JP2018142420A - リチウムイオン二次電池用電極、リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一般式LiaAbPO4で表わされる化合物を含む第一の電極活物質と、一般式LicBdO2で表される化合物、コバルト酸リチウム系化合物、マンガン酸リチウム系化合物及びニッケル酸リチウム系化合物からなる群から選択される少なくとも1種を含む第二の電極活物質と、導電助剤と、バインダーとを含む混合物からなる電極合剤層を備えるリチウムイオン二次電池用電極であって、リチウムイオン二次電池用電極の熱拡散率、定圧比熱及び電極密度を用いて式(1)により導出された、リチウムイオン二次電池用電極の熱伝導率が0.9W/(m・K)以上であるリチウムイオン二次電池用電極。
【選択図】なし
Description
このリチウムイオン二次電池は、リチウムイオンを可逆的に脱挿入可能な性質を有する正極および負極と、非水系の電解質とから構成されている。
リチウムイオン二次電池の正極材料としては、正極活物質として、層状酸化物系のコバルト酸リチウム(LCO)やコバルトの一部をマンガンおよびニッケルで置換した三元系層状酸化物(NCM)、マンガン酸リチウム化合物であるスピネルマンガンリチウム(LMO)、リン酸鉄リチウム(LFP)等のリチウムイオンを可逆的に脱挿入可能な性質を有するLi含有金属酸化物や、バインダー等を含む電極材料合剤が用いられている。そして、この電極材料合剤を集電体と称される金属箔の表面に塗布することにより、リチウムイオン二次電池の正極が形成されている。
λ=α×Cp×ρ×100・・・(1)
λ:熱伝導率[W/(m・K)]
α:熱拡散率[cm2/sec]
Cp:定圧比熱[J/(g・K)]
ρ:電極密度[g/cm3]
なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
本実施形態のリチウムイオン二次電池用電極は、第一の電極活物質と、第二の電極活物質と、導電助剤と、バインダーと、を含む混合物(電極材料合剤)からなる電極合剤層を備える。すなわち、本実施形態のリチウムイオン二次電池用電極は、電極集電体と、その電極集電体上に形成された電極合剤層と、を備え、電極合剤層が、第一の電極活物質と、第二の電極活物質と、導電助剤と、バインダーと、を含む混合物からなる。本実施形態において、第一の電極活物質と第二の電極活物質を含む材料は、リチウムイオン二次電池用電極材料である。
λ=α×Cp×ρ×100・・・(1)
λ:熱伝導率[W/(m・K)]
α:熱拡散率[cm2/sec]
Cp:定圧比熱[J/(g・K)]
ρ:電極密度[g/cm3]
リチウムイオン二次電池用電極の熱伝導率が0.9W/(m・K)未満では、リチウムイオン二次電池用電極において局所的な温度上昇が生じる。その結果、そのリチウムイオン二次電池用電極を備えたリチウムイオン二次電池は、高速の充放電が不可能となる。
本実施形態における第一の電極活物質は、一般式LiaAbPO4で表わされる化合物(但し、Aは、Fe、Mn、CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも1種、0≦a≦1.0、0<b≦1.0)を含む。
上記の一般式LieCfPO4で表わされる化合物(以下、「化合物B」と言うこともある。)としては、例えば、LiFePO4、Li2FePO4、LiMnPO4、Li2MnPO4、LiFe0.5Mn0.5PO4、LiFe0.4Mn0.6PO4、LiFe0.3Mn0.7PO4、LiFe0.2Mn0.8PO4、LiFe0.1Mn0.9PO4、Li2Fe0.5Mn0.5PO4、Li2Fe0.4Mn0.6PO4、Li2Fe0.3Mn0.7PO4、Li2Fe0.2Mn0.8PO4、Li2Fe0.1Mn0.9PO4等が挙げられる。
また、表面に炭素質被膜が形成された第一の電極活物質を凝集してなる凝集体とは、表面に炭素質被膜が形成された第一の電極活物質同士が、点接触の状態で凝集し、第一の電極活物質同士の接触部分が断面積の小さい頸部状となって強固に接続された状態の凝集体のことである。このように、第一の電極活物質同士の接触部分が断面積の小さい頸部状となることで、凝集体内部にチャネル状(網目状)の空隙が三次元に広がった構造となる。
ここで、第一の電極活物質の一次粒子の平均粒子径を上記の範囲に限定した理由は、一次粒子の平均粒子径が0.01μm以上であれば、一次粒子の表面を薄膜状の炭素で充分に被覆することができるため、リチウムイオン二次電池の高速充放電レートにおける放電容量が高くなり、充分な充放電レート性能を実現することができる。一方、一次粒子の平均粒子径が20μm以下であれば、一次粒子の内部抵抗が大きくならないため、リチウムイオン二次電池の高速充放電レートにおける放電容量が向上する。
ここで、炭素質被膜中の炭素量を上記の範囲に限定した理由は、炭素量が0.6質量%以上であれば、第一の電極活物質における炭素質被膜の被覆率が60%以上となるため、リチウムイオン二次電池を形成した場合に高速充放電レートにおける放電容量が高くなる。その結果、リチウムイオン二次電池は充分な充放電レート性能を実現することが可能となる。一方、炭素量が2.0質量%未満であれば、リチウムイオンが炭素質被膜中を拡散する際に、立体障害によるリチウムイオン移動抵抗が高くなることがない。その結果、リチウムイオン二次電池の内部抵抗が上昇することがなく、リチウムイオン二次電池の高速充放電レートにおける電圧低下が生じない。
