JP2019029110A - 非水系リチウム型蓄電素子用のリチウム化合物 - Google Patents
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Abstract
【課題】非水系リチウム型蓄電素子のリチウムドープ工程における高い分解性を有するリチウム化合物、並びにこれを用いたリチウム化合物含有スラリー、リチウム化合物複合材料、正極前駆体用の塗工液、及び正極前駆体を提供すること。【解決手段】非水系リチウム型蓄電素子用のリチウム化合物であって、上記リチウム化合物は遷移金属を含まず、上記リチウム化合物のBET比表面積が5m2/g以上80m2/g以下であり、上記リチウム化合物についてQSDFT(急冷固体密度汎関数理論)により算出した15Å以上350Å以下の細孔容積Pが0.010cc/g以上0.500cc/g以下である、リチウム化合物。【選択図】なし
Description
本発明は非水系リチウム型蓄電素子用のリチウム化合物に関する。
近年、地球環境の保全及び省資源を目指すエネルギーの有効利用の観点から、風力発電の電力平滑化システム又は深夜電力貯蔵システム、太陽光発電技術に基づく家庭用分散型蓄電システム、電気自動車用の蓄電システム等が注目を集めている。
これらの蓄電システムに用いられる電池の第一の要求事項は、エネルギー密度が高いことである。このような要求に対応可能な高エネルギー密度電池の有力候補として、リチウムイオン二次電池の開発が精力的に進められている。
第二の要求事項は、出力特性が高いことである。例えば、高効率エンジンと蓄電システムとの組み合わせ(例えば、ハイブリッド電気自動車)又は燃料電池と蓄電システムとの組み合わせ(例えば、燃料電池電気自動車)において、加速時には蓄電システムにおける高出力放電特性が要求されている。
現在、高出力蓄電デバイスとしては、電気二重層キャパシタ、ニッケル水素電池等が開発されている。
これらの蓄電システムに用いられる電池の第一の要求事項は、エネルギー密度が高いことである。このような要求に対応可能な高エネルギー密度電池の有力候補として、リチウムイオン二次電池の開発が精力的に進められている。
第二の要求事項は、出力特性が高いことである。例えば、高効率エンジンと蓄電システムとの組み合わせ(例えば、ハイブリッド電気自動車)又は燃料電池と蓄電システムとの組み合わせ(例えば、燃料電池電気自動車)において、加速時には蓄電システムにおける高出力放電特性が要求されている。
現在、高出力蓄電デバイスとしては、電気二重層キャパシタ、ニッケル水素電池等が開発されている。
電気二重層キャパシタのうち、電極に活性炭を用いたものは、0.5〜1kW/L程度の出力特性を有する。この電気二重層キャパシタは、耐久性(サイクル特性及び高温保存特性)も高く、上記高出力が要求される分野で最適のデバイスと考えられてきた。しかしながら、そのエネルギー密度は1〜5Wh/L程度に過ぎない。そのため、更なるエネルギー密度の向上が必要である。
他方、現在ハイブリッド電気自動車で採用されているニッケル水素電池は、電気二重層キャパシタと同等の高出力を有し、かつ160Wh/L程度のエネルギー密度を有している。しかしながら、そのエネルギー密度及び出力をより一層高めるとともに、耐久性(特に、高温における安定性)を高めるための研究が精力的に進められている。
また、リチウムイオン二次電池(非水系リチウム型蓄電素子の一種)においても、高出力化に向けての研究が進められている。例えば、放電深度(蓄電素子の放電容量の何%を放電した状態かを示す値)50%において3kW/Lを超える高出力が得られるリチウムイオンン二次電池が開発されている。しかしながら、そのエネルギー密度は100Wh/L以下であり、リチウムイオン二次電池の最大の特徴である高エネルギー密度を敢えて抑制した設計となっている。また、その耐久性(サイクル特性及び高温保存特性)については、電気二重層キャパシタに比べ劣る。そのため、実用的な耐久性を持たせるためには、放電深度が0〜100%の範囲よりも狭い範囲での使用となる。実際に使用できる容量は更に小さくなるから、耐久性をより一層向上させるための研究が精力的に進められている。
他方、現在ハイブリッド電気自動車で採用されているニッケル水素電池は、電気二重層キャパシタと同等の高出力を有し、かつ160Wh/L程度のエネルギー密度を有している。しかしながら、そのエネルギー密度及び出力をより一層高めるとともに、耐久性(特に、高温における安定性)を高めるための研究が精力的に進められている。
また、リチウムイオン二次電池(非水系リチウム型蓄電素子の一種)においても、高出力化に向けての研究が進められている。例えば、放電深度(蓄電素子の放電容量の何%を放電した状態かを示す値)50%において3kW/Lを超える高出力が得られるリチウムイオンン二次電池が開発されている。しかしながら、そのエネルギー密度は100Wh/L以下であり、リチウムイオン二次電池の最大の特徴である高エネルギー密度を敢えて抑制した設計となっている。また、その耐久性(サイクル特性及び高温保存特性)については、電気二重層キャパシタに比べ劣る。そのため、実用的な耐久性を持たせるためには、放電深度が0〜100%の範囲よりも狭い範囲での使用となる。実際に使用できる容量は更に小さくなるから、耐久性をより一層向上させるための研究が精力的に進められている。
上述のように、高エネルギー密度、高出力特性、及び耐久性を兼ね備えた蓄電素子の実用化が強く求められている。しかしながら、上述した既存の蓄電素子には、それぞれ一長一短がある。そのため、これらの技術的要求を充足する新たな蓄電素子が求められている。その有力な候補として、リチウムイオンキャパシタと呼ばれる蓄電素子が注目され、開発が盛んに行われている。
キャパシタのエネルギーは1/2・C・V2(ここで、Cは静電容量、Vは電圧)で表される。
リチウムイオンキャパシタ(非水系リチウム型蓄電素子の一種)は、リチウム塩を含む非水系電解液を使用する蓄電素子の一種であって、正極においては約3V以上で電気二重層キャパシタと同様の陰イオンの吸着・脱着による非ファラデー反応、負極においてはリチウムイオン二次電池と同様のリチウムイオンの吸蔵・放出によるファラデー反応によって、充放電を行う蓄電素子である。
キャパシタのエネルギーは1/2・C・V2(ここで、Cは静電容量、Vは電圧)で表される。
リチウムイオンキャパシタ(非水系リチウム型蓄電素子の一種)は、リチウム塩を含む非水系電解液を使用する蓄電素子の一種であって、正極においては約3V以上で電気二重層キャパシタと同様の陰イオンの吸着・脱着による非ファラデー反応、負極においてはリチウムイオン二次電池と同様のリチウムイオンの吸蔵・放出によるファラデー反応によって、充放電を行う蓄電素子である。
上述の電極材料とその特徴をまとめると、電極に活性炭等の材料を用い、活性炭表面のイオンの吸着・脱離(非ファラデー反応)により充放電を行う場合は、高出力かつ高耐久性を実現するが、エネルギー密度が低くなる(例えば、1倍とする。)。他方、電極に酸化物又は炭素材料を用い、ファラデー反応により充放電を行う場合は、エネルギー密度が高くなる(例えば、活性炭を用いた非ファラデー反応の10倍とする。)が、耐久性及び出力特性に問題がある。
これらの電極材料の組合せとして、電気二重層キャパシタは、正極及び負極に活性炭(エネルギー密度1倍)を用い、正負極共に非ファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、高出力かつ高耐久性を有するがエネルギー密度が低い(正極1倍×負極1倍=1)という特徴がある。
リチウムイオン二次電池は、正極にリチウム遷移金属酸化物(エネルギー密度10倍)、負極に炭素材料(エネルギー密度10倍)を用い、正負極共にファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、高エネルギー密度(正極10倍×負極10倍=100)だが、入出力特性及び耐久性に問題がある。更に、ハイブリッド電気自動車等で要求される高耐久性を満足させるためには放電深度を制限しなければならず、リチウムイオン二次電池では、そのエネルギーの10〜50%しか使用できない。
リチウムイオンキャパシタは、正極に活性炭(エネルギー密度1倍)、負極に炭素材料(エネルギー密度10倍)を用い、正極では非ファラデー反応、負極ではファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、電気二重層キャパシタ及びリチウムイオン二次電池の特徴を兼ね備えた新規の非対称キャパシタである。それゆえ、高出力かつ高耐久性でありながら、高エネルギー密度(正極1倍×負極10倍=10)を有し、リチウムイオン二次電池の様に放電深度を制限する必要がないことが特徴である。
これらの電極材料の組合せとして、電気二重層キャパシタは、正極及び負極に活性炭(エネルギー密度1倍)を用い、正負極共に非ファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、高出力かつ高耐久性を有するがエネルギー密度が低い(正極1倍×負極1倍=1)という特徴がある。
リチウムイオン二次電池は、正極にリチウム遷移金属酸化物(エネルギー密度10倍)、負極に炭素材料(エネルギー密度10倍)を用い、正負極共にファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、高エネルギー密度(正極10倍×負極10倍=100)だが、入出力特性及び耐久性に問題がある。更に、ハイブリッド電気自動車等で要求される高耐久性を満足させるためには放電深度を制限しなければならず、リチウムイオン二次電池では、そのエネルギーの10〜50%しか使用できない。
リチウムイオンキャパシタは、正極に活性炭(エネルギー密度1倍)、負極に炭素材料(エネルギー密度10倍)を用い、正極では非ファラデー反応、負極ではファラデー反応により充放電を行うことを特徴とし、電気二重層キャパシタ及びリチウムイオン二次電池の特徴を兼ね備えた新規の非対称キャパシタである。それゆえ、高出力かつ高耐久性でありながら、高エネルギー密度(正極1倍×負極10倍=10)を有し、リチウムイオン二次電池の様に放電深度を制限する必要がないことが特徴である。
リチウムイオン二次電池は、初充電の際に負極にて非水系電解液の分解等に伴う被膜が形成する。これにより、正極から放出されたリチウムイオンの一部が負極で失活し、この不可逆容量によりエネルギー密度が低下する。近年では、人造黒鉛や天然黒鉛をベースとした不可逆容量の少ない負極活物質の開発が精力的に行われ、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度は向上している。しかし、入出力特性や高負荷充放電サイクル耐久性を向上できる高活性な負極活物質は、不可逆容量が大きく、リチウムイオン二次電池の特徴である高いエネルギー密度を維持しながら、入出力特性や高負荷充放電サイクル耐久性を向上させることは困難であった。
リチウムイオンキャパシタは、負極に予めリチウムをプレドープすることにより、優れた入出力特性と高いエネルギー密度との両立を実現している。このプレドープ方法としては、様々な方法が提案されている。最も早く確実に負極活物質にリチウムイオンを供給する方法は、負極活物質層の表面に金属リチウムを貼り付け、非水電解液を注入することである。
この金属リチウムを用いるプレドープ方法として、具体的には、例えば以下のような方法が提案されている。
特許文献1には、負極の活物質層に金属リチウム箔を圧着し、プレドープする方法が提案されている。しかしながら、工業的に生産されている金属リチウム箔は、通常30μm以上の厚さがある。金属リチウムの理論容量(3.86Ah/g)から厚さ30μm以上の金属リチウム箔の容量を計算すると、単位面積当たり61.9Ah/m2以上のリチウムを含むことになる。そのため、負極に対して適切な量のリチウムイオンをプレドープするためには、厚さが100μm以上という過度に厚い負極を用いなければならず、負極が厚膜化することでエネルギー密度が低下する。このような過度に厚い負極の使用を避けるため、金属リチウム箔をストライプ状に貼り付ける方法が考えられる。しかし、この方法によると、負極中のリチウムイオンのドープ状態に斑ができ、入出力特性が低下してしまう。
すなわち、金属リチウム箔を使用するプレドープ方法では高いエネルギー密度と入出特性を兼ね備えるリチウムイオンキャパシタを実現することは困難であった。
特許文献1には、負極の活物質層に金属リチウム箔を圧着し、プレドープする方法が提案されている。しかしながら、工業的に生産されている金属リチウム箔は、通常30μm以上の厚さがある。金属リチウムの理論容量(3.86Ah/g)から厚さ30μm以上の金属リチウム箔の容量を計算すると、単位面積当たり61.9Ah/m2以上のリチウムを含むことになる。そのため、負極に対して適切な量のリチウムイオンをプレドープするためには、厚さが100μm以上という過度に厚い負極を用いなければならず、負極が厚膜化することでエネルギー密度が低下する。このような過度に厚い負極の使用を避けるため、金属リチウム箔をストライプ状に貼り付ける方法が考えられる。しかし、この方法によると、負極中のリチウムイオンのドープ状態に斑ができ、入出力特性が低下してしまう。
すなわち、金属リチウム箔を使用するプレドープ方法では高いエネルギー密度と入出特性を兼ね備えるリチウムイオンキャパシタを実現することは困難であった。
リチウム化合物を含む正極前駆体を備える非水系リチウム型蓄電素子は、後述のリチウムドープ工程を施すことにより、リチウム化合物が分解して負極にリチウムイオンを供給することができる。このため、非水系リチウム型蓄電素子の一種であるリチウムイオン二次電池においては、リチウム化合物の分解により負極の不可逆容量を補填できるため、高活性な負極活物質と組み合わせることで、リチウムイオン二次電池特有の高いエネルギー密度を維持しながら、入出力特性と耐久性が向上することが期待される。
また、非水系リチウム型蓄電素子の一種であるリチウムイオンキャパシタにおいては、金属リチウム箔を使用することなく、リチウム化合物の分解により負極にリチウムイオンをプレドープできるため、負極を薄膜化でき、さらに負極電位を十分に低電位化することで作動電圧を高くすることができる。これにより、エネルギー密度が向上すると同時に、入出力特性と耐久性が向上することが期待される。
しかし、発明者らは、このような非水系リチウム型蓄電素子では、リチウムドープ工程で分解されずに残存したリチウム化合物により、入出力特性と耐久性が低減されることを見出した。
特許文献2には、Li2O、Li2O2、Li2CO3、LiOH、及びLiHからなる群より選択される1以上の材料であるリチウム源を含む正極を用いたリチウムイオン二次電池において、このリチウム源を初充電により分解させることで、負極へリチウムイオンを補充できることが開示されている。また、特許文献3及び4には、リチウム化合物の1種である炭酸リチウムの比表面積を0.1m2/g以上(例えば、特許文献3の実施例で5.1m2/g以下の炭酸リチウムが開示されている。)に調整すること、また、リチウムイオン二次電池用の正極活物質の表面に炭酸リチウムの層を設けることで、炭酸リチウムの分解性を向上でき、高い電流で過充電しても炭酸リチウムの分解によるガス発生により電流を遮断できる、安全性の高いリチウムイオン二次電池が得られることが開示されている。
しかし、特許文献2〜4は、残存したリチウム化合物によって入出力特性と耐久性が低減されることを見出しておらず、ましてや、残存したリチウム化合物の影響を抑制する手段については何ら言及されていない。
また、非水系リチウム型蓄電素子の一種であるリチウムイオンキャパシタにおいては、金属リチウム箔を使用することなく、リチウム化合物の分解により負極にリチウムイオンをプレドープできるため、負極を薄膜化でき、さらに負極電位を十分に低電位化することで作動電圧を高くすることができる。これにより、エネルギー密度が向上すると同時に、入出力特性と耐久性が向上することが期待される。
しかし、発明者らは、このような非水系リチウム型蓄電素子では、リチウムドープ工程で分解されずに残存したリチウム化合物により、入出力特性と耐久性が低減されることを見出した。
特許文献2には、Li2O、Li2O2、Li2CO3、LiOH、及びLiHからなる群より選択される1以上の材料であるリチウム源を含む正極を用いたリチウムイオン二次電池において、このリチウム源を初充電により分解させることで、負極へリチウムイオンを補充できることが開示されている。また、特許文献3及び4には、リチウム化合物の1種である炭酸リチウムの比表面積を0.1m2/g以上(例えば、特許文献3の実施例で5.1m2/g以下の炭酸リチウムが開示されている。)に調整すること、また、リチウムイオン二次電池用の正極活物質の表面に炭酸リチウムの層を設けることで、炭酸リチウムの分解性を向上でき、高い電流で過充電しても炭酸リチウムの分解によるガス発生により電流を遮断できる、安全性の高いリチウムイオン二次電池が得られることが開示されている。
しかし、特許文献2〜4は、残存したリチウム化合物によって入出力特性と耐久性が低減されることを見出しておらず、ましてや、残存したリチウム化合物の影響を抑制する手段については何ら言及されていない。
したがって、本発明は、非水系リチウム型蓄電素子のリチウムドープ工程における高い分解性を有するリチウム化合物、並びにこれを用いたリチウム化合物含有スラリー、リチウム化合物複合材料、正極前駆体用の塗工液、及び正極前駆体を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討し実験を重ねた結果、リチウム化合物のBET比表面積及び細孔容積を特定の範囲に調整することで、リチウムドープ工程におけるリチウム化合物の分解性を向上できることを見出し、本発明を完成させるに至ったものである。
すなわち、本発明は、以下のとおりのものである。
[1]
非水系リチウム型蓄電素子用のリチウム化合物であって、
上記リチウム化合物は遷移金属を含まず、
上記リチウム化合物のBET比表面積が5m2/g以上80m2/g以下であり、
上記リチウム化合物についてQSDFT(急冷固体密度汎関数理論)により算出した15Å以上350Å以下の細孔容積Pが0.010cc/g以上0.500cc/g以下である、リチウム化合物。
[2]
リチウム化合物の固体7Li−NMRスペクトルにおいて、繰り返し待ち時間10秒で測定される−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積をaとし、繰り返し待ち時間3000秒で測定される−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積をbとしたとき、a/bが0.15以上1.00以下である、項目1に記載のリチウム化合物。
[3]
上記リチウム化合物の平均粒子径が0.05μm以上1μm以下である、項目1又は2に記載のリチウム化合物。
[4]
上記リチウム化合物は、炭酸リチウム、酸化リチウム、及び水酸化リチウムからなる群から選ばれる少なくとも1種である、項目1〜3のいずれか1項に記載のリチウム化合物。
[5]
項目1〜4のいずれか1項に記載のリチウム化合物と分散媒とを含有するリチウム化合物含有スラリーであって、上記リチウム化合物の含有量が、上記リチウム化合物含有スラリーの単位質量当たり1質量%以上50質量%以下である、リチウム化合物含有スラリー。
[6]
上記リチウム化合物含有スラリーは分散剤を更に含有し、上記分散剤の含有量が上記リチウム化合物含有スラリーの単位質量当たり0.1質量%以上10質量%以下である、項目5に記載のリチウム化合物含有スラリー。
[7]
上記分散媒が、水、N−メチル−2ピロリドン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、酢酸エチル、酢酸ブチル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、ジメチルスルホキシド、リン酸トリメチル、アルコール、アセトン、トルエン、キシレン、ノルマルヘキサン、及びシクロヘキサンからなる群から選ばれる少なくとも1種である、項目5又は6に記載のリチウム化合物含有スラリー。
[8]
上記分散剤が、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、酢酸フタル酸セルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースフタレート、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、及びポリビニルアセタールからなる群から選ばれる少なくとも1種である、項目6又は7に記載のリチウム化合物含有スラリー。
[9]
項目1〜4のいずれか1項に記載のリチウム化合物と炭素材料とを含有するリチウム化合物複合材料であって、リチウム化合物の含有量が、上記リチウム化合物複合材料の単位質量当たり5質量%以上95質量%以下である、リチウム化合物複合材料。
[10]
上記リチウム化合物複合材料のXPSにより測定されるLiの相対元素濃度をqLiとし、測定されるCの相対元素濃度をqCとしたとき、qLi/qCが0.05以上0.95以下である、項目9に記載のリチウム化合物複合材料。
[11]
上記炭素材料が、炭素前駆体の焼成体、カーボンブラック、気相法炭素繊維、活性炭、ソフトカーボン、ハードカーボン、黒鉛、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン、及びこれらの複合炭素材料からなる群から選ばれる少なくとも1種である、項目9又は10に記載のリチウム化合物複合材料。
[12]
正極活物質と;項目1〜4のいずれか1項に記載のリチウム化合物、項目5〜8のいずれか1項に記載のリチウム化合物含有スラリー、又は項目9〜11のいずれか1項に記載のリチウム化合物複合材料からなる群から選ばれる少なくとも1種と;水又は有機溶剤とを含有する、正極前駆体用の塗工液。
[13]
正極集電体の片面又は両面上に、項目1〜4のいずれか1項に記載のリチウム化合物又は項目9〜11のいずれか1項に記載のリチウム化合物複合材料からなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、正極前駆体。
[1]
非水系リチウム型蓄電素子用のリチウム化合物であって、
上記リチウム化合物は遷移金属を含まず、
上記リチウム化合物のBET比表面積が5m2/g以上80m2/g以下であり、
上記リチウム化合物についてQSDFT(急冷固体密度汎関数理論)により算出した15Å以上350Å以下の細孔容積Pが0.010cc/g以上0.500cc/g以下である、リチウム化合物。
[2]
リチウム化合物の固体7Li−NMRスペクトルにおいて、繰り返し待ち時間10秒で測定される−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積をaとし、繰り返し待ち時間3000秒で測定される−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積をbとしたとき、a/bが0.15以上1.00以下である、項目1に記載のリチウム化合物。
[3]
上記リチウム化合物の平均粒子径が0.05μm以上1μm以下である、項目1又は2に記載のリチウム化合物。
[4]
上記リチウム化合物は、炭酸リチウム、酸化リチウム、及び水酸化リチウムからなる群から選ばれる少なくとも1種である、項目1〜3のいずれか1項に記載のリチウム化合物。
