JP2019003907A - 正極用材料 - Google Patents
正極用材料 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019003907A JP2019003907A JP2017120027A JP2017120027A JP2019003907A JP 2019003907 A JP2019003907 A JP 2019003907A JP 2017120027 A JP2017120027 A JP 2017120027A JP 2017120027 A JP2017120027 A JP 2017120027A JP 2019003907 A JP2019003907 A JP 2019003907A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- positive electrode
- reference example
- ion secondary
- secondary battery
- powder
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
【課題】 正極活物質となり得る新たな正極用材料を提供すること。【解決手段】 LiaMbDcOd(ただし、1.8≦a≦3、b+c=1、0.6≦b≦1、0≦c≦0.4、1.8≦d≦3を満足する。MはCu及び/又はNiである。Dはドープ元素である。)と、LieOf(ただし、0<e、0<fを満足する。)とを含有することを特徴とする正極用材料。【選択図】図12
Description
本発明は、正極用材料に関するものである。
二次電池の正極活物質には種々の材料が用いられることが知られており、また、高容量の正極活物質となり得る材料が探求されている。
例えば、高容量の正極活物質としては、層状岩塩構造のLiCoO2やLiNiO2が広く知られている。また、特許文献1には、4.2V〜2.5Vの範囲におけるLiNi0.80Co0.15Al0.05O2の活物質容量が188mAh/gであったことが記載されている。
特許文献2には、Li(Li0.2Ni0.137Co0.125Mn0.538)O2をフッ素処理した正極活物質が、4.8V〜2.5Vの範囲において250mAh/g程度の初期容量を示したことが記載されている。
特許文献3には、Li1.03Ni0.75Co0.20Al0.05O2が、4.35V〜2.5Vの範囲において、210〜220mAh/g程度の初期容量を示したことが記載されている。
また、特許文献4には、Li2Oと、Co3O4、CoO、LiCoO2、MnO2、Fe2O3、NiO又はMoO3とをメカノケミカル反応させた固溶体が記載されており、これらの固溶体が正極活物質として機能し得ること、及び、これらの固溶体のうち一部のものが280mAh/g程度の初期容量を示したことが記載されている。他方、特許文献4には、Li2O単独では充放電が不可能であったことが記載されている。
また、特許文献5には、Li2CuO2がリチウムイオン二次電池の正極活物質として使用され得ることが記載されている。さらに、非特許文献1には、Li2CuO2が空間群Immmで表される結晶構造を示すことが記載されている。特許文献6には、Fe、Ti、V、Cr、Mn又はCoをドープしたLi2Cu0.9Fe0.1O2などの材料が、空間群Immmで表される結晶構造を示すこと、及び、リチウムイオン二次電池の正極活物質として有用であることが記載されている。
特許文献7には、空間群Immmで表される結晶構造を示すLi2NiO2+y(0.0<y<0.3)がリチウムイオン二次電池の正極活物質として使用され得ることが記載されている。さらに、特許文献8には、空間群Immmで表される結晶構造を示すLi2Ni1−xCuxO2(0.0<x<1.0)がリチウムイオン二次電池の正極活物質として使用され得ることが記載されている。
Solid State Communications, Sapina F., Rodriguez Carvajal J., Sanchis M.J., Ibanez R., Beltran A., Beltran D., 1990, 74, 779-784
二次電池の技術分野における研究者が、研究を鋭意推進した結果、高容量となり得る種々の材料が提供されている。しかしながら、産業界からは、正極活物質となり得る新たな材料が求められている。
本発明は、かかる事情に鑑みて為されたものであり、正極活物質となり得る新たな材料を提供することを目的とする。
本発明者は、より高容量の正極活物質となり得る材料を得ることを指向した。ここで、単位質量あたり、多くのリチウムを含有する材料であれば、理論上は高容量となる。しかし、単位質量あたり、多くのリチウムを含有するLi2O単独では、充放電が不可能であることは、特許文献4に記載のとおりである。そこで、本発明者は、Li2Oのリチウムを電荷担体として機能させることができる、Li2Oを活性化させるような物質があるか否かを検討した。そして、Li2OとLi6CoO4の混合物を正極用材料として試験に供したところ、当該混合物におけるLi2Oのリチウムが電荷担体として機能することを知見した。
さらに、本発明者は、Li2OとLi2CuO2の混合物を正極用材料として試験に供したところ、当該混合物におけるLi2Oのリチウムも電荷担体として機能することを知見した。本発明は、本発明者のかかる知見に基づき、完成されたものである。
本発明の正極用材料は、LiaMbDcOd(ただし、1.8≦a≦3、b+c=1、0.6≦b≦1、0≦c≦0.4、1.8≦d≦3を満足する。MはCu及び/又はNiである。Dはドープ元素である。)と、LieOf(ただし、0<e、0<fを満足する。)とを含有することを特徴とする。
本発明の正極用材料は、正極活物質として機能して、好適な容量を示す。
以下に、本発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、特に断らない限り、本明細書に記載された数値範囲「x〜y」は、下限xおよび上限yをその範囲に含む。そして、これらの上限値および下限値、ならびに実施例中に列記した数値も含めてそれらを任意に組み合わせることで数値範囲を構成し得る。さらに数値範囲内から任意に選択した数値を上限、下限の数値とすることができる。
本発明の正極用材料は、LiaMbDcOd(ただし、1.8≦a≦3、b+c=1、0.6≦b≦1、0≦c≦0.4、1.8≦d≦3を満足する。MはCu及び/又はNiである。Dはドープ元素である。)と、LieOf(ただし、0<e、0<fを満足する。)とを含有することを特徴とする。
LiaMbDcOdにおいて、aは好ましくは1.9≦a≦2.5を満足し、より好ましくは2≦a≦2.2を満足する。bは好ましくは0.7≦b≦1を満足し、より好ましくは0.8≦b≦1を満足する。cは好ましくは0≦c≦0.3を満足し、より好ましくは0≦c≦0.2を満足する。dは好ましくは1.9≦d≦2.5を満足し、より好ましくは2≦d≦2.2を満足する。
LiaMbDcOdは空間群Immmで表される結晶構造を示すものが好ましい。Dはドープ元素であり、Dとして、Fe、Ti、V、Cr、Mn、Co、Zn、Ca、Mg、Zr、S、Si、Li、Na、K、Al、P、Ga、Ge、Mo、Nb、W、La、Hf、Rf、Fを例示できる。Dの存在に因り、空間群Immmで表される結晶構造の酸素原子の結合状態に変化が生じ、LiaMbDcOdがLieOfを活性化する効率を向上させる可能性がある。
LiaMbDcOdの具体例として、Li2CuO2、Li2NiO2、Li2(Cux,Ni1−x)O2(0<x<1)、Li2Cu0.9Fe0.1O2、Li2Cu0.7Fe0.3O2、Li2Cu0.8Ti0.2O2、Li2Cu0.7V0.3O2、Li2Cu0.7Cr0.3O2、Li2Cu0.7Mn0.3O2、Li2Cu0.8Co0.2O2を例示できる。
LiaMbDcOdは粉末状態のものが好ましい。LiaMbDcOdの好適な平均粒子径としては、0.1〜50μm、0.5〜30μm、1〜20μmを例示できる。なお、本明細書における平均粒子径とは、一般的なレーザー回折式粒度分布測定装置で測定した場合のD50を意味する。
LieOfにおいて、e=2の場合、fは好ましくは0<f≦3を満足し、より好ましくは0<f≦2を満足し、さらに好ましくは1≦f≦2を満足する。LieOfとの式は、例えば、Li2Oから多くのリチウムが離脱して、酸素と若干のリチウムとが存在するものを包含する。Liの価電子と酸素の価電子の関係から、eとfはe≦2×fを満足するのが合理的ではあるが、酸素の非共有電子対はリチウムイオンに対する配位能を有するため、例えば、Li−O−Liなる化学構造における酸素の非共有電子対が、他のリチウムイオンと配位結合して、Li3Oとなることも想定できる。そうすると、eとfは2×f<e<3×fを満足する場合もあり得ると考えられる。
LieOfの具体例として、Li2O、Li2O2及びLiO2を例示できる。LieOfはLiが酸素原子に対し4配位又は6配位の構造を示すならば結晶性、非晶性を問わず活用できるが、特に逆ホタル石型の結晶構造を示すものが好ましく、また、粉末状態のものが好ましい。LieOfの好適な平均粒子径としては、0.1〜50μm、0.5〜30μm、1〜20μmを例示できる。
