JP2018125126A - 非水電解質二次電池用正極及び非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
前記正極活物質層は、以下の式(1):
LixCoyMzO2 (1)
前記式(1)中、Mは、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、セリウム(Ce)からなる群から選択される1種以上の金属元素であり、x、y、zは、0.20≦x≦1.20、0.95≦y≦1.00、0.0≦z≦0.05かつy+z=1の範囲内の値である、
で示される組成を有する正極活物質粒子と、前記正極活物質粒子の少なくとも一部を覆い、少なくともリン酸リチウムおよび/またはリン酸金属リチウムを含む固体電解質層と、前記正極活物質粒子を覆う、アクリロニトリルをモノマー単位として含む高分子とを有する、非水電解質二次電池用正極が提供される。
まず、本実施形態に係る非水電解質二次電池の概観について、本発明者らの本発明に至るまでの検討とともに説明する。
前記正極活物質層は、以下の式(1):
LixCoyMzO2 (1)
前記式(1)中、Mは、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、セリウム(Ce)からなる群から選択される1種以上の金属元素であり、x、y、zは、0.20≦x≦1.20、0.95≦y≦1.00、0.0≦z≦0.05かつy+z=1の範囲内の値である、
で示される組成を有する正極活物質粒子と、前記正極活物質粒子の少なくとも一部を覆い、少なくともリン酸リチウムおよび/またはリン酸金属リチウムを含む固体電解質層と、前記正極活物質粒子を覆う、アクリロニトリルをモノマー単位として含む高分子とを有する。
以下では、図1を参照して、上述した本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池10の具体的な構成について説明を行う。図1は、本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の構成を説明する説明図である。
LixCoyMzO2 (1)
式(1)中、Mは、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、セリウム(Ce)からなる群から選択される1種以上の金属元素である。
また、x、y、zは、0.20≦x≦1.20、0.95≦y≦1.00、0.0≦z≦0.05かつy+z=1の範囲内の値である。
で表される構造を有することが好ましい。この場合において、アクリロニトリルをモノマー単位として90mol%以上含む場合、l>9.0×mの関係を満足することができる。アクリロニトリル系高分子は、好ましくは9.5×m<l<9.9×mの関係を満足する。
(3−1.正極活物質の製造方法)
まず、正極活物質の製造方法について説明する。正極活物質は、正極活物質粒子を合成し、さらにこれに対して固体電解質層形成することにより得ることができる。
続いて、非水電解質二次電池10の製造方法の一例について説明する。なお、以下に説明する製造方法はあくまで一例であり、他の方法で非水電解質二次電池10を製造可能であることはもちろんである。
<1.セルの製造>
(実施例1)
(正極活物質の作製)
以下の方法により、Li1.00Co0.99Al0.0025Mg0.005Ti0.0025O2の組成式を有する、正極活物質粒子を合成した。まず、共沈法により組成式Co0.99Al0.0025Mg0.005Ti0.0025(OH)2で示される組成の正極活物質前駆体粒子を合成した。得られた乾燥粉末と、炭酸リチウム(Li2CO3)とを混合することで、混合粉体を生成する。得られた粉体について、大気雰囲気下中950〜1050℃で6時間焼成を行い、正極活物質粒子を合成した。ここで、LiとCo+M(=Me)とのモル比は、リチウムコバルト複合酸化物の組成に応じて決定されるため、Li1.00Co0.99Al0.0025Mg0.005Ti0.0025O2を製造する場合、LiとMeとのモル比Li:Meは1.00:1.00となる。得られたリチウムコバルト複合酸化物のLi:Me比率については、ICP−OES(例えば、HORIBA ULTIMA2)で確認し、焼成後のLi:Me比率が1.00:1.00となるように、あらかじめ炭酸リチウム量を調整し製造を行った。例えば、LiとMeとのモル比を1.03:1.00〜1.07:1.00の間で調整し、焼成後のLi:Me比率が1.00:1.00となるように製造を行った。
以下の処理によりコインハーフセルを作製した。まず、正極活物質粒子、アセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデンおよびアクリロニトリル系高分子を96:2:1:1の質量比で混合した。この混合物(正極合剤)をN−メチル−2−ピロリドンに分散させてスラリーを形成した。なお、アクリロニトリル系高分子は、アクリロニトリルおよびアクリル酸を単量体として有し、これらのモル比は、アクリロニトリル:アクリル酸=97.5:2.5である。また、アクリロニトリル系高分子の質量平均分子量は、マトリックス支援レーザー脱離イオン化 飛行時間型質量分析法(MALDI TOF−MS)により測定したところ、500,000であった。