[5]
項目1〜4のいずれか1項に記載のリチウム化合物と分散媒とを含有するリチウム化合物含有スラリーであって、上記リチウム化合物の含有量が、上記リチウム化合物含有スラリーの単位質量当たり1質量%以上50質量%以下である、リチウム化合物含有スラリー。
[6]
上記リチウム化合物含有スラリーは分散剤を更に含有し、上記分散剤の含有量が上記リチウム化合物含有スラリーの単位質量当たり0.1質量%以上10質量%以下である、項目5に記載のリチウム化合物含有スラリー。
[7]
上記分散媒が、水、N−メチル−2ピロリドン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、酢酸エチル、酢酸ブチル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、ジメチルスルホキシド、リン酸トリメチル、アルコール、アセトン、トルエン、キシレン、ノルマルヘキサン、及びシクロヘキサンからなる群から選ばれる少なくとも1種である、項目5又は6に記載のリチウム化合物含有スラリー。
[8]
上記分散剤が、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、酢酸フタル酸セルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースフタレート、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、及びポリビニルアセタールからなる群から選ばれる少なくとも1種である、項目6又は7に記載のリチウム化合物含有スラリー。
[9]
項目1〜4のいずれか1項に記載のリチウム化合物と炭素材料とを含有するリチウム化合物複合材料であって、リチウム化合物の含有量が、上記リチウム化合物複合材料の単位質量当たり5質量%以上95質量%以下である、リチウム化合物複合材料。
[10]
上記リチウム化合物複合材料のXPSにより測定されるLiの相対元素濃度をqLiとし、測定されるCの相対元素濃度をqCとしたとき、qLi/qCが0.05以上0.95以下である、項目9に記載のリチウム化合物複合材料。
[11]
上記炭素材料が、炭素前駆体の焼成体、カーボンブラック、気相法炭素繊維、活性炭、ソフトカーボン、ハードカーボン、黒鉛、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン、及びこれらの複合炭素材料からなる群から選ばれる少なくとも1種である、項目9又は10に記載のリチウム化合物複合材料。
[12]
正極活物質と;項目1〜4のいずれか1項に記載のリチウム化合物、項目5〜8のいずれか1項に記載のリチウム化合物含有スラリー、又は項目9〜11のいずれか1項に記載のリチウム化合物複合材料からなる群から選ばれる少なくとも1種と;水又は有機溶剤とを含有する、正極前駆体用の塗工液。
[13]
正極集電体の片面又は両面上に、項目1〜4のいずれか1項に記載のリチウム化合物又は項目9〜11のいずれか1項に記載のリチウム化合物複合材料からなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、正極前駆体。
本発明は、非水系リチウム型蓄電素子のリチウムドープ工程における高い分解性を有するリチウム化合物、並びにこれを用いたリチウム化合物含有スラリー、リチウム化合物複合材料、正極前駆体用の塗工液、及び正極前駆体を提供することができる。また、本発明に係るリチウム化合物を含む正極前駆体を用いた非水系リチウム型蓄電素子は、高いエネルギー密度、高い入出力特性、高い高負荷充放電サイクル耐久性を兼ね備えることができる。
以下、本発明の実施形態(以下、「本実施形態」という。)を詳細に説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。本実施形態の各数値範囲における上限値及び下限値は任意に組み合わせて任意の数値範囲を構成することができる。
非水系リチウム型蓄電素子は一般に、正極と、負極と、セパレータと、電解液とを主な構成要素として備える。電解液としては、リチウムイオンを含む有機溶媒(以下、「非水系電解液」ともいう。)を用いる。
非水系リチウム型蓄電素子は一般に、正極と、負極と、セパレータと、電解液とを主な構成要素として備える。電解液としては、リチウムイオンを含む有機溶媒(以下、「非水系電解液」ともいう。)を用いる。
<リチウム化合物>
本願明細書において、非水系リチウム型蓄電素子用の「リチウム化合物」とは、正極活物質ではなく、また遷移金属を含まないリチウム化合物を意味する。本願明細書において、リチウム化合物が遷移金属を「含まない」とは、リチウム化合物の化学式中に遷移金属元素を含まないことを意味する。遷移金属元素とは、第3族〜第11族に属する元素を意味する。
リチウム化合物としては、後述のリチウムドープ工程において正極前駆体で分解し、リチウムイオンを放出することが可能な材料である。このようなリチウム化合物としては、炭酸リチウム、酸化リチウム、水酸化リチウム、フッ化リチウム、塩化リチウム、シュウ化リチウム、ヨウ化リチウム、窒化リチウム、シュウ酸リチウム、及び酢酸リチウム等が挙げられる。これらの中でも、空気中での取り扱いが可能であり、吸湿性が低いという観点から、炭酸リチウム、酸化リチウム、及び水酸化リチウムからなる群から選択される少なくとも1種が好ましく、炭酸リチウムがより好ましい。このようなリチウム化合物は、電圧の印加によって分解し、負極へのリチウムドープのドーパント源として機能することができる。
本願明細書において、非水系リチウム型蓄電素子用の「リチウム化合物」とは、正極活物質ではなく、また遷移金属を含まないリチウム化合物を意味する。本願明細書において、リチウム化合物が遷移金属を「含まない」とは、リチウム化合物の化学式中に遷移金属元素を含まないことを意味する。遷移金属元素とは、第3族〜第11族に属する元素を意味する。
リチウム化合物としては、後述のリチウムドープ工程において正極前駆体で分解し、リチウムイオンを放出することが可能な材料である。このようなリチウム化合物としては、炭酸リチウム、酸化リチウム、水酸化リチウム、フッ化リチウム、塩化リチウム、シュウ化リチウム、ヨウ化リチウム、窒化リチウム、シュウ酸リチウム、及び酢酸リチウム等が挙げられる。これらの中でも、空気中での取り扱いが可能であり、吸湿性が低いという観点から、炭酸リチウム、酸化リチウム、及び水酸化リチウムからなる群から選択される少なくとも1種が好ましく、炭酸リチウムがより好ましい。このようなリチウム化合物は、電圧の印加によって分解し、負極へのリチウムドープのドーパント源として機能することができる。
本実施形態のリチウム化合物のBET比表面積は、5m2/g以上80m2/g以下である。BET比表面積は、好ましくは、8m2/g以上75m2/g以下、より好ましくは10m2/g以上70m2/g以下、さらに好ましくは12m2/g以上65m2/g以下、よりさらに好ましくは14m2/g以上60m2/g以下である。尚、下限と上限は任意の組み合わせであることができる。
本実施形態におけるBET比表面積は以下の方法によって求められる値である。試料を200℃で一昼夜真空乾燥し、窒素を吸着質として吸脱着の等温線の測定を行う。ここで得られる吸着側の等温線を用いて、BET多点法又はBET1点法によりBET比表面積を算出できる。
本実施形態のリチウム化合物のQSDFT(急冷固体密度汎関数理論)により算出した15Å以上350Å以下の細孔容積Pは、0.010cc/g以上0.500cc/g以下である。細孔容積Pは、好ましくは、0.020cc/g以上0.400cc/g、より好ましくは0.030cc/g以上0.350cc/g、さらに好ましくは0.035cc/g以上0.300cc/g、よりさらに好ましくは0.040cc/g以上0.250cc/gである。尚、下限と上限は任意の組み合わせであることができる。
本実施形態におけるQSDFT解析は以下の方法によって行うことができる。試料を200℃で一昼夜真空乾燥し、窒素又はアルゴンを吸着質として、吸脱着の等温線の測定を行う。ここで得られる吸脱着等温線をQSDFT(急冷固体密度汎関数理論)解析することにより、細孔容積Pを算出する。具体的な算出法は、Ravikovitch P.I.により提唱されたものに準じて行うことができる(Langmuir,22、11171(2006))。この方法は、均一な細孔表面を仮定する非局在密度汎関数理論(NLDFT)による解析(NLDFT法)を、不均一な細孔表面にも適用できるよう発展させた手法である。細孔容積Pは上記QSDFT解析により得られる試料の累積細孔分布から、15Å以上350Å以下の細孔容積を抽出することにより算出できる。
リチウム化合物のBET比表面積及び細孔容積を特定の範囲に調整することで、リチウム化合物のリチウムドープ工程における分解性を高めることができ、そして、本発明のリチウム化合物を含む正極前駆体を用いた非水系リチウム型蓄電素子のエネルギー密度、入出力特性、及び高負荷充放電サイクル耐久性を同時に高めることができる。その原理は明らかではないが、発明者らは、次のように推察している。リチウム化合物を含む正極前駆体を備える非水系リチウム型蓄電素子において、リチウムドープ工程にて分解せずに残存したリチウム化合物は、正極活物質の反応・吸着サイトを減少させ、また非水系電解液中のイオンの拡散を阻害するため抵抗源となり、良好な入出力特性が得られない。また、充放電サイクルにおいては、過電圧によって、残存したリチウム化合物が非水系電解液と共に分解することや、HF等の活性生成物と反応してガスを発生することにより、正極被膜の増加やガスによる局所的な電流遮断を引き起こし、充放電サイクル中の抵抗が顕著に増加する。リチウム化合物のBET比表面積や細孔容積を特定の範囲に調整することでリチウムドープ工程におけるリチウム化合物の分解性が向上し、残存するリチウム化合物の量を低減することができる。したがって、本実施形態のリチウム化合物を正極前駆体に用いた非水系リチウム型蓄電素子は、入出力特性と高負荷充放電サイクル耐久性を向上できる。リチウム化合物の分解性を高めるためには、反応面積を増やすこと、導電性を付与すること、放出されるリチウムイオンの拡散を良好にすることが重要であると考えられる。リチウム化合物のBET比表面積を従来よりも大きい5m2/g以上に制御することで、反応面積が増大し、さらには導電性の高い正極活物質や導電性フィラーとの接触面積が多くなり導電性を付与でき、リチウム化合物の分解性を向上できる。また、非水系電解液中で溶媒和したリチウムイオンの大きさ(約9〜12Å程度)よりも大きい15Å以上の細孔容積を0.010cc/g以上有することで、リチウム化合物の保液量が多くなると共に、リチウム化合物の分解により放出されたリチウムイオンの拡散を促進することができるため、リチウム化合物近傍のリチウムイオン濃度が高くなるのを抑制でき、ルシャトリエの原理によって分解を促進できる。また、上述のような分解性が高いリチウム化合物を使用することで、正極前駆体におけるリチウム化合物の含有量が同じであっても、負極へ供給されるリチウムイオンが多くなり、負極の不可逆容量の補填や負極電位の低電位化を効率よく行えるため、エネルギー密度が向上する。
リチウム化合物のBET比表面積が5m2/g以上であれば、リチウム化合物の分解性を十分に向上できるため、上述した理由により、高い入出力特性と高い高負荷充放電サイクル耐久性を有する非水系リチウム型蓄電素子を提供することができる。他方、リチウム化合物のBET比表面積が80m2/g以下であれば、リチウム化合物同士の凝集を緩和でき、正極活物質や導電性フィラーにリチウム化合物が良好に分散した正極前駆体が得られるため、リチウム化合物の分解性を向上でき、上述した理由により、高い入出力特性と高い高負荷充放電サイクル耐久性を有する非水系リチウム型蓄電素子を提供することができる。
リチウム化合物の細孔容積Pが0.010cc/g以上であれば、リチウム化合物の分解中のリチウムイオンの拡散性を向上でき、分解を十分に促進できるため、上述した理由により、高い入出力特性と高い高負荷充放電サイクル耐久性を有する非水系リチウム型蓄電素子を提供することができる。他方、細孔容積Pが0.500cc/g以下であれば、リチウム化合物の吸着水による影響を十分に抑制できるため、HF等の活性生成物の発生を抑制でき、高い入出力特性と高い高負荷充放電サイクル耐久性を有する非水系リチウム型蓄電素子を提供することができる。
リチウム化合物の固体7Li−NMRスペクトルにおいて、繰り返し待ち時間10秒で測定される−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積をaとし、繰り返し待ち時間3000秒で測定される−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積をbとしたとき、a/bは0.15以上1.00以下が好ましい。a/bの下限値はより好ましくは0.20以上、さらに好ましくは0.25以上である。ピーク面積bは、リチウム化合物中のすべてのリチウムの量を示す。他方、ピーク面積aは、リチウム化合物の表面やエッジ等に存在する活性が高いリチウムの量を示す。したがって、a/bは、リチウム化合物における活性の高いリチウムの割合を示す。a/bが0.15以上であれば、活性の高いリチウムが十分に多く、リチウム化合物の分解性が高くなるため好ましい。
本明細書中、リチウム化合物の固体7Li−NMRスペクトルにおける、繰り返し待ち時間10秒で測定される−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積aと、繰り返し待ち時間3000秒で測定される−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積bとの面積比a/bは、以下の方法により算出することができる。
固体7Li−NMRの測定装置としては、市販の装置を用いることができる。室温環境下において、マジックアングルスピニングの回転数を14.5kHzとし、照射パルス幅を45°パルスとして、シングルパルス法にて測定する。繰り返し待ち時間を10秒とした場合と3000秒とした場合のそれぞれについて測定を行い、固体7Li−NMRスペクトルを得る。固体7Li−NMRスペクトルの取得にあたっては繰り返し待ち時間以外の測定条件、すなわち積算回数やレシーバーゲインなどをすべて同一とする。シフト基準として1mol/L塩化リチウム水溶液を用い、外部標準として別途測定したそのシフト位置を0ppmとする。塩化リチウム水溶液測定時には試料を回転させず、照射パルス幅を45°パルスとして、シングルパルス法にて測定する。
上記の方法によって得られるリチウム化合物の固体7Li−NMRスペクトルから−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積a、bをそれぞれ取得し、a/bを算出する。
固体7Li−NMRの測定装置としては、市販の装置を用いることができる。室温環境下において、マジックアングルスピニングの回転数を14.5kHzとし、照射パルス幅を45°パルスとして、シングルパルス法にて測定する。繰り返し待ち時間を10秒とした場合と3000秒とした場合のそれぞれについて測定を行い、固体7Li−NMRスペクトルを得る。固体7Li−NMRスペクトルの取得にあたっては繰り返し待ち時間以外の測定条件、すなわち積算回数やレシーバーゲインなどをすべて同一とする。シフト基準として1mol/L塩化リチウム水溶液を用い、外部標準として別途測定したそのシフト位置を0ppmとする。塩化リチウム水溶液測定時には試料を回転させず、照射パルス幅を45°パルスとして、シングルパルス法にて測定する。
上記の方法によって得られるリチウム化合物の固体7Li−NMRスペクトルから−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積a、bをそれぞれ取得し、a/bを算出する。
リチウム化合物の形状は、上記BET比表面積及び細孔容積Pの要件を満たす限り、限定されない。好ましくは、リチウム化合物は粒子である。リチウム化合物の平均粒子径は、好ましくは0.05μm以上1μm以下、より好ましくは0.10μm以上0.80μm以下、さらに好ましくは0.15μm以上0.50μm以下である。リチウム化合物の平均粒子径が0.05μm以上であれば、リチウム化合物同士の凝集を抑制でき、正極前駆体中に均一にリチウム化合物を分散することができるため、リチウム化合物の分解性を向上できる。他方、リチウム化合物の平均粒子径が1μm以下であれば、リチウム化合物の外比表面積を大きくでき、これに伴いBET比表面積も大きくできるため、上述した理由によりリチウム化合物の分解性を向上できる。
本実施形態における平均粒子径とは、粒度分布測定装置を用いて粒度分布を測定した際、全体積を100%として累積カーブを求めたとき、その累積カーブが50%となる点の粒子径(すなわち、50%径(Median径))を指す。この平均粒子径は市販のレーザー回折式粒度分布測定装置を用いて測定することができる。
凝集等により平均粒子径を正確に測定できない場合は、1次粒子径を平均粒子径とすることができる。本実施形態における1次粒子径とは、粉体を電子顕微鏡で数視野撮影し、それらの視野中の粒子の粒子径を、全自動画像処理装置等を用いて2,000〜3,000個程度計測し、これらを算術平均した値を1次粒子径とする方法により得ることができる。
リチウム化合物のBET比表面積、細孔容積、a/b及び平均粒子径を上述の範囲に調整する方法は特に制限はないが、例えば、リチウム化合物を粉砕等の加工により調整する方法;リチウム化合物を核成長等により生成し調整する方法;及び鋳型の周りにリチウム化合物を生成し、その後溶解や燃焼等により鋳型を除去して調整する方法等を用いることができる。リチウム化合物の粉砕には、ボールミル、ビーズミル、リングミル、ジェットミル、ロッドミル、高圧ホモジナイザー等の、湿式及び/又は乾式のいずれの粉砕機であっても用いることができる。リチウム化合物を分散媒に分散させ、その分散液を用いて粉砕する湿式粉砕においては、粉砕後必要に応じて、加熱ミキサー等で分散媒を揮発させ、リチウム化合物を粉体化することができる。また、リチウム化合物の核成長には、CVD法;熱プラズマやレーザーアブソレーション等を用いるPVD法;沈殿や共沈、析出、昌析等の液相プロセス等を用いることができる。また、必要に応じて上記の方法を複数組み合わせてもよい。
<リチウム化合物含有スラリー>
本実施形態におけるリチウム化合物含有スラリーは、本発明のリチウム化合物と分散媒とを含有し、また、必要に応じて分散剤やpH調整剤等を更に含有することができる。また、リチウム化合物含有スラリーを用いて、後述する正極前駆体用の塗工液を作製することができる。
本実施形態におけるリチウム化合物含有スラリーは、本発明のリチウム化合物と分散媒とを含有し、また、必要に応じて分散剤やpH調整剤等を更に含有することができる。また、リチウム化合物含有スラリーを用いて、後述する正極前駆体用の塗工液を作製することができる。
本実施形態におけるリチウム化合物含有スラリーのリチウム化合物の濃度は、好ましくは、リチウム化合物含有スラリーの単位質量当たりに1質量%以上50質量%以下、より好ましくは5質量%以上40質量%以下、さらに好ましくは10質量%以上30質量%以下である。リチウム化合物の濃度が1質量%以上であれば、これを用いた正極前駆体用の塗工液の固形分濃度を所望の範囲に調整し易い。また、リチウム化合物の濃度が50質量%以下であれば、リチウム化合物含有スラリー内における凝集を抑制でき安定性に優れ、また、リチウム化合物含有スラリーの流動性を高めることができ取扱いが容易となり量産性に優れる。
リチウム化合物含有スラリーは、必要に応じて分散剤を含有することができる。リチウム化合物含有スラリーにおける分散剤の含有量は、好ましくは、リチウム化合物含有スラリーの単位質量当たり0.1質量%以上10質量%以下、より好ましくは0.5質量%以上7質量%、さらに好ましくは1質量%以上5質量%以下である。分散剤の含有量が0.1質量%以上であれば、リチウム化合物含有スラリー中のリチウム化合物の凝集や沈降を抑制できるため好ましい。他方、分散剤の含有量が10質量%以下であれば、リチウム化合物含有スラリーを原料とした正極前駆体において分散剤による抵抗増加を抑制でき、良好な入出力特性を有する非水系リチウム型蓄電素子を提供することができる。
分散媒は、リチウム化合物を良好に溶解及び/又は分散できれば特に制限はないが、リチウム化合物含有スラリーを用いて正極前駆体用の塗工液を調整する観点から、水、N−メチル−2ピロリドン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、酢酸エチル、酢酸ブチル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、ジメチルスルホキシド、リン酸トリメチル、アルコール、アセトン、トルエン、キシレン、ノルマルヘキサン、及びシクロヘキサンからなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
分散剤は、リチウム化合物含有スラリー中のリチウム化合物の凝集や沈降を抑制でき安定性を向上できれば特に制限はないが、リチウム化合物含有スラリーを用いて正極前駆体用の塗工液を調整する観点から、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、酢酸フタル酸セルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースフタレート、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、及びポリビニルアセタールからなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
本実施形態におけるリチウム化合物含有スラリーはアルカリ性を示すことがあるが、リチウム化合物含有スラリーを用いた正極前駆体用の塗工液において、アルカリ性により結着剤の分子量を低下するだけでなく、正極前駆体を作製した際に正極集電体への腐食が促進し、正極前駆体を用いた非水系リチウム型蓄電素子の低寿命化を招くことが考えられる。従って、リチウム化合物含有スラリーがアルカリ性を示す場合には、pH調整剤を添加することが好ましい。pH調整剤の種類は特に限定されないが、強酸や弱酸いずれも使用することができる。また、pH調整剤は、無機酸であっても有機酸でも構わない。例えば、無機酸としては、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、炭酸などが挙げられ、有機酸としては酢酸、シュウ酸、クエン酸などが挙げられる。それらの中でも、正極前駆体及び/又は非水系リチウム型蓄電素子の製造工程で分解又は揮発するもの、例えば酢酸、及び塩酸等が好ましい。リチウム化合物含有スラリーへのpH調整剤の使用量は、リチウム化合物含有スラリー中の全固形分の全質量を基準として、0質量%、0質量%超、又は0.1質量%以上、1質量%以下であることが好ましい。pH調整剤の使用量が1質量%以下であれば、pH調整剤の残存が抑制される。
リチウム化合物含有スラリーにおけるリチウム化合物や分散剤の含有量は後述する方法により算出することができる。