ここで、本発明の正極用材料の充電時の作用機序を、本発明の基礎となった正極用材料にあたるLi6CoO4とLi2Oとの混合物(以下、「参考正極用材料」ということがある。)を例にして考察する。
まず、本発明が想起されたきっかけとしての基礎研究について説明する。本発明者は、可逆的な充放電反応を示すことが知られているLi6CoO4の充放電時の酸化還元反応について、透過型電子顕微鏡−電子エネルギー損失分光法(TEM−EELS)及び放射光X線を用いたX線吸収微細構造(XAFS)解析法を用いた詳細な分析を行った。その結果、Li6CoO4の充放電時にコバルトの価数変化を示す、TEM−EELS分析におけるCo−L2,3吸収端、及びXAFS解析におけるCo−K吸収端において、顕著なエネルギー変化が観察されたのは、初回充電反応時のみであり、初回放電反応以降では観察されなかった。初回放電反応以降では、XAFSのCo−K吸収端が僅かに可逆的な形状変化を示すことを確認した。一方、酸素の2p軌道のエネルギー変化を示すTEM−EELS分析におけるO−K吸収端の形状変化が、初回放電以降の充放電反応時には可逆的に観察された。すなわち、Li6CoO4の可逆的な充放電反応は、Coではなく、主に酸素の電子の動きによって発現していると考えられる。さらに、Coには充放電反応時に酸素の電子の動きを補助する役割があると考えられる。
上記基礎研究の結果をふまえると、参考正極用材料は、初回充電過程において、まず、Li6CoO4のリチウムイオンが離脱するに伴い、Li6CoO4内のCoが酸素を活性可能な状態に変化させると推定される。次いで、Coによって活性化された酸素の2p軌道から一電子が抜ける状態になる。ここで、Coによる酸素の活性化はLi6CoO4内の酸素だけではなく、Li6CoO4と接触するLi2Oへも界面を介して及ぶため、Li2O内のリチウムイオンの離脱を促すと推定される。作用機序の一部を反応式で示すと、以下のとおりと推定される。
Li6Co2+O4 → Li5Co3+O4 + Li+ + e−
Li5Co3+O4 + Li2O ⇔ [Li4Co3+O4 ・(LiO・)] + 2Li+ + 2e−
Li5Co3+O4 + Li2O ⇔ [Li4Co3+O4 ・(LiO・)] + 2Li+ + 2e−
可逆的作用機序の一部を微視的な反応式で示すと、以下のとおりと推定される。
Co3+−O−Li ⇔ Co3+−O・ + Li+ + e−
O−Co3+ + Li2O ⇔ [O−Co−O・−Li] + Li+ + e−
Co3+−O−Li ⇔ Co3+−O・ + Li+ + e−
O−Co3+ + Li2O ⇔ [O−Co−O・−Li] + Li+ + e−
本発明の正極用材料も、上述した参考正極用材料と類似の作用機序で、Li2O内のリチウムイオンの離脱を促すと推定される。したがって、以下に参考例として示す参考正極用材料などに関する技術は、本発明の正極用材料にも類推して適用されるといえる。
したがって、本発明の正極用材料において、LiaMbDcOdは正極活物質でありつつ、LieOfを正極活物質として機能させるためのトリガー化合物であるといえる。また、本発明の正極用材料において、LiaMbDcOdとLieOfとの界面は、リチウムイオンの離脱及び吸蔵の際の、リチウムイオンの通路として機能すると考えられる。
容量の点において、LiaMbDcOd及びLieOfの配合量は、LiaMbDcOd及びLieOfの合計質量に対して、LiaMbDcOdが20〜99質量%の範囲内で存在するのが好ましく、40〜97質量%の範囲内で存在するのがより好ましく、50〜96質量%の範囲内で存在するのがさらに好ましく、60〜95質量%の範囲内で存在するのが特に好ましい。また、LiaMbDcOdとLieOfのモル比は、20:80〜90:10が好ましく、30:70〜85:15がより好ましく、35:65〜80:20がさらに好ましく、50:50〜70:30が特に好ましい。
本発明の正極用材料の製造は、LiaMbDcOd粉体とLieOf粉体を混合すればよい。乳鉢を用いた混合でも良いし、公知の混合機を用いて混合してもよい。混合機としては、V型混合機、W型混合機、リボン型混合機、ドラムミキサーなどの攪拌混合機を用いてもよいし、ボールミル、ジェットミル、ハンマーミル、ピンミル、ディスクミル、ターボミルなどの粉砕混合機を用いてもよい。
混合速度及び混合時間は適宜適切に決定すればよい。ただし、LiaMbDcOd及びLieOfが消失するまで過剰に混合するのは適当ではないため、粉末X線回折装置などの分析装置を用いて、LiaMbDcOd及びLieOfの存在を確認しながら、混合速度及び混合時間を決定するのが好ましい。混合速度及び混合時間に因り、本発明の正極用材料が示す容量が変化し得るので、適正な容量を示す本発明の正極用材料を製造するべく、混合速度及び混合時間を適切に決定することが好ましい。混合速度としては、例えばボールミルの回転速度として、200〜1500rpm、300〜1000rpm、400〜800rpmを例示できる。また、例えばボールミルを用いた場合の混合時間としては、5〜30時間、10〜25時間を例示できる。さらに、混合条件として、第1混合速度V1で混合した後に、第2混合速度V2で混合してもよい。ここで、容量増加の観点から、V1<V2を満足するのが好ましい。
また、本発明の正極用材料は、Li2CO3、LiPF6、Li3PO4、LiBF4から選択されるリチウム塩を含有してもよい。後述する評価例4の結果から、これらのリチウム塩は、LieOfを正極活物質として機能させるためのトリガー化合物としてのLiaMbDcOdの作用を、好適に補助かつ増大する効果を奏することが示唆されるとともに、上記のリチウム塩それ自身が、活物質として作用可能であることも示唆される。
本発明の正極用材料における上記のリチウム塩の配合量は、1〜50質量%が好ましく、3〜30質量%がより好ましく、5〜20質量%がさらに好ましい。また、LiaMbDcOdと、LieOf及びリチウム塩の合計量とのモル比の関係は、20:80〜90:10が好ましく、30:70〜85:15がより好ましく、35:65〜80:20がさらに好ましく、50:50〜70:30が特に好ましい。リチウム塩はLieOf及びリチウム塩の合計量に対して、好ましくは20〜80質量%、より好ましくは30〜70質量%で、又は、好ましくは10〜70モル%、より好ましくは10〜60モル%で、配合されるのがよい。
リチウム塩を含有する本発明の正極用材料の製造は、LiaMbDcOd粉体とLieOf粉体とリチウム塩とを混合すればよい。混合方法の詳細については、上述した本発明の正極用材料の製造における各条件を援用する。
以下、本発明の正極用材料を具備する正極を、本発明の正極という。
本発明の正極は、本発明の正極用材料を含む正極活物質層、及び、集電体を具備する。正極活物質層は集電体上に形成される。
正極活物質層には、本発明の正極用材料以外に公知の正極活物質を含んでいてもよい。また、正極活物質層には、導電助剤や結着剤などが添加されていてもよい。正極活物質層における本発明の正極用材料の配合量は、30〜99質量%の範囲内が好ましく、40〜95質量%の範囲内がより好ましく、45〜90質量%の範囲内がさらに好ましい。
導電助剤は、電極の導電性を高めるために添加される。そのため、導電助剤は、電極の導電性が不足する場合に任意に加えればよく、電極の導電性が十分に優れている場合には加えなくても良い。導電助剤としては化学的に不活性な電子伝導体であれば良く、炭素質微粒子であるカーボンブラック、黒鉛、気相法炭素繊維(Vapor Grown Carbon Fiber)、および各種金属粒子などが例示される。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、ファーネスブラック、チャンネルブラックなどが例示される。これらの導電助剤を単独または二種以上組み合わせて正極活物質層に添加することができる。
導電助剤はその形状が特に制限されるものではないが、その役割からみて、平均粒子径は小さいほうが好ましい。導電助剤の好ましい平均粒子径を挙げると、5μm以下が好ましく、0.01〜3μmの範囲内がより好ましく、0.05〜2μmの範囲内がさらに好ましく、0.1〜1μmの範囲内が特に好ましい。
正極活物質層における導電助剤の配合量を挙げると、0.5〜50質量%の範囲内が好ましく、1〜45質量%の範囲内がより好ましく、2〜40質量%の範囲内が特に好ましい。
結着剤は、本発明の正極用材料や導電助剤を集電体の表面に繋ぎ止める役割を果たすものである。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリル基含有樹脂を例示することができる。また、結着剤として、親水基を有するポリマーを採用してもよい。親水基を有するポリマーの親水基としては、カルボキシル基、スルホ基、シラノール基、アミノ基、水酸基、リン酸基が例示される。親水基を有するポリマーの具体例として、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、ポリメタクリル酸、ポリ(p−スチレンスルホン酸)を挙げることができる。