ここで、炭素質被膜の厚さの平均値を上記の範囲に限定した理由は、炭素質被膜の厚さの平均値が1.0nm以上であれば、炭素質被膜中の電荷移動抵抗が高くなることがない。その結果、リチウムイオン二次電池の内部抵抗が上昇することがなく、リチウムイオン二次電池の高速充放電レートにおける電圧低下が生じない。一方、炭素質被膜の厚さの平均値が7.0nm以下であれば、リチウムイオンが炭素質被膜中を拡散する際に、立体障害によるリチウムイオン移動抵抗が高くなることがない。その結果、リチウムイオン二次電池の内部抵抗が上昇することがなく、リチウムイオン二次電池の高速充放電レートにおける電圧低下が生じない。
ここで、第一の電極活物質の比表面積を上記の範囲に限定した理由は、比表面積が5m2/g以上であれば、炭素質被膜の炭素量が2.0質量%であった場合に炭素質被膜の厚さの平均値が7.0nmを超えないからである。一方、比表面積が20m2/g以下であれば、炭素質被膜の炭素量が0.6質量%以上となり、炭素質被膜の厚さの平均値が1.0nm以上となるからである。
ここで、炭素質被膜の炭素分によって計算される、炭素質被膜の密度を上記の範囲に限定した理由は、炭素質被膜の炭素分によって計算される、炭素質被膜の密度が0.3g/cm3以上であれば、炭素質被膜が十分な電子伝導性を示すからである。一方、炭素質被膜の密度が1.5g/cm3以下であれば、炭素質被膜中に層状構造からなる黒鉛の微結晶が少量であるため、リチウムイオンが炭素質被膜中を拡散する際に黒鉛の微結晶による立体障害が生じない。これにより、リチウムイオン移動抵抗が高くなることがない。その結果、リチウムイオン二次電池の内部抵抗が上昇することがなく、リチウムイオン二次電池の高速充放電レートにおける電圧低下が生じない。
炭素質被膜を構成する炭素分の炭素質被膜の質量全体に対する割合を上記の範囲に限定した理由は、炭素質被膜が炭素の前駆体である有機化合物の熱分解によって生成したものであって、炭素質被膜は炭素の他に水素、酸素等の元素を含んでおり、焼成温度が500℃以下であると炭素質被膜の質量に占める炭素分の質量が50質量%未満となって、炭素質被膜の電荷移動抵抗が高くなる。その結果、リチウムイオン二次電池の内部抵抗が上昇し、高速充放電レートにおける電圧低下が著しくなるためである。
ここで、第一の電極活物質の二次粒子の平均粒子径を上記の範囲に限定とした理由は、第一の電極活物質の二次粒子が、第二の電極活物質の二次粒子によって形成される隙間に入り込むことによって、電極密度の向上を促すと共に、第二の電極活物質の二次粒子同士の隙間が、第一の電極活物質によって埋められることによって、リチウムイオン二次電池用電極の熱伝導率が、第二の電極活物質単体の場合に比べて改善するからである。
本実施形態のリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法は、特に限定されないが、例えば、後述する方法によって製造された第一の電極活物質と第二の電極活物質を混合する方法が挙げられる。
化合物Aとしては、上記の電極材料の説明において記載したものと同様に、一般式LiaAbPO4で表わされる化合物(但し、Aは、Fe、Mn、CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも1種、0≦a≦1.0、0<b≦1.0)である。
この化合物A(LiaAbPO4粉体)としては、例えば、酢酸リチウム(LiCH3COO)、塩化リチウム(LiCl)等のリチウム塩、または水酸化リチウム(LiOH)から選択されるLi源と、塩化鉄(II)(FeCl2)、酢酸鉄(II)(Fe(CH3COO)2)、硫酸鉄(II)(FeSO4)等の2価の鉄塩と、リン酸(H3PO4)、リン酸2水素アンモニウム(NH4H2PO4)、リン酸水素二アンモニウム((NH4)2HPO4)等のリン酸化合物と、水とを混合して得られるスラリー状の混合物を、耐圧密閉容器を用いて水熱合成し、得られた沈殿物を水洗してケーキ状の電極活物質または電極活物質の前駆体物質を生成し、このケーキ状の電極活物質または電極活物質の前駆体物質を焼成して得られた化合物(LiaAbPO4粉体)を好適に用いることができる。
この化合物B(LieCfPO4粉体)としては、例えば、酢酸リチウム(LiCH3COO)、塩化リチウム(LiCl)等のリチウム塩、または水酸化リチウム(LiOH)から選択されるLi源と、塩化鉄(II)(FeCl2)、酢酸鉄(II)(Fe(CH3COO)2)、硫酸鉄(II)(FeSO4)等の2価の鉄塩と、リン酸(H3PO4)、リン酸2水素アンモニウム(NH4H2PO4)、リン酸水素二アンモニウム((NH4)2HPO4)等のリン酸化合物と、水とを混合して得られるスラリー状の混合物を、pH調整によって溶解し、得られた水溶液を前記化合物Aのケーキ状の前駆体物質と混合、乾燥して得られた複合粉末を焼成した際に化合物Aの表面に形成される化合物(LieCfPO4粉体)を好適に用いることができる。
この化合物C(LicBdO2粉体)としては、例えば、酢酸リチウム(LiCH3COO)、塩化リチウム(LiCl)等のリチウム塩、または水酸化リチウム(LiOH)から選択されるLi源と、塩化ニッケル(II)(NiCl2)、酸化ニッケル(II)(NiO)、酢酸ニッケル(II)(Ni(CH3COO)2)、硫酸ニッケル(II)(NiSO4)等の2価のニッケル塩と、塩化コバルト(II)(CoCl2)、酸化コバルト(II)(CoO)、酢酸コバルト(II)(Co(CH3COO)2)、硫酸コバルト(II)(CoSO4)等の2価のコバルト塩と塩化マンガン(II)(MnCl2)、酸化マンガン(II)(MnO)、酢酸マンガン(II)(Mn(CH3COO)2)、硫酸マンガン(II)(MnSO4)等の2価のマンガン塩と、水とを混合して得られるスラリー状の混合物を乾燥し、大気中における焼成によって固相合成して得られた沈殿物を水洗してケーキ状の前駆体物質を生成し、このケーキ状の前駆体物質を焼成して得られた化合物(LicBdO2粉体)を好適に用いることができる。