先ず、リチウム化合物含有スラリーの質量Ms1を測定する。このリチウム化合物含有スラリーをホットプレート、熱天秤、熱風乾燥機、TG測定装置等を用いて200℃以下の温度で加熱し、分散媒を蒸発させ、乾燥させてリチウム化合物と分散剤を含む粉体を得る。必要に応じて、得られる粉体をさらに真空乾燥してもよい。その後、この粉体の質量Ms2を測定する。次いで、この粉体を白金から構成される試料パンに入れ、TG測定装置にて、下記の条件でTG曲線を得る。
・ガス:大気雰囲気下、又は圧縮空気
・昇温速度:0.5℃/min以下
・温度範囲:25℃〜500℃以上リチウム化合物の融点マイナス50℃の温度以下
得られるTG曲線の25℃の質量をMs3とし、500℃以上の温度にて質量減少速度がMs3×0.01/min以下となった最初の温度における質量をMs4とする。
分散剤は、酸素含有雰囲気(例えば、大気雰囲気)下では500℃以下の温度で加熱することですべて酸化・燃焼する。他方、リチウム化合物は酸素含有雰囲気下でもリチウム化合物の融点マイナス50℃の温度までは質量減少することがない。
そのため、リチウム化合物含有スラリーにおけるリチウム化合物の含有量は、(Ms4/Ms3)×(Ms2/Ms1)×100の数式により算出できる。
また、リチウム化合物含有スラリーにおける分散剤の含有量は、{(Ms3−Ms4)/Ms3}×(Ms2/Ms1)×100の数式により算出できる。
先ず、リチウム化合物含有スラリーの質量Ms1を測定する。このリチウム化合物含有スラリーをホットプレート、熱天秤、熱風乾燥機、TG測定装置等を用いて200℃以下の温度で加熱し、分散媒を蒸発させ、乾燥させてリチウム化合物と分散剤を含む粉体を得る。必要に応じて、得られる粉体をさらに真空乾燥してもよい。その後、この粉体の質量Ms2を測定する。次いで、この粉体を白金から構成される試料パンに入れ、TG測定装置にて、下記の条件でTG曲線を得る。
・ガス:大気雰囲気下、又は圧縮空気
・昇温速度:0.5℃/min以下
・温度範囲:25℃〜500℃以上リチウム化合物の融点マイナス50℃の温度以下
得られるTG曲線の25℃の質量をMs3とし、500℃以上の温度にて質量減少速度がMs3×0.01/min以下となった最初の温度における質量をMs4とする。
分散剤は、酸素含有雰囲気(例えば、大気雰囲気)下では500℃以下の温度で加熱することですべて酸化・燃焼する。他方、リチウム化合物は酸素含有雰囲気下でもリチウム化合物の融点マイナス50℃の温度までは質量減少することがない。
そのため、リチウム化合物含有スラリーにおけるリチウム化合物の含有量は、(Ms4/Ms3)×(Ms2/Ms1)×100の数式により算出できる。
また、リチウム化合物含有スラリーにおける分散剤の含有量は、{(Ms3−Ms4)/Ms3}×(Ms2/Ms1)×100の数式により算出できる。
リチウム化合物含有スラリーは、予めBET比表面積や細孔容積等を調整したリチウム化合物を、必要に応じて分散剤と共に、分散媒に添加し、これをディスパーや多軸分散機、プラネタリーミキサー、薄膜旋回型高速ミキサー等の分散機やビーズミル、ジェットミル、高圧ホモジナイザー等の解砕機等を用いて分散・解砕することで得ることができる。また、リチウム化合物を、必要に応じて分散剤と共に、分散媒に添加し、これを上述の分散機等を用いて分散した分散液を、ビーズミルやジェットミル、高圧ホモジナイザー等の湿式の粉砕機で加工することにより、BET比表面積や細孔容積等を調整したリチウム化合物を含有するリチウム化合物含有スラリーを得ることもできる。
<リチウム化合物複合材料>
本実施形態におけるリチウム化合物複合材料は、本発明のリチウム化合物と炭素材料とを含有する。リチウム化合物複合材料は、リチウム化合物と炭素材料が接触又は接合し、一体となっていることが好ましい。例えば、炭素材料の母粒子の表面にリチウム化合物の子粒子が複合化されている状態、リチウム化合物の母粒子の表面に炭素材料の子粒子が複合化されている状態、同一オーダーの粒子サイズのリチウム化合物と炭素材料が等方的に複合化されている状態を挙げることができる。これらの中で、炭素材料の母粒子の表面にリチウム化合物の子粒子が複合化されている状態がより好ましい。導電性の高い炭素材料とリチウム化合物を複合化することで、リチウム化合物に導電性を付与でき、リチウム化合物の分解性を向上できる。
本実施形態におけるリチウム化合物複合材料は、本発明のリチウム化合物と炭素材料とを含有する。リチウム化合物複合材料は、リチウム化合物と炭素材料が接触又は接合し、一体となっていることが好ましい。例えば、炭素材料の母粒子の表面にリチウム化合物の子粒子が複合化されている状態、リチウム化合物の母粒子の表面に炭素材料の子粒子が複合化されている状態、同一オーダーの粒子サイズのリチウム化合物と炭素材料が等方的に複合化されている状態を挙げることができる。これらの中で、炭素材料の母粒子の表面にリチウム化合物の子粒子が複合化されている状態がより好ましい。導電性の高い炭素材料とリチウム化合物を複合化することで、リチウム化合物に導電性を付与でき、リチウム化合物の分解性を向上できる。
リチウム化合物複合材料におけるリチウム化合物の含有量は、リチウム化合物複合材料単位質量当たり5質量%以上95質量%以下であることが好ましい。より好ましくは10質量%以上93質量%以下、さらに好ましくは15質量%以上92質量%以下である。リチウム化合物の含有量が5質量%以上であれば、正極前駆体におけるリチウム化合物の含有量を多く調整した場合でも、炭素材料の量が過度に多くなることを抑制できるため、正極前駆体の膜厚が大きくなることを抑制できるため好ましい。他方、リチウム化合物の含有量が95質量%以下であれば、炭素材料との複合化により十分な導電性をリチウム化合物に付与できるため、リチウム化合物の分解性が向上し好ましい。
リチウム化合物複合材料のX線光電子分光法(XPS)により測定されるLiの相対元素濃度をqLiとし、測定されるCの相対元素濃度をqCとしたとき、qLi/qCは0.05以上0.95以下であることが好ましい。XPSは、材料の表面から数nmの範囲にある元素の情報を得ることができるため、qLi/qCはリチウム化合物複合材料の最表面におけるリチウム化合物と炭素材料の複合率を反映している。qLi/qCは、より好ましくは0.07以上0.80以下、さらに好ましくは、0.09以上0.60以下である。qLi/qCが0.05以上であれば、リチウム化合物複合材料の最表面におけるリチウム化合物の量が十分に多いため、リチウム化合物の分解性を向上でき好ましい。他方、qLi/qCが0.95以下であれば、リチウム化合物複合材料の最表面においても炭素材料とリチウム化合物が良好に分散された状態で複合化されているため、リチウム化合物に十分に導電性を付与でき、分解性が向上するため好ましい。
本実施形態におけるqLi/qCは、以下の方法により算出することができる。先ず、リチウム化合物複合材料をモリブデン製の皿型試料台(例えば、直径2mm、深さ0.3mm)にのせ、XPS測定装置にこれをセットし、下記の条件にてXPS測定を実施する。
・X線源:単色化AlKα
・X線ビーム径:1mmφ(150W、15kV)
・パスエネルギー:20eV
得られるXPSスペクトルにおいて、C1sとLi1sの面積強度と下記の相対感度計数(RSF)を用いて、qLi、qCを算出し、qLi/qCを算出できる。
・RSFC1s=1.00
・RSFLi1s=0.057
・X線源:単色化AlKα
・X線ビーム径:1mmφ(150W、15kV)
・パスエネルギー:20eV
得られるXPSスペクトルにおいて、C1sとLi1sの面積強度と下記の相対感度計数(RSF)を用いて、qLi、qCを算出し、qLi/qCを算出できる。
・RSFC1s=1.00
・RSFLi1s=0.057
炭素材料は、複合化することでリチウム化合物に導電性を付与し分解性を向上できるものであれば特に制限はないが、炭素前駆体の焼成体、カーボンブラック、気相法炭素繊維、活性炭、ソフトカーボン、ハードカーボン、黒鉛、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン、及びこれらの複合炭素材料からなる群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
リチウム化合物と炭素材料とを複合化する方法としては、例えば、メカノケミカル、メカニカルアローイング、ハイブリダイゼーションシステム等の強いせん断力によりリチウム化合物と炭素材料とを接触させて複合化する方法;ボールミル、ビーズミル、ジェットミル等の乾式の粉砕機を用いて良好に分散させながら複合化する方法;CVD法やPVD法等の気相プロセスにより炭素材料表面にリチウム化合物を成長させる方法;リチウム化合物の溶液や分散液に炭素材料を分散した懸濁液を用いて、リチウム化合物を沈殿、共沈、析出、昌析等する液相プロセスにより、炭素材料表面にリチウム化合物を核成長させる方法などを用いることができる。また、必要に応じて上記の方法を複数組み合わせてもよい。量産性や複合量の調整、表面性状の制御などの観点から、強いせん断力によりリチウム化合物と炭素材料とを接触させて複合化する方法が好ましい。
リチウム化合物複合材料からリチウム化合物を抽出する方法としては、熱分解法を用いることが好ましい。例えば、熱重量(TG)測定装置やマッフル炉等を用いて、大気雰囲気中で500℃以上リチウム化合物の融点マイナス50℃の温度以下の温度で一昼夜加熱することで、炭素材料が酸化・燃焼によりすべて燃焼し、リチウム化合物だけを抽出することができる。抽出されたリチウム化合物を測定・解析することでリチウム化合物のBET比表面積や細孔容積等の粉体物性を得ることができる。
本実施形態におけるリチウム化合物複合材料におけるリチウム化合物の含有量は、TG測定により算出できる。リチウム化合物複合材料を白金から構成される試料パンに入れ、TG測定装置にて、下記の条件にてTG曲線を得る。
・ガス:大気雰囲気下、又は圧縮空気
・昇温速度:0.5℃/min以下
・温度範囲:25℃〜500℃以上リチウム化合物の融点マイナス50℃の温度以下
得られるTG曲線の150℃の質量をMc1とし、500℃以上の温度にて質量減少速度がMc1×0.01/min以下となった最初の温度における質量をMc2とする。炭素材料は酸素含有雰囲気(例えば、大気雰囲気)下では500℃以下の温度にて酸化、燃焼によりほぼすべてが質量減少する。そのため、リチウム化合物複合材料におけるリチウム化合物の含有量はMc2/Mc1×100(質量%)の数式により算出できる。
・ガス:大気雰囲気下、又は圧縮空気
・昇温速度:0.5℃/min以下
・温度範囲:25℃〜500℃以上リチウム化合物の融点マイナス50℃の温度以下
得られるTG曲線の150℃の質量をMc1とし、500℃以上の温度にて質量減少速度がMc1×0.01/min以下となった最初の温度における質量をMc2とする。炭素材料は酸素含有雰囲気(例えば、大気雰囲気)下では500℃以下の温度にて酸化、燃焼によりほぼすべてが質量減少する。そのため、リチウム化合物複合材料におけるリチウム化合物の含有量はMc2/Mc1×100(質量%)の数式により算出できる。
<正極>
本実施形態における正極は、正極集電体と、その片面又は両面上に設けられた、正極活物質を含む正極活物質層とを有する。
本実施形態における正極は、正極集電体と、その片面又は両面上に設けられた、正極活物質を含む正極活物質層とを有する。
本実施形態における正極は、非水系リチウム型蓄電素子を組み立てる前の正極前駆体として、リチウム化合物を含む。後述のように、本実施形態では非水系リチウム型蓄電素子を組み立てる工程において、負極にリチウムイオンをプレドープすることが好ましい。本実施形態におけるプレドープ方法としては、リチウム化合物を含む正極前駆体と、負極と、セパレータと、非水系電解液とを用いて非水系リチウム型蓄電素子を組み立てた後に、正極前駆体と負極との間に電圧を印加することが好ましい。リチウム化合物は、正極前駆体及び正極中にいかなる態様で含まれていてもよい。例えば、リチウム化合物は、正極集電体と正極活物質層との間に存在してもよく、正極活物質層の表面上に存在してもよい。リチウム化合物は、正極前駆体の正極集電体上に形成された正極活物質層内に含有されていることが好ましい。
本願明細書では、リチウムドープ工程前における正極を「正極前駆体」、リチウムドープ工程後における正極を「正極」と定義する。
正極前駆体中に含まれるリチウム化合物の含有割合は、正極前駆体における正極活物質層の全質量を基準として、好ましくは10質量%以上60質量%以下、より好ましくは20質量%以上50質量%以下である。正極前駆体中に含まれるリチウム化合物の含有割合を10質量%以上60質量%以下に調整することにより、負極へのドーパント源として好適な機能を発揮することができる。
[正極活物質層]
正極活物質層は正極活物質を含み、これ以外に、必要に応じて、導電性フィラー、結着剤、及び分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
正極活物質層は正極活物質を含み、これ以外に、必要に応じて、導電性フィラー、結着剤、及び分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
(リチウムイオン二次電池用の正極活物質)
リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては、リチウムを吸蔵及び放出可能な遷移金属酸化物を含むことができる。正極活物質として用いられる遷移金属酸化物には、特に制限はない。遷移金属酸化物としては、例えば、コバルト、ニッケル、マンガン、鉄、バナジウム、及びクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む酸化物が挙げられる。遷移金属酸化物として具体的には、例えば、LixCoO2、LixNiO2、LixNiyM(1−y)O2(MはCo、Mn、Al、Fe、Mg、及びTiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、yは0.2<y<0.97を満たす。)、LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LixMnO2、α−LixFeO2、LixVO2、LixCrO2、LixFePO4(xは0≦x≦1を満たす)等が挙げられる。
本実施形態では、正極活物質とは異なるリチウム化合物が正極前駆体に含まれていれば、リチウムドープ工程にてリチウム化合物がリチウムのドーパント源となり負極にリチウムドープができるため、遷移金属化合物にあらかじめリチウムが含まれていなくても(すなわちx=0であっても)、リチウムイオン二次電池として電気化学的な充放電をすることができる。
リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては、リチウムを吸蔵及び放出可能な遷移金属酸化物を含むことができる。正極活物質として用いられる遷移金属酸化物には、特に制限はない。遷移金属酸化物としては、例えば、コバルト、ニッケル、マンガン、鉄、バナジウム、及びクロムからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素を含む酸化物が挙げられる。遷移金属酸化物として具体的には、例えば、LixCoO2、LixNiO2、LixNiyM(1−y)O2(MはCo、Mn、Al、Fe、Mg、及びTiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素であり、yは0.2<y<0.97を満たす。)、LixNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LixMnO2、α−LixFeO2、LixVO2、LixCrO2、LixFePO4(xは0≦x≦1を満たす)等が挙げられる。
本実施形態では、正極活物質とは異なるリチウム化合物が正極前駆体に含まれていれば、リチウムドープ工程にてリチウム化合物がリチウムのドーパント源となり負極にリチウムドープができるため、遷移金属化合物にあらかじめリチウムが含まれていなくても(すなわちx=0であっても)、リチウムイオン二次電池として電気化学的な充放電をすることができる。
本実施形態における正極活物質としては、遷移金属酸化物のみを用いてもよいし、遷移金属酸化物とともにその他の正極活物質を併用してもよい。その他の正極活物質としては、例えば、活性炭を挙げることができる。活性炭には特に制限はないが、石油系、石炭系、植物系、又は高分子系等の各種原料から得られた市販品を使用することができる。活性炭の含有割合は、正極前駆体における正極活物質層の全質量を基準として、15質量%以下であることが好ましい。更に好ましくは、10質量%以下である。含有割合が15質量%以下の場合、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を高めることができる。
正極活物質の平均粒子径は、1〜20μmであることが好ましい。正極活物質の平均粒子径が1μm以上であると、活物質層の密度が高いために電極体積当たりの容量が高くなる傾向がある。正極活物質の平均粒子径が小さいと耐久性が低くなる場合があるが、平均粒子径が1μm以上であれば耐久性が低くなりにくい。正極活物質の平均粒子径が20μm以下であると、高速充放電には適合し易くなる傾向がある。正極活物質の平均粒子径は、より好ましくは1〜15μmであり、更に好ましくは1〜10μmである。
正極活物質層における正極活物質の含有割合は、正極前駆体における正極活物質層の全質量を基準として、35質量%以上95質量%以下であることが好ましい。正極活物質の含有割合の下限としては、45質量%以上であることがより好ましく、55質量%以上であることがさらに好ましい。正極活物質の含有割合の上限としては、90質量%以下であることが更に好ましい。正極活物質層における正極活物質の含有割合が35質量%以上95質量%以下であることにより、好適な充放電特性を発揮する。
(リチウムイオンキャパシタ用の正極活物質)
リチウムイオンキャパシタ用の正極活物質は、炭素材料を含むことができる。炭素材料としては、好ましくはカーボンナノチューブ、導電性高分子、及び多孔性の炭素材料が挙げられ、さらに好ましくは活性炭である。正極活物質は、2種類以上の材料を混合して含んでもよく、炭素材料以外の材料、例えばリチウムと遷移金属との複合酸化物等を含んでもよい。
正極活物質の合計質量に対する炭素材料の含有率は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上である。炭素材料の含有率は100質量%であってもよいが、他の材料との併用による効果を良好に得る観点から、例えば、好ましくは90質量%以下であり、80質量%以下であってもよい。
リチウムイオンキャパシタ用の正極活物質は、炭素材料を含むことができる。炭素材料としては、好ましくはカーボンナノチューブ、導電性高分子、及び多孔性の炭素材料が挙げられ、さらに好ましくは活性炭である。正極活物質は、2種類以上の材料を混合して含んでもよく、炭素材料以外の材料、例えばリチウムと遷移金属との複合酸化物等を含んでもよい。
正極活物質の合計質量に対する炭素材料の含有率は、好ましくは50質量%以上であり、より好ましくは70質量%以上である。炭素材料の含有率は100質量%であってもよいが、他の材料との併用による効果を良好に得る観点から、例えば、好ましくは90質量%以下であり、80質量%以下であってもよい。
活性炭を正極活物質として用いる場合、活性炭の種類及びその原料は特に制限されない。しかしながら、高い入出力特性と、高いエネルギー密度とを両立させるために、活性炭の細孔を最適に制御することが好ましい。具体的には、BJH法により算出した直径20Å以上500Å以下の細孔に由来するメソ孔量をV1(cc/g)、MP法により算出した直径20Å未満の細孔に由来するマイクロ孔量をV2(cc/g)とするとき、
(1)高い入出力特性を得るためには、0.3<V1≦0.8、及び0.5≦V2≦1.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が1,500m2/g以上3,000m2/g以下である活性炭(以下、「活性炭1」ともいう。)が好ましく、また、
(2)高いエネルギー密度を得るためには、0.8<V1≦2.5、及び0.8<V2≦3.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が2,300m2/g以上4,000m2/g以下である活性炭(以下、「活性炭2」ともいう。)が好ましい。
(1)高い入出力特性を得るためには、0.3<V1≦0.8、及び0.5≦V2≦1.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が1,500m2/g以上3,000m2/g以下である活性炭(以下、「活性炭1」ともいう。)が好ましく、また、
(2)高いエネルギー密度を得るためには、0.8<V1≦2.5、及び0.8<V2≦3.0を満たし、かつ、BET法により測定される比表面積が2,300m2/g以上4,000m2/g以下である活性炭(以下、「活性炭2」ともいう。)が好ましい。
以下、(1)活性炭1及び(2)活性炭2について説明する。
(活性炭1)
活性炭1のメソ孔量V1は、正極材料を非水系リチウム型蓄電素子に組み込んだときの入出力特性を大きくする点で、0.3cc/gより大きい値であることが好ましい。他方、正極の嵩密度の低下を抑える点から、活性炭1のV1は0.8cc/g以下であることが好ましい。活性炭1のV1は、より好ましくは0.35cc/g以上0.7cc/g以下、更に好ましくは0.4cc/g以上0.6cc/g以下である。
(活性炭1)
活性炭1のメソ孔量V1は、正極材料を非水系リチウム型蓄電素子に組み込んだときの入出力特性を大きくする点で、0.3cc/gより大きい値であることが好ましい。他方、正極の嵩密度の低下を抑える点から、活性炭1のV1は0.8cc/g以下であることが好ましい。活性炭1のV1は、より好ましくは0.35cc/g以上0.7cc/g以下、更に好ましくは0.4cc/g以上0.6cc/g以下である。
活性炭1のマイクロ孔量V2は、活性炭の比表面積を大きくし、容量を増加させるために、0.5cc/g以上であることが好ましい。他方、活性炭の嵩を抑え、電極としての密度を増加させ、単位体積当たりの容量を増加させる点から、活性炭1のV2は1.0cc/g以下であることが好ましい。活性炭1のV2は、より好ましくは0.6cc/g以上1.0cc/g以下、更に好ましくは0.8cc/g以上1.0cc/g以下である。
活性炭1のマイクロ孔量V2に対するメソ孔量V1の比(V1/V2)は、0.3≦V1/V2≦0.9の範囲であることが好ましい。すなわち、高容量を維持しながら出力特性の低下を抑えることができる程度に、マイクロ孔量に対するメソ孔量の割合を大きくするという点から、活性炭1のV1/V2が0.3以上であることが好ましい。他方、高出力特性を維持しながら容量の低下を抑えることができる程度に、メソ孔量に対するマイクロ孔量の割合を大きくするという点から、活性炭1のV1/V2は0.9以下であることが好ましい。活性炭1のV1/V2の範囲は、より好ましくは0.4≦V1/V2≦0.7、更に好ましくは0.55≦V1/V2≦0.7である。
活性炭1の平均細孔径は、得られる非水系リチウム型蓄電素子の出力を増大させる点から、17Å以上であることが好ましく、18Å以上であることがより好ましく、20Å以上であることが更に好ましい。また容量を増大させる点から、活性炭1の平均細孔径は25Å以下であることが好ましい。