正極活物質層における結着剤の配合量を挙げると、0.5〜20質量%の範囲内が好ましく、1〜15質量%の範囲内がより好ましく、2〜10質量%の範囲内が特に好ましい。結着剤の配合量が少なすぎると正極活物質層の成形性が低下するおそれがある。また、結着剤の配合量が多すぎると、正極活物質層における正極活物質の量が減少するため、好ましくない。
正極活物質層には、導電助剤及び結着剤以外の添加剤を適宜適切な量で配合してもよい。
集電体は、リチウムイオン二次電池の放電又は充電の間、電極に電流を流し続けるための化学的に不活性な電子伝導体をいう。集電体としては、銀、銅、金、アルミニウム、マグネシウム、タングステン、コバルト、亜鉛、ニッケル、鉄、白金、錫、インジウム、チタン、ルテニウム、タンタル、クロム、モリブデンから選ばれる少なくとも一種、並びにステンレス鋼などの金属材料を例示することができる。集電体は公知の保護層で被覆されていても良い。
集電体はメッシュ状、箔、シート、フィルム、線状、棒状などの形態をとることができる。そのため、集電体として、例えばメッシュ状の金属や、銅箔、ニッケル箔、アルミニウム箔、ステンレス箔などの金属箔を好適に用いることができる。集電体がメッシュ状、箔、シート、フィルム形態の場合は、その厚みが10μm〜100μmの範囲内であることが好ましい。
集電体の表面に正極活物質層を形成させるには、ロールコート法、ダイコート法、ディップコート法、ドクターブレード法、スプレーコート法、カーテンコート法などの従来から公知の方法を用いて、集電体の表面に本発明の正極用材料を塗布すればよい。具体的には、本発明の正極用材料、溶剤、並びに必要に応じて結着剤及び導電助剤を含むスラリーを調製し、当該スラリーを集電体の表面に塗布後、乾燥する。溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと略すことがある。)、メタノール、メチルイソブチルケトンを例示できる。電極密度を高めるべく、乾燥後のものを圧縮しても良い。また、本発明の正極用材料、結着剤、及び必要に応じて導電助剤を含む正極合材を調製し、当該正極合材を集電体に圧着させることで、集電体の表面に正極活物質層を形成させてもよい。
本発明の正極の製造方法は、前記LiaMbDcOdと前記LieOfを混合し混合物とする工程、前記混合物を正極の集電体に配置する工程、を含む製造方法であると把握することができる。
なお、導電助剤に関しては、前記LiaMbDcOdと前記LieOfを混合し混合物とする工程においてLiaMbDcOd及びLieOfと共に導電助剤を混合する、又は、前記LiaMbDcOdと前記LieOfを混合し混合物とする工程に引き続いて、当該混合物に導電助剤を添加して混合し、正極用材料含有混合物を得る工程を設けるのが好ましい。かかる製造方法に因り、本発明の正極用材料を具備する正極の容量が大きくなる場合がある。正極用材料含有混合物を得る工程においては、本発明の正極用材料の製造で用いる混合機と同程度の性能の混合機を採用するのが好ましい。そのような混合機としては、V型混合機、W型混合機、リボン型混合機、ドラムミキサーなどの攪拌混合機や、ボールミル、ジェットミル、ハンマーミル、ピンミル、ディスクミル、ターボミルなどの粉砕混合機を例示できる。正極用材料含有混合物を得る工程における好適な混合条件については、適切に決定すればよい。混合速度としては、例えばボールミルの回転速度として、100〜1000rpm、150〜600rpm、200〜400rpmを例示できる。また、例えばボールミルを用いた場合の混合時間としては、0.1〜5時間、0.3〜3時間を例示できる。
このようにして得られる正極用材料含有混合物、並びに必要に応じて結着剤及び/又は溶剤を含むスラリーを調製し、当該スラリーを集電体の表面に塗布後、乾燥することで、集電体の表面に正極活物質層を形成させることができる。また、正極用材料含有混合物及び結着剤を含む正極合材を調製し、当該正極合材を集電体に圧着させることで、集電体の表面に正極活物質層を形成させてもよい。
以下、本発明の正極を具備するリチウムイオン二次電池を、本発明のリチウムイオン二次電池という。
本発明のリチウムイオン二次電池は、酸素を正極活物質の一部とする開放型の空気電池であってもよいが、LiaMbDcOdの化学的安定性の観点から、空気電池ではないリチウムイオン二次電池、すなわち、酸素を出し入れしない密閉型のリチウムイオン二次電池であるのが好ましい。密閉型のリチウムイオン二次電池であれば、水分などの混入を抑制できる。
なお、空気電池であれば、酸素が正極活物質として機能して、その結果としてLi2O2やLi2Oが形成されることが知られている。上述の特許文献4にて、Li2O単独では充放電が不可能であったとされていたのは、密閉型のリチウムイオン二次電池の場合である。
本発明のリチウムイオン二次電池は、電池構成要素として、本発明の正極、負極、セパレータ及び電解液を含む。
負極は、集電体と、集電体の表面に結着させた負極活物質層を有する。負極活物質層は負極活物質、並びに必要に応じて結着剤及び/又は導電助剤を含む。集電体、結着剤及び導電助剤は、正極で説明したものを採用すればよい。また、負極活物質層用の結着剤としてスチレン−ブタジエンゴムを採用しても良い。
負極活物質としては、リチウムを吸蔵及び放出可能な炭素系材料、リチウムと合金化可能な元素、リチウムと合金化可能な元素を有する化合物、あるいは高分子材料などを例示することができる。
炭素系材料としては、難黒鉛化性炭素、天然黒鉛、人造黒鉛、コークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭あるいはカーボンブラック類が例示できる。ここで、有機高分子化合物焼成体とは、フェノール類やフラン類などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。
リチウムと合金化可能な元素としては、具体的にNa、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Ti、Ag、Zn、Cd、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Pb、Sb、Biが例示でき、特に、Si又はSnが好ましい。
リチウムと合金化可能な元素を有する化合物としては、具体的にZnLiAl、AlSb、SiB4、SiB6、Mg2Si、Mg2Sn、Ni2Si、TiSi2、MoSi2、CoSi2、NiSi2、CaSi2、CrSi2、Cu5Si、FeSi2、MnSi2、NbSi2、TaSi2、VSi2、WSi2、ZnSi2、SiC、Si3N4、Si2N2O、SiOv(0<v≦2)、SnOw(0<w≦2)、SnSiO3、LiSiOあるいはLiSnOを例示でき、特に、SiOx(0.3≦x≦1.6)が好ましい。また、リチウムと合金化反応可能な元素を有する化合物として、スズ合金(Cu−Sn合金、Co−Sn合金等)などの錫化合物を例示できる。
高分子材料としては、具体的にポリアセチレン、ポリピロールを例示できる。
また、負極活物質として、CaSi2と酸とを反応させてCaを除去したポリシランを主成分とする層状シリコン化合物を合成し、当該層状シリコン化合物を300℃以上で加熱して水素を離脱させる方法で製造されるシリコン材料を挙げることができる。当該シリコン材料は、複数枚の板状シリコン体が厚さ方向に積層されてなる構造を有する。この構造は、走査型電子顕微鏡などによる観察で確認できる。当該シリコン材料を、リチウムイオン二次電池の活物質として使用することを考慮すると、リチウムイオンの効率的な挿入及び脱離反応のためには、板状シリコン体は厚さが10nm〜100nmの範囲内のものが好ましく、20nm〜50nmの範囲内のものがより好ましい。また、板状シリコン体の長軸方向の長さは、0.1μm〜50μmの範囲内のものが好ましい。また、板状シリコン体は、(長軸方向の長さ)/(厚さ)が2〜1000の範囲内であるのが好ましい。
当該シリコン材料には、アモルファスシリコン及び/又はシリコン結晶子が含まれるのが好ましい。シリコン結晶子のサイズは、0.5nm〜300nmの範囲内が好ましく、1nm〜100nmの範囲内がより好ましく、1nm〜50nmの範囲内がさらに好ましく、1nm〜10nmの範囲内が特に好ましい。なお、シリコン結晶子のサイズは、シリコン材料に対してX線回折測定(XRD測定)を行い、得られたXRDチャートのSi(111)面の回折ピークの半値幅を用いたシェラーの式から算出される。
一般的なレーザー回折式粒度分布測定装置で測定した場合における、シリコン材料の好ましい粒度分布としては、平均粒子径(D50)が1〜30μmの範囲内であることを例示でき、より好ましくは平均粒子径(D50)が1〜10μmの範囲内であることを例示できる。
必要に応じ、負極活物質はカーボンコートを施されてもよい。
セパレータは、正極と負極とを隔離し、両極の接触による短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータとしては、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン若しくはポリエチレンなどの合成樹脂を1種又は複数用いた多孔質膜、又はセラミックス製の多孔質膜が例示できる。