コインハーフセルと同様にして電極構造体を製造した。ついで、電極構造体をコインフルセルの大きさに加工し、コインフルセルの容器に収納した。
固体電解質層の被覆量を表1に示すように変更した以外は、実施例1と同様にしてコインハーフセルおよびコインフルセルを作成した。
固体電解質層の組成および被覆量を表1に示すように変更した以外は、実施例1と同様にしてコインハーフセルおよびコインフルセルを作成した。なお、実施例11については、加えて正極活物質粒子の平均粒径が5μmとなるように合成を行った。
正極活物質層の構成材料として、正極活物質粒子、アセチレンブラックおよびポリフッ化ビニリデンを96:2:2の質量比で用い、アクリロニトリル系高分子を用いなかった以外は、実施例2と同様にしてコインハーフセルおよびコインフルセルを作成した。
正極活物質層の構成材料として、正極活物質粒子、アセチレンブラックおよびポリフッ化ビニリデンを96:2:2の質量比で用い、アクリロニトリル系高分子を用いなかった以外は、実施例6と同様にしてコインハーフセルおよびコインフルセルを作成した。
正極活物質層の構成材料として、正極活物質粒子、アセチレンブラックおよびポリフッ化ビニリデンを96:2:2の質量比で用い、アクリロニトリル系高分子を用いなかった以外は、実施例8と同様にしてコインハーフセルおよびコインフルセルを作成した。
固体電解質層の組成および被覆量を表1に示すように変更し、アクリロニトリル系高分子として質量平均分子量が650,000のものを用いた以外は、実施例1と同様にしてコインハーフセルおよびコインフルセルを作成した。
固体電解質層を形成せず、アクリロニトリル系高分子として質量平均分子量が650,000のものを用いた以外は、実施例1と同様にしてコインハーフセルおよびコインフルセルを作成した。
固体電解質層を形成せず、正極活物質層の構成材料として正極活物質粒子、アセチレンブラックおよびポリフッ化ビニリデンを96:2:2の質量比で用い、アクリロニトリル系高分子を用いなかった以外は、実施例1と同様にしてコインハーフセルおよびコインフルセルを作成した。
正極活物質粒子の平均粒径が5μmとなるように合成を行ない、固体電解質層を形成せず、正極活物質層の構成材料として正極活物質粒子、アセチレンブラックおよびポリフッ化ビニリデンを96:2:2の質量比で用い、アクリロニトリル系高分子を用いなかった以外は、実施例1と同様にしてコインハーフセルおよびコインフルセルを作成した。
正極活物質層の構成材料として正極活物質粒子、アセチレンブラックおよびポリフッ化ビニリデンを96:2:2の質量比で用い、アクリロニトリル系高分子を用いなかった以外は、実施例11と同様にしてコインハーフセルおよびコインフルセルを作成した。
まず、正極活物質粒子の組成をLiNi0.88Co0.1Al0.01Mg0.01O2、平均粒径を12μmとし、Ni0.88Co0.1Al0.01Mg0.01(OH)2前駆体と、水酸化リチウム(LiOH)とを混合した粉体について、酸素雰囲気下中750〜800℃で6時間焼成を行った以外は実施例1と同様にして正極活物質粒子を合成した。次いで、固体電解質層を形成せず、正極活物質層の構成材料として正極活物質粒子、アセチレンブラックおよびポリフッ化ビニリデンを96:2:2の質量比で用い、アクリロニトリル系高分子を用いなかった。スラリーを正極集電体21上に塗工し、乾燥させることで、正極活物質層22を形成した。そして、正極活物質層22の厚さが55μmとなるように圧延することで、正極20を作製した。なお、正極活物質層22の体積密度は3.6g/ccであり、面積密度は、20mg/cm2であった。それ以外は、実施例1と同様にしてコインハーフセルおよびコインフルセルを作成した。
まず、参考例1と同様にして正極活物質粒子を合成した。次いで、被覆量を0.2mol%とし、得られた粉体について、酸素雰囲気下中500〜600℃で6時間焼成を行った以外は実施例1と同様にして、正極活物質粒子の表面上に固体電解質層としてのLZP(LiZr2(PO4)3)層を形成した。さらに、正極活物質層の構成材料として正極活物質粒子、アセチレンブラックおよびポリフッ化ビニリデンを96:2:2の質量比で用い、アクリロニトリル系高分子を用いなかった以外は、参考例1と同様にしてコインハーフセルおよびコインフルセルを作成した。
まず、参考例1と同様にして正極活物質粒子を合成した。次いで、被覆量を0.2mol%とし、得られた粉体について、酸素雰囲気下中500〜600℃で6時間焼成を行った以外は実施例1と同様にして、正極活物質粒子の表面上に固体電解質層としてのLZP(LiZr2(PO4)3)層を形成した以外は、参考例1と同様にしてコインハーフセルおよびコインフルセルを作成した。