活性炭1のBET比表面積は、1,500m2/g以上3,000m2/g以下であることが好ましく、1,500m2/g以上2,500m2/g以下であることがより好ましい。活性炭1のBET比表面積が1,500m2/g以上の場合には、良好なエネルギー密度が得られ易く、他方、活性炭1のBET比表面積が3,000m2/g以下の場合には、電極の強度を保つために結着剤を多量に入れる必要がないので、電極体積当たりの性能が高くなる。
上記のような特徴を有する活性炭1は、例えば、以下に説明する原料及び処理方法を用いて得ることができる。
本実施形態では、活性炭1の原料として用いられる炭素源は、特に限定されるものではない。活性炭1の炭素源としては、例えば、木材、木粉、ヤシ殻、パルプ製造時の副産物、バガス、廃糖蜜等の植物系原料;泥炭、亜炭、褐炭、瀝青炭、無煙炭、石油蒸留残渣成分、石油ピッチ、コークス、コールタール等の化石系原料;フェノール樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、レゾルシノール樹脂、セルロイド、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の各種合成樹脂;ポリブチレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン等の合成ゴム;その他の合成木材、合成パルプ等、及びこれらの炭化物が挙げられる。これらの原料の中でも、量産対応及びコストの観点から、ヤシ殻、木粉等の植物系原料、及びそれらの炭化物が好ましく、ヤシ殻炭化物が特に好ましい。
本実施形態では、活性炭1の原料として用いられる炭素源は、特に限定されるものではない。活性炭1の炭素源としては、例えば、木材、木粉、ヤシ殻、パルプ製造時の副産物、バガス、廃糖蜜等の植物系原料;泥炭、亜炭、褐炭、瀝青炭、無煙炭、石油蒸留残渣成分、石油ピッチ、コークス、コールタール等の化石系原料;フェノール樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、レゾルシノール樹脂、セルロイド、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の各種合成樹脂;ポリブチレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン等の合成ゴム;その他の合成木材、合成パルプ等、及びこれらの炭化物が挙げられる。これらの原料の中でも、量産対応及びコストの観点から、ヤシ殻、木粉等の植物系原料、及びそれらの炭化物が好ましく、ヤシ殻炭化物が特に好ましい。
これらの原料から活性炭1を作製するための炭化及び賦活の方式としては、例えば、固定床方式、移動床方式、流動床方式、スラリー方式、ロータリーキルン方式等の既知の方式を採用できる。
これらの原料の炭化方法としては、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオン、一酸化炭素、燃焼排ガス等の不活性ガス、又はこれらの不活性ガスを主成分とした他のガスとの混合ガスを使用して、400〜700℃、好ましくは450〜600℃程度において、30分〜10時間程度に亘って焼成する方法が挙げられる。
上記炭化方法により得られた炭化物の賦活方法としては、水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて焼成するガス賦活法が好ましく用いられる。賦活ガスとして水蒸気又は二酸化炭素を使用する方法がより好ましい。
この賦活方法では、賦活ガスを0.5〜3.0kg/h、好ましくは0.7〜2.0kg/hの割合で供給しながら、炭化物を3〜12時間、好ましくは5〜11時間、更に好ましくは6〜10時間かけて800〜1,000℃まで昇温して賦活することが好ましい。
更に、炭化物の賦活処理に先立ち、予め炭化物を1次賦活してもよい。この1次賦活では、通常、水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて、900℃未満の温度で炭素材料を焼成してガス賦活することが好ましい。
炭化方法における焼成温度及び焼成時間と、賦活方法における賦活ガス供給量、昇温速度及び最高賦活温度とを適宜組み合わせることにより、本実施形態において好ましい、上記の特徴を有する活性炭1を製造することができる。
活性炭1の平均粒子径は、2〜20μmであることが好ましい。活性炭1の平均粒子径が2μm以上であると、活物質層の密度が高いために電極体積当たりの容量が高くなる傾向がある。活性炭1の平均粒子径が小さいと耐久性が低くなる場合があるが、平均粒子径が2μm以上であれば耐久性が低くなり難い。活性炭1の平均粒子径が20μm以下であると、高速充放電に適合し易くなる傾向がある。活性炭1の平均粒子径は、より好ましくは2〜15μmであり、更に好ましくは3〜10μmである。
(活性炭2)
活性炭2のメソ孔量V1は、正極材料を非水系リチウム型蓄電素子に組み込んだときの出力特性を大きくする観点から、0.8cc/gより大きい値であることが好ましい。他方、非水系リチウム型蓄電素子の容量の低下を抑える観点から、2.5cc/g以下であることが好ましい。活性炭2のV1は、より好ましくは1.00cc/g以上2.0cc/g以下、さらに好ましくは1.2cc/g以上1.8cc/g以下である。
活性炭2のメソ孔量V1は、正極材料を非水系リチウム型蓄電素子に組み込んだときの出力特性を大きくする観点から、0.8cc/gより大きい値であることが好ましい。他方、非水系リチウム型蓄電素子の容量の低下を抑える観点から、2.5cc/g以下であることが好ましい。活性炭2のV1は、より好ましくは1.00cc/g以上2.0cc/g以下、さらに好ましくは1.2cc/g以上1.8cc/g以下である。
活性炭2のマイクロ孔量V2は、活性炭の比表面積を大きくし、容量を増加させるために、0.8cc/gより大きい値であることが好ましい。活性炭の電極としての密度を増加させ、単位体積当たりの容量を増加させるという観点から、活性炭2のV2は、好ましくは3.0cc/g以下、より好ましくは1.0cc/g超2.5cc/g以下、更に好ましくは1.5cc/g以上2.5cc/g以下である。
上述したメソ孔量及びマイクロ孔量を有する活性炭2は、従来の電気二重層キャパシタ又はリチウムイオンキャパシタ用として使用されていた活性炭よりもBET比表面積が高いものである。活性炭2のBET比表面積の具体的な値としては、2,300m2/g以上4,000m2/g以下であることが好ましい。BET比表面積の下限としては、3,000m2/g以上であることがより好ましく、3,200m2/g以上であることが更に好ましい。BET比表面積の上限としては、3,800m2/g以下であることがより好ましい。活性炭2のBET比表面積が2,300m2/g以上の場合には、良好なエネルギー密度が得られ易く、活性炭2のBET比表面積が4,000m2/g以下の場合には、電極の強度を保つために結着剤を多量に入れる必要がないので、電極体積当たりの性能が高くなる。
上記のような特徴を有する活性炭2は、例えば以下に説明するような原料及び処理方法を用いて得ることができる。
活性炭2の原料として用いられる炭素源としては、活性炭原料として通常用いられる炭素源であれば特に限定されるものではなく、例えば、木材、木粉、ヤシ殻等の植物系原料;石油ピッチ、コークス等の化石系原料;フェノール樹脂、フラン樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、レゾルシノール樹脂等の各種合成樹脂等が挙げられる。これらの原料の中でも、フェノール樹脂、及びフラン樹脂は、高比表面積の活性炭2を作製するのに適しており、特に好ましい。
活性炭2の原料として用いられる炭素源としては、活性炭原料として通常用いられる炭素源であれば特に限定されるものではなく、例えば、木材、木粉、ヤシ殻等の植物系原料;石油ピッチ、コークス等の化石系原料;フェノール樹脂、フラン樹脂、塩化ビニル樹脂、酢酸ビニル樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、レゾルシノール樹脂等の各種合成樹脂等が挙げられる。これらの原料の中でも、フェノール樹脂、及びフラン樹脂は、高比表面積の活性炭2を作製するのに適しており、特に好ましい。
これらの原料を炭化する方式、又は賦活処理時の加熱方法としては、例えば、固定床方式、移動床方式、流動床方式、スラリー方式、ロータリーキルン方式等の公知の方式が挙げられる。加熱時の雰囲気は窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス、又はこれらの不活性ガスを主成分として他のガスとの混合したガスが用いられる。炭化温度は好ましくは400〜700℃である。炭化温度の下限値は、好ましくは450℃以上、更に好ましくは500℃以上である。炭化温度の上限値は、好ましくは650℃以下である。炭化時間については、0.5〜10時間程度で原料を焼成することが好ましい。
炭化処理後の炭化物の賦活方法としては、水蒸気、二酸化炭素、酸素等の賦活ガスを用いて焼成するガス賦活法、及びアルカリ金属化合物と混合した後に加熱処理を行うアルカリ金属賦活法が挙げられる。高比表面積の活性炭を作製するには、アルカリ金属賦活法が好ましい。
この賦活方法では、炭化物とKOH、NaOH等のアルカリ金属化合物との質量比が1:1以上(アルカリ金属化合物の量が、炭化物の量と同じか、又はこれよりも多い量)となるように混合した後に、不活性ガス雰囲気下で600〜900℃、好ましくは650℃〜850℃の範囲において、0.5〜5時間加熱を行い、その後アルカリ金属化合物を酸及び水により洗浄除去し、更に乾燥を行うことが好ましい。
炭化物に対するアルカリ金属化合物の量が増えるほど、メソ孔量が増え、質量比1:3.5付近を境に急激に孔量が増える傾向があるので、炭化物:アルカリ金属化合物の質量比は、1:3よりアルカリ金属化合物が多いことが好ましく、1:5.5以下であることが好ましい。炭化物に対してアルカリ金属化合物が増えるほど孔量が大きくなるが、その後の洗浄等の処理効率を考慮すると1:5.5以下の範囲であることが好ましい。
マイクロ孔量を大きくし、メソ孔量を大きくしないためには、賦活する際に炭化物の量を多めにしてKOHと混合するとよい。マイクロ孔量及びメソ孔量の双方を大きくするためには、KOHの量を多めに使用するとよい。また、主としてメソ孔量を大きくするためには、アルカリ賦活処理を行った後に水蒸気賦活を行うことが好ましい。
活性炭2の平均粒子径は、好ましくは1μm以上30μm以下、より好ましくは2μm以上20μm以下、更に好ましくは3μm以上10μm以下である。
(活性炭の使用態様)
正極活物質に活性炭を使用する場合、活性炭1及び2は、それぞれ、単一の活性炭であってもよいし、2種以上の活性炭の混合物であって、混合物全体として上記の特徴を示すものであってもよい。
正極活物質に活性炭を使用する場合、活性炭1及び2は、それぞれ、単一の活性炭であってもよいし、2種以上の活性炭の混合物であって、混合物全体として上記の特徴を示すものであってもよい。
活性炭1及び2は、これらのうちのいずれか一方を選択して使用してもよいし、両者を混合して使用してもよい。
正極活物質は、活性炭1及び2以外の材料、例えば、上記特定のV1及び/若しくはV2を有さない活性炭、又は活性炭以外の材料、例えば、リチウムと遷移金属との複合酸化物等を含んでもよい。例示の態様において、活性炭1の含有量、又は活性炭2の含有量、又は活性炭1及び2の合計含有量が、それぞれ、全正極活物質の50質量%より多いことが好ましく、70質量%以上がより好ましく、90質量%以上が更に好ましく、100質量%であることがより更に好ましい。
正極における正極活物質の含有割合は、正極前駆体における正極活物質層の全質量を基準として、35質量%以上95質量%以下であることが好ましい。正極活物質の含有割合の下限としては、45質量%以上であることがより好ましく、55質量%以上であることがさらに好ましい。他方、正極活物質の含有割合の上限としては、90質量%以下であることがより好ましく、85質量%以下であることが更に好ましい。正極活物質の含有割合をこの範囲に調整することにより、好適な充放電特性を発揮する。
[正極中のリチウム化合物の同定方法]
正極中に含まれるリチウム化合物の同定方法は特に限定されないが、例えば、下記の方法により同定することができる。リチウム化合物の同定には、以下に記載する複数の解析手法を組み合わせて同定することが好ましい。
正極中に含まれるリチウム化合物の同定方法は特に限定されないが、例えば、下記の方法により同定することができる。リチウム化合物の同定には、以下に記載する複数の解析手法を組み合わせて同定することが好ましい。
以下に記載するSEM−EDX、ラマン分光法、及びXPSを測定する際には、アルゴンボックス中で非水系リチウム型蓄電素子を解体して正極を取り出し、正極表面に付着した電解質を洗浄した後に測定を行うことが好ましい。正極を洗浄する溶媒としては、正極表面に付着した電解質を洗い流せればよく、例えばジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、及びジエチルカーボネート等のカーボネート溶媒が好適に利用できる。洗浄方法としては、例えば、正極質量の50〜100倍のジエチルカーボネート溶媒に正極を10分間以上浸漬させ、その後溶媒を取り替えて再度正極を浸漬させる。その後正極をジエチルカーボネートから取り出し、真空乾燥させた後に、SEM−EDX、ラマン分光法、及びXPSの解析を実施する。真空乾燥の条件は、温度:0〜200℃、圧力:0〜20kPa、時間:1〜40時間の範囲で正極中のジエチルカーボネートの残存が1質量%以下になる条件とする。ジエチルカーボネートの残存量については、後述する蒸留水洗浄、液量調整後の水のGC/MSを測定し、予め作成した検量線を基に定量することができる。
後述するイオンクロマトグラフィーでは、正極を蒸留水で洗浄した後の水を解析することにより陰イオンを同定することができる。
上記解析手法にてリチウム化合物を同定できなかった場合、その他の解析手法として、固体7Li−NMR、XRD(X線回折)、TOF−SIMS(飛行時間型二次イオン質量分析)、AES(オージェ電子分光)、TPD/MS(加熱発生ガス質量分析)、DSC(示差走査熱量分析)等を用いることにより、リチウム化合物を同定することもできる。
上記解析手法にてリチウム化合物を同定できなかった場合、その他の解析手法として、固体7Li−NMR、XRD(X線回折)、TOF−SIMS(飛行時間型二次イオン質量分析)、AES(オージェ電子分光)、TPD/MS(加熱発生ガス質量分析)、DSC(示差走査熱量分析)等を用いることにより、リチウム化合物を同定することもできる。
(エネルギー分散型X線分析(SEM−EDX))
酸素を含有するリチウム化合物及び正極活物質は、観察倍率を1,000倍〜4,000倍にして測定した正極表面のSEM−EDX画像の酸素マッピングにより判別できる。SEM−EDX画像は、例えば、加速電圧を10kV、エミッション電流を10μA、測定画素数を256×256ピクセル、積算回数を50回として測定できる。試料の帯電を防止するために、金、白金、オスミウム等を真空蒸着やスパッタリング等の方法により試料を表面処理することもできる。SEM−EDX画像の測定方法については、明るさは最大輝度に達する画素がなく、明るさの平均値が輝度40%〜60%の範囲に入るように輝度及びコントラストを調整することが好ましい。得られた酸素マッピングに対し、明るさの平均値を基準に二値化したとき、明部を面積で50%以上含む粒子をリチウム化合物とする。
酸素を含有するリチウム化合物及び正極活物質は、観察倍率を1,000倍〜4,000倍にして測定した正極表面のSEM−EDX画像の酸素マッピングにより判別できる。SEM−EDX画像は、例えば、加速電圧を10kV、エミッション電流を10μA、測定画素数を256×256ピクセル、積算回数を50回として測定できる。試料の帯電を防止するために、金、白金、オスミウム等を真空蒸着やスパッタリング等の方法により試料を表面処理することもできる。SEM−EDX画像の測定方法については、明るさは最大輝度に達する画素がなく、明るさの平均値が輝度40%〜60%の範囲に入るように輝度及びコントラストを調整することが好ましい。得られた酸素マッピングに対し、明るさの平均値を基準に二値化したとき、明部を面積で50%以上含む粒子をリチウム化合物とする。
(ラマン分光法)
炭酸イオンを含むリチウム化合物及び正極活物質は、観察倍率を1,000倍〜4,000倍にして測定した正極表面のラマンイメージングにより判別できる。測定条件として、励起光を532nm、励起光強度を1%、対物レンズの長作動を50倍、回折格子を1,800gr/mm、マッピング方式を点走査(スリット65mm、ビニング5pix)、1mmステップ、1点当たりの露光時間を3秒、積算回数を1回、ノイズフィルター有りの条件を例示することができる。測定したラマンスペクトルについて、1,071〜1,104cm−1の範囲で直線のベースラインを設定し、ベースラインより正の値を炭酸イオンのピークとして面積を算出し、頻度を積算する。このとき、ノイズ成分をガウス型関数で近似した炭酸イオンピーク面積に対する頻度を炭酸イオンの頻度分布から差し引く。
炭酸イオンを含むリチウム化合物及び正極活物質は、観察倍率を1,000倍〜4,000倍にして測定した正極表面のラマンイメージングにより判別できる。測定条件として、励起光を532nm、励起光強度を1%、対物レンズの長作動を50倍、回折格子を1,800gr/mm、マッピング方式を点走査(スリット65mm、ビニング5pix)、1mmステップ、1点当たりの露光時間を3秒、積算回数を1回、ノイズフィルター有りの条件を例示することができる。測定したラマンスペクトルについて、1,071〜1,104cm−1の範囲で直線のベースラインを設定し、ベースラインより正の値を炭酸イオンのピークとして面積を算出し、頻度を積算する。このとき、ノイズ成分をガウス型関数で近似した炭酸イオンピーク面積に対する頻度を炭酸イオンの頻度分布から差し引く。
(X線光電子分光法(XPS))
リチウムの電子状態をXPSにより解析することによりリチウムの結合状態を判別することができる。測定条件として、X線源を単色化AlKα、X線ビーム径を100μmφ(25W、15kV)、パスエネルギーをナロースキャン:58.70eV、帯電中和を有り、スイープ数をナロースキャン:10回(炭素、酸素)20回(フッ素)30回(リン)40回(リチウム)50回(ケイ素)、エネルギーステップをナロースキャン:0.25eVの条件を例示することができる。XPSの測定前に正極の表面をスパッタリングにてクリーニングすることが好ましい。スパッタリングの条件として例えば、加速電圧1.0kV、2mm×2mmの範囲を1分間(SiO2換算で1.25nm/min)の条件にて正極の表面をクリーニングすることができる。
得られたXPSスペクトルについて、Li1sの結合エネルギー50〜54eVのピークをLiO2またはLi−C結合、55〜60eVのピークをLiF、Li2CO3、LixPOyFz(式中、x、y、及びzは、それぞれ1〜6の整数である);C1sの結合エネルギー285eVのピークをC−C結合、286eVのピークをC−O結合、288eVのピークをCOO、290〜292eVのピークをCO3 2−、C−F結合;O1sの結合エネルギー527〜530eVのピークをO2−(Li2O)、531〜532eVのピークをCO、CO3、OH、POx(式中、xは1〜4の整数である)、SiOx(式中、xは1〜4の整数である)、533eVのピークをC−O、SiOx(式中、xは1〜4の整数である);F1sの結合エネルギー685eVのピークをLiF、687eVのピークをC−F結合、LixPOyFz(式中、x、y、及びzは、それぞれ1〜6の整数である)、PF6 −;P2pの結合エネルギーについて、133eVのピークをPOx(式中、xは1〜4の整数である)、134〜136eVのピークをPFx(式中、xは1〜6の整である数);Si2pの結合エネルギー99eVのピークをSi、シリサイド、101〜107eVのピークをSixOy(式中、x、及びyは、それぞれ任意の整数である)として帰属することができる。
得られたスペクトルについて、ピークが重なる場合には、ガウス関数又はローレンツ関数を仮定してピーク分離し、スペクトルを帰属することが好ましい。得られた電子状態の測定結果及び存在元素比の結果から、存在するリチウム化合物を同定することができる。
リチウムの電子状態をXPSにより解析することによりリチウムの結合状態を判別することができる。測定条件として、X線源を単色化AlKα、X線ビーム径を100μmφ(25W、15kV)、パスエネルギーをナロースキャン:58.70eV、帯電中和を有り、スイープ数をナロースキャン:10回(炭素、酸素)20回(フッ素)30回(リン)40回(リチウム)50回(ケイ素)、エネルギーステップをナロースキャン:0.25eVの条件を例示することができる。XPSの測定前に正極の表面をスパッタリングにてクリーニングすることが好ましい。スパッタリングの条件として例えば、加速電圧1.0kV、2mm×2mmの範囲を1分間(SiO2換算で1.25nm/min)の条件にて正極の表面をクリーニングすることができる。
得られたXPSスペクトルについて、Li1sの結合エネルギー50〜54eVのピークをLiO2またはLi−C結合、55〜60eVのピークをLiF、Li2CO3、LixPOyFz(式中、x、y、及びzは、それぞれ1〜6の整数である);C1sの結合エネルギー285eVのピークをC−C結合、286eVのピークをC−O結合、288eVのピークをCOO、290〜292eVのピークをCO3 2−、C−F結合;O1sの結合エネルギー527〜530eVのピークをO2−(Li2O)、531〜532eVのピークをCO、CO3、OH、POx(式中、xは1〜4の整数である)、SiOx(式中、xは1〜4の整数である)、533eVのピークをC−O、SiOx(式中、xは1〜4の整数である);F1sの結合エネルギー685eVのピークをLiF、687eVのピークをC−F結合、LixPOyFz(式中、x、y、及びzは、それぞれ1〜6の整数である)、PF6 −;P2pの結合エネルギーについて、133eVのピークをPOx(式中、xは1〜4の整数である)、134〜136eVのピークをPFx(式中、xは1〜6の整である数);Si2pの結合エネルギー99eVのピークをSi、シリサイド、101〜107eVのピークをSixOy(式中、x、及びyは、それぞれ任意の整数である)として帰属することができる。
得られたスペクトルについて、ピークが重なる場合には、ガウス関数又はローレンツ関数を仮定してピーク分離し、スペクトルを帰属することが好ましい。得られた電子状態の測定結果及び存在元素比の結果から、存在するリチウム化合物を同定することができる。
(イオンクロマトグラフィー)
正極を蒸留水で洗浄し、洗浄した後の水をイオンクロマトグラフィーで解析することにより、水中に溶出したアニオン種を同定することができる。使用するカラムとしては、イオン交換型、イオン排除型、逆相イオン対型等を使用することができる。検出器としては、電気伝導度検出器、紫外可視吸光光度検出器、電気化学検出器等を使用することができ、検出器の前にサプレッサーを設置するサプレッサー方式、又はサプレッサーを配置せずに電気伝導度の低い溶液を溶離液に用いるノンサプレッサー方式を用いることができる。また、質量分析計又は荷電化粒子検出器を検出器と組み合わせて測定することもできるため、SEM−EDX、ラマン分光法、XPS等の解析結果から同定されたリチウム化合物に基づいて、適切なカラム及び検出器を組み合わせることが好ましい。
