電子伝導性をも低下させるおそれがあった。
この問題は、LiMnPO4を正極活物質に用いる場合に顕著になる。このことは、まず、LiMnPO4自体のLi拡散能がLiFePO4より2桁低いため、粒子サイズを小さくする必要があるが、均一で薄いカーボン被膜の形成が材料合成時に困難となることによる。
その上、充放電時の正極活物質の膨張収縮が、LiFePO4では+7%であるのに対し、LiMnPO4では+10%と大きく、均一で薄いカーボン被膜が形成できたとしても、充放電時に正極活物質の膨張収縮によりカーボン被膜が損傷し、電子伝導性が悪化していた。
さらに、車両に搭載した非水電解質二次電池では、急速充電特性(高レートでの充電が可能であること)が要求される。オリビン系の正極活物質の急速充電での律速過程は、活物質自身及び活物質表面のカーボン被膜のLi拡散能(イオン伝導性)による。すなわち、従来のポリアニオン構造の正極活物質を用いる非水電解質二次電池では、Li拡散能が低いことによる抵抗の増加という問題があった。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、低い抵抗と高い耐久性を備えた非水電解質二次電池及びその製造方法を提供することを課題とする。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、低い抵抗と高い耐久性を備えた非水電解質二次電池及びその製造方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために本発明者らは非水電解質二次電池について検討を重ねた結果、本発明を完成した。
本発明の非水電解質二次電池は、正極集電体と、正極集電体の表面に形成された正極活物質を含む正極活物質層と、を備えた正極と、負極集電体と、負極集電体の表面に形成された負極活物質を含む負極活物質層と、を備えた負極と、リチウムを含む非水電解質と、を、正極活物質層と負極活物質層が対向した状態で有する非水電解質二次電池であって、正極活物質が、ポリアニオン構造の酸化物よりなるコア部と、コア部の表面を被覆したシェル部とを、コア部の比表面積(A(m2/g))と、正極活物質に占めるシェル部の質量割合(B(mass%))と、の関係が0.1≦B/A≦5となる状態で有し、正極活物質層と負極活物質層が対向した対向面の面積(C(mm2))と、非水電解質二次電池の電池容量(D(mAh))とが、C/D≧45(mm2/mAh)の関係を満たし、非水電解質が、非水電解質全体の質量を100%としたときに、0.1〜1mass%の割合で、オキサラート錯体のリチウム塩を含む。
本発明の非水電解質二次電池は、薄いシェル部を備えたコア−シェル構造の正極活物質を用い、かつ電池容量当たりの電極活物質層の対向面積が大きくなっている。この構成によると、抵抗の増加が抑えられる。
そして、非水電解質がオキサラート錯体のリチウム塩を含むことで、コア−シェル構造の正極活物質を被覆するカーボン被膜が形成され、コア部の露出が抑えられて高い耐久性が発揮される。
本発明の非水電解質二次電池は、ポリアニオン構造の酸化物が、LiαMnβFeγZηXO4(Z:Fe又はMnの2価のイオン半径より小さく、Li/Li+電位が2〜4.5Vで価数変化が起こらないイオン半径の原子から選ばれる少なくとも2種、0.5≦β/(β+γ+η)、0<β+γ+η<1、η<0.1)であることが好ましい。
本発明の非水電解質二次電池は、コア部を形成するポリアニオン構造の酸化物がこの化合物よりなることで、エネルギー密度を向上させることができる。
本発明の非水電解質二次電池は、コア部を形成するポリアニオン構造の酸化物がこの化合物よりなることで、エネルギー密度を向上させることができる。
本発明の非水電解質二次電池の製造方法は、正極集電体と、正極集電体の表面に形成された正極活物質を含む正極活物質層と、を備えた正極と、負極集電体と、負極集電体の表面に形成された負極活物質を含む負極活物質層と、を備えた負極と、リチウムを含む非水電解質と、を、正極活物質層と負極活物質層が対向した状態で有する非水電解質二次電池であって、正極活物質が、ポリアニオン構造の酸化物よりなるコア部と、コア部の表面を被覆したシェル部とを、コア部の比表面積(A(m2/g))と、正極活物質に占めるシェル部の質量割合(B(mass%))と、の関係が、0.1≦B/A≦5で有し、正極活物質層と負極活物質層が対向した対向面の面積(C(mm2))と、非水電解質二次電池の電池容量(D(mAh))と、がC/D≧45(mm2/mAh)の関係を満たし、非水電解質が、非水電解質全体の質量を100%としたときに、0.1〜1mass%の割合で、オキサラート錯体のリチウム塩を含む非水電解質二次電池を組み立てる工程と、非水電解質二次電池に、35℃以上の雰囲気温度で、4.1V以上の被膜生成処理を施す工程と、を有する。
本発明の非水電解質二次電池の製造方法は、非水電解質二次電池を組み立てた状態で被膜生成処理を施すことで、コア−シェル構造の正極活物質を被覆するカーボン被膜を形成できる。すなわち、上記の効果をもつ非水電解質二次電池を製造できる。
以下、本発明の非水電解質二次電池及びその製造方法を、リチウムイオン二次電池及びそれを製造する方法で実施した形態として、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、これらの形態は、本発明を具体的に実施した形態の例であり、本発明をこの形態のみに限定するものではない。
[実施形態1]
本形態の二次電池は、図1にその構成を模式的に示したリチウムイオン二次電池1である。リチウムイオン二次電池1(以下、二次電池1と称する)は、正極2,負極3,非水電解質4を有する。
本形態の二次電池は、図1にその構成を模式的に示したリチウムイオン二次電池1である。リチウムイオン二次電池1(以下、二次電池1と称する)は、正極2,負極3,非水電解質4を有する。
[正極]
正極2は、正極活物質を含有する。正極2は、正極集電体20と、正極集電体20の表面に形成された、正極活物質を含む正極活物質層21とを有する。正極活物質層21は、正極活物質と導電材と結着材とを混合して得られた正極合材を正極集電体20の表面に塗布、乾燥して形成される。正極活物質層21は、乾燥後に圧縮してもよい。正極合材は、適当な溶媒によりペースト状(スラリー状)をなしている。
正極2は、正極活物質を含有する。正極2は、正極集電体20と、正極集電体20の表面に形成された、正極活物質を含む正極活物質層21とを有する。正極活物質層21は、正極活物質と導電材と結着材とを混合して得られた正極合材を正極集電体20の表面に塗布、乾燥して形成される。正極活物質層21は、乾燥後に圧縮してもよい。正極合材は、適当な溶媒によりペースト状(スラリー状)をなしている。
正極活物質は、ポリアニオン構造の酸化物よりなるコア部と、コア部の表面をカーボンで被覆したシェル部と、を有する。この正極活物質は、導電性の低いコア部を、導電性の高いカーボンよりなるシェル部で被覆したことで、導電性(電子伝導性)が向上する。また、コア部が露出しなくなり、コア部が吸水することを防止することもできる。
正極2において、コア−シェル構造を形成する正極活物質は、コア部(ポリアニオン構造の酸化物)の比表面積(A(m2/g))と、正極活物質に占めるシェル部の質量割合(B(mass%))との関係が0.1≦B/A≦5となる。ここで、B(mass%)で示されるシェル部の質量割合は、コア−シェル構造を有する正極活物質の質量を100mass%としたときの、シェル部の質量の割合を示す。
正極活物質のコア部(ポリアニオン構造の酸化物)とシェル部がこの関係を満たすことで、コア部の表面の全面をシェル部のカーボンが均一に被覆した構造となる。
B/Aで示される比は、正極活物質に占めるシェル部の割合を示し、0.1以上となることで、コア部の表面の全面をシェル部のカーボンが均一に被覆した構造となる。B/Aで示される比が0.1未満となると、コア部の表面に対するシェル部のカーボン量(カーボンが占める割合)が少なくなり、シェル部の形成が不十分になるおそれがある。また、シェル部の厚さが薄くなり、正極活物質の取扱時にシェル部が損傷しやすくなる。例えば、正極活物質粒子を混合(具体的には、スラリーを混練)したときに、活物質粒子同士が衝突(あるいは摺接)し、シェル部が損傷してコア部が露出する。
B/Aで示される比が5を超えて大きくなると、シェル部のカーボンが過剰に厚く形成される。シェル部を形成するカーボンは、正極活物質をリチウム(Liイオン)が拡散するときの律速過程であり、高いレートでの抵抗の上昇を招く。すなわち、B/Aで示される比が5以下となることで、抵抗の上昇が抑えられる。
また、正極活物質に占めるコア部の割合(体積割合)が減少し、単位体積当たりの電池容量の低下を招く。
また、正極活物質に占めるコア部の割合(体積割合)が減少し、単位体積当たりの電池容量の低下を招く。
コア部を形成するポリアニオン構造の酸化物は、限定されるものではないが、LiαMnβFeγZηXO4とすることができる。なお、Z:Fe又はMnの2価のイオン半径より小さく、Li/Li+電位が2〜4.5Vで価数変化が起こらないイオン半径の原子から選ばれる少なくとも2種、0.5≦β/(β+γ+η)、0<β+γ+η<1、η<0.1である。
LiαMnβFeγZηXO4で示される酸化物(複合酸化物)は、オリビン型構造(LiMPO4)においてMnを含む。LiMnPO4(LiMnPO4系複合酸化物)は、上記のように、二次電池のエネルギー密度を向上させる。
そして、本形態の複合酸化物は、Fe(遷移金属元素)と、Zで表した元素とを含む。複合酸化物に他の元素をドープすることで、結晶構造を維持しながら特性を改善する。オリビン型構造の酸化物(LiMPO4)は、結晶性が高く、結晶構造内をLiが拡散しにくくなっていた。つまり、結晶性の高さがLiの拡散速度を律速としていた。このため、従来では、他の元素をドープして結晶欠陥を生じさせ、Liの拡散速度を速めていた。そして、本形態では、Zで表した元素が、Fe又はMnの2価のイオン半径より小さく、Li/Li+電位が2〜4.5Vで価数変化が起こらないイオン半径の原子から選ばれる少なくとも2種である。ドープする元素のイオン半径がFe又はMnの2価のイオン半径より小さくなることで、複合酸化物の結晶欠陥が過剰になることを抑えながら、Liの拡散速度を速めることができる。このとき、ドープする元素は、Li/Li+電位が2〜4.5Vで価数変化が起こらないことで、小さなイオン半径が維持され、ドープの効果を発揮できる。ドープする元素(Z)のイオン半径がFeやMnの2価のイオン半径よりも大きくなると、複合酸化物の結晶欠陥が過剰に大きくなり、充放電を繰り返したときに複合酸化物自身の崩壊や、体積変化に起因するシェル部の損傷が生じる。また、Li/Li+電位が2〜4.5Vで価数変化が生じると、価数変化後にドープ元素としての効果を発揮できなくなる。
Zで表した元素のイオン半径の比較に用いられるFe又はMnのイオン半径は、複合酸化物を形成している状態での価数でのイオン半径である。すなわち、LiαMnβFeγZηXO4において、FeとMnはいずれも2価の状態で含まれており、それぞれ2価の状態のイオン半径で比較する。
Zに用いられる、Fe又はMnの2価のイオン半径より小さいイオン半径の原子であって、Li/Li+電位が2〜4.5Vで価数変化が起こらない原子としては、Co,Ni,Cr,V,Mg,Al,Zn,Cu,Nb,Ti,Zrを挙げることができる。
