JP2017228516A - 非水系電解質二次電池用正極活物質とその製造方法、非水系電解質二次電池用正極合材ペーストおよび非水系電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 層状構造の結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物からなる焼成粉末と水とを混合することと、混合して得られた混合物を乾燥することと、を備え、焼成粉末は、一次粒子が凝集して形成された二次粒子を含み、水は、得られる正極活物質5gを100mlの純水に分散させ、10分間静置後の上澄み液を測定した際の25℃におけるpHが11以上11.9以下の範囲となる量を混合する、非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法等による。
【選択図】図1
Description
本実施形態の非水系電解質正極活物質(以下、「正極活物質」ともいう。)は、層状構造の結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物粉末(以下、「複合酸化物粉末」ともいう。)からなり、リチウム複合酸化物粉末は、一般式(1):LisNi1−x−y−zCoxMnyM1 zO2(ただし、0.05≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0≦z≦0.10、0.95≦s≦1.50、M1は、V、Mg、Mo、Nb、Ti、WおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表され、一次粒子が凝集して形成された二次粒子を含む。また、正極活物質5gを100mlの純水に分散させ、10分間静置後の上澄み液を測定した際の25℃におけるpHが11以上11.9以下であり、滴定法によって定量される余剰LiOHと余剰Li2CO3の質量との比(余剰LiOH/余剰Li2CO3)が0.45以下である。
正極活物質の製造方法は、層状構造の結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物からなる焼成粉末と、水と、を混合すること(ステップS1)と、前記混合して得られた混合物を乾燥すること(ステップS2)と、を備える。以下、各ステップについて図面を参照して説明する。
本実施形態の正極合材ペースト中では、正極活物質からのリチウムの溶出が低減され、ペーストのゲル化が抑制される。したがって、正極合材ペーストは、長期間の保存でもペーストの粘度変化が少なく、高い安定性を有する。このようなペーストを用いて正極を製造することで、正極も安定して優れた特性を有するものとなり、最終的に得られる電池の特性を安定して高いものとすることができる。
本実施形態の非水系電解質二次電池は、正極、負極および非水系電解液などからなり、一般の非水系電解質二次電池と同様の構成要素により構成される。なお、以下で説明する実施形態は例示に過ぎず、本実施形態の非水系電解質二次電池は、本明細書に記載されている実施形態を基に、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、本実施形態の非水系電解質二次電池は、その用途を特に限定するものではない。
先に述べた非水系電解質二次電池用正極活物質、さらに正極合材ペーストを用いて、例えば、以下のようにして、非水系電解質二次電池の正極を作製する。
負極には、金属リチウムやリチウム合金等、あるいは、リチウムイオンを吸蔵および脱離できる負極活物質に、結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布し、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを使用する。
正極と負極との間には、セパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。
有機溶媒としては、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、トリフルオロプロピレンカーボネート等の環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトン等の硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチル等のリン化合物等から選ばれる1種を単独で、あるいは2種以上を混合して用いることができる。
以上のように説明してきた正極、負極、セパレータおよび非水系電解液で構成される本実施形態の非水系電解質二次電池の形状は、円筒型、積層型等、種々のものとすることができる。
本実施形態の正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、高容量で高出力となる。
特により好ましい形態で得られた本実施形態による正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、例えば、実施例に記載の2032型コイン電池の正極に用いた場合、150mAh/g以上の高い初期放電容量と低い正極抵抗が得られる。
非水系電解質二次電池用正極活物質52.5mg、アセチレンブラック15mg、およびポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)7.5mgを混合し、100MPaの圧力で直径11mm、厚さ100μmにプレス成形して図3に示す正極1(評価用電極)を作製した。その作製した正極1を真空乾燥機中120℃で12時間乾燥した。そして、この正極1を用いて2032型のコイン型電池Bを、露点が−80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。
負極2には、直径14mmの円盤状に打ち抜かれた平均粒径20μm程度の黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンが銅箔に塗布された負極シートを用い、電解液には、1MのLiPF6を支持電解質とするエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の等量混合液(富山薬品工業株式会社製)を用いた。セパレータ3には膜厚25μmのポリエチレン多孔膜を用いた。また、コイン型電池Bは、ガスケット4とウェーブワッシャー5を有し、正極缶6と負極缶7とでコイン状の電池に組み立てられた。製造したコイン型電池Bの性能を示す初期放電容量、正極抵抗、サイクル特性は、以下のように評価した。