サンプルの保持時間は、使用するカラムや溶離液等の条件が決まれば、イオン種成分毎に一定であり、またピークのレスポンスの大きさはイオン種毎に異なるが、イオン種の濃度に比例する。トレーサビリティーが確保された既知濃度の標準液を予め測定しておくことでイオン種成分の定性と定量が可能となる。
正極を蒸留水で洗浄し、洗浄した後の水をイオンクロマトグラフィーで解析することにより、水中に溶出したアニオン種を同定することができる。使用するカラムとしては、イオン交換型、イオン排除型、逆相イオン対型等を使用することができる。検出器としては、電気伝導度検出器、紫外可視吸光光度検出器、電気化学検出器等を使用することができ、検出器の前にサプレッサーを設置するサプレッサー方式、又はサプレッサーを配置せずに電気伝導度の低い溶液を溶離液に用いるノンサプレッサー方式を用いることができる。また、質量分析計又は荷電化粒子検出器を検出器と組み合わせて測定することもできるため、SEM−EDX、ラマン分光法、XPS等の解析結果から同定されたリチウム化合物に基づいて、適切なカラム及び検出器を組み合わせることが好ましい。
サンプルの保持時間は、使用するカラムや溶離液等の条件が決まれば、イオン種成分毎に一定であり、またピークのレスポンスの大きさはイオン種毎に異なるが、イオン種の濃度に比例する。トレーサビリティーが確保された既知濃度の標準液を予め測定しておくことでイオン種成分の定性と定量が可能となる。
[リチウム化合物の定量方法]
正極中に含まれるリチウム化合物の定量方法を以下に記載する。
正極を有機溶媒で洗浄し、その後蒸留水で洗浄し、蒸留水での洗浄前後の正極質量変化からリチウム化合物を定量することができる。測定する正極の面積は特に制限されないが、測定のばらつきを軽減するという観点から5cm2以上200cm2以下であることが好ましく、より好ましくは25cm2以上150cm2以下である。面積が5cm2以上あれば測定の再現性が確保される。面積が200cm2以下であればサンプルの取扱い性に優れる。有機溶媒による洗浄については、正極表面に堆積した非水系電解液分解物を除去できればよいため、有機溶媒は特に限定されないが、リチウム化合物の溶解度が2%以下である有機溶媒を用いることでリチウム化合物の溶出が抑制されるため好ましい。例えば、メタノール、アセトン等の極性溶媒が好適に用いられる。
正極中に含まれるリチウム化合物の定量方法を以下に記載する。
正極を有機溶媒で洗浄し、その後蒸留水で洗浄し、蒸留水での洗浄前後の正極質量変化からリチウム化合物を定量することができる。測定する正極の面積は特に制限されないが、測定のばらつきを軽減するという観点から5cm2以上200cm2以下であることが好ましく、より好ましくは25cm2以上150cm2以下である。面積が5cm2以上あれば測定の再現性が確保される。面積が200cm2以下であればサンプルの取扱い性に優れる。有機溶媒による洗浄については、正極表面に堆積した非水系電解液分解物を除去できればよいため、有機溶媒は特に限定されないが、リチウム化合物の溶解度が2%以下である有機溶媒を用いることでリチウム化合物の溶出が抑制されるため好ましい。例えば、メタノール、アセトン等の極性溶媒が好適に用いられる。
正極の洗浄方法については、正極の質量に対し50〜100倍のメタノール溶液に正極を3日間以上十分に浸漬させる。この時、メタノールが揮発しないよう容器に蓋をする等の対策を施すことが好ましい。その後正極をメタノールから取り出し、真空乾燥(温度:100〜200℃、圧力:0〜10kPa、時間:5〜20時間の範囲で正極中のメタノールの残存が1質量%以下になる条件とする。メタノールの残存量については、後述する蒸留水洗浄後の水のGC/MSを測定し、予め作成した検量線を基に定量することができる。)し、その時の正極の質量をM0(g)とする。続いて、正極の質量の100倍(100M0(g))の蒸留水に正極を3日間以上十分に浸漬させる。この時、蒸留水が揮発しないよう容器に蓋をする等の対策を施すことが好ましい。3日間以上浸漬させた後、蒸留水から正極を取り出し(前述のイオンクロマトグラフィーを測定する場合は、蒸留水の量が100M0(g)になるように液量を調整する。)、上述のメタノール洗浄と同様に真空乾燥する。この時の正極の質量をM1(g)とし、続いて、得られた正極の集電体の質量を測定するため、スパチュラ、ブラシ、刷毛等を用いて集電体上の正極活物質層を取り除く。得られた正極集電体の質量をM2(g)とすると、正極中に含まれるリチウム化合物の割合Z(質量%)は、次式により算出できる。
Z=100×[1−(M1−M2)/(M0−M2)]
Z=100×[1−(M1−M2)/(M0−M2)]
[リチウム化合物及び正極活物質の平均粒子径]
リチウム化合物の平均粒子径をX1とするとき、0.1μm≦X1≦10μmであり、正極活物質の平均粒子径をY1とするとき、2μm≦Y1≦20μmであり、かつX1<Y1であることが好ましい。より好ましくは、X1は、0.5μm≦X1≦5μmであり、Y1は、3μm≦Y1≦10μmである。X1が0.1μm以上の場合、リチウムプレドープ後の正極中にリチウム化合物を残存させることができるため、高負荷充放電サイクルで生成するフッ素イオンを吸着することにより高負荷充放電サイクル耐久性が向上する。他方、X1が10μm以下の場合、高負荷充放電サイクルで生成するフッ素イオンとの反応面積が増加するため、フッ素イオンの吸着を効率良く行うことができる。Y1が2μm以上の場合、正極活物質間の電子伝導性を確保できる。他方、Y1が20μm以下の場合、電解質イオンとの反応面積が増加するために高い入出力特性が得られる。X1<Y1であれば、正極活物質間に生じる隙間にリチウム化合物が充填されるため、正極活物質間の電子伝導性を確保しつつ、エネルギー密度を高めることができる。
X1及びY1の測定方法は特に限定されないが、正極断面のSEM画像、及びSEM−EDX画像から算出することができる。正極断面の形成方法については、正極上部からArビームを照射し、試料直上に設置した遮蔽板の端部に沿って平滑な断面を作製するBIB加工を用いることができる。正極に炭酸リチウムを含有させる場合、正極断面のラマンイメージングを測定することで炭酸イオンの分布を求めることもできる。
リチウム化合物の平均粒子径をX1とするとき、0.1μm≦X1≦10μmであり、正極活物質の平均粒子径をY1とするとき、2μm≦Y1≦20μmであり、かつX1<Y1であることが好ましい。より好ましくは、X1は、0.5μm≦X1≦5μmであり、Y1は、3μm≦Y1≦10μmである。X1が0.1μm以上の場合、リチウムプレドープ後の正極中にリチウム化合物を残存させることができるため、高負荷充放電サイクルで生成するフッ素イオンを吸着することにより高負荷充放電サイクル耐久性が向上する。他方、X1が10μm以下の場合、高負荷充放電サイクルで生成するフッ素イオンとの反応面積が増加するため、フッ素イオンの吸着を効率良く行うことができる。Y1が2μm以上の場合、正極活物質間の電子伝導性を確保できる。他方、Y1が20μm以下の場合、電解質イオンとの反応面積が増加するために高い入出力特性が得られる。X1<Y1であれば、正極活物質間に生じる隙間にリチウム化合物が充填されるため、正極活物質間の電子伝導性を確保しつつ、エネルギー密度を高めることができる。
X1及びY1の測定方法は特に限定されないが、正極断面のSEM画像、及びSEM−EDX画像から算出することができる。正極断面の形成方法については、正極上部からArビームを照射し、試料直上に設置した遮蔽板の端部に沿って平滑な断面を作製するBIB加工を用いることができる。正極に炭酸リチウムを含有させる場合、正極断面のラマンイメージングを測定することで炭酸イオンの分布を求めることもできる。
[リチウム化合物と正極活物質の判別方法]
リチウム化合物及び正極活物質は、観察倍率を1000倍〜4000倍にして測定した正極断面のSEM−EDX画像による酸素マッピングにより判別できる。SEM−EDX画像の測定方法については、明るさは最大輝度に達する画素がなく、明るさの平均値が輝度40%〜60%の範囲に入るように輝度及びコントラストを調整することが好ましい。得られた酸素マッピングに対し、明るさの平均値を基準に二値化した明部を面積50%以上含む粒子をリチウム化合物とする。
リチウム化合物及び正極活物質は、観察倍率を1000倍〜4000倍にして測定した正極断面のSEM−EDX画像による酸素マッピングにより判別できる。SEM−EDX画像の測定方法については、明るさは最大輝度に達する画素がなく、明るさの平均値が輝度40%〜60%の範囲に入るように輝度及びコントラストを調整することが好ましい。得られた酸素マッピングに対し、明るさの平均値を基準に二値化した明部を面積50%以上含む粒子をリチウム化合物とする。
[X1及びY1の算出方法]
X1及びY1は、正極断面SEMと同視野にて測定した正極断面SEM−EDXから得られた画像を、画像解析することで求めることができる。正極断面のSEM画像にて判別されたリチウム化合物の粒子X、及びそれ以外の粒子を正極活物質の粒子Yとし、断面SEM画像中に観察されるX、Yそれぞれの粒子全てについて、断面積Sを求め、次式により粒子径dを求める(円周率をπとする。)。
d=2×(S/π)1/2
得られた粒子径dを用いて、次式により体積平均粒子径X0及びY0を求める。
X0(Y0)=Σ[4/3π×(d/2)3×d]/Σ[4/3π×(d/2)3]
正極断面の視野を変えて5ヶ所以上測定し、それぞれのX0及びY0の平均値をもって平均粒子径X1及びY1とする。
X1及びY1は、正極断面SEMと同視野にて測定した正極断面SEM−EDXから得られた画像を、画像解析することで求めることができる。正極断面のSEM画像にて判別されたリチウム化合物の粒子X、及びそれ以外の粒子を正極活物質の粒子Yとし、断面SEM画像中に観察されるX、Yそれぞれの粒子全てについて、断面積Sを求め、次式により粒子径dを求める(円周率をπとする。)。
d=2×(S/π)1/2
得られた粒子径dを用いて、次式により体積平均粒子径X0及びY0を求める。
X0(Y0)=Σ[4/3π×(d/2)3×d]/Σ[4/3π×(d/2)3]
正極断面の視野を変えて5ヶ所以上測定し、それぞれのX0及びY0の平均値をもって平均粒子径X1及びY1とする。
(任意成分)
本実施形態における正極活物質層は、必要に応じて、正極活物質及びリチウム化合物の他に、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
本実施形態における正極活物質層は、必要に応じて、正極活物質及びリチウム化合物の他に、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
導電性フィラーとしては、特に制限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、気相成長炭素繊維、黒鉛、カーボンナノチューブ、これらの混合物等を用いることができる。導電性フィラーの使用量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上30質量部以下、より好ましくは0質量部以上20質量部以下、さらに好ましくは1質量部以上15質量部以下である。導電性フィラーの使用量が30質量部以下であれば、正極活物質層における正極活物質の含有割合が多くなり、正極活物質層体積当たりのエネルギー密度を確保することができる。
結着剤としては、特に制限されるものではないが、例えばPVdF(ポリフッ化ビニリデン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ポリイミド、ラテックス、スチレン−ブタジエン共重合体、フッ素ゴム、アクリル共重合体等を用いることができる。結着剤の使用量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは1質量部以上30質量部以下、より好ましくは3質量部以上27質量部以下、さらに好ましくは5質量部以上25質量部以下である。結着剤の使用量が1質量部以上であれば、十分な電極強度が得られる。一方で結着剤の使用量が30質量部以下であれば、正極活物質へのイオンの出入り及び拡散を阻害せず、高い入出力特性が得られる。
分散安定剤としては、特に制限されるものではないが、例えばPVP(ポリビニルピロリドン)、PVA(ポリビニルアルコール)、セルロース誘導体等を用いることができる。分散安定剤の使用量は、正極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上10質量部以下である。分散安定剤の使用量が10質量部以下であれば、正極活物質へのイオンの出入り及び拡散を阻害せず、高い入出力特性が発現される。
[正極集電体]
本実施形態における正極集電体を構成する材料としては、電子伝導性が高く、非水系電解液への溶出及び電解質又はイオンとの反応等による劣化が起こり難い材料であれば特に制限はないが、金属箔が好ましい。本実施形態の非水系リチウム型蓄電素子における正極集電体としては、アルミニウム箔が特に好ましい。
本実施形態における正極集電体を構成する材料としては、電子伝導性が高く、非水系電解液への溶出及び電解質又はイオンとの反応等による劣化が起こり難い材料であれば特に制限はないが、金属箔が好ましい。本実施形態の非水系リチウム型蓄電素子における正極集電体としては、アルミニウム箔が特に好ましい。
金属箔は、凹凸又は貫通孔を持たない通常の金属箔でもよいし、エンボス加工、ケミカルエッチング、電解析出法、ブラスト加工等を施した凹凸を有する金属箔でもよいし、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔等の貫通孔を有する金属箔でもよい。
それらの中でも、本実施形態における正極集電体は、貫通孔を持たない金属箔が好ましい。貫通孔を持たない方が、製造コストが安価であり、薄膜化が容易であるため高エネルギー密度化にも寄与でき、集電抵抗も低くできるため高入出力特性が得られる。
それらの中でも、本実施形態における正極集電体は、貫通孔を持たない金属箔が好ましい。貫通孔を持たない方が、製造コストが安価であり、薄膜化が容易であるため高エネルギー密度化にも寄与でき、集電抵抗も低くできるため高入出力特性が得られる。
正極集電体の厚みは、正極の形状及び強度を十分に保持できれば特に制限はないが、例えば、1〜100μmが好ましい。
[正極前駆体の製造]
本実施形態において、非水系リチウム型蓄電素子の正極となる正極前駆体は、既知の電極の製造技術によって製造することが可能である。例えば、正極活物質と;本実施形態のリチウム化合物、リチウム化合物含有スラリー、及びリチウム化合物複合材料からなる群より選ばれる少なくとも1種とを、水又は有機溶剤中に分散又は溶解してスラリー状の正極前駆体用の塗工液を調整することができる。塗工液は、必要に応じて使用されるその他の任意成分を更に含有してもよい。この塗工液を正極集電体の片面又は両面上に塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することにより、正極集電体の片面又は両面上に、本実施形態のリチウム化合物又はリチウム化合物複合材料を含有する、正極前駆体を得ることができる。得られた正極前駆体をプレスして、正極活物質層の膜厚や嵩密度を調整してもよい。或いは、溶剤を使用せずに、正極活物質と;本実施形態のリチウム化合物及びリチウム化合物複合材料からなる群より選ばれる少なくとも1種と;、必要に応じて使用されるその他の任意成分を乾式で混合して、得られた混合物をプレス成型した後、導電性接着剤を用いて正極集電体に貼り付ける方法も可能である。
本実施形態において、非水系リチウム型蓄電素子の正極となる正極前駆体は、既知の電極の製造技術によって製造することが可能である。例えば、正極活物質と;本実施形態のリチウム化合物、リチウム化合物含有スラリー、及びリチウム化合物複合材料からなる群より選ばれる少なくとも1種とを、水又は有機溶剤中に分散又は溶解してスラリー状の正極前駆体用の塗工液を調整することができる。塗工液は、必要に応じて使用されるその他の任意成分を更に含有してもよい。この塗工液を正極集電体の片面又は両面上に塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することにより、正極集電体の片面又は両面上に、本実施形態のリチウム化合物又はリチウム化合物複合材料を含有する、正極前駆体を得ることができる。得られた正極前駆体をプレスして、正極活物質層の膜厚や嵩密度を調整してもよい。或いは、溶剤を使用せずに、正極活物質と;本実施形態のリチウム化合物及びリチウム化合物複合材料からなる群より選ばれる少なくとも1種と;、必要に応じて使用されるその他の任意成分を乾式で混合して、得られた混合物をプレス成型した後、導電性接着剤を用いて正極集電体に貼り付ける方法も可能である。
本実施形態の正極前駆体の塗工液は、正極活物質と;リチウム化合物又はリチウム化合物複合材料からなる群より選ばれる少なくとも1種とを含む各種材料の一部若しくは全部をドライブレンドし、次いで水若しくは有機溶媒、及び/又はそれらに結着剤や分散安定剤が溶解若しくは分散した液状若しくはスラリー状の物質を追加して調製してもよい。水又は有機溶媒に結着剤や分散安定剤が溶解又は分散した液状又はスラリー状の物質の中に、正極活物質と;リチウム化合物、リチウム化合物含有スラリー又はリチウム化合物複合材料からなる群より選ばれる少なくとも1種;を含む各種材料を追加して塗工液を調製してもよい。ドライブレンドする方法として、例えばボールミル等を使用して正極活物質;及びリチウム化合物又はリチウム化合物複合材料からなる群より選ばれる少なくとも1種;並びに必要に応じて導電性フィラーを予備混合してもよい。塗工液の溶媒に水を使用する場合には、リチウム化合物を加えることで塗工液がアルカリ性になることもあるため、必要に応じてpH調整剤を添加してもよい。
正極前駆体の塗膜の形成方法は特に制限されるものではないが、好適にはダイコーターやコンマコーター、ナイフコーター、グラビア塗工機等の塗工機を用いることができる。塗膜は単層塗工で形成してもよいし、多層塗工して形成してもよい。多層塗工の場合には、塗膜各層内のリチウム化合物の含有量が異なるように、塗工液の組成を調整してもよい。
正極前駆体の塗膜の乾燥方法は特に制限されるものではないが、好適には熱風乾燥や赤外線(IR)乾燥等の乾燥方法を用いることができる。塗膜の乾燥は、単一の温度で乾燥させてもよいし、多段的に温度を変えて乾燥させてもよい。また、複数の乾燥方法を組み合わせて乾燥させてもよい。
正極前駆体のプレス方法は特に制限されるものではないが、好適には油圧プレス機、真空プレス機等のプレス機を用いることができる。正極活物質層の膜厚、嵩密度及び電極強度は、後述するプレス圧力、隙間、プレス部の表面温度により調整できる。
正極活物質層の膜厚は、正極集電体の片面当たり20μm以上200μm以下であることが好ましく、より好ましくは片面当たり25μm以上100μm以下であり、更に好ましくは30μm以上80μm以下である。正極活物質層の膜厚が20μm以上であれば、十分な充放電容量が得られる。正極活物質層の膜厚が200μm以下であれば、電極内のイオン拡散抵抗を低く維持することができる。そのため、正極集電体層の膜厚が20μm以上200μm以下であれば、十分な出力特性が得られるとともに、非水系リチウム型蓄電素子の体積を縮小することができるため、エネルギー密度を高めることができる。なお、正極集電体が貫通孔や凹凸を有する場合における正極活物質層の膜厚とは、正極集電体の貫通孔や凹凸を有していない部分における片面当たりの正極活物質層の膜厚の平均値をいう。
<負極>
本実施形態における負極は、負極集電体と、その片面又は両面上に設けられた、負極活物質を含む負極活物質層とを有する。
本実施形態における負極は、負極集電体と、その片面又は両面上に設けられた、負極活物質を含む負極活物質層とを有する。
[負極活物質層]
負極活物質層は、負極活物質を含み、必要に応じて、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
負極活物質層は、負極活物質を含み、必要に応じて、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
(負極活物質)
負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な物質を用いることができる。負極活物質としては、具体的には、炭素材料、チタン酸化物、ケイ素、ケイ素酸化物、ケイ素合金、ケイ素化合物、錫、及び錫化合物等が挙げられる。炭素材料の含有率は、負極活物質の合計質量に対して、好ましくは50質量%以上、より好ましくは70質量%以上である。炭素材料の含有率は100質量%であってもよいが、しかしながら、他の材料との併用による効果を良好に得る観点から、例えば、90質量%以下であることが好ましく、80質量%以下であってもよい。
負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な物質を用いることができる。負極活物質としては、具体的には、炭素材料、チタン酸化物、ケイ素、ケイ素酸化物、ケイ素合金、ケイ素化合物、錫、及び錫化合物等が挙げられる。炭素材料の含有率は、負極活物質の合計質量に対して、好ましくは50質量%以上、より好ましくは70質量%以上である。炭素材料の含有率は100質量%であってもよいが、しかしながら、他の材料との併用による効果を良好に得る観点から、例えば、90質量%以下であることが好ましく、80質量%以下であってもよい。
炭素材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素材料(ハードカーボン);易黒鉛化性炭素材料(ソフトカーボン);カーボンブラック;カーボンナノ粒子;活性炭;黒鉛系炭素材料;ポリアセン系物質等のアモルファス炭素質材料;石油系のピッチ、石炭系のピッチ、メソカーボンマイクロビーズ、コークス、合成樹脂(例えばフェノール樹脂等)等の炭素質材料前駆体を熱処理して得られる炭素質材料;フルフリルアルコール樹脂又はノボラック樹脂の熱分解物;フラーレン;カーボンナノホーン;及びこれらの複合炭素材料を挙げることができる。
黒鉛系炭素材料としては、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、低結晶黒鉛、黒鉛化メソフェーズカーボン小球体、黒鉛ウイスカ、高比表面積黒鉛などの黒鉛質材料、及びこれらの黒鉛質材料に後述する非晶質部の形成方法を施した炭素材料等を用いることができる。
黒鉛系炭素材料の非晶質部の形成方法は、特に制限されるものではないが、黒鉛質材料と、後述する炭素質材料とを複合化させる方法;黒鉛質材料にレーザー、プラズマ、コロナ処理等の物理的表面改質を施す方法;黒鉛質材料を酸又はアルカリ溶液に浸して加熱することにより黒鉛質材料に化学的表面改質を施す方法;ニードルコークス等の黒鉛系炭素材料の原料を黒鉛化する際の焼成パターン(例えば、2,000℃〜3,000℃の範囲に急激に昇温し、その後100℃以下になるまで急激に降温する等)により黒鉛質と非晶質をランダム(ガラス状)に形成させる方法等が挙げられる。非晶質部は黒鉛系炭素材料の表面に形成されてもよいし、黒鉛系炭素材料の内部に形成されてもよいが、上述した理由により黒鉛系炭素材料の表面に形成されることが好ましい。