また、第一の電極活物質および第二の電極活物質の形状が球状であれば、第一の電極活物質および第二の電極活物質の表面積が最小となり、電極材料合剤に添加するバインダー樹脂(結着剤)の配合量を最小限にすることができる。その結果、得られる電極の内部抵抗を小さくすることができる。
有機化合物の炭素量に換算した配合比が0.6質量部以上であれば、第一の電極活物質における炭素質被膜の被覆率が60%を上回るため、リチウムイオン二次電池を形成した場合に、高速充放電レートにおける放電容量が高くなる。その結果、リチウムイオン二次電池の充分な充放電レート性能を実現することができる。一方、有機化合物の炭素量に換算した配合比が2.0質量部以下であれば、第一の電極活物質における炭素質被膜の厚さの平均値が7nm未満となり、リチウムイオンが炭素質被膜中を拡散する際に立体障害によるリチウムイオン移動抵抗が高くなることがない。その結果、リチウムイオン二次電池の内部抵抗が上昇することがなく、リチウムイオン二次電池の高速充放電レートにおける電圧低下が生じない。
化合物A、あるいは化合物Aおよび化合物Bと、有機化合物とを、水に溶解あるいは分散させる方法としては、化合物A、あるいは化合物Aおよび化合物Bが分散し、有機化合物が溶解または分散する方法であれば、特に限定しないが、例えば、遊星ボールミル、振動ボールミル、ビーズミル、ペイントシェーカー、アトライタ等の媒体粒子を高速で攪拌する媒体攪拌型分散装置を用いる方法が好ましい。
また、スラリー中の化合物A、あるいは化合物Aおよび化合物Bの前駆体の粒度分布において、この粒度分布のD90のD10に対する比(D90/D10)が5以上かつ30以下となるように、スラリーの分散条件、例えば、スラリー中の化合物A、あるいは化合物Aおよび化合物B並びに有機化合物の濃度、撹拌時間、撹拌時間等を適宜調整することが好ましい。
次いで、この乾燥物を、非酸化性雰囲気下、500℃以上かつ1000℃以下で焼成することが好ましく、600℃以上かつ900℃以下で焼成することがより好まし。また、この温度範囲にて、0.1時間以上かつ40時間以下焼成することが好ましい。
ここで、乾燥物を焼成する際の条件、例えば、昇温速度、最高保持温度、保持時間等を適宜調整することにより、得られる凝集体中の一次粒子の粒度分布を制御することが可能である。
導電助剤としては、特に限定されるものではないが、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等の粒子状炭素や、気相成長炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ等の繊維状炭素の群から選択される少なくとも1種が用いられる。
ここで、導電助剤の含有率を上記の範囲とした理由は、導電助剤の含有率が2質量%以上であれば、本実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極材料を含む電極材料合剤を用いて電極合剤層を形成した場合に、電子伝導性が充分となり、電池容量や充放電レートが向上するからである。一方、導電助剤の含有量が10質量%以下であれば、電極合剤層中に占める電極材料が相対的に増加し、単位体積当たりのリチウムイオン二次電池の電池容量が向上するからである。
バインダーとしては、特に限定されるものではないが、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、酢酸ビニル共重合体や、スチレン・ブタジエン系ラテックス、アクリル系ラテックス、アクリロニトリル・ブタジエン系ラテックス、フッ素系ラテックス、シリコン系ラテックス等の群から選択される少なくとも1種が挙げられる。
ここで、バインダーの含有率を上記の範囲とした理由は、バインダーの含有率が2質量%以上であれば、本実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極材料を含む電極材料合剤を用いて電極合剤層を形成した場合に、電極合剤層と電極集電体の結着性が充分となり、電極合剤層の圧延形成時等において電極合剤層の割れや脱落が生じることがないからである。また、電池の充放電過程において電極合剤層が電極集電体から剥離することがなく、電池容量や充放電レートが低下することがないからである。一方、結着剤の含有量が10質量%以下であれば、リチウムイオン二次電池用電極材料の内部抵抗が増大することがなく、リチウムイオン二次電池の高速充放電レートにおける電池容量が低下することがないからである。
本実施形態のリチウムイオン二次電池用電極を製造するには、本実施形態におけるリチウムイオン二次電池用電極材料と、バインダーと、導電助剤と、溶媒とを混合して、電極材料合剤を調製し、その電極材料合剤を電極集電体の一主面に塗布して塗膜とし、この塗膜を乾燥し、次いで、加圧圧着する。これにより、電極集電体の一主面に電極合剤層が形成されたリチウムイオン二次電池用電極を得ることができる。