以上の各実施例、比較例および参考例における製造条件を表1にまとめて示す。
次に、各実施例、比較例および参考例において得られたコインハーフセルおよびコインフルセルを用いて、放電容量、初期効率およびサイクル特性の評価を行った。
(放電容量および初期効率)
各実施例および比較例において得られたコインハーフセルについて、以下の表2に示す充放電レート(rate)、カットオフ(cut off)電圧(単位はV)にて充放電を行った。充放電時の温度は室温(25℃)とした。CC−CVは定電流定電圧を意味し、CCは定電流を意味する。そして、1サイクル目の放電容量を測定し、この値を初期放電容量とし、1サイクル目(0.1C)の充電容量に対する1サイクル目(0.1C)の放電容量の容量維持率で初期効率を評価した。
以下の表3に示す充放電レート(rate)、カットオフ(cut off)電圧(単位はV)にてフルセルの充放電を行った。充放電時の温度は高温(45℃)とした。CC−CVは定電流定電圧を意味し、CCは定電流を意味する。そして、2サイクル目の放電容量を測定し、この値を初期容量とし、52サイクル目の放電容量を測定し、この値を50サイクル目の容量とした。2サイクル目(0.2C)の放電容量に対する52サイクル目(0.2C)の放電容量の容量維持率でサイクル特性を評価した。
次に、参考例において得られたコインハーフセルについて、以下の表4に示す充放電レート(rate)、カットオフ(cut off)電圧(単位はV)にて充放電を行った。充放電時の温度は室温(25℃)とした。CC−CVは定電流定電圧を意味し、CCは定電流を意味する。そして、1サイクル目の放電容量を測定し、この値を初期放電容量とし、1サイクル目(0.1C)の充電容量に対する1サイクル目(0.1C)の放電容量の容量維持率で初期効率を評価した。
以下の表5に示す充放電レート(rate)、カットオフ(cut off)電圧(単位はV)にてフルセルの充放電を行った。充放電時の温度は高温(45℃)とした。CC−CVは定電流定電圧を意味し、CCは定電流を意味する。そして、3サイクル目の放電容量を測定し、この値を初期容量とし、101サイクル目の放電容量を測定し、この値を100サイクル目の容量とした。3サイクル目(1.0C)の放電容量に対する101サイクル目(1.0C)の放電容量の容量維持率でサイクル特性を評価した。
まず、実施例1〜11と比較例1〜9とを比較すると、実施例1〜11に係るコインフルセルは、比較例1〜9に係るコインフルセルよりも高温(45℃)下におけるサイクル特性が著しく向上した。具体的には、まず、実施例1〜10と比較例7、実施例11と比較例8とを比較すると、固体電解質層を形成し、アクリロニトリル系高分子を正極活物質粒子に被覆させた場合、放電容量および初期効率の低下を防止しつつ、サイクル特性を劇的に向上させることができた。
20 正極
21 正極集電体
22 正極活物質層
30 負極
31 負極集電体
32 負極活物質層
40 セパレータ層
Claims (7)
- 集電体と、当該集電体に結着された正極活物質層とを有し、
前記正極活物質層は、以下の式(1):
LixCoyMzO2 (1)
前記式(1)中、Mは、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、セリウム(Ce)からなる群から選択される1種以上の金属元素であり、x、y、zは、0.20≦x≦1.20、0.95≦y≦1.00、0.0≦z≦0.05かつy+z=1の範囲内の値である、
で示される組成を有する正極活物質粒子と、前記正極活物質粒子の少なくとも一部を覆い、少なくともリン酸リチウムおよび/またはリン酸金属リチウムを含む固体電解質層と、前記正極活物質粒子を覆う、アクリロニトリルをモノマー単位として含む高分子とを有する、非水電解質二次電池用正極。 - 前記リン酸金属リチウムは、アルミニウム、チタン、及びジルコニウムからなる群から選択される1種以上の金属を含む、請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 前記固体電解質層は、前記正極活物質粒子に対し、0.1mol%以上1.0mol%以下のモル比で被覆している、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 前記高分子が、アクリロニトリルをモノマー単位として90mol%以上含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 前記高分子の質量平均分子量が、200,000以上800,000以下である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用正極を含む、非水電解質二次電池。
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