http://home.hiroshima-u.ac/jp/er/Min_G2.htmlに記載のイオン半径(Shannon R.D., Prewitt CT, Effective ionic radii in oxides and fluorides, Acta Crystallographica (1969) B25, 925-946に記載のイオン半径)によると、Fe(2価):0.78Å、Mn(2価):0.83Åである。そして、Co(2価):0.75Å、Ni(2価):0.69Å、Cr(3価):0.62Å、V(3価):0.64Å、Mg(2価):0.72Å、Al(3価):0.53Å、Zn(2価):0.75Å、Cu(2価):0.73Å、Nb(5価):0.64Å、Ti(4価):0.61Å、Zr(4価):0.72Åである。
Zに用いられる原子は、そのイオン半径が、Feの2価のイオン半径とMnの2価のイオン半径との間であることがより好ましい。
http://home.hiroshima-u.ac/jp/er/Min_G2.htmlに記載のイオン半径(Shannon R.D., Prewitt CT, Effective ionic radii in oxides and fluorides, Acta Crystallographica (1969) B25, 925-946に記載のイオン半径)によると、Fe(2価):0.78Å、Mn(2価):0.83Åである。そして、Co(2価):0.75Å、Ni(2価):0.69Å、Cr(3価):0.62Å、V(3価):0.64Å、Mg(2価):0.72Å、Al(3価):0.53Å、Zn(2価):0.75Å、Cu(2価):0.73Å、Nb(5価):0.64Å、Ti(4価):0.61Å、Zr(4価):0.72Åである。
Zに用いられる原子は、そのイオン半径が、Feの2価のイオン半径とMnの2価のイオン半径との間であることがより好ましい。
正極活物質は、上記した組成式に示された範囲内で、2種以上の異なる組成を有するものから形成されていてもよい。
正極2は、上記した正極活物質のみを含有していても、別の正極活物質と混合していても、いずれでもよい。別の正極活物質は、従来のリチウムイオン二次電池で正極活物質として使用されている物質である。従来のリチウムイオン二次電池で正極活物質としては、例えば、種々の酸化物、硫化物、リチウム含有酸化物、導電性高分子などを挙げることができる。リチウム−遷移金属複合酸化物であることが好ましい。
正極2は、上記した正極活物質のみを含有していても、別の正極活物質と混合していても、いずれでもよい。別の正極活物質は、従来のリチウムイオン二次電池で正極活物質として使用されている物質である。従来のリチウムイオン二次電池で正極活物質としては、例えば、種々の酸化物、硫化物、リチウム含有酸化物、導電性高分子などを挙げることができる。リチウム−遷移金属複合酸化物であることが好ましい。
リチウム−遷移金属複合酸化物は、上記した組成式中において、(0≦α≦2.0、0≦β≦1.5、1≦η≦1.5、0≦γ≦1.5)を満たす複合酸化物を挙げることができる。
ここで、別の正極活物質については、ポリアニオン構造であっても、ポリアニオン構造以外の構造であっても、いずれでもよい。例えば、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NMC)で表される層状構造の酸化物をあげることができる。
別の正極活物質においても、上記した正極活物質と同様に、その表面をカーボンで被覆したコア−シェル構造であってもよい。
別の正極活物質においても、上記した正極活物質と同様に、その表面をカーボンで被覆したコア−シェル構造であってもよい。
正極2が、上記した正極活物質と、別の正極活物質と、の混合物を含有する場合、その混合割合が限定されるものではない。上記した正極活物質がリッチな状態、すなわち、上記した正極活物質と別の正極活物質のLi原子の合計数を100%としたときに、上記した正極活物質のLi原子数が50%以上であることが好ましい。また、上記した正極活物質と別の正極活物質の合計の質量を100mass%としたときに、上記した正極活物質の質量が50mass%以上であることが好ましい。
導電材は、正極2の電気伝導性を確保する。導電材としては、黒鉛の微粒子,アセチレンブラック,ケッチェンブラック,カーボンナノファイバーなどのカーボンブラック,ニードルコークスなどの無定形炭素の微粒子などを使用できるが、これらに限定されない。
正極合材の結着材は、正極活物質粒子や導電材を結着する。結着材としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF),エチレンプロピレンゴム(EPDM),スチレンブタジエンゴム(SBR),ニトリルゴム(NBR),フッ素ゴムなどを使用できるが、これらに限定されない。
正極合材の溶媒としては、通常は結着材を溶解する有機溶媒を使用する。例えば、NMP,ジメチルホルムアミド,ジメチルアセトアミド,メチルエチルケトン,シクロヘキサノン,酢酸メチル,アクリル酸メチル,ジエチルトリアミン,N−N−ジメチルアミノプロピルアミン,エチレンオキシド,テトラヒドロフランなどを挙げることができるが、これらに限定されない。また、水に分散剤、増粘剤などを加えてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などで正極活物質をスラリー化する場合もある。
正極集電体20は、例えば、アルミニウム,ステンレスなどの金属を加工したもの、例えば板状に加工した箔,網,パンチドメタル,フォームメタルなどを用いることができるが、これらに限定されない。
本形態の正極2の正極活物質層21は、比表面積が5(m2/g)以上であることが好ましい。ここで、比表面積は、BET比表面積である。
本形態の正極2の正極活物質層21は、比表面積が5(m2/g)以上であることが好ましい。ここで、比表面積は、BET比表面積である。
正極活物質層21の比表面積は、非水電解質4との接触に影響を及ぼす。つまり、比表面積が5(m2/g)未満では、正極活物質層21に含まれる正極活物質と非水電解質4との接触面積が小さくなりすぎ(Liイオンとの反応量が減少し)、電池性能が低下する。比表面積の上限は限定されるものではないが、20(m2/g)以下であることが好ましい。
[負極]
負極3は、負極活物質を含有する。負極3は、負極集電体30の表面に負極活物質層31を有する。負極活物質層31は、負極活物質と結着材とを混合して得られた負極合材を負極集電体30の表面に塗布、乾燥して形成される。負極活物質層31は、乾燥後に圧縮してもよい。負極合材は、適当な溶媒によりペースト状(スラリー状)をなしている。
負極3は、負極活物質を含有する。負極3は、負極集電体30の表面に負極活物質層31を有する。負極活物質層31は、負極活物質と結着材とを混合して得られた負極合材を負極集電体30の表面に塗布、乾燥して形成される。負極活物質層31は、乾燥後に圧縮してもよい。負極合材は、適当な溶媒によりペースト状(スラリー状)をなしている。
負極3の負極活物質は、従来の負極活物質を用いることができる。負極活物質は、Ti,W,Sn,Si,Sb,Ge,Cの少なくともひとつの元素を含有する負極活物質を挙げることができる。
これらの負極活物質のうち、Cは、リチウムイオン二次電池の電解質イオンを吸蔵・脱離可能な(Li吸蔵能がある)炭素材料であることが好ましく、アモルファスコート天然黒鉛であることがより好ましい。
これらの負極活物質のうち、Cは、リチウムイオン二次電池の電解質イオンを吸蔵・脱離可能な(Li吸蔵能がある)炭素材料であることが好ましく、アモルファスコート天然黒鉛であることがより好ましい。
これらの負極活物質のうち、Sn、Sb、Geは、特に、体積変化の多い合金材料である。これらの負極活物質は、Ti−Si、Ag−Sn、Sn−Sb、Ag−Ge、Cu−Sn、Ni−Snなどのように、別の金属と合金をなしていてもよい。
これらの負極活物質のうち、Tiを含有する負極活物質として、チタン含有金属酸化物を挙げることができる。チタン含有金属酸化物は、リチウムチタン酸化物、チタン酸化物、ニオブチタン複合酸化物を挙げることができる。
これらの負極活物質のうち、Wを含有する負極活物質として、タングステン含有金属酸化物を挙げることができ、タングステン酸化物(WO3,WO2)を具体的に挙げることができる。
本形態では、正極2の正極活物質の表面に被膜を生成する処理を行う。この場合、チタン酸リチウムやタングステン酸化物(WO3)など負極電位(Li/Li+の電位)がCの負極電位より0.1V以上貴な電位の場合、適宜、負極電位の分だけ、被膜生成工程の電圧を低下させて調整してもよい。
これらの負極活物質のうち、Tiを含有する負極活物質として、チタン含有金属酸化物を挙げることができる。チタン含有金属酸化物は、リチウムチタン酸化物、チタン酸化物、ニオブチタン複合酸化物を挙げることができる。
これらの負極活物質のうち、Wを含有する負極活物質として、タングステン含有金属酸化物を挙げることができ、タングステン酸化物(WO3,WO2)を具体的に挙げることができる。
本形態では、正極2の正極活物質の表面に被膜を生成する処理を行う。この場合、チタン酸リチウムやタングステン酸化物(WO3)など負極電位(Li/Li+の電位)がCの負極電位より0.1V以上貴な電位の場合、適宜、負極電位の分だけ、被膜生成工程の電圧を低下させて調整してもよい。
負極3の導電材としては、炭素材料、金属粉、導電性ポリマーなどを用いることができる。導電性と安定性の観点から、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラックなどの炭素材料を使用することが好ましい。
負極3の結着材としては、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)、フッ素樹脂共重合体(四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体)SBR、アクリル系ゴム、フッ素系ゴム、ポリビニルアルコール(PVA)、スチレン・マレイン酸樹脂、ポリアクリル酸塩、カルボキシルメチルセルロース(CMC)などを挙げることができる。
負極3の合材の溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)などの有機溶媒、又は水などを挙げることができる。
負極3の合材の溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)などの有機溶媒、又は水などを挙げることができる。
負極集電体30は、従来の集電体を用いることができ、銅、ステンレス、チタンあるいはニッケルなどの金属を加工したもの、例えば板状に加工した箔,網,パンチドメタル,フォームメタルなどを用いることができるが、これらに限定されない。
[非水電解質]
非水電解質4は、リチウムと添加剤を含む。添加剤として、非水電解質4全体の質量を100%としたときに、0.1〜1mass%の割合で、オキサラート錯体のリチウム塩を含む。
非水電解質4は、リチウムと添加剤を含む。添加剤として、非水電解質4全体の質量を100%としたときに、0.1〜1mass%の割合で、オキサラート錯体のリチウム塩を含む。
非水電解質4は、リチウムを含むものに、オキサラート錯体のリチウム塩よりなる添加剤を含有すること以外はその材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。本形態の非水電解質4は、従来公知の非水電解質と同様に、リチウムを含む支持塩が有機溶媒に溶解してなるものに、添加剤を添加してなることが好ましい。