初期放電容量は、コイン型電池Bを製作してから24時間程度放置し、開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)が安定した後、正極に対する電流密度を0.1mA/cm2としてカットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの容量を初期放電容量とした。
また、正極抵抗は、コイン型電池Bを25℃で充電電位4.1Vで充電して、周波数応答アナライザおよびポテンショガルバノスタット(ソーラトロン製、1255B)を使用して交流インピーダンス法により測定すると、図2に示すナイキストプロットが得られる。このナイキストプロットは、溶液抵抗、負極抵抗とその容量、および、正極抵抗とその容量を示す特性曲線の和として表しているため、このナイキストプロットに基づき等価回路を用いてフィッティング計算を行い、正極抵抗の値を算出した。
(サイクル特性)
サイクル特性(放電容量維持率)の評価は、サイクル試験後の容量維持率により行った。サイクル試験は、60℃に保持して初期放電容量測定後、10分間休止し、初期放電容量測定と同様に充放電サイクルを、初期放電容量測定も含めて500サイクル(充放電)繰り返した。500サイクル目の放電容量を測定して、1サイクル目の放電容量(初期放電容量)に対する500サイクル目の放電容量の百分率を容量維持率(%)として求めた。
ラミネートセルCを用いて、低温時の電池内部抵抗ΔVを電流休止法によって測定することにより、低温出力特性を評価した。評価方法は次のようになる。
評価に用いたラミネートセルCを以下のように作製した。アルミニウム製集電箔(厚さ0.02mm)に、正極活物質と導電材(アセチレンブラック)と結着剤(PVDF)を85:10:5の質量比で混合した後、溶剤(NMP)を加え正極活物質をペースト化し、外部と接続する導電部を残して塗布し、乾燥させ、正極活物質の目付が7mg/cm2の正極活物質層が形成された正極シート8を作製した。
また、銅製集電箔(厚さ0.02mm)に負極活物質としてカーボン粉(アセチレンブラック)をペースト化し、同様にして負極活物質の目付が5mg/cm2の負極活物質層が形成された負極シート9を作製した。
作製された正極シート8および負極シート9の間に、ポリプロピレン製微多孔膜(厚さ20.7μm、空孔率密度43.9%)からなるセパレータ10を介挿して積層シートを形成した。そして、この積層シートを2枚のアルミラミネートシート11(厚さ0.55mm)によって挟み、アルミラミネートシート11の3辺を熱融着して熱融着部HSを形成することにより密封し、図4に示すような構成のラミネートセルを組み立てた。
その後、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒(容量比3:3:4)にLiPF6(1mol/L)を溶解した宇部興産株式会社製の電解液を260μl注入し、残りの一辺を熱融着して、図4に示すラミネートセルCを作製した。
作製したラミネートセルCを−20℃の温度下で4.2Vまで充電後、0.2Cで2.5Vまで放電させ、開回路にして、600秒間電圧緩和させた前後の電圧変化(ΔV)を算出した。放電時の電流が同じ場合、ΔVの差はそのまま抵抗の差と解釈でき、すなわちΔVが小さいほど抵抗が低いと解釈できるため、ΔVの値を低温条件での直流抵抗として評価した。電流休止法測定結果の例を図5に示す。
正極活物質25.0gと、導電材のカーボン粉1.5gと、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)2.9gと、N−メチル−2ピロリドン(NMP)とを遊星運動混練機により混合し正極合材ペーストを得た。N−メチル−2ピロリドン(NMP)は、JIS Z 8803:2011に規定される振動粘度計による粘度測定方法により、粘度が1.5〜2.5Pa・sとなるように添加量を調整した。得られたペーストを76時間保管して、保管前後の粘度比(76時間保管後のペースト粘度/作製直後のペースト粘度)を評価した。粘度は、振動式粘度計(セコニック社製VM10A)にて測定した。
気化温度300℃の条件においてカールフィッシャー水分計で測定した。
余剰リチウム量は、正極活物質から溶出してくるLiを滴定することにより評価した。得られた正極活物質1gに純水10mlを加えて1分間攪拌後、ろ過したろ液のpHを測定しながら1mol/リットルの塩酸を加えていくことにより出現する中和点から溶出するリチウムの化合物状態を分析して余剰リチウム量を評価した。ここで、高アルカリ側からの1段目の中和点(ショルダー)がLiOH量を示し、2段目の中和点がLi2CO3量を示す。
Niを主成分とする酸化物粉末と水酸化リチウムを混合して焼成する公知技術で得られたLi1.20Ni0.35Co0.35Mn0.30O2で表されるリチウム金属複合酸化物の焼成粉末(平均粒径:5.07μm、〔(d90−d10)/平均粒径〕:0.42、空隙率:14.2%:比表面積2.50g/m2)を母材とした。母材とする焼成粉末に水を、焼成粉末に対して1.5質量%添加してさらに混合した。その後、大気雰囲気中において150℃で12時間乾燥することによって正極活物質を得た。正極活物質の製造条件及び下記測定・評価結果を表1及び表2に示す。なお、正極活物質の比表面積は、窒素ガス吸着によるBET法で求めた。
[pH測定]
得られた正極活物質5gを100mlの純水に分散させた後、10分間静置し、上澄み液の25℃におけるpHを測定した。
[正極合材ペースト]
得られた正極活物質を使用して上記方法で作製された正極合材ペーストの粘度を測定した。
[電池評価]
得られた正極活物質を使用して上記方法で作製された正極を有するコイン型電池BおよびラミネートセルCの電池特性を評価した。
水の添加量を3質量%とした以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
(実施例3)
水の添加量を5質量%とした以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
(実施例4)