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、本実施形態のリチウムイオン二次電池用電極を正極として備え、その正極と、負極と、セパレータと、電解液と、を備えてなる。
負極としては、例えば、金属Li、炭素材料、Li合金、Li4Ti5O12等の負極材料を用いることができる。
また、電解液とセパレータの代わりに、固体電解質を用いてもよい。
セパレータとしては、例えば、多孔質プロピレンを用いることができる。
例えば、本実施例では、電極材料自体の挙動をデータに反映させるため、負極に金属Liを用いたが、炭素材料、Li合金、Li4Ti5O12等の負極材料を用いてもかまわない。また電解液とセパレータの代わりに固体電解質を用いても良い。
「電極材料の作製」
水2L(リットル)に、6molの水酸化リチウム(LiOH)、2molの硫酸鉄(II)(FeSO4)、2molのリン酸(H3PO4)を、全体量が4Lになるように混合し、均一なスラリー状の混合物を調製した。
次いで、この混合物を容量8Lの耐圧密閉容器に収容し、150℃にて1時間、水熱合成を行った。
次いで、得られた沈殿物を水洗し、ケーキ状の電極活物質を得た。
次いで、この電極活物質150g(固形分換算)と、有機化合物としてラクトース6gとを水200gに溶解したラクトース水溶液と、媒体粒子として直径0.1mmのジルコニアボール500gとをボールミルに投入し、スラリー中の電極活物質粒子の粒度分布のD90/D10が20となるように、ボールミルの回転速度、撹拌時間を調整し、分散処理を行った。
次いで、得られたスラリーを180℃の大気雰囲気中に噴霧し、乾燥して、平均粒子径が25μmの乾燥物を得た。
次いで、得られた乾燥物を790℃の窒素雰囲気下にて1時間、焼成し、平均二次粒子径が25μmのLiFePO4の凝集体を得た。この凝集体を第一の電極活物質とした。
また、第二の電極活物質としては、平均二次粒子径100μmのニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 )を用いた。
この第一の電極活物質と第二の電極活物質とを、質量比で第一の電極活物質が10%、第二の電極活物質が90%となるように混合した混合体を電極材料とした。
上記の電極材料と、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)と、導電助剤としてアセチレンブラック(AB)とを、質量比が90:5:5となるように混合し、さらに溶媒としてN−メチル−2−ピロリジノン(NMP)を加えて流動性を付与し、スラリーを調製した。
次いで、このスラリーを厚さ15μmのアルミニウム(Al)箔上に塗布し、乾燥した。
その後、600kgf/cm2の圧力にて加圧し、実施例1のリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
この電極の熱拡散率、定圧比熱および電極密度をそれぞれ周期加熱法、DSC法、アルキメデス法により測定し、下記式(1)により熱伝導率を算出した。熱拡散率、定圧比熱、電極密度および電極熱伝導率を表1に示す。λ=α×Cp×ρ×100・・・(1)
λ:熱伝導率[W/(m・K)]
α:熱拡散率[cm2/sec]
Cp:定圧比熱[J/(g・K)]
ρ:電極密度[g/cm3]
このリチウムイオン二次電池用電極に対向するように、対極として天然黒鉛負極を配置し、これらリチウムイオン二次電池用電極と対極の間に多孔質ポリプロピレンからなるセパレータを配置し、電池用部材とした。
一方、炭酸エチレンと炭酸ジエチルとを1:1(質量比)にて混合し、さらに1mol/LのLiPF6を加えて、リチウムイオン伝導性を有する電解質溶液を調製した。
次いで、上記の電池用部材を上記の電解質溶液に浸漬し、実施例1のリチウムイオン二次電池を作製した。
このリチウムイオン二次電池のサイクル特性を評価した。
サイクル特性の評価方法は下記の通りである。
上記のリチウムイオン二次電池の充放電試験を、カットオフ電圧2V−4.5V、充放電レート1Cの定電流(1時間充電の後、1時間放電)を1サイクルとして、45℃にて、500サイクル実施した。また、500サイクル後の放電量を、初期放電量を100とした際の100分率で表した値を「45℃、500サイクル後容量維持率」と定めた。
なお、リチウムイオン二次電池の初回充電を定電流(1C)−定電圧(4.5V、電流値0.01C相当に到達した時点で充電終了)で行い、初回充電時に負極のSEI(Solid Electrolyte Interface)形成でリチウムイオンが消費された分を減じた、2回目の放電量を初期放電量と定めた。結果を表1に示す。
第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が20%、第二の電極活物質が80%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例1と同様にして、実施例2のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が30%、第二の電極活物質が70%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例3の材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例1と同様にして、実施例3のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が40%、第二の電極活物質が60%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