非水電解質の支持塩は、その種類が特に限定されるものではなく、例えば、LiPF6,LiBF4,LiClO4及びLiAsF6から選ばれる無機塩,これらの無機塩の誘導体,LiSO3CF3,LiC(SO3CF3)3及びLiN(SO2CF3)2,LiN(SO2C2F5)2,LiN(SO2CF3)(SO2C4F9),から選ばれる有機塩、並びにこれらの有機塩の誘導体の少なくとも1種であることが好ましい。これらの支持塩は、電池性能を更に優れたものとすることができ、かつその電池性能を室温以外の温度域においても更に高く維持することができる。支持塩の濃度についても特に限定されるものではなく、支持塩及び有機溶媒の種類を考慮して適切に選択することが好ましい。
支持塩が溶解する有機溶媒(非水溶媒)は、通常の非水電解質に用いられる有機溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボネート類,ハロゲン化炭化水素,エーテル類,ケトン類,ニトリル類,ラクトン類,オキソラン化合物等を用いることができる。特に、プロピレンカーボネート(PC),エチレンカーボネート(EC),1,2−ジメトキシエタン,ジメチルカーボネート(DMC),ジエチルカーボネート(DEC),エチルメチルカーボネート(EMC),ビニレンカーボネート(VC)等及びそれらの混合溶媒が好ましい。これらの有機溶媒のうち、特にカーボネート類,エーテル類からなる群より選ばれた1種以上の非水溶媒を用いることが、支持塩の溶解性、誘電率及び粘度において優れ、リチウムイオン二次電池1の充放電効率が高くなるため好ましい。
本形態のリチウムイオン二次電池1において、最も好ましい非水電解質は、支持塩が有機溶媒に溶解したものである。
本形態のリチウムイオン二次電池1において、最も好ましい非水電解質は、支持塩が有機溶媒に溶解したものである。
非水電解質4は、オキサラート錯体のリチウム塩を添加剤として含む。オキサラート錯体のリチウム塩を非水電解質4が含有することで、このオキサラート錯体由来の被膜(炭素質被膜)を正極活物質表面に形成することができる。炭素質被膜が形成されることで、正極活物質のシェル部が損傷を生じても、炭素質被膜が当該損傷部を補修することで、コア部が露出することが抑えられる。
また、充放電に伴う正極活物質の体積変化を炭素質被膜が規制する機能も発揮する。特に、上記の複合酸化物のように充放電に伴う体積変化が大きい酸化物をコア部に用いた正極活物質に用いる場合に、これらの特性はより効果を発揮する。
さらに、非水電解質4がオキサラート錯体のリチウム塩を添加剤として含むことから、二次電池1を組み立てた状態で炭素質被膜を形成できる。つまり、二次電池1の組み立てや使用によりシェル部に損傷が生じた後に、炭素質被膜を形成できる。炭素質被膜を形成しておいた正極活物質から二次電池1を組み立てた場合には、炭素質被膜及びシェル部が損傷するおそれがある。これに対し、本形態では、二次電池1を組み立てた状態で炭素質被膜を形成できることから、より確実にコア部の露出を抑えることができる。
この添加剤は、非水電解質全体の質量を100%としたときに、0.1〜1mass%の割合で含まれる。この割合で含まれることで、炭素質被膜を形成する効果を発揮できる。0.1mass%未満となると、添加量が少なく、均一な炭素質被膜の形成が困難となる。1mass%を超えると、過剰な厚さの炭素質被膜が形成されるようになる。
オキサラート錯体のリチウム塩としては、例えば、リチウムビス(オキサラート)ボレート(LiBOB)、リチウムジフルオロ(オキサラート)ボレート(LiFOB)、リチウムジフルオロビス(オキサラート)ホスフェート、リチウムビス(オキサラート)シランを挙げることができる。
また、本形態において、オキサラート錯体(のリチウム塩)は、オキサラート錯体誘導体(のリチウム塩)も含む。オキサラート錯体誘導体(のリチウム塩)としては、下記の化合物を挙げることができる。
非水電解質4は、オキサラート錯体のリチウム塩以外の添加剤を更に含有しても良い。この添加剤としては、フッ素含有リン酸エステルを挙げることができる。
フッ素含有リン酸エステルは、非水電解質4の耐電圧性を高める効果を発揮する。すなわち、二次電池1の電池電圧が高くなったときの非水電解質4の分解を抑える。また、非水電解質4のイオン伝導性を向上し、二次電池1の充放電レートを向上する。
フッ素含有リン酸エステルは、フッ素化リン酸エステルとも称される化合物であり、公知の化合物を用いることができる。フッ素含有リン酸エステルは、例えば、tris(2,2,2-trifluoroethyl)phosphate(TFEP)や、tris(2,2,3,3-tetrafluoropropyl)phosphate(TFPP)を挙げることができる。
[その他の構成]
本形態の二次電池1は、正極2及び負極3を、正極活物質層21と負極活物質層31とが対向した状態で、セパレータ5を介した状態で非水電解質4とともに、電池ケース6内に収容する。
本形態の二次電池1は、正極2及び負極3を、正極活物質層21と負極活物質層31とが対向した状態で、セパレータ5を介した状態で非水電解質4とともに、電池ケース6内に収容する。
本形態の二次電池1は、正極活物質層21と負極活物質層31が対向した対向面の面積(C(mm2))と、非水電解質二次電池1の電池容量(D(mAh))とが、C/D≧45(mm2/mAh)の関係を満たす。なお、C/Dで表される比は、小数点以下を四捨五入する。
正極活物質層21と負極活物質層31が対向した対向面は、各活物質層21,31が吸蔵放出するリチウムイオン量と相関を示す。具体的には、対向面が広くなると、多量のリチウムイオンを吸蔵放出できる。つまり、C/Dで表される比が45以上となることで、二次電池1の充放電速度を速めることができる。また、大電流での充放電も可能になる。C/Dで表される比が45未満では、これらの効果が十分い発揮できなくなる。
対向面とは、正極活物質層21と負極活物質層31が対向した状態で対向方向で2つの活物質層が重なり合った部分の面積を示す。換言すると、各活物質層21,31が対向方向で重なり合う部分を示す。
(セパレータ)
セパレータ5は、正極2及び負極3を電気的に絶縁し、非水電解質4を保持する役割を果たす。セパレータ5は、例えば、多孔性合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔膜を用いることが好ましい。
セパレータ5は、正極2及び負極3を電気的に絶縁し、非水電解質4を保持する役割を果たす。セパレータ5は、例えば、多孔性合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔膜を用いることが好ましい。
(電池ケース)
電池ケース6は、正極2及び負極3を、セパレータ5を介した状態で非水電解質4とともに、その内部に収容(封入)する。
電池ケース6は、正極2及び負極3を、セパレータ5を介した状態で非水電解質4とともに、その内部に収容(封入)する。
電池ケース6は、内部と外部との間で水分の透過を阻害する材質よりなる。このような材質としては、金属層を有する材質を挙げることができる。金属層を有する材質としては、金属そのものや、ラミネートフィルムを挙げることができる。
[二次電池の製造方法]
本形態の二次電池1は、上記の構成の二次電池1を組み立てる工程と、組み立てられた二次電池1に対し、35℃以上の雰囲気温度で、4.1V以上の被膜生成処理を施す工程と、を施して製造できる。
二次電池1を組み立てる工程は、上記した二次電池1を組み立てる工程であり、具体的な方法は限定されるものではない。
本形態の二次電池1は、上記の構成の二次電池1を組み立てる工程と、組み立てられた二次電池1に対し、35℃以上の雰囲気温度で、4.1V以上の被膜生成処理を施す工程と、を施して製造できる。
二次電池1を組み立てる工程は、上記した二次電池1を組み立てる工程であり、具体的な方法は限定されるものではない。
正極活物質と導電材と結着材とを混合して得られた正極合材を正極集電体20の表面に塗布、乾燥して正極活物質層21を有する正極2を製造できる。負極活物質と結着材とを混合して得られた負極合材を負極集電体30の表面に塗布、乾燥して負極活物質層31を有する負極3を製造できる。なお、正極2の製造においては、正極活物質のシェル部の損傷を抑えるために、正極合材の混合(混練)工程を穏やかに(せん断応力を小さく)行うことが好ましい。
製造した正極2及び負極3、予め準備したセパレータ5を、非水電解質4とともに電池ケース6に封入して製造できる。このとき、電池ケース6内に空気(及び水分)が入ることを排除できる雰囲気(例えば、乾燥雰囲気下や減圧条件下)で行うことが好ましい。
そして、組み立てられた二次電池1に対して、35℃以上の雰囲気温度で、4.1V以上の被膜生成処理を施す。この処理を施すことで、正極活物質表面にオキサラート錯体由来の炭素質被膜を形成できる。なお、雰囲気温度が室温(20℃)では、炭素質被膜が形成されない。また、4.1V未満でも均一な炭素質被膜が形成できない。
被膜生成処理の処理条件(35℃以上、4.1V以上)は、炭素質被膜を形成するための電気(電力)を付与できる範囲で変更可能な条件である。
被膜生成処理の処理条件(35℃以上、4.1V以上)は、炭素質被膜を形成するための電気(電力)を付与できる範囲で変更可能な条件である。
被膜生成処理は、二次電池1を組み立てた後であれば、処理のタイミングが限定されるものではないが、組み立ての直後に行うことが好ましい。組み立て直後に被膜生成処理を施すことで、組み立ての工程で正極活物質のシェル部に損傷を生じていた場合に、生成した炭素質被膜が当該シェル部の損傷箇所を被覆することができる。そして、二次電池1の実使用時に、コア部が露出しなくなる。
また、二次電池1を実使用する前に炭素質被膜を形成することで、正極活物質が体積変化を生じてシェル部が損傷しても、炭素質被膜が当該損傷箇所を補修することが可能となる。
さらに、炭素質被膜が、正極活物質の体積変化を規制する効果も発揮できる。
さらに、炭素質被膜が、正極活物質の体積変化を規制する効果も発揮できる。
[本形態の効果]
(第1の効果)
本形態の二次電池1は、正極集電体20の表面に形成された正極活物質を含む正極活物質層21を備えた正極2と、負極集電体30の表面に形成された負極活物質を含む負極活物質層31を備えた負極3と、リチウムを含む非水電解質4と、を正極活物質層21と負極活物質層31が対向した状態で有する。
(第1の効果)
本形態の二次電池1は、正極集電体20の表面に形成された正極活物質を含む正極活物質層21を備えた正極2と、負極集電体30の表面に形成された負極活物質を含む負極活物質層31を備えた負極3と、リチウムを含む非水電解質4と、を正極活物質層21と負極活物質層31が対向した状態で有する。
そして、本形態の二次電池1は、正極活物質を、ポリアニオン構造の酸化物よりなるコア部と、コア部の表面を被覆したカーボンよりなるシェル部とを、コア部の比表面積(A(m2/g))と、正極活物質に占めるシェル部の質量割合(B(mass%))と、の関係が0.1≦B/A≦5となる状態で有する。正極活物質がこの構成となることで、正極活物質に電子伝導性を付与できる。そして、B/Aで示される比がこの範囲となることで、薄く、かつ均一なシェル部を形成できる。
また、本形態の二次電池1は、正極活物質層21と負極活物質層31が対向した対向面の面積(C(mm2))と、二次電池1の電池容量(D(mAh))とが、C/D≧45(mm2/mAh)の関係を満たす。この関係を満たすことで、二次電池1が多量のリチウムイオンを吸蔵放出できる。つまり、二次電池1の充放電速度を速めることができる。また、大電流での充放電も可能になる。