電解液は、非水溶媒とこの非水溶媒に溶解された電解質とを含んでいる。
非水溶媒としては、環状カーボネート、環状エステル、鎖状カーボネート、鎖状エステル、エーテル類等が使用できる。環状カーボネートとしては、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、ビニレンカーボネートを例示でき、環状エステルとしては、ガンマブチロラクトン、2−メチル−ガンマブチロラクトン、アセチル−ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトンを例示できる。鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネートを例示でき、鎖状エステルとしては、プロピオン酸アルキルエステル、マロン酸ジアルキルエステル、酢酸アルキルエステル等を例示できる。エーテル類としては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタンを例示できる。また、溶媒として、上記の具体的な溶媒の化学構造を構成する水素の一部又は全部がフッ素で置換された溶媒を採用しても良い。電解液には、これらの非水溶媒を単独で用いてもよいし、又は、複数を併用してもよい。
電解質としては、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(CF3SO2)2等のリチウム塩を例示できる。
電解液としては、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネートなどの非水溶媒に、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3などのリチウム塩を0.5mol/lから1.7mol/l程度の濃度で溶解させた溶液を例示できる。
本発明のリチウムイオン二次電池の製造方法としては、本発明の正極を配置する工程を有していればよい。以下、本発明のリチウムイオン二次電池の具体的な製造方法を例示する。正極および負極にセパレータを挟装させ電極体とする。電極体は、正極、セパレータ及び負極を重ねた積層型、又は、正極、セパレータ及び負極を捲いた捲回型のいずれの型にしても良い。正極の集電体および負極の集電体と、外部に通ずる正極端子および負極端子とを、集電用リード等を用いて接続した後に、電極体に電解液を加えて本発明のリチウムイオン二次電池とするとよい。
本発明のリチウムイオン二次電池は車両に搭載することができる。リチウムイオン二次電池は、大きな充放電容量を維持し、かつ優れたサイクル性能を有するため、これを搭載した車両は、高性能の車両となる。
車両としては、電池による電気エネルギーを動力源の全部または一部に使用する車両であればよく、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、プラグインハイブリッド自動車、ハイブリッド鉄道車両、電動フォークリフト、電気車椅子、電動アシスト自転車、電動二輪車が挙げられる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
以下に、各種の具体例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、これらの具体例によって限定されるものではない。
(参考例1−1)
64.7質量部のLi6CoO4粉末と35.3質量部のLi2O粉末を、ボールミルを用いて、500rpmで14.5時間混合し、参考例1−1の正極用材料を製造した。
64.7質量部のLi6CoO4粉末と35.3質量部のLi2O粉末を、ボールミルを用いて、500rpmで14.5時間混合し、参考例1−1の正極用材料を製造した。
参考例1−1の正極用材料5質量部、導電助剤としてアセチレンブラック4質量部、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン1質量部をメノウ乳鉢で混合し、粘土状に加工して正極合材を得た。集電体としてメッシュ状のアルミニウムを準備し、これに正極合材を圧着することで参考例1−1の正極を得た。作業は全てアルゴンガス置換された水分濃度1ppm以下のグローブボックス内で行った。
リチウム箔を準備し、これを負極とした。セパレータとしてガラスフィルター(ヘキストセラニーズ社)及び単層ポリプロピレンであるcelgard2400(ポリポア株式会社)を準備した。また、エチレンカーボネート3体積部及びジエチルカーボネート7体積部を混合した溶媒にLiPF6を1mol/Lで溶解した電解液を準備した。負極、ガラスフィルター、celgard2400、参考例1−1の正極の順に、2種のセパレータを、負極と参考例1−1の正極で挟持し電極体とした。この電極体をコイン型電池ケースCR2032(宝泉株式会社)に収容し、さらに電解液を注入して、密閉型のコイン型電池を得た。これを参考例1−1のリチウムイオン二次電池とした。
(参考例2−1)
78.6質量部のLi6CoO4粉末と21.4質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考例2−1の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
78.6質量部のLi6CoO4粉末と21.4質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考例2−1の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例3−1)
84.6質量部のLi6CoO4粉末と15.4質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考例3−1の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
84.6質量部のLi6CoO4粉末と15.4質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考例3−1の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例4−1)
89.5質量部のLi6CoO4粉末と10.5質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考例4−1の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
89.5質量部のLi6CoO4粉末と10.5質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考例4−1の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例5−1)
94.3質量部のLi6CoO4粉末と5.7質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考例5−1の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
94.3質量部のLi6CoO4粉末と5.7質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考例5−1の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例1−2)
ボールミルを用いて500rpmで14.5時間混合した後に、600rpmでの5時間混合を追加した以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考例1−2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
ボールミルを用いて500rpmで14.5時間混合した後に、600rpmでの5時間混合を追加した以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考例1−2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例2−2)
ボールミルを用いて500rpmで14.5時間混合した後に、600rpmでの5時間混合を追加した以外は、参考例2−1と同様の方法で、参考例2−2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
ボールミルを用いて500rpmで14.5時間混合した後に、600rpmでの5時間混合を追加した以外は、参考例2−1と同様の方法で、参考例2−2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例3−2)
ボールミルを用いて500rpmで14.5時間混合した後に、600rpmでの5時間混合を追加した以外は、参考例3−1と同様の方法で、参考例3−2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