例4の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例1と同様にして、実施例4のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が50%、第二の電極活物質が50%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例5の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例1と同様にして、実施例5のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第二の電極活物質として、平均二次粒子径157μmのマンガン酸リチウム(LiMn2O4)を用い、第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が50%、第二の電極活物質が50%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例6の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例1と同様にして、実施例6のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第二の電極活物質として、平均二次粒子径56μmのニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)を用い、第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が50%、第二の電極活物質が50%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例7の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例1と同様にして、実施例7のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
「電極材料の作製」
水2L(リットル)に、6molの水酸化リチウム(LiOH)、0.6molの硫酸鉄(II)(FeSO4)、1.4molの硫酸マンガン(MnSO4)、2molのリン酸(H3PO4)を、全体量が4Lになるように混合し、均一なスラリー状の混合物を調製した。
次いで、この混合物を容量8Lの耐圧密閉容器に収容し、170℃にて1時間、水熱合成を行った。
次いで、得られた沈殿物を水洗し、ケーキ状の電極活物質を得た。
次いで、この電極活物質150g(固形分換算)と、有機化合物としてラクトース6gとを水200gに溶解したラクトース水溶液と、媒体粒子として直径0.1mmのジルコニアボール500gとをボールミルに投入し、スラリー中の電極活物質粒子の粒度分布のD90/D10が40となるように、ボールミルの回転速度、撹拌時間を調整し、分散処理を行った。
次いで、得られたスラリーを180℃の大気雰囲気中に噴霧し、乾燥して、平均粒径が5μmの乾燥物を得た。
次いで、得られた乾燥物を790℃の窒素雰囲気下にて1時間、焼成し、平均二次粒子径が5μmのLiFe0.3Mn0.7O4の凝集体を得た。この凝集体を第一の電極活物質とした。
また、第二の電極活物質としては、平均二次粒子径100μmのニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 )を用いた。
この第一の電極活物質と第二の電極活物質とを、質量比で第一の電極活物質が10%、第二の電極活物質が90%となるように混合した混合体を電極材料とした。
上記の電極材料と、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)と、導電助剤としてアセチレンブラック(AB)とを、質量比が90:5:5となるように混合し、さらに溶媒としてN−メチル−2−ピロリジノン(NMP)を加えて流動性を付与し、スラリーを調製した。
次いで、このスラリーを厚さ15μmのアルミニウム(Al)箔上に塗布し、乾燥した。
その後、600kgf/cm2の圧力にて加圧し、実施例8のリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
実施例1と同様にして、この電極の電極熱伝導率を算出した。熱拡散率、定圧比熱、電極密度および電極熱伝導率を表1に示す。
このリチウムイオン二次電池用電極を用いて、実施例1と同様にして、実施例8のリチウムイオン二次電池を作製した。
このリチウムイオン二次電池のサイクル特性を、実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が20%、第二の電極活物質が80%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例8と同様にして、実施例9の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例8と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例8と同様にして、実施例9のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例8と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