さらに、本形態の二次電池1は、非水電解質4が、全体の質量を100%としたときに、0.1〜1mass%の割合で、オキサラート錯体のリチウム塩を含む。この構成となることで、オキサラート錯体由来の被膜(炭素質被膜)を正極活物質表面に形成することができる。この被膜が形成されることで、正極活物質のシェル部が損傷しても、炭素質被膜がシェル部を補修することとなり、コア部が露出することが抑えられる。また、正極活物質の体積変化を規制する効果を発揮する。
(第2の効果)
本形態の二次電池1は、正極2のコア部を形成するポリアニオン構造の酸化物が、LiαMnβFeγZηXO4(Z:Fe又はMnの2価のイオン半径より小さく、Li/Li+電位が2〜4.5Vで価数変化が起こらないイオン半径の原子から選ばれる少なくとも2種、0.5≦β/(β+γ+η)、0<β+γ+η<1、η<0.1)である。
本形態の二次電池1は、正極2のコア部を形成するポリアニオン構造の酸化物が、LiαMnβFeγZηXO4(Z:Fe又はMnの2価のイオン半径より小さく、Li/Li+電位が2〜4.5Vで価数変化が起こらないイオン半径の原子から選ばれる少なくとも2種、0.5≦β/(β+γ+η)、0<β+γ+η<1、η<0.1)である。
コア部を形成するポリアニオン構造の酸化物は、この酸化物よりなることで、オリビン型構造の酸化物でありながら、結晶構造を維持しながら充放電特性を改善することができる。特に、Zで表した元素がFe又はMnの2価のイオン半径より小さいイオン半径の原子から選ばれる少なくとも2種である。ドープする元素のイオン半径が小さくなることで、結晶構造を維持しながらLiの拡散速度を速めることができる。
(第3の効果)
本形態の二次電池1は、非水電解質4が、更にフッ素含有リン酸エステルを含む。フッ素含有リン酸エステルを含むことで、非水電解質4の耐電圧性を高める効果を発揮する。さらに、非水電解質4のイオン伝導性を向上し、二次電池1の充放電レートを向上する。
本形態の二次電池1は、非水電解質4が、更にフッ素含有リン酸エステルを含む。フッ素含有リン酸エステルを含むことで、非水電解質4の耐電圧性を高める効果を発揮する。さらに、非水電解質4のイオン伝導性を向上し、二次電池1の充放電レートを向上する。
(第4の効果)
本形態の二次電池1は、リチウムイオン二次電池である。上記のように、本発明をリチウムイオン二次電池に適用することで、上記の優れた効果を発揮できる。
本形態の二次電池1は、リチウムイオン二次電池である。上記のように、本発明をリチウムイオン二次電池に適用することで、上記の優れた効果を発揮できる。
(第5の効果)
本形態の二次電池1の製造方法は、二次電池1を組み立てる工程と、二次電池1に、35℃以上の雰囲気温度で、4.1V以上の被膜生成処理を施す工程と、を有する。
本形態の二次電池1の製造方法は、二次電池1を組み立てる工程と、二次電池1に、35℃以上の雰囲気温度で、4.1V以上の被膜生成処理を施す工程と、を有する。
本形態の製造方法によると、組み立てられた二次電池1に対して、被膜生成処理を施す。この処理を施すことで、正極活物質表面にオキサラート錯体由来の炭素質被膜を形成できる。つまり、上記した炭素質被膜の形成の効果が発揮される。
その上、本形態の製造方法によると、二次電池1を組み立てた状態で炭素質被膜を形成できる。これによると、組み立てられた状態の二次電池1に対して被膜生成処理を施すことで、上記効果を発揮する炭素質被膜を形成できる。
[実施形態2]
本形態は、実施形態1の二次電池1をラミネート型の電池に適用した形態であり、正極2,負極3,非水電解質4等の構成は、実施形態1と同様である。本形態の二次電池1の構成を、図2〜図3に示した。図2では二次電池1を斜視図で、図3では図2中のIII−III断面における断面図で、それぞれ構成を示した。
本形態は、実施形態1の二次電池1をラミネート型の電池に適用した形態であり、正極2,負極3,非水電解質4等の構成は、実施形態1と同様である。本形態の二次電池1の構成を、図2〜図3に示した。図2では二次電池1を斜視図で、図3では図2中のIII−III断面における断面図で、それぞれ構成を示した。
本形態のリチウムイオン二次電池1は、正極2及び負極3をラミネートケースよりなる電池ケース6に収容(封入)してなる。なお、本形態で特に限定されない構成は、実施形態1と同様とする。
正極2は、略方形状の正極集電体20の表面(両面)に、正極活物質層21を形成してなる。正極2は、方形状の1辺に、正極集電体20が露出した(正極活物質層21が形成されない)未塗布部22を有する。
負極3は、略方形状の負極集電体30の表面(両面)に、負極活物質層31を形成してなる。負極3は、方形状の1辺に、負極集電体30が露出した(負極活物質層31が形成されない)未塗布部32を有する。
負極3は、負極活物質層31が、正極2の正極活物質層21よりも広く形成される。図4に模式的に示したように、負極3の負極活物質層31を正極活物質層21に重ねたときに、正極活物質層21を露出することなく完全に被覆できる大きさに形成されている。
本形態の二次電池1において、正極活物質層21と負極活物質層31が対向した対向面は、互いに対向した面の合計面積に当たる。つまり、(正極活物質層21の面積)×(各活物質層21,31の対向部の数(電極2,3の積層数))に当たる。
正極2及び負極3は、セパレータ5を介して積層した状態で、非水電解質4とともにラミネートフィルムから形成される電池ケース6に収容(封入)される。
セパレータ5は、負極活物質層31よりも広い面積で形成される。
正極2及び負極3は、セパレータ5を介して積層した状態で、非水電解質4とともにラミネートフィルムから形成される電池ケース6に収容(封入)される。
セパレータ5は、負極活物質層31よりも広い面積で形成される。
正極2及び負極3は、セパレータ5を介した状態で、正極活物質層21と負極活物質層31との中心が重なる状態で積層される。このとき、正極2の未塗布部22と、負極3の未塗布部32と、が反対方向(互いに背向する方向)に配される。
(電池ケース)
電池ケース6は、ラミネートフィルム60から形成される。ラミネートフィルムは、可塑性樹脂層601/金属箔602/可塑性樹脂層603をこの順で含む。電池ケース6は、予め所定の形状に曲成されたラミネートフィルム60を、熱や何らかの溶媒により可塑性樹脂層601,503を軟化させた状態で別のラミネートフィルムなどに押圧することにより接着される。
電池ケース6は、ラミネートフィルム60から形成される。ラミネートフィルムは、可塑性樹脂層601/金属箔602/可塑性樹脂層603をこの順で含む。電池ケース6は、予め所定の形状に曲成されたラミネートフィルム60を、熱や何らかの溶媒により可塑性樹脂層601,503を軟化させた状態で別のラミネートフィルムなどに押圧することにより接着される。
電池ケース6は、正極2及び負極3を収容可能な形状に予め成形(エンボス加工)されたラミネートフィルム60を重ね合わせ、外周の端縁部を全周にわたって接着して、正極2及び負極3を内部に封入して形成される。外周の接着により、封止部が形成される。本形態での外周の接着は、融着でなされた。
電池ケース6は、ラミネートフィルム60に、別のラミネートフィルム60を重ね合わせて形成される。ここで、別のラミネートフィルム60とは、接着(融着)されるラミネートフィルムを示すものである。すなわち、電池ケース6は、2枚以上のラミネートフィルム60から形成する態様だけでなく、1枚のラミネートフィルムを折り返して形成する態様も含む。
電池ケース6の外周の接着(組み立て)は、減圧雰囲気下(好ましくは真空)で行われる。これにより、電池ケース6内に大気(それに含まれる水分)が含まれることなく、電極体のみが封入される。
予め成形されたラミネートフィルム60は、図2〜図3に示したように、重ね合わされたときに別のラミネートフィルム60との間で封止部62を形成する平板部61と、平板部61の中央部に形成された正極2及び負極3を収容可能な槽状部63と、を有する。
ラミネートフィルム60,60は、図2〜図3に示したように、正極2及び負極3を収容可能な凹字状をなすように曲成(成形)されている。ラミネートフィルム60,60は、同一形状をなし、互いに対向した向きで重ね合わせたときに、平板部61,61が完全に重なり合う。
ラミネートフィルム60は、平板部61及び槽状部63の底部63A(リチウムイオン二次電池1の積層方向の端部を形成する部分)が平行に形成されている。平板部61と槽状部63の底部63Aとは、立設部63Bにより接続されている。立設部63Bは、平板部61及び底部63Aの平行な方向に対して交差する方向(傾斜した方向)に伸びている。底部63Aは、槽状部63の開口部(平板部61の内方の端部)よりも小さく形成されている。
電池ケース6において、平板部61,61の周縁部に封止部62が形成され、封止部62の内方(電極体に近接する方向)には、平板部61,61が重なり合った未接着の部分が形成されている。平板部61,61が重なり合った未接着の部分は、当接した状態であっても、隙間を形成した状態であっても、いずれでもよい。さらに、電極板2,3の未塗布部22,32やセパレータ5が介在していてもよい。
ラミネートフィルム60,60は、図2〜図3に示された形状に予め成形されている。この形状への成形は、従来公知の成形方法が用いられる。
リチウムイオン二次電池1は、正極2と負極3のそれぞれが、電極端子(正極端子65,負極端子66)に接続される。
ラミネートフィルム60,60は、図2〜図3に示された形状に予め成形されている。この形状への成形は、従来公知の成形方法が用いられる。
リチウムイオン二次電池1は、正極2と負極3のそれぞれが、電極端子(正極端子65,負極端子66)に接続される。
(電極端子)
正極端子65は、正極2の未塗布部22に電気的に接続されている。負極端子66は、負極3の未塗布部32に電気的に接続されている。本形態では、電極端子65,66のそれぞれには、電極2,3の未塗布部22,32が溶接(振動溶接)で接合されている。電極2,3の未塗布部22,32の幅方向の中央部が、電極端子65,66に接合される。
正極端子65は、正極2の未塗布部22に電気的に接続されている。負極端子66は、負極3の未塗布部32に電気的に接続されている。本形態では、電極端子65,66のそれぞれには、電極2,3の未塗布部22,32が溶接(振動溶接)で接合されている。電極2,3の未塗布部22,32の幅方向の中央部が、電極端子65,66に接合される。
電極端子65,66のそれぞれは、電池ケース6を貫通する部分では、ラミネートフィルム60,60の可塑性樹脂層601と電極端子65,66とが密封状態を保つように、シーラント64を介して接合されている。
電極端子65,66はシート状(箔状)の金属よりなり、シーラント64は、シート状の電極端子65,66を被覆する樹脂よりなる。シーラント64は、電極端子65,66が平板部61と重なる部分を被覆する。電極端子65,66がシート状をなすことで、電池ケース6を貫通する部分で電極端子65,66が介在することによるラミネートフィルム60の変形の応力を低減できる。また、電極2,3の未塗布部22,32との溶接(振動溶接)を簡単に行うことができる。
[効果]
本形態の二次電池1は、形状が異なること以外は、実施形態1と同様な構成であり、実施形態1と同様な効果を発揮する。