これらの中でも負極の抵抗を下げる観点から、上記炭素材料1種以上(以下、「基材」ともいう。)と炭素質材料前駆体とを共存させた状態で熱処理を行い、基材と炭素質材料前駆体由来の炭素質材料とを複合させた複合炭素材料が好ましい。炭素質材料前駆体としては、熱処理により炭素質材料となるものであれば特に制限はないが、石油系のピッチ又は石炭系のピッチが特に好ましい。熱処理を行う前に、炭素質材料前駆体の融点より高い温度において、基材と炭素質材料前駆体とを混合してもよい。熱処理温度は、使用する炭素質材料前駆体が揮発又は熱分解して発生する成分が炭素質材料となる温度であればよいが、好ましくは400℃以上2,500℃以下、より好ましくは500℃以上2,000℃以下、さらに好ましくは550℃以上1,500℃以下である。熱処理を行う雰囲気は特に制限はないが、非酸化性雰囲気が好ましい。
(任意成分)
本実施形態における負極活物質層は、負極活物質の他に、必要に応じて、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
本実施形態における負極活物質層は、負極活物質の他に、必要に応じて、導電性フィラー、結着剤、分散安定剤等の任意成分を含んでいてもよい。
導電性フィラーの種類は特に制限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、気相成長炭素繊維等が例示される。導電性フィラーの使用量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上30質量部以下、より好ましくは0質量部以上20質量部以下、さらに好ましくは0質量部以上15質量部以下である。
結着剤としては、特に制限されるものではないが、例えばPVdF(ポリフッ化ビニリデン)、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ポリイミド、ラテックス、スチレン−ブタジエン共重合体、フッ素ゴム、アクリル共重合体等を用いることができる。結着剤の使用量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは1質量部以上30質量部以下、より好ましくは2質量部以上27質量部以下、さらに好ましくは3質量部以上25質量部以下である。結着剤の使用量が1質量部以上であれば、十分な電極強度が得られる。結着剤の使用量が30質量部以下であれば、負極活物質へのリチウムイオンの出入りを阻害せず、高い入出力特性が得られる。
分散安定剤としては、特に制限されるものではないが、例えばPVP(ポリビニルピロリドン)、PVA(ポリビニルアルコール)、セルロース誘導体等を用いることができる。分散安定剤の使用量は、負極活物質100質量部に対して、好ましくは0質量部以上10質量部以下である。分散安定剤の使用量が10質量部以下であれば、負極活物質へのリチウムイオンの出入りを阻害せず、高い入出力特性が得られる。
[負極集電体]
本実施形態における負極集電体を構成する材料としては、電子伝導性が高く、非水系電解液への溶出及び電解質又はイオンとの反応等による劣化が起こり難い金属箔であることが好ましい。このような金属箔としては、特に制限はなく、例えば、アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔、ステンレス鋼箔等が挙げられる。本実施形態の非水系リチウム型蓄電素子における負極集電体としては、銅箔が好ましい。
本実施形態における負極集電体を構成する材料としては、電子伝導性が高く、非水系電解液への溶出及び電解質又はイオンとの反応等による劣化が起こり難い金属箔であることが好ましい。このような金属箔としては、特に制限はなく、例えば、アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔、ステンレス鋼箔等が挙げられる。本実施形態の非水系リチウム型蓄電素子における負極集電体としては、銅箔が好ましい。
金属箔は、凹凸又は貫通孔を持たない通常の金属箔でもよいし、エンボス加工、ケミカルエッチング、電解析出法、ブラスト加工等を施した凹凸を有する金属箔でもよいし、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチング箔等の貫通孔を有する金属箔でもよい。
それらの中でも、本実施形態における負極集電体は、貫通孔を持たない金属箔が好ましい。貫通孔を持たない方が、製造コストが安価であり、薄膜化が容易であるため高エネルギー密度化にも寄与でき、集電抵抗も低くできるため高入出力特性が得られる。
負極集電体の厚みは、負極の形状及び強度を十分に保持できれば特に制限はないが、例えば1〜100μmが好ましい。なお、負極集電体が貫通孔又は凹凸を有するときには、貫通孔又は凹凸が存在しない部分に基づいて負極集電体の厚みを測定するものとする。
それらの中でも、本実施形態における負極集電体は、貫通孔を持たない金属箔が好ましい。貫通孔を持たない方が、製造コストが安価であり、薄膜化が容易であるため高エネルギー密度化にも寄与でき、集電抵抗も低くできるため高入出力特性が得られる。
負極集電体の厚みは、負極の形状及び強度を十分に保持できれば特に制限はないが、例えば1〜100μmが好ましい。なお、負極集電体が貫通孔又は凹凸を有するときには、貫通孔又は凹凸が存在しない部分に基づいて負極集電体の厚みを測定するものとする。
[負極の製造]
負極は、負極集電体の片面又は両面上に負極活物質層を有する。典型的には、負極活物質層は負極集電体の片面又は両面上に固着している。
負極は、負極集電体の片面又は両面上に負極活物質層を有する。典型的には、負極活物質層は負極集電体の片面又は両面上に固着している。
負極は、既知の電極の製造技術によって製造することが可能である。例えば、負極活物質を含む各種材料を水又は有機溶剤中に分散又は溶解してスラリー状の塗工液を調整し、この塗工液を負極集電体上の片面又は両面に塗工して塗膜を形成し、これを乾燥することにより負極を得ることができる。得られた負極にプレスを施して、負極活物質層の膜厚や嵩密度を調整してもよい。或いは、溶剤を使用せずに、負極活物質を含む各種材料を乾式で混合し、得られた混合物をプレス成型した後、導電性接着剤を用いて負極集電体に貼り付ける方法も可能である。
塗工液は、負極活物質を含む各種材料粉末の一部若しくは全部をドライブレンドし、次いで水若しくは有機溶媒、及び/又はそれらに結着剤や分散安定剤が溶解若しくは分散した液状若しくはスラリー状の物質を追加して調製してもよい。また、水又は有機溶媒に結着剤や分散安定剤が溶解又は分散した液状又はスラリー状の物質の中に、負極活物質を含む各種材料粉末を追加して塗工液を調製してもよい。
溶解又は分散方法は特に制限されるものではないが、好適にはホモディスパーや多軸分散機、プラネタリーミキサー、薄膜旋回型高速ミキサー等の分散機等を用いることができる。
負極の塗膜の形成方法は特に制限されるものではないが、好適にはダイコーターやコンマコーター、ナイフコーター、グラビア塗工機等の塗工機を用いることができる。塗膜は単層塗工で形成してもよいし、多層塗工して形成してもよい。
負極の塗膜の乾燥方法は特に制限されるものではないが、好適には熱風乾燥や赤外線(IR)乾燥等の乾燥方法を用いることができる。塗膜の乾燥は、単一の温度で乾燥させてもよいし、多段的に温度を変えて乾燥させてもよい。また、複数の乾燥方法を組み合わせて乾燥させてもよい。
負極のプレス方法は特に制限されるものではないが、好適には油圧プレス機、真空プレス機等のプレス機を用いることができる。負極活物質層の膜厚、嵩密度及び電極強度は後述するプレス圧力、隙間、プレス部の表面温度により調整できる。プレス圧力、隙間、速度、プレス部の表面温度の条件を変えながら複数回プレスを実施してもよい。
負極の塗膜の形成方法は特に制限されるものではないが、好適にはダイコーターやコンマコーター、ナイフコーター、グラビア塗工機等の塗工機を用いることができる。塗膜は単層塗工で形成してもよいし、多層塗工して形成してもよい。
負極の塗膜の乾燥方法は特に制限されるものではないが、好適には熱風乾燥や赤外線(IR)乾燥等の乾燥方法を用いることができる。塗膜の乾燥は、単一の温度で乾燥させてもよいし、多段的に温度を変えて乾燥させてもよい。また、複数の乾燥方法を組み合わせて乾燥させてもよい。
負極のプレス方法は特に制限されるものではないが、好適には油圧プレス機、真空プレス機等のプレス機を用いることができる。負極活物質層の膜厚、嵩密度及び電極強度は後述するプレス圧力、隙間、プレス部の表面温度により調整できる。プレス圧力、隙間、速度、プレス部の表面温度の条件を変えながら複数回プレスを実施してもよい。
負極活物質層の膜厚は、負極集電体の片面当たり5μm以上100μm以下が好ましい。負極活物質層の膜厚の下限は、より好ましくは7μm以上であり、さらに好ましくは10μm以上である。負極活物質層の膜厚の上限は、より好ましくは80μm以下であり、さらに好ましくは60μm以下である。負極活物質層の膜厚が5μm以上であれば、負極活物質層を塗工した際にスジ等が発生し難く、塗工性に優れる。負極活物質層の膜厚が100μm以下であれば、非水系リチウム型蓄電素子の体積を縮小することによって高いエネルギー密度が得られる。なお、負極集電体が貫通孔や凹凸を有する場合における負極活物質層の膜厚とは、負極集電体の貫通孔や凹凸を有していない部分における片面当たりの負極活物質層の膜厚の平均値をいう。
負極活物質層の嵩密度は、好ましくは0.30g/cm3以上1.8g/cm3以下、より好ましくは0.40g/cm3以上1.5g/cm3以下、さらに好ましくは0.45g/cm3以上1.3g/cm3以下である。負極活物質層の嵩密度が0.30g/cm3以上であれば、十分な強度を保つことができるとともに、負極活物質間の十分な導電性が得られる。負極活物質層の嵩密度が1.8g/cm3以下であれば、負極活物質層内でイオンが十分に拡散できる空孔が確保できる。
本実施形態におけるメソ孔量、及びマイクロ孔量は、それぞれ以下の方法によって求められる値である。試料を200℃で一昼夜真空乾燥し、窒素を吸着質として吸脱着の等温線の測定を行う。ここで得られる吸着側の等温線を用いて、メソ孔量はBJH法により、マイクロ孔量はMP法により、それぞれ算出される。
BJH法とは、メソ孔の解析に一般的に用いられる計算方法で、Barrett, Joyner, Halendaらにより提唱されたものである(E. P. Barrett, L. G. Joyner and P. Halenda, J. Am. Chem. Soc., 73, 373(1951))。
MP法とは、「t−プロット法」(B.C.Lippens,J.H.de Boer,J.Catalysis,4319(1965))を利用して、マイクロ孔容積、マイクロ孔面積、及びマイクロ孔の分布を求める方法を意味し、R.S.Mikhail, Brunauer, Bodorにより考案された方法である(R.S.Mikhail,S.Brunauer,E.E.Bodor,J.Colloid Interface Sci.,26,45 (1968))。
<非水系電解液>
本実施形態における電解液は、リチウムイオンを含む非水系電解液である。すなわちこの非水系電解液は、後述する非水溶媒を含む。非水系電解液は、非水系電解液の合計体積を基準として、0.5mol/L以上のリチウム塩を含有することが好ましい。すなわち、非水系電解液は、リチウムイオンを電解質として含む。
本実施形態における電解液は、リチウムイオンを含む非水系電解液である。すなわちこの非水系電解液は、後述する非水溶媒を含む。非水系電解液は、非水系電解液の合計体積を基準として、0.5mol/L以上のリチウム塩を含有することが好ましい。すなわち、非水系電解液は、リチウムイオンを電解質として含む。
リチウム塩としては、例えば、(LiN(SO2F)2)、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C2F5)、LiN(SO2CF3)(SO2C2F4H)、LiC(SO2F)3、LiC(SO2CF3)3、LiC(SO2C2F5)3、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiPF6、及びLiBF4等が挙げられ、これらは単独で用いることができ、2種以上を混合して用いてもよい。高い伝導度が得られることから、リチウム塩はLiPF6及び/又はLiN(SO2F)2を含むことが好ましい。
非水系電解液中のリチウム塩濃度は、0.5mol/L以上であることが好ましく、0.5〜2.0mol/Lの範囲がより好ましい。リチウム塩濃度が0.5mol/L以上であれば、陰イオンが十分に存在するので非水系リチウム型蓄電素子の容量を十分高くできる。リチウム塩濃度が2.0mol/L以下である場合、未溶解のリチウム塩が非水系電解液中に析出すること、及び非水系電解液の粘度が高くなり過ぎることを防止でき、伝導度が低下し難く、出力特性も低下し難いため好ましい。
本実施形態における非水系電解液は、非水溶媒として、好ましくは、環状カーボネート及び鎖状カーボネートを含有する。非水系電解液が環状カーボネート及び鎖状カーボネートを含有することは、所望の濃度のリチウム塩を溶解させる点、及び高いリチウムイオン伝導度が得られる点で有利である。環状カーボネートとしては、例えば、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等に代表されるアルキレンカーボネート化合物が挙げられる。アルキレンカーボネート化合物は、典型的には非置換である。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、メチルエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、ジブチルカーボネート等に代表されるジアルキルカーボネート化合物が挙げられる。ジアルキルカーボネート化合物は典型的には非置換である。
環状カーボネート及び鎖状カーボネートの合計含有量は、非水系電解液の合計質量を基準として、好ましくは50質量%以上、より好ましくは65質量%以上であり、好ましくは95質量%以下、より好ましくは90質量%以下である。環状カーボネート及び鎖状カーボネートの合計含有量が50質量%以上であれば、所望の濃度のリチウム塩を溶解させることが可能であり、高いリチウムイオン伝導度を得ることができる。環状カーボネート及び鎖状カーボネートの合計濃度が95質量%以下であれば、非水系電解液が、後述する添加剤をさらに含有することができる。
本実施形態における非水系電解液は、更に添加剤を含有していてもよい。添加剤としては、特に制限されないが、例えば、スルトン化合物、環状ホスファゼン、非環状含フッ素エーテル、含フッ素環状カーボネート、環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル、及び環状酸無水物等が挙げられ、これらは単独で用いることができ、また2種以上を混合して用いてもよい。
スルトン化合物としては、例えば、下記一般式(5)〜(7)のそれぞれで表されるスルトン化合物を挙げることができる。これらのスルトン化合物は、単独で用いてもよく、又は2種以上を混合して用いてもよい。
本実施形態では、抵抗への悪影響が少なく、非水系電解液の高温における分解を抑制してガス発生を抑えるという観点から、式(5)で表されるスルトン化合物としては、好ましくは、1,3−プロパンスルトン、2,4−ブタンスルトン、1,4−ブタンスルトン、1,3−ブタンスルトン、及び2,4−ペンタンスルトンが挙げられ;式(6)で表されるスルトン化合物としては、好ましくは、1,3−プロペンスルトン、及び1,4−ブテンスルトンが挙げられ;式(7)で表されるスルトン化合物としては、好ましくは、1,5,2,4−ジオキサジチエパン2,2,4,4−テトラオキシドが挙げられ;その他のスルトン化合物としては、好ましくは、メチレンビス(ベンゼンスルホン酸)、メチレンビス(フェニルメタンスルホン酸)、メチレンビス(エタンスルホン酸)、メチレンビス(2,4,6,トリメチルベンゼンスルホン酸)、及びメチレンビス(2−トリフルオロメチルベンゼンスルホン酸)が挙げられ、これら群から選択される少なくとも1種がより好ましい。
本実施形態における非水系リチウム型蓄電素子の非水系電解液中に含まれるスルトン化合物の合計含有量は、非水系電解液の合計質量を基準として、0.5質量%〜15質量%であることが好ましい。非水系電解液中に含まれるスルトン化合物の合計含有量が0.5質量%以上であれば、高温における非水系電解液の分解を抑制してガス発生を抑えることが可能となる。スルトン化合物の合計含有量が15質量%以下であれば、非水系電解液のイオン伝導度の低下を抑えることができ、高い入出力特性を保持することができる。非水系リチウム型蓄電素子の非水系電解液中に存在するスルトン化合物の合計含有量は、高い入出力特性と耐久性を両立する観点から、好ましくは1質量%以上10質量%以下であり、更に好ましくは3質量%以上8質量%以下である。
環状ホスファゼンとしては、例えば、エトキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン、ジエトキシテトラフルオロシクロトリホスファゼン、及びフェノキシペンタフルオロシクロトリホスファゼン等を挙げることができ、これらの群から選択される少なくとも1種が好ましい。
非水系電解液における環状ホスファゼンの含有率は、非水系電解液の合計質量を基準として、0.5質量%〜20質量%であることが好ましい。環状ホスファゼンの含有率が0.5質量%以上であれば、高温における非水系電解液の分解を抑制してガス発生を抑えることが可能となる。環状ホスファゼンの含有率が20質量%以下であれば、非水系電解液のイオン伝導度の低下を抑えることができ、高い入出力特性を保持することができる。以上の理由により、環状ホスファゼンの含有率は、好ましくは2質量%以上15質量%以下であり、更に好ましくは4質量%以上12質量%以下である。
尚、これらの環状ホスファゼンは、単独で用いてもよく、又は2種以上を混合して用いてもよい。
非水系電解液における環状ホスファゼンの含有率は、非水系電解液の合計質量を基準として、0.5質量%〜20質量%であることが好ましい。環状ホスファゼンの含有率が0.5質量%以上であれば、高温における非水系電解液の分解を抑制してガス発生を抑えることが可能となる。環状ホスファゼンの含有率が20質量%以下であれば、非水系電解液のイオン伝導度の低下を抑えることができ、高い入出力特性を保持することができる。以上の理由により、環状ホスファゼンの含有率は、好ましくは2質量%以上15質量%以下であり、更に好ましくは4質量%以上12質量%以下である。
尚、これらの環状ホスファゼンは、単独で用いてもよく、又は2種以上を混合して用いてもよい。
非環状含フッ素エーテルとしては、例えばHCF2CF2OCH2CF2CF2H、CF3CFHCF2OCH2CF2CF2H、HCF2CF2CH2OCH2CF2CF2H、及びCF3CFHCF2OCH2CF2CFHCF3等が挙げられ、これらの中でも、電気化学的安定性の観点から、HCF2CF2OCH2CF2CF2Hが好ましい。
非環状含フッ素エーテルの含有量は、非水系電解液の合計質量を基準として、0.5質量%以上15質量%以下が好ましく、1質量%以上10質量%以下であることがより好ましい。非環状含フッ素エーテルの含有量が0.5質量%以上であれば、非水系電解液の酸化分解に対する安定性が高まり、高温時耐久性が高い非水系リチウム型蓄電素子が得られる。非環状含フッ素エーテルの含有量が15質量%以下であれば、電解質塩の溶解度が良好に保たれ、かつ、非水系電解液のイオン伝導度を高く維持することができるため、高度の入出力特性を得ることが可能となる。
尚、非環状含フッ素エーテルは、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。
非環状含フッ素エーテルの含有量は、非水系電解液の合計質量を基準として、0.5質量%以上15質量%以下が好ましく、1質量%以上10質量%以下であることがより好ましい。非環状含フッ素エーテルの含有量が0.5質量%以上であれば、非水系電解液の酸化分解に対する安定性が高まり、高温時耐久性が高い非水系リチウム型蓄電素子が得られる。非環状含フッ素エーテルの含有量が15質量%以下であれば、電解質塩の溶解度が良好に保たれ、かつ、非水系電解液のイオン伝導度を高く維持することができるため、高度の入出力特性を得ることが可能となる。
尚、非環状含フッ素エーテルは、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。
含フッ素環状カーボネートとしては、他の非水溶媒との相溶性の観点から、フルオロエチレンカーボネート(FEC)及びジフルオロエチレンカーボネート(dFEC)からなる群から選択される少なくとも一種が好ましい。
含フッ素環状カーボネートの含有量は、非水系電解液の合計質量を基準として、0.5質量%以上10質量%以下が好ましく、1質量%以上5質量%以下であることがより好ましい。含フッ素環状カーボネートの含有量が0.5質量%以上であれば、負極上に良質な被膜を形成することができ、負極上における非水系電解液の還元分解を抑制することによって、高温における耐久性が高い非水系リチウム型蓄電素子が得られる。含フッ素環状カーボネートの含有量が10質量%以下であれば、電解質塩の溶解度が良好に保たれ、かつ、非水系電解液のイオン伝導度を高く維持することができ、従って高度の入出力特性を得ることが可能となる。
尚、含フッ素環状カーボネートは、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。
含フッ素環状カーボネートの含有量は、非水系電解液の合計質量を基準として、0.5質量%以上10質量%以下が好ましく、1質量%以上5質量%以下であることがより好ましい。含フッ素環状カーボネートの含有量が0.5質量%以上であれば、負極上に良質な被膜を形成することができ、負極上における非水系電解液の還元分解を抑制することによって、高温における耐久性が高い非水系リチウム型蓄電素子が得られる。含フッ素環状カーボネートの含有量が10質量%以下であれば、電解質塩の溶解度が良好に保たれ、かつ、非水系電解液のイオン伝導度を高く維持することができ、従って高度の入出力特性を得ることが可能となる。
尚、含フッ素環状カーボネートは、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。
環状炭酸エステルとしては、ビニレンカーボネートが好ましい。環状炭酸エステルの含有量は、非水系電解液の合計質量を基準として、0.5質量%以上10質量%以下が好ましく、1質量%以上5質量%以下であることがより好ましい。環状炭酸エステルの含有量が0.5質量%以上であれば、負極上の良質な被膜を形成することができ、負極上での非水系電解液の還元分解を抑制することにより、高温における耐久性が高い非水系リチウム型蓄電素子が得られる。環状炭酸エステルの含有量が10質量%以下であれば、電解質塩の溶解度が良好に保たれ、かつ非水系電解液のイオン伝導度を高く維持することができ、従って高度の入出力特性を得ることが可能となる。
環状カルボン酸エステルとしては、例えばガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン、ガンマカプロラクトン、及びイプシロンカプロラクトン等を挙げることができ、これらの群から選択される少なくとも1種を使用することが好ましい。中でも、ガンマブチロラクトンは、リチウムイオン解離度の向上に由来する電池特性を向上させる点で、特に好ましい。