が30%、第二の電極活物質が70%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例8と同様にして、実施例10の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例8と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例8と同様にして、実施例10のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例8と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が40%、第二の電極活物質が60%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例8と同様にして、実施例11の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例8と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例8と同様にして、実施例11のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例8と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が50%、第二の電極活物質が50%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例8と同様にして、実施例12の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例8と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例8と同様にして、実施例12のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例8と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第二の電極活物質として、平均二次粒子径157μmのマンガン酸リチウム(LiMn2O4)を用い、第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が50%、第二の電極活物質が50%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例8と同様にして、実施例13の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例8と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例8と同様にして、実施例13のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例8と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第二の電極活物質として、平均二次粒子径56μmのニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 )を用い、第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が50%、第二の電極活物質が50%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例8と同様にして、実施例14の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例8と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例8と同様にして、実施例14のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例8と同様にして評価した。結果を表1に示す。
「電極材料の作製」
水2L(リットル)に、6molの水酸化リチウム(LiOH)、2molの硫酸鉄(II)(FeSO4)、2molのリン酸(H3PO4)を、全体量が4Lになるように混合し、均一なスラリー状の混合物を調製した。
次いで、この混合物を容量8Lの耐圧密閉容器に収容し、150℃にて1時間、水熱合成を行った。
次いで、得られた沈殿物を水洗し、ケーキ状の電極活物質を得た。
次いで、この電極活物質150g(固形分換算)と、有機化合物としてラクトース6gとを水200gに溶解したラクトース水溶液と、媒体粒子として直径0.1mmのジルコニアボール500gとをボールミルに投入し、スラリー中の電極活物質粒子の粒度分布のD90/D10が20となるように、ボールミルの回転速度、撹拌時間を調整し、分散処理を行った。
次いで、得られたスラリーを180℃の大気雰囲気中に噴霧し、乾燥して、平均粒径が44μmの乾燥物を得た。
次いで、得られた乾燥物を790℃の窒素雰囲気下にて1時間、焼成し、平均二次粒子径が44μmのLiFePO4凝集体を得た。この凝集体を第一の電極活物質とした。
また、第二の電極活物質としては、平均二次粒子径200μmのニッケルコバルトマンガン酸リチウム(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)を用いた。