本形態の二次電池1は、形状が異なること以外は、実施形態1と同様な構成であり、実施形態1と同様な効果を発揮する。
本形態の二次電池1はラミネート型の電池に適用しているが、本発明はこの形態に限定されるものではない。例えば、本形態のラミネート型の不定形の二次電池1以外に、コイン型,円筒型,角型等、種々の形状の電池とすることができる。
さらに、本形態では、正極2及び負極3が板状(あるいは、シート状)で、複数枚を積層して形成されている。この構成によると、上記した正極活物質層21と負極活物質層31が対向した対向面の面積(C(mm2))と、二次電池1の電池容量(D(mAh))とを大きくすることができる。つまり、高い電池性能を有する二次電池1となる効果を発揮する。
本形態の二次電池1では、正極2と負極3を積層した状態で、積層方向の両端面に正極活物質層21と負極活物質層31が形成されているが、この端面の各活物質層21,31は形成されていなくてもよい。
以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明する。
本発明を具体的に説明するための実施例として、実施形態2のラミネート型のリチウムイオン二次電池1を製造した。なお、これらの製造はドライボックス中で乾燥雰囲気下で行われた。
本発明を具体的に説明するための実施例として、実施形態2のラミネート型のリチウムイオン二次電池1を製造した。なお、これらの製造はドライボックス中で乾燥雰囲気下で行われた。
[正極活物質の製造方法]
Li源(LiOH,Li2CO3)、P源((NH4)2HPO4)、Mn源(MnCO3)、Fe源(FeC2O4)、Z源(CoSO4,NiSO4,MgSO4,ZrSO4,ZnSO4)の化合物を、それぞれ所定の原子比となるように準備(秤量)する。所定の原子比とは、コア部を形成する複合酸化物の原子比である。
まず、Mn源化合物とZ源化合物とを均一に混合する。このとき、シェル部の炭素源としても働くCMC溶液を混合してもよい。
P源化合物を添加し、均一になるように湿式混合する。
Li源化合物を投入し、100℃、0.5時間の処理後、170℃、1時間の処理を行う水熱合成を施す。その後、脱水処理を施すことで、正極活物質のコア部が製造できる。製造されたコア部の粒子をXRDで確認すると、1次粒子が100nm以下となる。
Li源(LiOH,Li2CO3)、P源((NH4)2HPO4)、Mn源(MnCO3)、Fe源(FeC2O4)、Z源(CoSO4,NiSO4,MgSO4,ZrSO4,ZnSO4)の化合物を、それぞれ所定の原子比となるように準備(秤量)する。所定の原子比とは、コア部を形成する複合酸化物の原子比である。
まず、Mn源化合物とZ源化合物とを均一に混合する。このとき、シェル部の炭素源としても働くCMC溶液を混合してもよい。
P源化合物を添加し、均一になるように湿式混合する。
Li源化合物を投入し、100℃、0.5時間の処理後、170℃、1時間の処理を行う水熱合成を施す。その後、脱水処理を施すことで、正極活物質のコア部が製造できる。製造されたコア部の粒子をXRDで確認すると、1次粒子が100nm以下となる。
なお、コア部の粒子は、1μm以下の1次粒子よりなることが好ましく、500nm以下であることがより好ましい。1次粒子の粒子径状は限定されるものではなく、球状、鱗片状、ポテトライク状等の形状で良い。コア部の粒子は、粒子径が大きな場合には、適宜粉砕工程を施してもよい。
シェル部のカーボン源として、ラクトース等の糖類炭化物、ポリエチレンオキサイド(POE)やポリビニルピロリドン(PVP)等の有機ポリマーを準備する。
カーボン源を水又は酸に溶解し、水洗したコア部の複合酸化物を混合した後に、200℃のスプレードライで乾燥する。そして、600℃、1時間の加熱後、800℃、0.5時間の加熱焼成を行う。なお、加熱焼成は、3vol%で水素ガス(H2)が含まれる不活性ガス(具体的には、Arガス)雰囲気下で行う。
これにより、コア−シェル構造の正極活物質(コア−シェル構造の正極活物質)が製造できる。
カーボン源を水又は酸に溶解し、水洗したコア部の複合酸化物を混合した後に、200℃のスプレードライで乾燥する。そして、600℃、1時間の加熱後、800℃、0.5時間の加熱焼成を行う。なお、加熱焼成は、3vol%で水素ガス(H2)が含まれる不活性ガス(具体的には、Arガス)雰囲気下で行う。
これにより、コア−シェル構造の正極活物質(コア−シェル構造の正極活物質)が製造できる。
なお、コア−シェル構造の正極活物質は、2次粒子の平均粒子径が15μm以下であることが好ましく、BET比表面積が20m2/g以下であることが好ましい。また、コア−シェル構造の正極活物質は、シェル部のカーボン量を調節することで、B/Aの比を調節する。
[二次電池の製造]
正極活物質:85質量部,導電材(アセチレンブラック/AB):10質量部,バインダ(PVDF):5質量部を溶媒に混合して得られた正極合材をアルミニウム箔よりなる正極集電体20に塗布、乾燥して正極活物質層21を形成して正極2を製造する。正極活物質層21は、50μmの厚さで形成された。正極活物質層21の密度を測定したところ、1.9(g/cm3)であった。
正極活物質:85質量部,導電材(アセチレンブラック/AB):10質量部,バインダ(PVDF):5質量部を溶媒に混合して得られた正極合材をアルミニウム箔よりなる正極集電体20に塗布、乾燥して正極活物質層21を形成して正極2を製造する。正極活物質層21は、50μmの厚さで形成された。正極活物質層21の密度を測定したところ、1.9(g/cm3)であった。
負極3は、負極活物質として黒鉛を用いてなる。まず、負極活物質(黒鉛/SMG):98質量部,結着剤(スチレンブタジエンゴム/SBR):1質量部,結着剤(カルボキシメチルセルロース/CMC):1質量部を溶媒に混合して得られた負極合材を、厚さ0.01mmの銅箔よりなる負極集電体30の両面に塗布、乾燥、圧縮し、負極活物質層31を有する負極3を製造する。負極活物質層31の密度を測定したところ、1.45(g/cm3)であった。
セパレータ5には、ポリエチレンよりなる厚さ0.016mmの多孔質膜を用いる。
セパレータ5には、ポリエチレンよりなる厚さ0.016mmの多孔質膜を用いる。
非水電解質4には、EC:DMC:EMCが30:30:40の割合(vol%)になるように混合した混合溶媒に、LiPF6を1mol%となるように溶解させたものを用いる。なお、表3に記載のように、TFEPを添加する場合には、EC:DMC:EMC:TFEPが30:30:30:10の割合(vol%)となる。
非水電解質4には、添加剤として、LiBOB:0.5mass%、VC:2mass%、リチウムビストリフルオロメタンスルホンイミド(LiTFSI):0.5mass%の割合で添加された。各添加剤の添加割合は、各添加剤を除いた非水電解質4の質量を100%としている。
二次電池1は、各要素が組み付けられた後、0.2C(3.3V)でCC充電を行い、0.2C(2.6V)でCC放電を行い、電池ケース6内のガス抜きを行う(一次ガス抜き)。その後、40℃で1日保持してエージングを行い、再度ガス抜きを行う(二次ガス抜き)。組み付け後の各工程は、二次電池1の外部を積層方向に0.1MPaで加圧した状態(圧縮状態)で行う。エージングは、上記の製造方法での被膜生成処理に相当する。エージングは、二次電池1の電圧を4.2V,4.1V,4V,3.6Vの各電圧とした状態で保持することで行う。なお、特に言及しない場合は、4.2Vでエージング処理を行う。
二次ガス抜き後に、電池ケース6を本封止して、二次電池1が得られる。
二次ガス抜き後に、電池ケース6を本封止して、二次電池1が得られる。
(実施例1)
本例は、正極活物質のコア部が、LiMn0.69Fe0.25Mg0.03Zr0.01PO4よりなる。すなわち、LiαMnβFeγZηXO4において、ZがMg及びZrであり、XがPであり、α=1,β=0.69,γ=0.25,η=0.01である。Mg及びZrは、Li/Li+電位が2〜4.5Vで価数変化が起こらず、それぞれのイオン半径は上記した通りである。さらに、β/(β+γ+η)が0.70であり、0.5以上となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0.1未満である。
本例は、正極活物質のコア部が、LiMn0.69Fe0.25Mg0.03Zr0.01PO4よりなる。すなわち、LiαMnβFeγZηXO4において、ZがMg及びZrであり、XがPであり、α=1,β=0.69,γ=0.25,η=0.01である。Mg及びZrは、Li/Li+電位が2〜4.5Vで価数変化が起こらず、それぞれのイオン半径は上記した通りである。さらに、β/(β+γ+η)が0.70であり、0.5以上となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0.1未満である。
正極活物質のコア部の比表面積(A(m2/g))と、シェル部の質量割合(B(mass%))と、の比(B/A)が3となり、0.1≦B/A≦5の範囲内となっている。カーボン量は、炭素・硫黄分析装置(株式会社堀場製作所製、商品名:EMIA−920V2)を用いて測定した。
そして、本例の二次電池1は、正極活物質層21の面積(表1では、正極面積と表記。正極面積は、負極活物質層31との対向面の面積に当たる。)が675906mm2(表1中では、670000mm2と表記)、電池容量が11201mAh(表1中では、11200mAhと表記)である。正極活物質層21と負極活物質層31が対向した対向面の面積(C(mm2))と、二次電池1の電池容量(D(mAh))の比(C/D)が、60(mm2/mAh)である。この比は、45(mm2/mAh)以上である。
非水電解質4には、添加剤として、LiBOBを添加した。
非水電解質4には、添加剤として、LiBOBを添加した。
(実施例2)
本例は、正極活物質層21の面積(正極面積)が500000mm2であり、C/Dの比が、45(mm2/mAh)であること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
本例は、正極活物質層21の面積(正極面積)が500000mm2であり、C/Dの比が、45(mm2/mAh)であること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
(実施例3)
本例は、正極活物質層21の面積(正極面積)が1710000mm2であり、C/Dの比が、153(mm2/mAh)であること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
本例は、正極活物質層21の面積(正極面積)が1710000mm2であり、C/Dの比が、153(mm2/mAh)であること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
(比較例1)
本例は、正極活物質層21の面積(正極面積)が430000mm2であり、C/Dの比が、38(mm2/mAh)であること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
本例は、正極活物質層21の面積(正極面積)が430000mm2であり、C/Dの比が、38(mm2/mAh)であること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
(実施例4)