ボールミルを用いて500rpmで14.5時間混合した後に、600rpmでの5時間混合を追加した以外は、参考例3−1と同様の方法で、参考例3−2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例4−2)
ボールミルを用いて500rpmで14.5時間混合した後に、600rpmでの5時間混合を追加した以外は、参考例4−1と同様の方法で、参考例4−2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
ボールミルを用いて500rpmで14.5時間混合した後に、600rpmでの5時間混合を追加した以外は、参考例4−1と同様の方法で、参考例4−2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例5−2)
ボールミルを用いて500rpmで14.5時間混合した後に、600rpmでの5時間混合を追加した以外は、参考例5−1と同様の方法で、参考例5−2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
ボールミルを用いて500rpmで14.5時間混合した後に、600rpmでの5時間混合を追加した以外は、参考例5−1と同様の方法で、参考例5−2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例6−1)
正極用材料の原料として、82.3質量部のLi5FeO4粉末と17.7質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考例6−1の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
正極用材料の原料として、82.3質量部のLi5FeO4粉末と17.7質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考例6−1の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例7−1)
正極用材料の原料として、89質量部のLi6MnO4粉末と11質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考例7−1の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
正極用材料の原料として、89質量部のLi6MnO4粉末と11質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考例7−1の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例6−2)
正極用材料の原料として、82.3質量部のLi5FeO4粉末と17.7質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−2と同様の方法で、参考例6−2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
正極用材料の原料として、82.3質量部のLi5FeO4粉末と17.7質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−2と同様の方法で、参考例6−2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例7−2)
正極用材料の原料として、89質量部のLi6MnO4粉末と11質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−2と同様の方法で、参考例7−2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
正極用材料の原料として、89質量部のLi6MnO4粉末と11質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−2と同様の方法で、参考例7−2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考比較例1)
正極用材料としてLi6CoO4粉末そのものを用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考比較例1の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
正極用材料としてLi6CoO4粉末そのものを用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考比較例1の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考比較例2)
正極用材料の原料として、84.5質量部のLi2FeSiO4粉末と15.5質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考比較例2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
正極用材料の原料として、84.5質量部のLi2FeSiO4粉末と15.5質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−1と同様の方法で、参考比較例2の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考比較例3)
正極用材料の原料として、84.5質量部のLi2FeSiO4粉末と15.5質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−2と同様の方法で、参考比較例3の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
正極用材料の原料として、84.5質量部のLi2FeSiO4粉末と15.5質量部のLi2O粉末を用いた以外は、参考例1−2と同様の方法で、参考比較例3の正極用材料、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
参考例及び参考比較例の正極用材料の一覧を表1に示す。
(評価例1)
参考例2−1、参考例3−1、参考例5−1、参考例1−2、参考例2−2、参考例3−2の正極用材料、及び各参考例と参考比較例に用いたLi2O粉末、Li6CoO4粉末の原料材料につき、放射光を光源とする粉末X線回折分析に供した。図1に、参考例2−1、参考例3−1及び参考例5−1の正極用材料の粉末X線回折チャートを示し、図2に、参考例1−2、参考例2−2及び参考例3−2の正極用材料の粉末X線回折チャートを示す。さらに、図3に、Li6CoO4粉末の粉末X線回折チャートを示し、図4に、Li2O粉末の粉末X線回折チャートを示す。なお、全ての評価について、X線のエネルギーを12.4keVの条件で測定した。図1から図4の横軸は2θであり、縦軸は強度である。
参考例2−1、参考例3−1、参考例5−1、参考例1−2、参考例2−2、参考例3−2の正極用材料、及び各参考例と参考比較例に用いたLi2O粉末、Li6CoO4粉末の原料材料につき、放射光を光源とする粉末X線回折分析に供した。図1に、参考例2−1、参考例3−1及び参考例5−1の正極用材料の粉末X線回折チャートを示し、図2に、参考例1−2、参考例2−2及び参考例3−2の正極用材料の粉末X線回折チャートを示す。さらに、図3に、Li6CoO4粉末の粉末X線回折チャートを示し、図4に、Li2O粉末の粉末X線回折チャートを示す。なお、全ての評価について、X線のエネルギーを12.4keVの条件で測定した。図1から図4の横軸は2θであり、縦軸は強度である。
図1、図2のいずれの回折チャートからも、図3の空間群P42/nmcで表される逆ホタル石型の結晶構造のLi6CoO4に由来するピーク(主に2θ=12°付近、15°付近、21°付近、23°付近に観察されるピーク。)、及び、図4の空間群Fm−3mで表される逆ホタル石型の結晶構造のLi2Oに由来するピーク(主に2θ=21〜22°付近、35〜36°付近に観察されるピーク。)が観察された。なお、空間群の「−3」は上線を付した3を表したものである。
(評価例2)
参考例及び参考比較例のリチウムイオン二次電池につき、13.5mA/gの一定電流下、3.5Vまで充電を行い、1.5Vまで放電を行うとの充放電サイクルを繰り返し行った。評価は全て25℃に制御された恒温槽内で実施した。
評価例2における、参考例及び参考比較例の正極用材料の初回放電容量の一覧を表2に示す。
参考例及び参考比較例のリチウムイオン二次電池につき、13.5mA/gの一定電流下、3.5Vまで充電を行い、1.5Vまで放電を行うとの充放電サイクルを繰り返し行った。評価は全て25℃に制御された恒温槽内で実施した。
評価例2における、参考例及び参考比較例の正極用材料の初回放電容量の一覧を表2に示す。