この第一の電極活物質と第二の電極活物質とを、質量比で第一の電極活物質が50%、第二の電極活物質が50%となるように混合した混合体を電極材料とした。
上記の電極材料と、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)と、導電助剤としてアセチレンブラック(AB)とを、質量比が90:5:5となるように混合し、さらに溶媒としてN−メチル−2−ピロリジノン(NMP)を加えて流動性を付与し、スラリーを調製した。
次いで、このスラリーを厚さ15μmのアルミニウム(Al)箔上に塗布し、乾燥した。
その後、600kgf/cm2の圧力にて加圧し、実施例15のリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
実施例1と同様にして、この電極の電極熱伝導率を算出した。熱拡散率、定圧比熱、電極密度および電極熱伝導率を表1に示す。
このリチウムイオン二次電池用電極を用いて、実施例1と同様にして、実施例15のリチウムイオン二次電池を作製した。
このリチウムイオン二次電池のサイクル特性を、実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質の平均二次粒子径を35μmとしたこと以外は実施例15と同様にして、実施例16の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例15と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例15と同様にして、実施例16のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例15と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質の平均二次粒子径を20μmとしたこと以外は実施例15と同様にして、実施例17の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例15と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例15と同様にして、実施例17のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例15と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質の平均二次粒子径を2.2μm、第二の電極活物質の平均二次粒子径を10μmとしたこと以外は実施例15と同様にして、実施例18の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例15と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例15と同様にして、実施例18のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例15と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質の平均二次粒子径を0.8μm、第二の電極活物質の平均二次粒子径を10μmとしたこと以外は実施例15と同様にして、実施例19の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例15と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例15と同様にして、実施例19のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例15と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質の平均二次粒子径を0.1μm、第二の電極活物質の平均二次粒子径を10μmとしたこと以外は実施例15と同様にして、実施例20の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例15と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例15と同様にして、実施例20のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例15と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質の平均二次粒子径を10μm、第二の電極活物質の平均二次粒子径を150μmとしたこと以外は実施例15と同様にして、実施例21の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例15と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例15と同様にして、実施例21のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例15と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質の平均二次粒子径を8μm、第二の電極活物質の平均二次粒子径を50μmとしたこと以外は実施例15と同様にして、実施例22の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例15と同様にして評価した。