水の添加量を7質量%とした以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
(実施例5)
水の添加量を14質量%とした以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
(実施例6)
水の添加量を30質量%とした以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
(実施例7)
母材とする焼成粉末をバットに入れ、スプレーボトルを用いて、平均の液滴径が約300μmになるような条件で、リチウム金属複合酸化物粉末に対して3質量%の水を噴霧して添加しながら混合した以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
(実施例8)
母材とする焼成粉末をヘンシェルミキサー(日本コークス(株)製FM20C/I)に入れ、タンク内で撹拌羽を用いて焼成粉末を撹拌混合しながら、平均の液滴径が約300μmになるような条件で、スプレーを用いてリチウム金属複合酸化物粉末に対して3質量%の水を噴霧して添加しながら混合し、その後、約−90kPaの減圧雰囲気中において130℃で2時間乾燥する以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
母材を組成がLi1.20(Ni0.35Co0.35Mn0.30)0.995W0.005O2で表されるリチウム金属複合酸化物の焼成粉末(平均粒径:4.97μm、〔(d90−d10)/平均粒径〕0.41、空隙率:15.6%)とした以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評した。評価結果を表1及び表2に示す。なお、母材の上記組成は、NiとCoとMnとのモル比(Ni:Co:Mn)が0.35:0.35:0.30であり、Ni、Co及びMnの合計とWとのモル比(Ni+Co+Mn:W)が0.995:0.005であり、かつ、LiとMe(Ni、Co、Mn及びWの合計)とのモル比(Li:Me)が1.20:1であることを示す。
(実施例10)
水の添加量を3質量%とした以外は実施例7と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
(実施例11)
水の添加量を5質量%とした以外は実施例7と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
(実施例12)
水の添加量を7質量%とした以外は実施例7と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
(実施例13)
水の添加量を14質量%とした以外は実施例7と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
(実施例14)
水の添加量を30質量%とした以外は実施例7と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
(実施例15)
母材とする焼成粉末をバットに入れ、スプレーボトルを用いて、平均の液滴径が約300μmになるような条件で、リチウム金属複合酸化物粉末に対して3質量%の水を噴霧して添加しながら混合した以外は実施例9と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
(実施例16)
母材とする焼成粉末をヘンシェルミキサー(日本コークス(株)製FM20C/I)に入れ、タンク内で撹拌羽を用いて焼成粉末を撹拌混合しながら、平均の液滴径が約300μmになるような条件で、スプレーを用いてリチウム金属複合酸化物粉末に対して3質量%の水を噴霧して添加しながら混合し、その後、約−90kPaの減圧雰囲気中において130℃で2時間乾燥する以外は実施例9と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
母材をそのまま正極活物質として用いた以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
母材をそのまま正極活物質として用いた以外は実施例7と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1及び表2に示す。
実施例の正極活物質を用いた二次電池は、水を混合しない比較例の正極活物質を用いた二次電池と比較して、初期放電容量、正極抵抗、電池内部抵抗及び容量維持率のいずれも良好な結果が得られた。また、焼成粉末としてWを含むリチウム金属複合酸化物を用いた実施例9〜16では、正極抵抗及び電池内部抵抗がより低減された。特に低温時の出力特性を示す電池内部抵抗が顕著に低下した。
さらに、混合する水の量を最適化した実施例1〜3、7、8、9〜11、15、16は、組成が同じ実施例4〜6、12〜14と比べてリチウムの引き抜き量が適正化され、正極合材ペーストの低い粘度比を維持しながら、同組成の実施例より出力特性が向上している。特に、水を噴霧して添加した実施例7、8、15、16は、さらに出力特性が向上している。
また、水を混合した実施例1〜16では、水を混合しない比較例1、2と比較して、余剰LiOHの含有量が低減する一方、余剰Li2CO3の含有量が増加しており、LiOH/Li2CO3が0.45以下となった。これは、焼成粉末中の余剰LiOHが水の添加及びその後の乾燥する工程においてLi2CO3へ変換されたためと考えられる。
また、実施例の正極活物質を用いた正極合材ペーストは、比較例の正極合材ペーストと比較して、粘度比の値が低く、粘度安定性に優れる。
1……正極(評価用電極)
2……負極
3……セパレータ
4……ガスケット
5……ウェーブワッシャー
6……正極缶
7……負極缶
C……ラミネートセル
8……正極シート
9……負極シート
10……セパレータ
11……アルミラミネートシート
HS……熱融着部
Claims (17)
- 層状構造の結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物からなる焼成粉末と水とを混合することと、前記混合して得られた混合物を乾燥することと、を備え、