参考例のリチウムイオン二次電池がいずれも好適に充放電したことを確認した。他方、参考比較例2及び参考比較例3のリチウムイオン二次電池は所望の充放電を行うことができなかった。これらの結果から、Li2Oは、特定の化合物と併用することで、正極活物質として動作するといえる。
参考例1−1〜参考例5−2、参考比較例1のリチウムイオン二次電池の充放電容量の結果を図5及び図6に示す。図5及び図6において、「Dchg Cap.」は放電容量を意味し、「Chg Cap.」は充電容量を意味する。なお、初回充電時に観測される容量は、本来所望するLiイオンの移動に伴う容量だけではなく、酸素が活性化される過程で発生する電気化学的な容量を多く含んでいる。そこで、初回充電時に観測される容量は本発明で実現される電池の容量とは異なるものとして扱うべきと判断し、初回放電以降の容量を評価対象とした。図5及び図6では、初回充電容量の結果は割愛する。
特許文献4に記載されているとおり、Li2O単独では充放電が起こらない。そして、図5及び図6の結果から、参考例の正極用材料がLi6CoO4単独で生じ得る以上の充放電容量を示したことがわかる。すなわち、Li6CoO4及びLi2Oの混合物からなる正極用材料においては、Li2Oのリチウムも充放電に寄与したことがわかる。
参考例の充放電曲線を観察したところ、それぞれの曲線に、平坦状態が2段階で存在した。充放電曲線のそれぞれで2段階の平坦状態が観察されたことは、充放電それぞれの進行に従い、リチウムイオンがLi6CoO4及びLi2Oから別個のタイミングで離脱したこと、並びに、リチウムイオンが別個のタイミングで吸蔵されてLi6CoO4及びLi2Oが別個のタイミングで形成されたことを示唆している。
図5及び図6の結果から、参考例2−1〜参考例5−1、参考例1−2〜参考例5−2が、200mAh/g以上の初回放電容量を示したことがわかる。特に、参考例2−1、参考例4−1、参考例1−2、参考例2−2、参考例4−2、参考例5−2が300mAh/g以上の初回放電容量を示したことは特筆に値する。さらに、参考例4−2及び参考例5−2の初回放電容量が400mAh/g程度又はそれ以上の容量を示したこと、並びに、参考例1−2の初回放電容量が600mAh/g以上の容量を示したことは、驚くべきことである。
なお、Li6CoO4の質量混合比が64.7%である参考例1−1は容量が110mAh/g程度であり、Li6CoO4の混合比が100%である参考比較例1の容量が118mAh/g程度であるが、その放電曲線を比較すると違いが顕著に見られた。図7に参考比較例1及び参考例1−1の初回放電曲線を示す。特に2.6Vから3.0Vの間の反応において、参考例1−1ではLi2OのO電子を活用して発現する容量が加わっていると理解できる。つまり、参考例1−1は参考比較例1には無い、全く別の充放電メカニズムを有すと言え、前述のリチウムイオンが別個のタイミングで吸蔵されてLi6CoO4及びLi2Oが別個のタイミングで形成していることを示しており、参考例1−1の奏する効果は顕著であるといえる。なお、参考例1−1〜参考例5−2、参考例6、7全てにおいて前述の放電曲線の特徴が確認され、Li2Oが活性化されたことによる容量が発現していると考えられる。
また、参考例2−1〜参考例5−1、参考例1−2〜参考例5−2は、充放電を繰り返しても、200mAh/g程度又はそれ以上の充放電容量を示すことがわかる。特に、参考例3−1〜参考例5−1、参考例2−2〜参考例5−2は、2回目以降の充放電容量と、初回の放電容量の差が小さい点で、有利であるといえる。これは、図1、図2の粉末X線回折結果から示唆された、Li2Oとトリガー物質の混合比及びボールミリングの条件に差異によって、製造される物質の状態、特に結晶構造に差異が認められたことと関係があると予測されるが、詳細はまだ分かっていない。
(参考例4−3)
5質量部の参考例4−2の正極用材料、及び、4質量部の導電助剤としてのアセチレンブラックを、ボールミルを用いて、300rpmで0.5時間混合し、参考例4−3の正極用材料含有混合物を製造した。参考例4−3の正極用材料含有混合物に、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン1質量部を加えて、メノウ乳鉢で混合し、粘土状に加工して正極合材を得た。集電体としてメッシュ状のアルミニウムを準備し、これに正極合材を圧着することで参考例4−3の正極を得た。作業は全てアルゴンガス置換された水分濃度1ppm以下のグローブボックス内で行った。
以下、参考例4−1と同様の方法で、参考例4−3のリチウムイオン二次電池を製造した。
5質量部の参考例4−2の正極用材料、及び、4質量部の導電助剤としてのアセチレンブラックを、ボールミルを用いて、300rpmで0.5時間混合し、参考例4−3の正極用材料含有混合物を製造した。参考例4−3の正極用材料含有混合物に、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン1質量部を加えて、メノウ乳鉢で混合し、粘土状に加工して正極合材を得た。集電体としてメッシュ状のアルミニウムを準備し、これに正極合材を圧着することで参考例4−3の正極を得た。作業は全てアルゴンガス置換された水分濃度1ppm以下のグローブボックス内で行った。
以下、参考例4−1と同様の方法で、参考例4−3のリチウムイオン二次電池を製造した。
(評価例3)
参考例4−1、参考例4−2及び参考例4−3のリチウムイオン二次電池につき、13.5mA/gの一定電流下、3.5Vまで充電を行い、1.5Vまで放電を行うとの充放電を行った。評価は25℃に制御された恒温槽内で実施した。
参考例4−1のリチウムイオン二次電池における充放電曲線を図8に示し、参考例4−2のリチウムイオン二次電池における充放電曲線を図9に示し、参考例4−3のリチウムイオン二次電池における充放電曲線を図10に示す。なお、図8、図9及び図10における「1cyc CHG」とは充電曲線を意味し、「1cyc DCHG」とは放電曲線を意味する。
参考例4−1、参考例4−2及び参考例4−3のリチウムイオン二次電池につき、13.5mA/gの一定電流下、3.5Vまで充電を行い、1.5Vまで放電を行うとの充放電を行った。評価は25℃に制御された恒温槽内で実施した。
参考例4−1のリチウムイオン二次電池における充放電曲線を図8に示し、参考例4−2のリチウムイオン二次電池における充放電曲線を図9に示し、参考例4−3のリチウムイオン二次電池における充放電曲線を図10に示す。なお、図8、図9及び図10における「1cyc CHG」とは充電曲線を意味し、「1cyc DCHG」とは放電曲線を意味する。
図8、図9及び図10から、参考例4−3のリチウムイオン二次電池における放電容量は、参考例4−1、参考例4−2における放電容量と比較して、著しく大きいことがわかる。すなわち、参考例4−3の正極は、容量が大きく、エネルギー密度が高いといえる。
この結果から、アセチレンブラックなどの炭素系の導電助剤は、LieOfを正極活物質として機能させるためのトリガー化合物としてのLiaMbDcOdの作用を、好適に補助かつ増大する効果を奏することが示唆される。そして、かかる効果は、本発明の正極用材料と導電助剤とを、ボールミルなどの混合機を用いた、より強い混合条件下で処理することで、より明確に奏されるといえる。
この結果から、アセチレンブラックなどの炭素系の導電助剤は、LieOfを正極活物質として機能させるためのトリガー化合物としてのLiaMbDcOdの作用を、好適に補助かつ増大する効果を奏することが示唆される。そして、かかる効果は、本発明の正極用材料と導電助剤とを、ボールミルなどの混合機を用いた、より強い混合条件下で処理することで、より明確に奏されるといえる。
(参考例8−1)
Li6CoO4粉末、Li2O粉末及びLi2CO3粉末を、ボールミルを用いて、500rpmで14.5時間混合し、さらに、600rpmでの5時間混合を追加して、参考例8−1の正極用材料を製造した。参考例8−1の正極用材料におけるLi6CoO4粉末、Li2O粉末及びLi2CO3粉末のモル比は66:17:17であり、質量比は86:4:10である。
Li6CoO4粉末、Li2O粉末及びLi2CO3粉末を、ボールミルを用いて、500rpmで14.5時間混合し、さらに、600rpmでの5時間混合を追加して、参考例8−1の正極用材料を製造した。参考例8−1の正極用材料におけるLi6CoO4粉末、Li2O粉末及びLi2CO3粉末のモル比は66:17:17であり、質量比は86:4:10である。
5質量部の参考例8−1の正極用材料、及び、4質量部の導電助剤としてのアセチレンブラックを、ボールミルを用いて、300rpmで0.5時間混合し、参考例8−1の正極用材料含有混合物を製造した。参考例8−1の正極用材料含有混合物に、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン1質量部を加えて、メノウ乳鉢で混合し、粘土状に加工して正極合材を得た。集電体としてメッシュ状のアルミニウムを準備し、これに正極合材を圧着することで参考例8−1の正極を得た。作業は全てアルゴンガス置換された水分濃度1ppm以下のグローブボックス内で行った。
以下、参考例1−1と同様の方法で、参考例8−1のリチウムイオン二次電池を製造した。