果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例15と同様にして、実施例22のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例15と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が100%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例1と同様にして、比較例1の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例1と同様にして、比較例1のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が0%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例1と同様にして、比較例2の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例1と同様にして、比較例2のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
第一の電極活物質と第二の電極活物質との質量比を、第一の電極活物質が90%、第二の電極活物質が10%となるように混合した混合体を電極材料としたこと以外は実施例1と同様にして、比較例3の電極材料およびリチウムイオン二次電池用電極を作製した。
また、得られた電極を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
さらに、得られた電極を用いて、実施例1と同様にして、比較例3のリチウムイオン二次電池を作製した。
得られたリチウムイオン二次電池を実施例1と同様にして評価した。結果を表1に示す。
一方、比較例1〜比較例3の電極は、電極熱伝導率が0.85W/(m・K)以下であり、電極密度が2.0g/cm3以上であるリチウムイオン二次電池用電極の局所的な温度上昇を速やかに解消できる電極が得られないことが分かった。
λ=α×Cp×ρ×100・・・(1)
λ:熱伝導率[W/(m・K)]
α:熱拡散率[cm2/sec]
Cp:定圧比熱[J/(g・K)]
ρ:電極密度[g/cm3]
λ=α×Cp×ρ×100・・・(1)
λ:熱伝導率[W/(m・K)]
α:熱拡散率[cm2/sec]
Cp:定圧比熱[J/(g・K)]
ρ:電極密度[g/cm3]
Claims (5)
- 一般式LiaAbPO4で表わされる化合物(但し、Aは、Fe、Mn、CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも1種、0≦a≦1.0、0<b≦1.0)を含む第一の電極活物質と、
一般式LicBdO2で表される化合物(但し、Bは、Fe、Mn、CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも1種、0≦c≦1.0、0<d≦1.0)、コバルト酸リチウム系化合物、マンガン酸リチウム系化合物およびニッケル酸リチウム系化合物からなる群から選択される少なくとも1種を含む第二の電極活物質と、
導電助剤と、
バインダーと、を含む混合物からなる電極合剤層を備えるリチウムイオン二次電池用電極であって、
前記リチウムイオン二次電池用電極の熱拡散率、定圧比熱および電極密度を用いて下記式(1)により導出された、前記リチウムイオン二次電池用電極の熱伝導率が0.9W/(m・K)以上であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極。
λ=α×Cp×ρ×100・・・(1)
λ:熱伝導率[W/(m・K)]
α:熱拡散率[cm2/sec]
Cp:定圧比熱[J/(g・K)]
ρ:電極密度[g/cm3] - 前記第一の電極活物質は、一般式LiaAbPO4で表わされる化合物(但し、Aは、Fe、Mn、CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも1種、0≦a≦1.0、0<b≦1.0)と、前記一般式LiaAbPO4で表わされる化合物の表面に存在する一般式LieCfPO4で表わされる化合物(但し、Cは、FeおよびMnからなる群から選択される少なくとも1種、0≦e<2、0<f<1.5)と、を含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用電極。
- 前記第二の電極活物質の二次粒子の平均粒子径(M)に対して、前記第一の電極活物質の二次粒子の平均粒子径が0.01M以上かつ0.30M以下であり、前記第二の電極活物質の二次粒子の平均粒子径(M)が10μm以上かつ200μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池用電極。
- 前記第一の電極活物質は、少なくとも前記一般式LiaAbPO4で表わされる化合物の表面を被覆する炭素被覆を有し、
前記電極合剤層の密度が2.0g/cm3以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用電極。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用電極を備えたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
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