前記焼成粉末は、一般式(1):LisNi1−x−y−zCoxMnyM1 zO2(ただし、0.05≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0≦z≦0.10、0.95≦s≦1.50、M1は、V、Mg、Mo、Nb、Ti、WおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表され、一次粒子が凝集して形成された二次粒子を含み、
前記水は、得られる正極活物質5gを100mlの純水に分散させ、10分間静置後の上澄み液を測定した際の25℃におけるpHが11以上11.9以下の範囲となる量を混合する、ことを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 - 前記焼成粉末と水とを混合する際に、前記焼成粉末に、水を1μm以上2000μm以下の液滴サイズに噴霧して混合する、ことを特徴とする請求項1に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記水を、前記焼成粉末に対して1質量%以上35質量%以下の範囲で混合する、請求項1または請求項2に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記水を、前記焼成粉末の表面積に対して0.003g/m2以上0.025g/m2以下の範囲で混合する、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記水を、前記焼成粉末に対して1質量%以上6質量%以下の範囲で混合する、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記焼成粉末は、平均粒径が3μm以上15μm以下の範囲にあり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.7以下である、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記焼成粉末は、断面観察により計測される空隙が占める面積割合が、該焼成粉末の断面積全体に対して4.5%以上60%以下である請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記乾燥は、100℃以上300℃以下で行う、請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記焼成粉末は、一般式(2):LisNi1−x−y−z−tCoxMnyM2 zWtO2(ただし、0.05≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0≦z≦0.10、0.95≦s≦1.50、0.0001≦t≦0.03、0.0001≦z+t≦0.10、M2は、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表される、請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 層状構造の結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物粉末からなる非水系電解質二次電池用正極活物質であって、
前記リチウム複合酸化物粉末は、一般式(1):LisNi1−x−y−zCoxMnyM1 zO2(ただし、0.05≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0≦z≦0.10、0.95≦s≦1.50、M1は、V、Mg、Mo、Nb、Ti、WおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表され、一次粒子が凝集して形成された二次粒子を含み、
前記正極活物質5gを100mlの純水に分散させ、10分間静置後の上澄み液を測定した際の25℃におけるpHが11〜11.9であり、
滴定法によって定量される余剰LiOHと余剰Li2CO3の質量の比(余剰LiOH/余剰Li2CO3)が0.45以下である、非水系電解質二次電池用正極活物質。 - 前記余剰LiOHと余剰Li2CO3の量の比(余剰LiOH/余剰Li2CO3)が0.3以下である、請求項10に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 前記余剰LiOHと余剰Li2CO3の量の比(余剰LiOH/余剰Li2CO3)が0.18以上であり、余剰Li2CO3の量が前記正極活物質の表面積に対して0.157×10−2g/m2以下である、請求項10または請求項11に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 平均粒径が3μm以上15μm以下の範囲にあり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.7以下である、請求項9〜請求項11のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム金属複合酸化物粉末の断面観察において計測される空隙が占める面積割合が、該リチウム金属複合酸化物粒子全体の断面積に対して4.5%以上60%以下ある、請求項10〜請求項14のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム複合酸化物粉末は、一般式(2):LisNi1−x−y−z−tCoxMnyM2 zWtO2(ただし、0.05≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0≦z≦0.10、0.95≦s≦1.50、0.0001≦t≦0.03、0.0001≦z+t≦0.10、M2は、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表される、請求項10〜請求項14のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 請求項10〜請求項15のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質を含む、非水系電解質二次電池用正極合材ペースト。
- 請求項10〜請求項15のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質を含む正極を有する、非水系電解質二次電池。
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