本例は、正極活物質のコア部の比表面積(A(m2/g))と、シェル部の質量割合(B(mass%))との比(B/A)が0.1であること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
本例は、正極活物質のコア部の比表面積(A(m2/g))と、シェル部の質量割合(B(mass%))との比(B/A)が0.1であること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
(実施例5)
本例は、正極活物質のコア部の比表面積(A(m2/g))と、シェル部の質量割合(B(mass%))との比(B/A)が1であること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
本例は、正極活物質のコア部の比表面積(A(m2/g))と、シェル部の質量割合(B(mass%))との比(B/A)が1であること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
(実施例6)
本例は、正極活物質のコア部の比表面積(A(m2/g))と、シェル部の質量割合(B(mass%))との比(B/A)が5であること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
本例は、正極活物質のコア部の比表面積(A(m2/g))と、シェル部の質量割合(B(mass%))との比(B/A)が5であること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
(比較例2)
本例は、正極活物質のコア部の比表面積(A(m2/g))と、シェル部の質量割合(B(mass%))との比(B/A)が7であること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
本例は、正極活物質のコア部の比表面積(A(m2/g))と、シェル部の質量割合(B(mass%))との比(B/A)が7であること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
(実施例7)
本例は、非水電解質4の添加剤としてLiBOBに替えてLiPFOを用いたこと以外は実施例1と同様な二次電池1である。LiPFOは、上記の(1)式で示した化合物である。
本例は、非水電解質4の添加剤としてLiBOBに替えてLiPFOを用いたこと以外は実施例1と同様な二次電池1である。LiPFOは、上記の(1)式で示した化合物である。
(比較例3)
本例は、非水電解質4の添加剤としてLiBOBを添加しないこと以外は実施例1と同様な二次電池1である。
本例は、非水電解質4の添加剤としてLiBOBを添加しないこと以外は実施例1と同様な二次電池1である。
(実施例8)
本例は、非水電解質4の添加剤のLiBOBの添加量を0.1mass%としたこと以外は実施例1と同様な二次電池1である。
本例は、非水電解質4の添加剤のLiBOBの添加量を0.1mass%としたこと以外は実施例1と同様な二次電池1である。
(実施例9)
本例は、非水電解質4の添加剤のLiBOBの添加量を1mass%としたこと以外は実施例1と同様な二次電池1である。
本例は、非水電解質4の添加剤のLiBOBの添加量を1mass%としたこと以外は実施例1と同様な二次電池1である。
(比較例4)
本例は、非水電解質4の添加剤のLiBOBの添加量を2mass%としたこと以外は実施例1と同様な二次電池1である。
本例は、非水電解質4の添加剤のLiBOBの添加量を2mass%としたこと以外は実施例1と同様な二次電池1である。
[評価]
各例の二次電池1の評価として、出力抵抗と入力抵抗(入出力抵抗)、容量維持率、充電容量比を測定した。
各例の二次電池1の評価として、出力抵抗と入力抵抗(入出力抵抗)、容量維持率、充電容量比を測定した。
[入出力抵抗]
各例の二次電池1に対し、25℃雰囲気下で充電レートが1Cの充電を30min行った。この充電により、二次電池1のSOCが50%に調整される。
続いて、(A)放電レートが3Cの放電を20sec、(B)充電レートが1Cの充電をSOCが50%になるまで、(C)充電レートが3Cの充電を20sec、(D)放電レートが1Cの放電をSOCが50%になるまで行った。
各例の二次電池1に対し、25℃雰囲気下で充電レートが1Cの充電を30min行った。この充電により、二次電池1のSOCが50%に調整される。
続いて、(A)放電レートが3Cの放電を20sec、(B)充電レートが1Cの充電をSOCが50%になるまで、(C)充電レートが3Cの充電を20sec、(D)放電レートが1Cの放電をSOCが50%になるまで行った。
(E)放電レートが5Cの放電を20sec、(F)充電レートが1Cの充電をSOCが50%になるまで、(G)充電レートが5Cの充電を20sec、(H)放電レートが1Cの放電をSOCが50%になるまで行った。
(I)放電レートが10Cの放電を20sec、(J)充電レートが1Cの充電をSOCが50%になるまで、(K)充電レートが10Cの充電を20sec行った。
(I)放電レートが10Cの放電を20sec、(J)充電レートが1Cの充電をSOCが50%になるまで、(K)充電レートが10Cの充電を20sec行った。
そして、横軸に各レートでの電流値を、縦軸に各レートでの充放電の20sec時の電圧をプロットし、その方向きから抵抗値を求めた。(A),(E),(I)の放電工程から入力抵抗を求め、(C),(G),(K)の充電工程から出力抵抗を求めた。入力抵抗及び出力抵抗は、正極2にリチウムイオンが挿入・脱離するときのし難さを示す。
得られた入力抵抗及び出力抵抗は、実施例1の抵抗値を100%としたときのそれぞれの抵抗値の比(抵抗比)で、表1に示した。
得られた入力抵抗及び出力抵抗は、実施例1の抵抗値を100%としたときのそれぞれの抵抗値の比(抵抗比)で、表1に示した。
[容量維持率]
各例の二次電池1に対し、充電レートが1Cの充電を、SOCが100%になるまで充電した。
続いて、45℃雰囲気下で5Cのレートで充電(4.2VのCCCV充電)と、放電(2.6VのCC放電)とを500サイクル繰り返した。
サイクル試験後、25℃雰囲気下で1Cのレート(4.2VのCCCV充電、2.6VのCC放電)で電池容量を測定した。
(500サイクル後の電池容量)/(電池の初期)で表される容量維持率を求め、表1に示した。
各例の二次電池1に対し、充電レートが1Cの充電を、SOCが100%になるまで充電した。
続いて、45℃雰囲気下で5Cのレートで充電(4.2VのCCCV充電)と、放電(2.6VのCC放電)とを500サイクル繰り返した。
サイクル試験後、25℃雰囲気下で1Cのレート(4.2VのCCCV充電、2.6VのCC放電)で電池容量を測定した。
(500サイクル後の電池容量)/(電池の初期)で表される容量維持率を求め、表1に示した。
[充電容量比]
各例の二次電池1に対し、0℃雰囲気下での充電容量と、25℃雰囲気下での充電容量を測定する。充電容量は、1Cのレートで充電(4.2VのCCCV充電)で測定した。
そして、(0℃での充電容量)/(25℃での充電容量)で表される充電容量比を算出し、実施例1の充電容量比を100%としたときのそれぞれの充電容量比を百分率で、表1に示した。
各例の二次電池1に対し、0℃雰囲気下での充電容量と、25℃雰囲気下での充電容量を測定する。充電容量は、1Cのレートで充電(4.2VのCCCV充電)で測定した。
そして、(0℃での充電容量)/(25℃での充電容量)で表される充電容量比を算出し、実施例1の充電容量比を100%としたときのそれぞれの充電容量比を百分率で、表1に示した。
表1によると、各実施例の二次電池1は、入出力抵抗、容量維持率、充電容量比のいずれもすぐれた二次電池となっている。対して、各比較例の二次電池は、これらの少なくとも1つが低くなっている。
具体的には、実施例1〜3と比較例1との二次電池1では、正極面積/電池容量の比が異なる。そして、この比が45未満となっている比較例1の二次電池1では、入出力抵抗、容量維持率、充電容量比のいずれの結果も、実施例1に対して大幅に低下している。一方、正極面積/電池容量の比が45以上となっている実施例1〜3の二次電池1では、基準となる実施例1の二次電池1と同等以上の評価の二次電池となっている。
実施例4〜6と比較例2との二次電池1では、炭素量/比表面積の比が異なる。この比が5を超えて大きくなっている比較例2の二次電池1では、入力抵抗、容量維持率、充電容量比のいずれの結果も、実施例1に対して大幅に低下している。一方、炭素量/比表面積の比が0.1≦B/A≦5の範囲内にある実施例4〜6の二次電池1では、基準となる実施例1の二次電池1と同等以上の評価の二次電池となっている。
実施例7の二次電池1では、非水電解質4の添加剤としてLiPFOを用いている。この二次電池1でも、基準となる実施例1の二次電池1と同等以上の評価の二次電池となっている。つまり、添加剤としてLiBOBに替えてLiPFOを用いても、同様の効果を発揮できる。
実施例8〜9と比較例3〜4との二次電池1では、添加剤の添加量が異なる。添加剤を添加しない比較例3の二次電池1では、入出力抵抗、容量維持率、充電容量比のいずれの結果も、実施例1に対して大幅に低下している。また、添加剤の添加量が1mass%を超えて添加した比較例4の二次電池1では、出力抵抗、容量維持率、充電容量比のいずれの結果も、実施例1に対して大幅に低下している。一方、添加剤の添加量が0.1〜1mass%の範囲内にある実施例8〜9の二次電池1では、基準となる実施例1の二次電池1と同等以上の評価の二次電池となっている。
正極面積/電池容量の比は、正極活物質層21の厚さと相関をもつ。一般的に、正極活物質層21の厚さが薄くなるほど正極2の反応面積が大きくなる。そうすると、入出力抵抗が低下する。すなわち、二次電池1の電池性能が向上する効果を発揮する。
炭素量/比表面積の比は、正極2の反応面積(電極反応面積)と相関をもつ。電極反応面積が大きくなると、それにつれて、高温でのサイクル試験の結果が悪化する。このことは、正極(正極活物質)からの金属溶出などが原因であり、その結果として容量低下量が大きくなる。
そして、各実施例の二次電池1では、非水電解質4が、オキサラート錯体のリチウム塩(LiBOB,LiPFO)よりなる添加剤を含む。オキサラート錯体の塩は、正極活物質の表面にカーボン被膜を形成し、カーボンよりなるシェル部の欠損部を補修する。つまり、正極活物質のシェル部と同様に機能する。
そして表1から、この正極活物質を用いた正極2を有する各実施例の二次電池1では、コア部を被覆するシェル部のカーボン量を均一かつ薄くし(コート量を小さくし)、かつ正極活物質のカーボンよりなるシェル部を補修する非水電解質4を用いることで、抵抗と耐久性能が両立できることが確認できる。
一般的に、抵抗全般は電極反応面積が、出力(放電)抵抗はシェル部の電子伝導性=炭素均一被覆性(補修後も含む)が、入力(充電)抵抗はシェル部のLi拡散能力=炭素被覆量が、耐久性は炭素均一被覆性や電極反応の電流密度ムラが、低温での性能はコア部のLi拡散能が、それぞれ相関性をもつ。
つまり、シェル部(炭素)の電子伝導性とLi拡散性、コア部のLi拡散性のバランスがくずれると、充放電時に電極反応の電流密度ムラをもたらし、電池性能が悪化する。
なお、比較例1は、電極反応面積が小さく、抵抗だけではなく、サイクル試験時の電流密度ムラが引き起こされ、容量維持率の低下、低温充電容量の低下(Mnオリビン特有)が生じていることが確認できる。なお、低温充電容量の低下は、Mnを含有するオリビン型構造の酸化物に特有の現象である。