環状カルボン酸エステルの含有量は、非水系電解液の合計質量を基準として、0.5質量%以上15質量%以下が好ましく、1質量%以上5質量%以下であることがより好ましい。環状カルボン酸エステルの含有量が0.5質量%以上であれば、負極上の良質な被膜を形成することができ、負極上での非水系電解液の還元分解を抑制することにより、高温時耐久性が高い非水系リチウム型蓄電素子が得られる。環状カルボン酸エステルの含有量が5質量%以下であれば、電解質塩の溶解度が良好に保たれ、かつ非水系電解液のイオン伝導度を高く維持することができ、従って高度の入出力特性を得ることが可能となる。
尚、環状カルボン酸エステルは、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。
環状カルボン酸エステルの含有量は、非水系電解液の合計質量を基準として、0.5質量%以上15質量%以下が好ましく、1質量%以上5質量%以下であることがより好ましい。環状カルボン酸エステルの含有量が0.5質量%以上であれば、負極上の良質な被膜を形成することができ、負極上での非水系電解液の還元分解を抑制することにより、高温時耐久性が高い非水系リチウム型蓄電素子が得られる。環状カルボン酸エステルの含有量が5質量%以下であれば、電解質塩の溶解度が良好に保たれ、かつ非水系電解液のイオン伝導度を高く維持することができ、従って高度の入出力特性を得ることが可能となる。
尚、環状カルボン酸エステルは、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。
環状酸無水物としては、無水コハク酸、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、及び無水イタコン酸からなる群から選択される少なくとも1種が好ましい。中でも工業的な入手のし易さによって非水系電解液の製造コストが抑えられる点、非水系電解液中に溶解し易い点等から、無水コハク酸及び無水マレイン酸から選択することが好ましい。
環状酸無水物の含有量は、非水系電解液の合計質量を基準として、0.5質量%以上15質量%以下が好ましく、1質量%以上10質量%以下であることがより好ましい。環状酸無水物の含有量が0.5質量%以上であれば、負極上に良質な被膜を形成することができ、負極上における非水系電解液の還元分解を抑制することにより、高温時耐久性が高い非水系リチウム型蓄電素子が得られる。環状酸無水物の含有量が10質量%以下であれば、電解質塩の溶解度が良好に保たれ、かつ非水系電解液のイオン伝導度を高く維持することができ、従って高度の入出力特性を得ることが可能となる。
尚、環状酸無水物は、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。
環状酸無水物の含有量は、非水系電解液の合計質量を基準として、0.5質量%以上15質量%以下が好ましく、1質量%以上10質量%以下であることがより好ましい。環状酸無水物の含有量が0.5質量%以上であれば、負極上に良質な被膜を形成することができ、負極上における非水系電解液の還元分解を抑制することにより、高温時耐久性が高い非水系リチウム型蓄電素子が得られる。環状酸無水物の含有量が10質量%以下であれば、電解質塩の溶解度が良好に保たれ、かつ非水系電解液のイオン伝導度を高く維持することができ、従って高度の入出力特性を得ることが可能となる。
尚、環状酸無水物は、単独で使用しても、2種以上を混合して使用してもよい。
<セパレータ>
正極前駆体及び負極は、一般に、セパレータを介して積層又は捲回され、正極前駆体と、負極と、セパレータとを有する電極積層体、又は電極捲回体を形成する。
正極前駆体及び負極は、一般に、セパレータを介して積層又は捲回され、正極前駆体と、負極と、セパレータとを有する電極積層体、又は電極捲回体を形成する。
セパレータとしては、ポリエチレン製の微多孔膜若しくはポリプロピレン製の微多孔膜、又はセルロース製の不織紙等を用いることができる。これらのセパレータの片面又は両面上に、有機又は無機の微粒子から構成される膜が積層されていてもよい。また、セパレータの内部に有機又は無機の微粒子が含まれていてもよい。
セパレータの厚みは5μm以上35μm以下が好ましい。セパレータの厚みが5μm以上であることにより、内部のマイクロショートによる自己放電が小さくなる傾向があるため好ましい。セパレータの厚みが35μm以下であることにより、非水系リチウム型蓄電素子の入出力特性が高くなる傾向があるため好ましい。
有機又は無機の微粒子から構成される膜の厚さは、1μm以上10μm以下であることが好ましい。有機又は無機の微粒子から構成される膜の厚さが1μm以上であることにより、内部のマイクロショートによる自己放電が小さくなる傾向があるため好ましい。有機又は無機の微粒子から構成される膜の厚さが10μm以下であることにより、非水系リチウム型蓄電素子の出力特性が高くなる傾向があるため好ましい。
<非水系リチウム型蓄電素子の製造>
本実施形態による非水系リチウム型蓄電素子は、典型的には、後述する電極積層体又は電極捲回体が、非水系電解液とともに外装体内に収納されて構成される。
本発明の非水系リチウム型蓄電素子は、例えば、複数個の非水系リチウム型蓄電素子を直列、又は並列に接続して蓄電モジュールを作ることができる。本発明の非水系リチウム型蓄電素子及び蓄電モジュールは、高負荷充放電サイクル耐久性が求められる自動車のハイブリット駆動システムの電力回生システム、太陽光発電や風力発電等の自然発電やマイクログリッド等における電力負荷平準化システム、工場の生産設備等における無停電電源システム、マイクロ波送電や電界共鳴等の電圧変動の平準化及びエネルギーの蓄電を目的とした非接触給電システム、並びに振動発電等で発電した電力の利用を目的としたエナジーハーベストシステムに好適に利用できる。
非水系リチウム型蓄電素子は、例えば、リチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン二次電池として適用したときに、本発明の効果が最大限に発揮されるため好ましい。
本実施形態による非水系リチウム型蓄電素子は、典型的には、後述する電極積層体又は電極捲回体が、非水系電解液とともに外装体内に収納されて構成される。
本発明の非水系リチウム型蓄電素子は、例えば、複数個の非水系リチウム型蓄電素子を直列、又は並列に接続して蓄電モジュールを作ることができる。本発明の非水系リチウム型蓄電素子及び蓄電モジュールは、高負荷充放電サイクル耐久性が求められる自動車のハイブリット駆動システムの電力回生システム、太陽光発電や風力発電等の自然発電やマイクログリッド等における電力負荷平準化システム、工場の生産設備等における無停電電源システム、マイクロ波送電や電界共鳴等の電圧変動の平準化及びエネルギーの蓄電を目的とした非接触給電システム、並びに振動発電等で発電した電力の利用を目的としたエナジーハーベストシステムに好適に利用できる。
非水系リチウム型蓄電素子は、例えば、リチウムイオンキャパシタ又はリチウムイオン二次電池として適用したときに、本発明の効果が最大限に発揮されるため好ましい。
[組立]
組み立て工程では、例えば、枚葉の形状にカットした正極前駆体及び負極を、セパレータを介して積層して成る積層体に、正極端子及び負極端子を接続して、電極積層体を作製する。あるいは、正極前駆体及び負極を、セパレータを介して積層及び捲回した捲回体に、正極端子及び負極端子を接続して、電極捲回体を作製してもよい。電極捲回体の形状は円筒型であっても、扁平型であってもよい。
正極端子及び負極端子の接続の方法は特に限定されないが、抵抗溶接や超音波溶接などの方法で行うことができる。
組み立て工程では、例えば、枚葉の形状にカットした正極前駆体及び負極を、セパレータを介して積層して成る積層体に、正極端子及び負極端子を接続して、電極積層体を作製する。あるいは、正極前駆体及び負極を、セパレータを介して積層及び捲回した捲回体に、正極端子及び負極端子を接続して、電極捲回体を作製してもよい。電極捲回体の形状は円筒型であっても、扁平型であってもよい。
正極端子及び負極端子の接続の方法は特に限定されないが、抵抗溶接や超音波溶接などの方法で行うことができる。
[外装体]
外装体としては、金属缶、ラミネート包材等を使用できる。金属缶としては、アルミニウム製のものが好ましい。ラミネート包材としては、金属箔と樹脂フィルムとを積層したフィルムが好ましく、外層樹脂フィルム/金属箔/内装樹脂フィルムの3層から構成されるラミネート包材が例示される。外層樹脂フィルムは、接触等により金属箔が損傷を受けることを防止するためのものであり、ナイロン又はポリエステル等の樹脂が好適に使用できる。金属箔は水分及びガスの透過を防ぐためのものであり、銅、アルミニウム、ステンレス等の箔が好適に使用できる。また、内装樹脂フィルムは、内部に収納する非水系電解液から金属箔を保護するとともに、外装体のヒートシール時に溶融封口させるためのものであり、ポリオレフィン、酸変性ポリオレフィン等が好適に使用できる。
外装体としては、金属缶、ラミネート包材等を使用できる。金属缶としては、アルミニウム製のものが好ましい。ラミネート包材としては、金属箔と樹脂フィルムとを積層したフィルムが好ましく、外層樹脂フィルム/金属箔/内装樹脂フィルムの3層から構成されるラミネート包材が例示される。外層樹脂フィルムは、接触等により金属箔が損傷を受けることを防止するためのものであり、ナイロン又はポリエステル等の樹脂が好適に使用できる。金属箔は水分及びガスの透過を防ぐためのものであり、銅、アルミニウム、ステンレス等の箔が好適に使用できる。また、内装樹脂フィルムは、内部に収納する非水系電解液から金属箔を保護するとともに、外装体のヒートシール時に溶融封口させるためのものであり、ポリオレフィン、酸変性ポリオレフィン等が好適に使用できる。
[外装体への収納]
乾燥した電極積層体又は電極捲回体は、金属缶又はラミネート包材に代表される外装体の中に収納し、開口部を1方だけ残して封止することが好ましい。外装体の封止方法は特に限定されないが、ラミネート包材を用いる場合は、ヒートシールやインパルスシールなどの方法を用いることができる。
乾燥した電極積層体又は電極捲回体は、金属缶又はラミネート包材に代表される外装体の中に収納し、開口部を1方だけ残して封止することが好ましい。外装体の封止方法は特に限定されないが、ラミネート包材を用いる場合は、ヒートシールやインパルスシールなどの方法を用いることができる。
[乾燥]
外装体の中に収納した電極積層体または電極捲回体は、乾燥することで残存溶媒を除去することが好ましい。乾燥方法は限定されないが、真空乾燥などにより乾燥することができる。残存溶媒は、正極活物質層または負極活物質層の質量を基準として、1.5質量%以下が好ましい。残存溶媒が1.5質量%より多いと、系内に溶媒が残存し、自己放電特性やサイクル特性を悪化させることがあるため好ましくない。
外装体の中に収納した電極積層体または電極捲回体は、乾燥することで残存溶媒を除去することが好ましい。乾燥方法は限定されないが、真空乾燥などにより乾燥することができる。残存溶媒は、正極活物質層または負極活物質層の質量を基準として、1.5質量%以下が好ましい。残存溶媒が1.5質量%より多いと、系内に溶媒が残存し、自己放電特性やサイクル特性を悪化させることがあるため好ましくない。
[注液、含浸、封止工程]
組立工程の終了後に、外装体の中に収納された電極積層体または電極捲回体に、非水系電解液を注液する。注液後に、更に含浸を行い、正極、負極、及びセパレータを非水系電解液で十分に浸すことが望ましい。正極、負極、及びセパレータのうちの少なくとも一部に非水系電解液が浸っていない状態では、後述するリチウムドープ工程において、リチウムドープが不均一に進むため、得られる非水系リチウム型蓄電素子の抵抗が上昇したり、耐久性が低下したりする。含浸の方法としては、特に制限されないが、例えば、注液後の電極積層体または電極捲回体を、外装体が開口した状態で、減圧チャンバーに設置し、真空ポンプを用いてチャンバー内を減圧状態にし、再度大気圧に戻す方法等を用いることができる。含浸後に、外装体が開口した状態の電極積層体または電極捲回体を減圧しながら封止することで密閉することができる。
組立工程の終了後に、外装体の中に収納された電極積層体または電極捲回体に、非水系電解液を注液する。注液後に、更に含浸を行い、正極、負極、及びセパレータを非水系電解液で十分に浸すことが望ましい。正極、負極、及びセパレータのうちの少なくとも一部に非水系電解液が浸っていない状態では、後述するリチウムドープ工程において、リチウムドープが不均一に進むため、得られる非水系リチウム型蓄電素子の抵抗が上昇したり、耐久性が低下したりする。含浸の方法としては、特に制限されないが、例えば、注液後の電極積層体または電極捲回体を、外装体が開口した状態で、減圧チャンバーに設置し、真空ポンプを用いてチャンバー内を減圧状態にし、再度大気圧に戻す方法等を用いることができる。含浸後に、外装体が開口した状態の電極積層体または電極捲回体を減圧しながら封止することで密閉することができる。
[リチウムドープ工程]
本実施形態において、リチウムイオンを含む正極活物質及びリチウム化合物が、負極活物質へのリチウムイオンのドーパント源として機能する。リチウムドープ工程では、正極前駆体と負極との間に電圧を印加して、リチウムイオンを含む正極活物質のリチウムイオンの放出に加え、正極前駆体中のリチウム化合物を分解してリチウムイオンを放出し、負極でリチウムイオンを還元することにより負極活物質層にリオチウムイオンをプレドープすることが好ましい。
本実施形態において、リチウムイオンを含む正極活物質及びリチウム化合物が、負極活物質へのリチウムイオンのドーパント源として機能する。リチウムドープ工程では、正極前駆体と負極との間に電圧を印加して、リチウムイオンを含む正極活物質のリチウムイオンの放出に加え、正極前駆体中のリチウム化合物を分解してリチウムイオンを放出し、負極でリチウムイオンを還元することにより負極活物質層にリオチウムイオンをプレドープすることが好ましい。
リチウムドープ工程において、正極前駆体中のリチウム化合物の酸化分解に伴い、CO2等のガスが発生する。そのため、電圧を印加する際には、発生したガスを外装体の外部に放出する手段を講ずることが好ましい。この手段としては、例えば、外装体の一部を開口させた状態で電圧を印加する方法;外装体の一部に予めガス抜き弁、ガス透過フィルム等の適宜のガス放出手段を設置した状態で電圧を印加する方法;
等を挙げることができる。
等を挙げることができる。
[エージング工程]
リチウムドープ工程後に、電極積層体又は電極捲回体にエージングを行うことが好ましい。エージング工程では、非水系電解液中の溶媒が負極で分解し、負極表面にリチウムイオン透過性の固体高分子被膜が形成される。
エージングの方法としては、特に制限されないが、例えば高温環境下で非水系電解液中の溶媒を反応させる方法等を用いることができる。
リチウムドープ工程後に、電極積層体又は電極捲回体にエージングを行うことが好ましい。エージング工程では、非水系電解液中の溶媒が負極で分解し、負極表面にリチウムイオン透過性の固体高分子被膜が形成される。
エージングの方法としては、特に制限されないが、例えば高温環境下で非水系電解液中の溶媒を反応させる方法等を用いることができる。
[ガス抜き工程]
エージング工程後に、更にガス抜きを行い、非水系電解液、正極、及び負極中に残存しているガスを確実に除去することが好ましい。非水系電解液、正極、及び負極の少なくとも一部にガスが残存している状態では、イオン伝導が阻害されるため、得られる非水系リチウム型蓄電素子の抵抗が上昇してしまう。
ガス抜きの方法としては、特に制限されないが、例えば、外装体を開口した状態で電極積層体または電極捲回体を減圧チャンバーに設置し、真空ポンプを用いてチャンバー内を減圧状態にする方法等を用いることができる。ガス抜き後、外装体をシールすることにより外装体を密閉し、非水系リチウム型蓄電素子を作製することができる。
エージング工程後に、更にガス抜きを行い、非水系電解液、正極、及び負極中に残存しているガスを確実に除去することが好ましい。非水系電解液、正極、及び負極の少なくとも一部にガスが残存している状態では、イオン伝導が阻害されるため、得られる非水系リチウム型蓄電素子の抵抗が上昇してしまう。
ガス抜きの方法としては、特に制限されないが、例えば、外装体を開口した状態で電極積層体または電極捲回体を減圧チャンバーに設置し、真空ポンプを用いてチャンバー内を減圧状態にする方法等を用いることができる。ガス抜き後、外装体をシールすることにより外装体を密閉し、非水系リチウム型蓄電素子を作製することができる。
<リチウムイオン二次電池の特性評価>
[放電容量]
本明細書では、リチウムイオン二次電池の容量QB(Ah)とは、以下の方法によって得られる値である。
[放電容量]
本明細書では、リチウムイオン二次電池の容量QB(Ah)とは、以下の方法によって得られる値である。
先ず、リチウムイオン二次電池を25℃に設定した恒温槽内で、0.1Cの電流値で4.2Vに到達するまで定電流充電を行い、続いて4.2Vの定電圧を印加する定電圧充電を30分行う。その後、3.0Vまで0.1Cの電流値で定電流放電を施した際の電気容量をQB(Ah)とする。
[電力量]
本明細書では、リチウムイオン二次電池の電力量EB(Wh)とは、以下の方法によって得られる値である。先に述べた方法で算出された電気容量QB(Ah)を用いて、
QB×(公称電圧)により算出される値を、電力量EB(Wh)という。
本明細書では、リチウムイオン二次電池の電力量EB(Wh)とは、以下の方法によって得られる値である。先に述べた方法で算出された電気容量QB(Ah)を用いて、
QB×(公称電圧)により算出される値を、電力量EB(Wh)という。
[エネルギー密度]
本明細書において、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度とは電気量EB及び後述する体積Vi(i=1、2、3)を用いて、EB/Vi(Wh/L)の式により得られる値である。
本明細書において、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度とは電気量EB及び後述する体積Vi(i=1、2、3)を用いて、EB/Vi(Wh/L)の式により得られる値である。
[レート特性(出力特性)]
本明細書では、リチウムイオン二次電池のレート特性(%)とは、以下の方法によって得られる値である。
先ず、リチウムイオン二次電池を25℃に設定した恒温槽内で、0.1Cの電流値で4.2Vに到達するまで定電流充電し、続いて4.2Vの定電圧を印加する定電圧充電を30分間行う。続いて、5Cの電流値で3.0Vまで定電流放電を施した際の電気容量をQB_h(Ah)とする。レート特性(%)はQB_h/QB×100の式により得られる値である。
本明細書では、リチウムイオン二次電池のレート特性(%)とは、以下の方法によって得られる値である。
先ず、リチウムイオン二次電池を25℃に設定した恒温槽内で、0.1Cの電流値で4.2Vに到達するまで定電流充電し、続いて4.2Vの定電圧を印加する定電圧充電を30分間行う。続いて、5Cの電流値で3.0Vまで定電流放電を施した際の電気容量をQB_h(Ah)とする。レート特性(%)はQB_h/QB×100の式により得られる値である。
[高負荷充放電サイクル試験]
本明細書では、リチウムイオン二次電池の高負荷充放電サイクル試験後の容量維持率は、以下の方法によって測定する。
先ず、リチウムイオン二次電池について上述した方法により初期容量QBを測定する。次いで、25℃に設定した恒温槽内で、10Cの電流値で4.2Vに到達するまで定電流充電し、続いて10Cの電流値で3.0Vに到達するまで定電流放電を行う。この高負荷充放電サイクルを1,000回繰り返す。その後、再び上述した初期容量QBと同じ条件で試験終了後の容量QB_C(Ah)を測定する。高負荷充放電サイクル試験後の容量維持率は、QB_C/QB×100の式により得られる値である。
本明細書では、リチウムイオン二次電池の高負荷充放電サイクル試験後の容量維持率は、以下の方法によって測定する。
先ず、リチウムイオン二次電池について上述した方法により初期容量QBを測定する。次いで、25℃に設定した恒温槽内で、10Cの電流値で4.2Vに到達するまで定電流充電し、続いて10Cの電流値で3.0Vに到達するまで定電流放電を行う。この高負荷充放電サイクルを1,000回繰り返す。その後、再び上述した初期容量QBと同じ条件で試験終了後の容量QB_C(Ah)を測定する。高負荷充放電サイクル試験後の容量維持率は、QB_C/QB×100の式により得られる値である。
<リチウムイオンキャパシタの特性評価>
[静電容量]
本明細書では、リチウムイオンキャパシタの静電容量F(F)とは、以下の方法によって得られる値である。
先ず、リチウムイオンキャパシタを25℃に設定した恒温槽内で、2Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電を行い、続いて3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分行う。その後、2.2Vまで2Cの電流値で定電流放電を施した際の容量をQCとする。ここで得られたQCを用いて、F=QC/(3.8−2.2)により算出される値を、静電容量F(F)という。
[静電容量]
本明細書では、リチウムイオンキャパシタの静電容量F(F)とは、以下の方法によって得られる値である。
先ず、リチウムイオンキャパシタを25℃に設定した恒温槽内で、2Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電を行い、続いて3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分行う。その後、2.2Vまで2Cの電流値で定電流放電を施した際の容量をQCとする。ここで得られたQCを用いて、F=QC/(3.8−2.2)により算出される値を、静電容量F(F)という。
[電力量]
本明細書では、リチウムイオンキャパシタの電力量EC(Wh)とは、以下の方法によって得られる値である。先に述べた方法で算出された静電容量F(F)を用いて、
F×(3.82−2.22)/2/3,600により算出される値を、電力量EC(Wh)という。
本明細書では、リチウムイオンキャパシタの電力量EC(Wh)とは、以下の方法によって得られる値である。先に述べた方法で算出された静電容量F(F)を用いて、
F×(3.82−2.22)/2/3,600により算出される値を、電力量EC(Wh)という。
[エネルギー密度]
本明細書において、リチウムイオンキャパシタのエネルギー密度とは電気量EC及び後述する体積Vi(i=1、2、3)を用いて、EC/Vi(Wh/L)の式により得られる値である。
本明細書において、リチウムイオンキャパシタのエネルギー密度とは電気量EC及び後述する体積Vi(i=1、2、3)を用いて、EC/Vi(Wh/L)の式により得られる値である。
[レート特性(出力特性)]
本明細書では、リチウムイオンキャパシタのレート特性(%)とは、以下の方法によって得られる値である。
先ず、リチウムイオンキャパシタを25℃に設定した恒温槽内で、2Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分間行う。続いて、100Cの電流値で2.2Vまで定電流放電を施した際の電気容量をQC_hとする。レート特性(%)はQC_h/QC×100の式により得られる値である。