以下、参考例1−1と同様の方法で、参考例8−1のリチウムイオン二次電池を製造した。
(参考例8−2)
Li2CO3粉末に替えて、LiPF6粉末を用いた以外は、参考例8−1と同様の方法で、参考例8−2の正極用材料、正極用材料含有混合物、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。参考例8−2の正極用材料におけるLi6CoO4粉末、Li2O粉末及びLiPF6粉末のモル比は53:41:6であり、質量比は80:11:9である。
Li2CO3粉末に替えて、LiPF6粉末を用いた以外は、参考例8−1と同様の方法で、参考例8−2の正極用材料、正極用材料含有混合物、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。参考例8−2の正極用材料におけるLi6CoO4粉末、Li2O粉末及びLiPF6粉末のモル比は53:41:6であり、質量比は80:11:9である。
(参考例8−3)
Li2CO3粉末に替えて、Li3PO4粉末を用いた以外は、参考例8−1と同様の方法で、参考例8−3の正極用材料、正極用材料含有混合物、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。参考例8−3の正極用材料におけるLi6CoO4粉末、Li2O粉末及びLi3PO4粉末のモル比は58:33:9であり、質量比は82:9:9である。
Li2CO3粉末に替えて、Li3PO4粉末を用いた以外は、参考例8−1と同様の方法で、参考例8−3の正極用材料、正極用材料含有混合物、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。参考例8−3の正極用材料におけるLi6CoO4粉末、Li2O粉末及びLi3PO4粉末のモル比は58:33:9であり、質量比は82:9:9である。
(参考例8−4)
Li2CO3粉末に替えて、LiBF4粉末を用いた以外は、参考例8−1と同様の方法で、参考例8−4の正極用材料、正極用材料含有混合物、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。参考例8−4の正極用材料におけるLi6CoO4粉末、Li2O粉末及びLiBF4粉末のモル比は60:28:11であり、質量比は84:7:9である。
Li2CO3粉末に替えて、LiBF4粉末を用いた以外は、参考例8−1と同様の方法で、参考例8−4の正極用材料、正極用材料含有混合物、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。参考例8−4の正極用材料におけるLi6CoO4粉末、Li2O粉末及びLiBF4粉末のモル比は60:28:11であり、質量比は84:7:9である。
(評価例4)
参考例8−1〜参考例8−4のリチウムイオン二次電池につき、13.5mA/gの一定電流下、3.5Vまで充電を行い、1.5Vまで放電を行うとの充放電を行った。評価は25℃に制御された恒温槽内で実施した。
その結果、参考例8−1〜参考例8−4のリチウムイオン二次電池の全てにおいて、参考比較例1の初回放電容量(表2を参照のこと。)よりも、著しく大きな放電容量を示した。
参考例8−1〜参考例8−4のリチウムイオン二次電池につき、13.5mA/gの一定電流下、3.5Vまで充電を行い、1.5Vまで放電を行うとの充放電を行った。評価は25℃に制御された恒温槽内で実施した。
その結果、参考例8−1〜参考例8−4のリチウムイオン二次電池の全てにおいて、参考比較例1の初回放電容量(表2を参照のこと。)よりも、著しく大きな放電容量を示した。
参考例8−1のリチウムイオン二次電池における充放電曲線を図11に示す。なお、図11における「1cyc CHG」とは充電曲線を意味し、「1cyc DCHG」とは放電曲線を意味する。図11から、参考例8−1のリチウムイオン二次電池の初回放電容量は458.3mAh/gであった。また、参考例8−2のリチウムイオン二次電池の初回放電容量は446.6mAh/g、参考例8−3のリチウムイオン二次電池の初回放電容量は432.3mAh/g、参考例8−4のリチウムイオン二次電池の初回放電容量は418.7mAh/gであった。これらの初回放電容量は、参考比較例1の初回放電容量よりも著しく大きいのはもちろんのこと、参考例1−1〜参考例7−2の初回放電容量と比較した場合でも、比較的大きな容量であるといえる。
これらの結果から、Li2CO3、LiPF6、Li3PO4、LiBF4から選択されるリチウム塩は、LieOfを正極活物質として機能させるためのトリガー化合物としてのLiaMbDcOdの作用を、好適に補助かつ増大する効果を奏することが示唆される。また、図10で示される放電容量の値、及び、放電曲線の形状からみて、上記のリチウム塩それ自身が活物質として作用していることも示唆される。
(実施例1−1)
Li2CuO2粉末とLi2O粉末をモル比60:40で秤量し、これらの粉末をボールミルを用いて、500rpmで14.5時間混合し、さらに600rpmでの5時間混合を追加して、実施例1−1の正極用材料を製造した。
Li2CuO2粉末とLi2O粉末をモル比60:40で秤量し、これらの粉末をボールミルを用いて、500rpmで14.5時間混合し、さらに600rpmでの5時間混合を追加して、実施例1−1の正極用材料を製造した。
実施例1−1の正極用材料5質量部、導電助剤としてアセチレンブラック4質量部、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン1質量部をメノウ乳鉢で混合し、粘土状に加工して正極合材を得た。集電体としてメッシュ状のアルミニウムを準備し、これに正極合材を圧着することで実施例1−1の正極を得た。作業は全てアルゴンガス置換された水分濃度1ppm以下のグローブボックス内で行った。
リチウム箔を準備し、これを負極とした。セパレータとしてガラスフィルター(ヘキストセラニーズ社)及び単層ポリプロピレンであるcelgard2400(ポリポア株式会社)を準備した。また、エチレンカーボネート3体積部及びジエチルカーボネート7体積部を混合した溶媒にLiPF6を1mol/Lで溶解した電解液を準備した。負極、ガラスフィルター、celgard2400、実施例1−1の正極の順に、2種のセパレータを、負極と実施例1−1の正極で挟持し電極体とした。この電極体をコイン型電池ケースCR2032(宝泉株式会社)に収容し、さらに電解液を注入して、密閉型のコイン型電池を得た。これを実施例1−1のリチウムイオン二次電池とした。
(実施例1−2)
5質量部の実施例1−1の正極用材料、及び、4質量部の導電助剤としてのアセチレンブラックを、ボールミルを用いて、300rpmで0.5時間混合し、実施例1−2の正極用材料含有混合物を製造した。実施例1−2の正極用材料含有混合物に、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン1質量部を加えて、メノウ乳鉢で混合し、粘土状に加工して正極合材を得た。集電体としてメッシュ状のアルミニウムを準備し、これに正極合材を圧着することで実施例1−2の正極を得た。作業は全てアルゴンガス置換された水分濃度1ppm以下のグローブボックス内で行った。
以下、実施例1−1と同様の方法で、実施例1−2のリチウムイオン二次電池を製造した。
5質量部の実施例1−1の正極用材料、及び、4質量部の導電助剤としてのアセチレンブラックを、ボールミルを用いて、300rpmで0.5時間混合し、実施例1−2の正極用材料含有混合物を製造した。実施例1−2の正極用材料含有混合物に、結着剤としてポリテトラフルオロエチレン1質量部を加えて、メノウ乳鉢で混合し、粘土状に加工して正極合材を得た。集電体としてメッシュ状のアルミニウムを準備し、これに正極合材を圧着することで実施例1−2の正極を得た。作業は全てアルゴンガス置換された水分濃度1ppm以下のグローブボックス内で行った。
以下、実施例1−1と同様の方法で、実施例1−2のリチウムイオン二次電池を製造した。
(評価例5)
実施例1−1及び実施例1−2のリチウムイオン二次電池につき、13.5mA/gの一定電流下、3.5Vまで充電を行い、1.5Vまで放電を行うとの充放電サイクルを繰り返し行った。評価は全て25℃に制御された恒温槽内で実施した。
実施例1−1のリチウムイオン二次電池における充放電曲線を図12に示し、実施例1−2のリチウムイオン二次電池における充放電曲線を図13に示す。なお、図における「1cyc CHG」とは1サイクル目の充電曲線を意味し、「2cyc CHG」とは2サイクル目の充電曲線を意味する。同様に、「1cyc DCHG」とは1サイクル目の放電曲線を意味し、「2cyc DCHG」とは2サイクル目の放電曲線を意味する。
実施例1−1及び実施例1−2のリチウムイオン二次電池につき、13.5mA/gの一定電流下、3.5Vまで充電を行い、1.5Vまで放電を行うとの充放電サイクルを繰り返し行った。評価は全て25℃に制御された恒温槽内で実施した。