比較例2は、シェル部を形成するカーボン量が多く、入力(充電)抵抗が低下している。さらに、従来の範囲を超える電極面積においても、サイクル時の電流密度ムラをもたらし、容量維持率が低下している。
比較例3は、非水電解質4にオキサラート錯体のリチウム塩(LiBOB,LiPFO)が含まれておらず、シェル部が補修されない。このため、シェル部の厚さを可能な限り薄くしている正極活物質を用いた比較例3の二次電池1では、それぞれの試験結果が悪化している。
比較例4は、オキサラート錯体のリチウム塩が過剰に含まれている。このため、正極活物質の表面にカーボン被膜を形成しても、添加剤が残存する。その結果、非水電解質4自身の抵抗が増加し、二次電池1の出力抵抗が低下している。さらに、オキサラート錯体のリチウム塩は化学的に不安定なため、高温での充放電サイクルにおいて分解してガス発生をもたらし、二次電池1の耐久性も低下する。
(比較例5)
本例は、正極活物質のコア部が、LiMn0.69Fe0.29PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、Zを含まず、XがPであり、α=1,β=0.69,γ=0.29,η=0である。さらに、β/(β+γ+η)が0.70であり、0.5以上となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0である。
本例は、正極活物質のコア部が、LiMn0.69Fe0.29PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、Zを含まず、XがPであり、α=1,β=0.69,γ=0.29,η=0である。さらに、β/(β+γ+η)が0.70であり、0.5以上となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0である。
(比較例6)
本例は、正極活物質のコア部が、LiMn0.69Fe0.25Mg0.04PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、ZがMgのみの一種類であり、XがPであり、α=1,β=0.69,γ=0.25,η=0.04である。さらに、β/(β+γ+η)が0.70であり、0.5以上となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0.04であり、0.1未満である。
本例は、正極活物質のコア部が、LiMn0.69Fe0.25Mg0.04PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、ZがMgのみの一種類であり、XがPであり、α=1,β=0.69,γ=0.25,η=0.04である。さらに、β/(β+γ+η)が0.70であり、0.5以上となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0.04であり、0.1未満である。
(比較例7)
本例は、正極活物質のコア部が、LiMn0.69Fe0.25Ca0.04PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、ZがCaのみの一種類であり、XがPであり、α=1,β=0.69,γ=0.25,η=0である。さらに、β/(β+γ+η)が0.70であり、0.5以上となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0.04であり、0.1未満である。
本例は、正極活物質のコア部が、LiMn0.69Fe0.25Ca0.04PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、ZがCaのみの一種類であり、XがPであり、α=1,β=0.69,γ=0.25,η=0である。さらに、β/(β+γ+η)が0.70であり、0.5以上となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0.04であり、0.1未満である。
(実施例10)
本例は、正極活物質のコア部が、LiMn0.69Fe0.19Mg0.05Zr0.02Ni0.03PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、ZがMg,Zr,Niの三種の元素であり、XがPであり、α=1,β=0.69,γ=0.19,η=0.1である。Mg,Zr,Niは、Li/Li+電位が2〜4.5Vで価数変化が起こらず、それぞれのイオン半径は上記した通りである。さらに、β/(β+γ+η)が0.70であり、0.5以上となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0.1である。
本例は、正極活物質のコア部が、LiMn0.69Fe0.19Mg0.05Zr0.02Ni0.03PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、ZがMg,Zr,Niの三種の元素であり、XがPであり、α=1,β=0.69,γ=0.19,η=0.1である。Mg,Zr,Niは、Li/Li+電位が2〜4.5Vで価数変化が起こらず、それぞれのイオン半径は上記した通りである。さらに、β/(β+γ+η)が0.70であり、0.5以上となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0.1である。
(比較例8)
本例は、正極活物質のコア部が、LiMn0.69Fe0.14Ni0.15PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、ZがNiのみであり、XがPであり、α=1,β=0.69,γ=0.14,η=0.15である。さらに、β/(β+γ+η)が0.70であり、0.5以上となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0.15である。
本例は、正極活物質のコア部が、LiMn0.69Fe0.14Ni0.15PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、ZがNiのみであり、XがPであり、α=1,β=0.69,γ=0.14,η=0.15である。さらに、β/(β+γ+η)が0.70であり、0.5以上となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0.15である。
(比較例9)
本例は、正極活物質のコア部が、LiMn0.69Fe0.32Mg0.03Zr0.01PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、ZがMg,Zrの二種の元素であり、XがPであり、α=1,β=0.69,γ=0.32,η=0.04である。さらに、β/(β+γ+η)が0.66であり、0.5以上となっている。β+γ+ηが1.05であり、0〜1の範囲を超える。ηは0.04である。
本例は、正極活物質のコア部が、LiMn0.69Fe0.32Mg0.03Zr0.01PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、ZがMg,Zrの二種の元素であり、XがPであり、α=1,β=0.69,γ=0.32,η=0.04である。さらに、β/(β+γ+η)が0.66であり、0.5以上となっている。β+γ+ηが1.05であり、0〜1の範囲を超える。ηは0.04である。
(比較例10)
本例は、正極活物質のコア部が、LiFe0.94Mg0.03Zr0.01PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、ZがMg,Zrの二種の元素であり、XがPであり、α=1,β=0,γ=0.94,η=0.04である。さらに、β/(β+γ+η)が0であり、0.5未満となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0.04である。
本例は、正極活物質のコア部が、LiFe0.94Mg0.03Zr0.01PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、ZがMg,Zrの二種の元素であり、XがPであり、α=1,β=0,γ=0.94,η=0.04である。さらに、β/(β+γ+η)が0であり、0.5未満となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0.04である。
(比較例11)
本例は、正極活物質のコア部が、LiFe0.98PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、Zを含まず、XがPであり、α=1,β=0,γ=0.98,η=0である。さらに、β/(β+γ+η)が0であり、0.5未満となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0である。
本例は、正極活物質のコア部が、LiFe0.98PO4よりなること以外は実施例1と同様な二次電池1である。本例の正極活物質のコア部は、LiαMnβFeγZηXO4において、Zを含まず、XがPであり、α=1,β=0,γ=0.98,η=0である。さらに、β/(β+γ+η)が0であり、0.5未満となっている。β+γ+ηが0.98であり、0〜1の範囲内に含まれる。ηは0である。
[評価]
各例の二次電池1の評価として、出力抵抗と入力抵抗(入出力抵抗)、容量維持率、充電容量比を上記した方法で測定し、測定結果を表2に示した。表2には、基準となる実施例1の測定結果も合わせて示した。
各例の二次電池1の評価として、出力抵抗と入力抵抗(入出力抵抗)、容量維持率、充電容量比を上記した方法で測定し、測定結果を表2に示した。表2には、基準となる実施例1の測定結果も合わせて示した。
表2によると、各実施例の二次電池1は、入出力抵抗、容量維持率、充電容量比のいずれもすぐれた二次電池となっている。対して、各比較例の二次電池は、これらの少なくとも1つが低くなっている。
具体的には、実施例1,10と比較例5〜11との二次電池1では、正極活物質のコア部を形成する酸化物(複合酸化物)が異なる。
具体的には、実施例1,10と比較例5〜11との二次電池1では、正極活物質のコア部を形成する酸化物(複合酸化物)が異なる。
実施例1及び実施例10では、Mn及びFeよりもイオン半径が小さい2種以上の異なる元素をドープしている。このドープにより、複合酸化物の金属元素Mの組成比で結晶格子にひずみが形成する。この歪みを積極的に設けることで、活物質からLiを抜き出す際(充電)の特性が顕著に改善する。このことは、正極活物質での反応が律速である低温の充電容量で示される。
一方、比較例5ではMn及びFe以外の元素のドープをしておらず、比較例6はMn及びFe以外の元素のドープが1種の元素のみであり低温充電特性(充電容量比)の向上の効果が確認できない。
オリビン型構造の酸化物にMgをドープすることで抵抗が低減することが知られており、Mgをドープすると合成時の粒子形状が小さくなることも確認されている。一般的に粒子形状が小さくなると、正極活物質の比表面積が大きくなり抵抗は低減する。しかしながら、実施例1のように大きな反応面積を有する正極では抵抗の低減効果はわずかであり、正極活物質内部のLi拡散性能を示す低温充電性能の向上の効果がほとんどないと考えられる。つまり、実施例1及び実施例10のように、Mn及びFeよりもイオン半径が小さい2種以上の異なる元素をドープすることで、低温充電特性(充電容量比)の向上の効果が得られる。