実施例1−1のリチウムイオン二次電池における充放電曲線を図12に示し、実施例1−2のリチウムイオン二次電池における充放電曲線を図13に示す。なお、図における「1cyc CHG」とは1サイクル目の充電曲線を意味し、「2cyc CHG」とは2サイクル目の充電曲線を意味する。同様に、「1cyc DCHG」とは1サイクル目の放電曲線を意味し、「2cyc DCHG」とは2サイクル目の放電曲線を意味する。
実施例1−1のリチウムイオン二次電池の初回放電容量は228.3mAh/gであり、実施例1−2のリチウムイオン二次電池の初回放電容量は352.3mAh/gであった。一般に、Li2CuO2自体の放電容量は100〜130mAh/g程度であることが知られているところ、この放電容量と比較して、評価例5で確認された実施例1−1及び実施例1−2のリチウムイオン二次電池の放電容量は著しく大きいといえる。これらの結果から、実施例の正極用材料がLi2CuO2単独で生じ得る以上の充放電容量を示したことがわかる。すなわち、Li2CuO2及びLi2Oの混合物である正極用材料においては、Li2Oのリチウムも充放電に寄与したといえる。
また、実施例1−2のリチウムイオン二次電池における放電容量は、実施例1−1のリチウムイオン二次電池における放電容量と比較して、著しく大きいことがわかる。この結果から、評価例3で述べたのと同様に、アセチレンブラックなどの炭素系の導電助剤は、LieOfを正極活物質として機能させるためのトリガー化合物としてのLiaMbDcOdの作用を、好適に補助かつ増大する効果を奏することが示唆される。そして、かかる効果は、本発明の正極用材料と導電助剤とを、ボールミルなどの混合機を用いた、より強い混合条件下で処理することで、より明確に奏されるといえる。
Claims (11)
- LiaMbDcOd(ただし、1.8≦a≦3、b+c=1、0.6≦b≦1、0≦c≦0.4、1.8≦d≦3を満足する。MはCu及び/又はNiである。Dはドープ元素である。)と、LieOf(ただし、0<e、0<fを満足する。)とを含有する正極用材料を具備することを特徴とする正極。
- LiaMbDcOd及びLieOfの合計質量に対して、LiaMbDcOdを20〜99質量%の範囲内で含有する請求項1に記載の正極。
- 前記LiaMbDcOdが空間群Immmで表される結晶構造を示す請求項1又は2に記載の正極。
- 前記LieOfが、Li2O又はLi2O2である請求項1〜3のいずれか1項に記載の正極。
- 前記正極用材料がLi2CO3、LiPF6、Li3PO4及びLiBF4から選択されるリチウム塩を含有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の正極。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載された正極を具備するリチウムイオン二次電池。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載された正極の製造方法であって、
前記LiaMbDcOdと前記LieOfを混合し混合物とする工程、
前記混合物を集電体に配置する工程、
を含む、正極の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載された正極の製造方法であって、
前記LiaMbDcOdと前記LieOfと導電助剤とを混合して混合物とする工程、
前記混合物を集電体に配置する工程、
を含む、正極の製造方法。 - 請求項7又は8に記載の製造方法で製造された正極を配置する工程、を含むリチウムイオン二次電池の製造方法。
- LiaMbDcOd(ただし、1.8≦a≦3、b+c=1、0.6≦b≦1、0≦c≦0.4、1.8≦d≦3を満足する。MはCu及び/又はNiである。Dはドープ元素である。)と、LieOf(ただし、0<e、0<fを満足する。)とを含有することを特徴とする正極用材料。
- LiaMbDcOd(ただし、1.8≦a≦3、b+c=1、0.6≦b≦1、0≦c≦0.4、1.8≦d≦3を満足する。MはCu及び/又はNiである。Dはドープ元素である。)と、LieOf(ただし、0<e、0<fを満足する。)と、Li2CO3、LiPF6、Li3PO4及びLiBF4から選択されるリチウム塩とを含有することを特徴とする正極用材料。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017120027A JP2019003907A (ja) | 2017-06-19 | 2017-06-19 | 正極用材料 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017120027A JP2019003907A (ja) | 2017-06-19 | 2017-06-19 | 正極用材料 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019003907A true JP2019003907A (ja) | 2019-01-10 |
Family
ID=65007992
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017120027A Pending JP2019003907A (ja) | 2017-06-19 | 2017-06-19 | 正極用材料 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2019003907A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023106127A1 (ja) * | 2021-12-07 | 2023-06-15 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 電池 |
-
2017
- 2017-06-19 JP JP2017120027A patent/JP2019003907A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023106127A1 (ja) * | 2021-12-07 | 2023-06-15 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 電池 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2017183653A1 (ja) | 正極用材料 | |
KR102296131B1 (ko) | 리튬이온 이차전지용 양극 활물질, 그의 제조방법 및 이것을 포함하는 리튬이온 이차전지 | |
JP6685938B2 (ja) | 非水電解質二次電池用負極活物質及び非水電解質二次電池 | |
JP6102934B2 (ja) | 非水電解質二次電池及び非水電解質二次電池用正極活物質 | |
JP6952251B2 (ja) | 電池用正極活物質、および、電池 | |
JP6846627B2 (ja) | 正極活物質、および、電池 | |
JP2018116930A (ja) | 正極活物質、および、電池 | |
KR102473532B1 (ko) | 양극 활물질 및 상기 양극 활물질을 채용한 양극과 리튬 전지 | |
WO2016139957A1 (ja) | リチウムイオン二次電池用正極及びその製造方法並びにリチウムイオン二次電池 | |
WO2017013848A1 (ja) | 正極活物質、および、電池 | |
WO2018100792A1 (ja) | 正極活物質、および、正極活物質を用いた電池 | |
JP2018085324A (ja) | 電池用正極活物質、および、電池用正極活物質を用いた電池 | |
JP2008311209A (ja) | 非水電解質二次電池 | |
JPWO2018163518A1 (ja) | 正極活物質、および、電池 | |
JP2009245940A (ja) | 非水電解質二次電池 | |
JPWO2018198410A1 (ja) | 正極活物質、および、電池 | |
CN112313817A (zh) | 正极材料和二次电池 | |
US10811671B2 (en) | Positive-electrode active material and battery | |
US9893356B2 (en) | Cathode active material for nonaqueous electrolyte secondary battery, nonaqueous electrolyte secondary battery, and method of producing cathode active material for nonaqueous electrolyte secondary battery | |
JPWO2017047016A1 (ja) | 正極活物質、および、電池 | |
JP5625028B2 (ja) | 非水二次電池 | |
WO2017047022A1 (ja) | 正極活物質、および、電池 | |
JP7087889B2 (ja) | 複合粒子 | |
JP2019003907A (ja) | 正極用材料 | |
JP7135673B2 (ja) | 複合粒子の製造方法 |