比較例7は複合酸化物の合成時に不純物が多くなった。これは、Caのイオン半径がFeやMnのイオン半径より大きいため、複合酸化物の結晶構造内にドープされにくく、不純物になったと推察される。比較例8はNiのドープ量が過剰となり、複合酸化物の合成時に不純物が生成したと推察される。比較例9は、金属部Mの量が多く、組成比的に結晶格子のひずみをもたらさず、低温充電特性が向上していない。
上記した実施例の効果は、Mnを含むオリビン構造の複合酸化物に特有の特徴である。この特徴は、LiMnPO4のLi拡散係数がLiFePO4のそれより2桁大きいことに起因する。
比較例10と比較例11は、コア部をLiFePO4系の酸化物としたケースである。これら2つの例の比較によると、Feのイオン半径より小さな元素(Mg,Zr)をドープしても、実施例1と比較例5で示されたドープの効果と比較して、ドープの効果が小さい。つまり、コア部に、Mnを含有した複合酸化物(LiαMnβFeγZηXO4系)を用いることで、上記の効果がより顕著に発揮できることが確認できた。
(実施例11)
本例は、非水電解質4が異なること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
非水電解質4には、EC:DMC:EMC:TFEPが30:30:30:10の割合(vol%)になるように混合した混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様である。
本例は、非水電解質4が異なること以外は実施例1と同様な二次電池1である。
非水電解質4には、EC:DMC:EMC:TFEPが30:30:30:10の割合(vol%)になるように混合した混合溶媒を用いたこと以外は、実施例1と同様である。
(比較例12)
本例は、非水電解質4が異なること以外は比較例1と同様な二次電池1である。
非水電解質4には、EC:DMC:EMC:TFEPが30:30:30:10の割合(vol%)になるように混合した混合溶媒を用いたこと以外は、比較例1と同様である。
本例は、非水電解質4が異なること以外は比較例1と同様な二次電池1である。
非水電解質4には、EC:DMC:EMC:TFEPが30:30:30:10の割合(vol%)になるように混合した混合溶媒を用いたこと以外は、比較例1と同様である。
[評価]
各例の二次電池1の評価として、出力抵抗と入力抵抗(入出力抵抗)、容量維持率、充電容量比を上記した方法で測定し、測定結果を表3に示した。表3には、基準となる実施例1及び比較例1の測定結果も合わせて示した。
各例の二次電池1の評価として、出力抵抗と入力抵抗(入出力抵抗)、容量維持率、充電容量比を上記した方法で測定し、測定結果を表3に示した。表3には、基準となる実施例1及び比較例1の測定結果も合わせて示した。
表3によると、各実施例の二次電池1は、入出力抵抗、容量維持率、充電容量比のいずれもすぐれた二次電池となっている。対して、各比較例の二次電池は、これらの結果が大幅に悪化している。
実施例11は、実施例1の非水電解質4に、更にフッ素含有リン酸エステル(TFEP)を添加している。つまり、非水電解質4に、更にTFEPを添加しても上記の優れた効果を発揮できることが確認できる。
なお、フッ素含有リン酸エステル(TFEP)は、二次電池1の耐圧性能を向上する効果(詳しくは、高電圧に曝されたときに非水電解質4の分解を抑制する効果)を発揮することが知られている。
Mnを含有したオリビン型構造の複合酸化物(LiαMnβFeγZηXO4系)を用いた二次電池1では、電位−SOC曲線が2つのプラトー領域をもつ略階段状のカーブを示すことが知られている。このことは、Feが電極反応を生じる領域と、Mnが電極反応を生じる領域と、の2つの領域がそれぞれのプラトー領域に当たる。
一方、層状構造の複合酸化物酸化物(例えば、上記のNMC)では、このようなプラトー領域が見られないことも広く知られている。
一方、層状構造の複合酸化物酸化物(例えば、上記のNMC)では、このようなプラトー領域が見られないことも広く知られている。
つまり、Mnを含有したオリビン型構造の複合酸化物(LiαMnβFeγZηXO4系)を用いた二次電池1では、プラトー領域を有することから、高電位に曝される時間が長くなる。さらに、オリビン型構造の複合酸化物は、その材料の特質的に比表面積がNMCより1ケタ以上大きいことから非水電解質4との接触面積が大きい。すなわち、オリビン型構造の複合酸化物は、高温サイクル時に電解液の酸化分解によるガス発生及び容量低下の問題が生じやすかった。特に、各実施例のような比較的大きな反応面積を有する正極2においては、この問題が発生しやすかった。
しかしながら、実施例1の二次電池1では、抵抗及び低温充電特性を損なわず、サイクル特性を向上させることができることが確認できた。
しかしながら、実施例1の二次電池1では、抵抗及び低温充電特性を損なわず、サイクル特性を向上させることができることが確認できた。
そして、実施例11の二次電池1のように、二次電池1の耐圧性能を向上する効果を発揮するTFEPを含有すると、高電圧に曝されたときに非水電解質4の分解が抑制せき、容量維持率が向上する。
一方、比較例12のように、正極面積(電極反応面積)が小さい二次電池1では、従来の課題のとおり、抵抗が大幅に増大している。
一方、比較例12のように、正極面積(電極反応面積)が小さい二次電池1では、従来の課題のとおり、抵抗が大幅に増大している。
(実施例12)
本例は、二次電池1の組み立て後のエージングを4.1Vで行ったこと以外は、実施例1と同様な二次電池1である。
本例は、二次電池1の組み立て後のエージングを4.1Vで行ったこと以外は、実施例1と同様な二次電池1である。
(比較例13)
本例は、二次電池1の組み立て後のエージングを4Vで行ったこと以外は、実施例1と同様な二次電池1である。
本例は、二次電池1の組み立て後のエージングを4Vで行ったこと以外は、実施例1と同様な二次電池1である。
(比較例14)
本例は、二次電池1の組み立て後のエージングを3.6Vで行ったこと以外は、実施例1と同様な二次電池1である。
本例は、二次電池1の組み立て後のエージングを3.6Vで行ったこと以外は、実施例1と同様な二次電池1である。
[評価]
各例の二次電池1の評価として、出力抵抗と入力抵抗(入出力抵抗)、容量維持率、充電容量比を上記した方法で測定し、測定結果を表4に示した。
各例の二次電池1の評価として、出力抵抗と入力抵抗(入出力抵抗)、容量維持率、充電容量比を上記した方法で測定し、測定結果を表4に示した。
表4によると、各実施例の二次電池1は、入出力抵抗、容量維持率、充電容量比のいずれもすぐれた二次電池となっている。対して、各比較例の二次電池は、これらの結果が悪化している。
詳しくは、実施例1、12の結果から、4.1V以上でエージングを行うことで、オキサラート錯体のリチウム塩からの均一な被膜を、正極活物質表面に形成することができる。
比較例13〜14に記載のように、エージングが4.1V未満で行われると、均一な被膜を、正極活物質表面に形成することができず、上記した各実施例の効果が発揮されにくくなる。これは、4.1V未満では電位−SOC曲線が上記したプラトー領域にかかる前の傾斜した電圧に当たり、被膜形成とともに電池電圧が変動(低下)することで、均一な被膜の形成が困難となるためである。この被膜形成の困難さは、上記したNMCに代表されるプラトー領域を持たない活物質でも同様である。
1:リチウムイオン二次電池
2:正極 20:正極集電体 21:正極活物質層
3:負極 30:負極集電体 31:負極活物質層
4:非水電解液
5:セパレータ
6:電池ケース 60:ラミネートフィルム 61:平板部
62:封止部 63:槽状部 64:シーラント
65:正極端子 66:負極端子
2:正極 20:正極集電体 21:正極活物質層
3:負極 30:負極集電体 31:負極活物質層
4:非水電解液
5:セパレータ
6:電池ケース 60:ラミネートフィルム 61:平板部
62:封止部 63:槽状部 64:シーラント
65:正極端子 66:負極端子
Claims (5)
- 正極集電体(20)と、該正極集電体(20)の表面に形成された正極活物質を含む正極活物質層(21)と、を備えた正極(2)と、
負極集電体(30)と、該負極集電体(30)の表面に形成された負極活物質を含む負極活物質層(31)と、を備えた負極(3)と、
リチウムを含む非水電解質(4)と、
を、該正極活物質層(21)と該負極活物質層(31)が対向した状態で有する非水電解質二次電池(1)であって、
該正極活物質が、ポリアニオン構造の酸化物よりなるコア部と、該コア部の表面を被覆したカーボンよりなるシェル部とを、該コア部の比表面積(A(m2/g))と、該正極活物質に占める該シェル部の質量割合(B(mass%))と、の関係が0.1≦B/A≦5となる状態で有し、
該正極活物質層(21)と該負極活物質層(31)が対向した対向面の面積(C(mm2))と、該非水電解質二次電池(1)の電池容量(D(mAh))とが、C/D≧45(mm2/mAh)の関係を満たし、
該非水電解質(4)が、該非水電解質(4)全体の質量を100%としたときに、0.1〜1mass%の割合で、オキサラート錯体のリチウム塩を含む非水電解質二次電池(1)。 - 前記ポリアニオン構造の酸化物は、LiαMnβFeγZηXO4(Z:Fe又はMnの2価のイオン半径より小さく、Li/Li+電位が2〜4.5Vで価数変化が起こらないイオン半径の原子から選ばれる少なくとも2種、0.5≦β/(β+γ+η)、0<β+γ+η<1、η<0.1)である請求項1記載の非水電解質二次電池(1)。
- 前記非水電解質(4)は、更にフッ素含有リン酸エステルを含む請求項1〜2のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池(1)。
- リチウムイオン二次電池である請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池(1)。
- 正極集電体(20)と、該正極集電体(20)の表面に形成された正極活物質を含む正極活物質層(21)と、を備えた正極(2)と、負極集電体(30)と、該負極集電体(30)の表面に形成された負極活物質を含む負極活物質層(31)と、を備えた負極(3)と、リチウムを含む非水電解質(4)と、を、該正極活物質層(21)と該負極活物質層(31)が対向した状態で有する非水電解質二次電池(1)であって、該正極活物質が、ポリアニオン構造の酸化物よりなるコア部と、該コア部の表面を被覆したカーボンよりなるシェル部とを、該コア部の比表面積(A(m2/g))と、該正極活物質に占める該シェル部の質量割合(B(mass%))と、の関係が、0.1≦B/A≦5で有し、該正極活物質層(21)と該負極活物質層(31)が対向した対向面の面積(C(mm2))と、該非水電解質二次電池(1)の電池容量(D(mAh))と、がC/D≧45(mm2/mAh)の関係を満たし、該非水電解質(4)が、該非水電解質(4)全体の質量を100%としたときに、0.1〜1mass%の割合で、オキサラート錯体のリチウム塩を含む非水電解質二次電池(1)を組み立てる工程と、
該非水電解質二次電池(1)に、35℃以上の雰囲気温度で、4.1V以上の被膜生成処理を施す工程と、
を有する非水電解質二次電池の製造方法。
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