本明細書では、リチウムイオンキャパシタのレート特性(%)とは、以下の方法によって得られる値である。
先ず、リチウムイオンキャパシタを25℃に設定した恒温槽内で、2Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて3.8Vの定電圧を印加する定電圧充電を合計で30分間行う。続いて、100Cの電流値で2.2Vまで定電流放電を施した際の電気容量をQC_hとする。レート特性(%)はQC_h/QC×100の式により得られる値である。
[高負荷充放電サイクル試験]
本明細書では、リチウムイオンキャパシタの高負荷充放電サイクル試験後の容量維持率は、以下の方法によって測定する。
先ず、リチウムイオンキャパシタについて上述した方法により初期容量QCを測定する。次いで、25℃に設定した恒温槽内で、300Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて300Cの電流値で2.2Vに到達するまで定電流放電を行う。この高負荷充放電サイクルを60,000回繰り返す。その後、再び上述した初期容量QCと同じ条件で試験終了後の容量QC_C(Ah)を測定する。高負荷充放電サイクル試験後の容量維持率は、QC_C/QC×100の式により得られる値である。
本明細書では、リチウムイオンキャパシタの高負荷充放電サイクル試験後の容量維持率は、以下の方法によって測定する。
先ず、リチウムイオンキャパシタについて上述した方法により初期容量QCを測定する。次いで、25℃に設定した恒温槽内で、300Cの電流値で3.8Vに到達するまで定電流充電し、続いて300Cの電流値で2.2Vに到達するまで定電流放電を行う。この高負荷充放電サイクルを60,000回繰り返す。その後、再び上述した初期容量QCと同じ条件で試験終了後の容量QC_C(Ah)を測定する。高負荷充放電サイクル試験後の容量維持率は、QC_C/QC×100の式により得られる値である。
[体積]
非水系リチウム型蓄電素子の体積は、電極積層体又は電極捲回体のうち、正極活物質層及び負極活物質層が積重された領域が、外装体によって収納された部分の体積を指す。
例えば、ラミネートフィルムによって収納された電極積層体又は電極捲回体の場合は、典型的には、電極積層体又は電極捲回体のうち、正極活物質層および負極活物質層が存在する領域が、カップ成形されたラミネートフィルムの中に収納される。この非水系リチウム型蓄電素子の体積(V1)は、このカップ成形部分の外寸長さ(l1)と、外寸幅(w1)と、ラミネートフィルムを含めた非水系リチウム型蓄電素子の厚み(t1)とにより、V1=l1×w1×t1で計算される。
角型の金属缶に収納された電極積層体又は電極捲回体の場合は、非水系リチウム型蓄電素子の体積としては、単にその金属缶の外寸での体積を用いる。すなわち、この非水系リチウム型蓄電素子の体積(V2)は、角型の金属缶の外寸長さ(l2)と、外寸幅(w2)と、外寸厚み(t2)とにより、V2=l2×w2×t2で計算される。
また、円筒型の金属缶に収納された電極捲回体の場合においても、非水系リチウム型蓄電素子の体積としては、その金属缶の外寸での体積を用いる。すなわち、この非水系リチウム型蓄電素子の体積(V3)は、円筒型の金属缶の底面または上面の外寸半径(r)と、外寸長さ(l3)とにより、V3=3.14×r×r×l3で計算される。
非水系リチウム型蓄電素子の体積は、電極積層体又は電極捲回体のうち、正極活物質層及び負極活物質層が積重された領域が、外装体によって収納された部分の体積を指す。
例えば、ラミネートフィルムによって収納された電極積層体又は電極捲回体の場合は、典型的には、電極積層体又は電極捲回体のうち、正極活物質層および負極活物質層が存在する領域が、カップ成形されたラミネートフィルムの中に収納される。この非水系リチウム型蓄電素子の体積(V1)は、このカップ成形部分の外寸長さ(l1)と、外寸幅(w1)と、ラミネートフィルムを含めた非水系リチウム型蓄電素子の厚み(t1)とにより、V1=l1×w1×t1で計算される。
角型の金属缶に収納された電極積層体又は電極捲回体の場合は、非水系リチウム型蓄電素子の体積としては、単にその金属缶の外寸での体積を用いる。すなわち、この非水系リチウム型蓄電素子の体積(V2)は、角型の金属缶の外寸長さ(l2)と、外寸幅(w2)と、外寸厚み(t2)とにより、V2=l2×w2×t2で計算される。
また、円筒型の金属缶に収納された電極捲回体の場合においても、非水系リチウム型蓄電素子の体積としては、その金属缶の外寸での体積を用いる。すなわち、この非水系リチウム型蓄電素子の体積(V3)は、円筒型の金属缶の底面または上面の外寸半径(r)と、外寸長さ(l3)とにより、V3=3.14×r×r×l3で計算される。
以下、実施例及び比較例を示して本発明の実施形態を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例及び比較例により何ら限定されるものではない。
<リチウム化合物の調製>
[リチウム化合物1の調製]
BET比表面積が0.9m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの炭酸リチウム(表中「炭酸リチウム原料」)を用い、ジェットミルで1時間粉砕し、リチウム化合物1を得た。得られたリチウム化合物1について、ユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)を用いて、窒素を吸着剤として吸着等温線を測定した。この吸着等温線を用いて、BET多点法解析、QSDFT解析を実施し、上述した方法によりBET比表面積、細孔容積Pを算出した。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
また、リチウム化合物1を試料とし、JEOL RESONANCE社製ECA700(7Li−NMRの共鳴周波数は272.1MHzである)を用い、室温環境下において、マジックアングルスピニングの回転数を14.5kHz、照射パルス幅を45°パルスとして、シングルパルス法により測定した。観測範囲は−400ppm〜400ppmの範囲とし、ポイント数は4096点とした。その他の繰り返し待ち時間以外の測定条件、例えば積算回数、レシーバーゲインなどをすべて同一としたうえで、繰り返し待ち時間を10秒とした場合と3000秒とした場合についてそれぞれ測定を行い、NMRスペクトルを得た。シフト基準として1mol/L塩化リチウム水溶液を用い、外部標準として別途測定したそのシフト位置を0ppmとした。塩化リチウム水溶液測定時には試料を回転させず、照射パルス幅を45°パルスとして、シングルパルス法により測定した。
上記の方法によって得られたリチウム化合物1の固体7Li−NMRスペクトルから上述した方法によりa/bを算出した。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
さらに、リチウム化合物1をIPAに添加し、これを超音波ホモジナイザーを用いて150W3分間の条件で超音波を照射し、試料液を得た。これをマイクロトラック・ベル社製レーザー回析・散乱式粒度分布測定装置を用いて、測定液をIPAとし、上述した方法により平均粒子径を測定した。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
[リチウム化合物1の調製]
BET比表面積が0.9m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの炭酸リチウム(表中「炭酸リチウム原料」)を用い、ジェットミルで1時間粉砕し、リチウム化合物1を得た。得られたリチウム化合物1について、ユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)を用いて、窒素を吸着剤として吸着等温線を測定した。この吸着等温線を用いて、BET多点法解析、QSDFT解析を実施し、上述した方法によりBET比表面積、細孔容積Pを算出した。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
また、リチウム化合物1を試料とし、JEOL RESONANCE社製ECA700(7Li−NMRの共鳴周波数は272.1MHzである)を用い、室温環境下において、マジックアングルスピニングの回転数を14.5kHz、照射パルス幅を45°パルスとして、シングルパルス法により測定した。観測範囲は−400ppm〜400ppmの範囲とし、ポイント数は4096点とした。その他の繰り返し待ち時間以外の測定条件、例えば積算回数、レシーバーゲインなどをすべて同一としたうえで、繰り返し待ち時間を10秒とした場合と3000秒とした場合についてそれぞれ測定を行い、NMRスペクトルを得た。シフト基準として1mol/L塩化リチウム水溶液を用い、外部標準として別途測定したそのシフト位置を0ppmとした。塩化リチウム水溶液測定時には試料を回転させず、照射パルス幅を45°パルスとして、シングルパルス法により測定した。
上記の方法によって得られたリチウム化合物1の固体7Li−NMRスペクトルから上述した方法によりa/bを算出した。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
さらに、リチウム化合物1をIPAに添加し、これを超音波ホモジナイザーを用いて150W3分間の条件で超音波を照射し、試料液を得た。これをマイクロトラック・ベル社製レーザー回析・散乱式粒度分布測定装置を用いて、測定液をIPAとし、上述した方法により平均粒子径を測定した。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
[リチウム化合物2の調製]
ジェットミルの代わりにビーズミルを用い、粉砕時間を3時間にした他は、[リチウム化合物1の調製]と同様にして、リチウム化合物2を調製し、評価した。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
ジェットミルの代わりにビーズミルを用い、粉砕時間を3時間にした他は、[リチウム化合物1の調製]と同様にして、リチウム化合物2を調製し、評価した。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
[リチウム化合物3の調製]
BET比表面積が0.9m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの炭酸リチウムを用い、炭酸リチウムを15質量部とIPA(イソプロパノール)を85質量部とをホモディスパーで混合し、炭酸リチウム懸濁液を得た。この炭酸リチウム懸濁液を湿式ビーズミルで2時間粉砕を行い、リチウム化合物含有スラリーを得た。得られたリチウム化合物含有スラリーを加熱ミキサーで減圧状態で50℃に加熱し、3時間撹拌しながら乾燥することで、リチウム化合物3を調製した。得られたリチウム化合物3について[リチウム化合物1の調製]と同様にして評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
BET比表面積が0.9m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの炭酸リチウムを用い、炭酸リチウムを15質量部とIPA(イソプロパノール)を85質量部とをホモディスパーで混合し、炭酸リチウム懸濁液を得た。この炭酸リチウム懸濁液を湿式ビーズミルで2時間粉砕を行い、リチウム化合物含有スラリーを得た。得られたリチウム化合物含有スラリーを加熱ミキサーで減圧状態で50℃に加熱し、3時間撹拌しながら乾燥することで、リチウム化合物3を調製した。得られたリチウム化合物3について[リチウム化合物1の調製]と同様にして評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
[リチウム化合物4の調製]
湿式ビーズミルでの粉砕時間を4時間とした他は、[リチウム化合物3の調製]と同様にしてリチウム化合物4を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
湿式ビーズミルでの粉砕時間を4時間とした他は、[リチウム化合物3の調製]と同様にしてリチウム化合物4を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
[リチウム化合物5の調製]
炭酸リチウムの代わりにBET比表面積が1.3m2/g、細孔容積Pが0.002cc/gの酸化リチウムを原料として用いた他は、[リチウム化合物4の調製]と同様にしてリチウム化合物5を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
炭酸リチウムの代わりにBET比表面積が1.3m2/g、細孔容積Pが0.002cc/gの酸化リチウムを原料として用いた他は、[リチウム化合物4の調製]と同様にしてリチウム化合物5を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
[リチウム化合物6の調製]
炭酸リチウムの代わりにBET比表面積が1.0m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの水酸化リチウムを原料として用いた他は、[リチウム化合物4の調製]と同様にしてリチウム化合物6を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
炭酸リチウムの代わりにBET比表面積が1.0m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの水酸化リチウムを原料として用いた他は、[リチウム化合物4の調製]と同様にしてリチウム化合物6を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
[リチウム化合物7の調製]
湿式ビーズミルでの粉砕時間を6時間とした他は、[リチウム化合物3の調製]と同様にしてリチウム化合物7を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
湿式ビーズミルでの粉砕時間を6時間とした他は、[リチウム化合物3の調製]と同様にしてリチウム化合物7を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
[リチウム化合物8の調製]
湿式ビーズミルでの粉砕時間を10時間とした他は、[リチウム化合物3の調製]と同様にしてリチウム化合物8を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
湿式ビーズミルでの粉砕時間を10時間とした他は、[リチウム化合物3の調製]と同様にしてリチウム化合物8を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
[リチウム化合物9の調製]
BET比表面積が0.9m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの炭酸リチウムを用い、炭酸リチウムを15質量部とIPA(イソプロパノール)を85質量部とをホモディスパーで混合し、炭酸リチウム懸濁液を得た。この炭酸リチウム懸濁液を湿式ビーズミルで10時間粉砕を行い、リチウム化合物含有スラリーを得た。次いで、得られたリチウム化合物含有スラリーについて高圧ホモジナイザーを用いて150Mpaの圧力で1時間追加粉砕を実施した。得られたリチウム化合物含有スラリーを加熱ミキサーで減圧状態で50℃に加熱し、3時間撹拌しながら乾燥することで、リチウム化合物9を調製した。得られたリチウム化合物9について[リチウム化合物1の調製]と同様にして評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
BET比表面積が0.9m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの炭酸リチウムを用い、炭酸リチウムを15質量部とIPA(イソプロパノール)を85質量部とをホモディスパーで混合し、炭酸リチウム懸濁液を得た。この炭酸リチウム懸濁液を湿式ビーズミルで10時間粉砕を行い、リチウム化合物含有スラリーを得た。次いで、得られたリチウム化合物含有スラリーについて高圧ホモジナイザーを用いて150Mpaの圧力で1時間追加粉砕を実施した。得られたリチウム化合物含有スラリーを加熱ミキサーで減圧状態で50℃に加熱し、3時間撹拌しながら乾燥することで、リチウム化合物9を調製した。得られたリチウム化合物9について[リチウム化合物1の調製]と同様にして評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
[リチウム化合物10の調製]
高圧ホモジナイザーでの粉砕時間を3時間とした他は、[リチウム化合物9の調製]と同様にしてリチウム化合物10を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
高圧ホモジナイザーでの粉砕時間を3時間とした他は、[リチウム化合物9の調製]と同様にしてリチウム化合物10を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
[リチウム化合物11の調製]
上記で得たリチウム化合物2を下記の条件で焼成し結晶性を向上させることで細孔を閉塞させたリチウム化合物11を調製した。先ず、リチウム化合物2をアルミナの容器に入れ、これをマッフル炉に入れ、大気雰囲気下で700℃、5時間の条件で焼成し、リチウム化合物11を得た。得られたリチウム化合物11について[リチウム化合物1の調製]と同様にして評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
上記で得たリチウム化合物2を下記の条件で焼成し結晶性を向上させることで細孔を閉塞させたリチウム化合物11を調製した。先ず、リチウム化合物2をアルミナの容器に入れ、これをマッフル炉に入れ、大気雰囲気下で700℃、5時間の条件で焼成し、リチウム化合物11を得た。得られたリチウム化合物11について[リチウム化合物1の調製]と同様にして評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
[リチウム化合物12の調製]
リチウム化合物2の代わりにリチウム化合物4を用い、焼成時間を15時間とした他は、[リチウム化合物11の調製]と同様にしてリチウム化合物12を調整し、評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
リチウム化合物2の代わりにリチウム化合物4を用い、焼成時間を15時間とした他は、[リチウム化合物11の調製]と同様にしてリチウム化合物12を調整し、評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
[リチウム化合物13の調製]
BET比表面積が0.9m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの炭酸リチウムを原料として用い、高周波熱プラズマ装置を用いて、熱プラズマにより炭酸リチウムを蒸発させ、蒸発ガスを冷却することで炭酸リチウムの核成長によりナノ粒子を調製し、リチウム化合物13を調整した。リチウム化合物13を試料として、下記の条件でSEM像を取得し、上述した方法により1次粒子径を算出した。得られた1次粒子径を平均粒子径として下記表3及び表4に示した。
(SEM−EDX測定条件)
・測定装置:日立ハイテクノロジーズ製走査電子顕微鏡(SU8220)
・加速電圧:1kV
・エミッション電流:10μA
・測定倍率:3,000倍
平均粒子径を上述の方法とした他は、[リチウム化合物1の調製]と同様にしてリチウム化合物13の評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
BET比表面積が0.9m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの炭酸リチウムを原料として用い、高周波熱プラズマ装置を用いて、熱プラズマにより炭酸リチウムを蒸発させ、蒸発ガスを冷却することで炭酸リチウムの核成長によりナノ粒子を調製し、リチウム化合物13を調整した。リチウム化合物13を試料として、下記の条件でSEM像を取得し、上述した方法により1次粒子径を算出した。得られた1次粒子径を平均粒子径として下記表3及び表4に示した。
(SEM−EDX測定条件)
・測定装置:日立ハイテクノロジーズ製走査電子顕微鏡(SU8220)
・加速電圧:1kV
・エミッション電流:10μA
・測定倍率:3,000倍
平均粒子径を上述の方法とした他は、[リチウム化合物1の調製]と同様にしてリチウム化合物13の評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
[リチウム化合物14の調製]
上記で得たリチウム化合物13を10質量部とIPA(イソプロパノール)を90質量部とをホモディスパーで混合し、懸濁液を得た。この懸濁液を湿式ビーズミルで5時間粉砕を行い、リチウム化合物含有スラリーを得た。得られたリチウム化合物含有スラリーを加熱ミキサーで減圧状態で50℃に加熱し、3時間撹拌しながら乾燥することで、リチウム化合物14を調製した。得られたリチウム化合物14について[リチウム化合物13の調製]と同様にして評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
上記で得たリチウム化合物13を10質量部とIPA(イソプロパノール)を90質量部とをホモディスパーで混合し、懸濁液を得た。この懸濁液を湿式ビーズミルで5時間粉砕を行い、リチウム化合物含有スラリーを得た。得られたリチウム化合物含有スラリーを加熱ミキサーで減圧状態で50℃に加熱し、3時間撹拌しながら乾燥することで、リチウム化合物14を調製した。得られたリチウム化合物14について[リチウム化合物13の調製]と同様にして評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
<リチウム化合物含有スラリーの調製>
[リチウム化合物含有スラリー1の調製]
BET比表面積が0.9m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの炭酸リチウムを用い、炭酸リチウムを15質量部とNMP(N−メチル−2ピロリドン)を85質量部とをホモディスパーで混合し、炭酸リチウム懸濁液を得た。この炭酸リチウム懸濁液を湿式ビーズミルで4時間粉砕を行い、リチウム化合物含有スラリー1を得た。得られたリチウム化合物含有スラリー1の一部を加熱ミキサーで減圧状態で50℃に加熱し、3時間撹拌しながら乾燥することで、リチウム化合物含有スラリー1に含有されるリチウム化合物の粉末を得た。このリチウム化合物の粉末について[リチウム化合物1の調製]と同様にして評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
次いで、リチウム化合物含有スラリー1の一部を金属容器に秤量し、リチウム化合物含有スラリー1の質量Ms1を測定した。次いで、この金属容器を熱風乾燥機に入れ、120℃で液面光沢がなくなるまでリチウム化合物含有スラリー1を乾燥した。得られたリチウム化合物含有スラリー1の乾燥粉末を180℃、15時間の条件で真空乾燥を実施し、その後、この乾燥粉末の質量Ms2を測定した。次いで、この乾燥粉体を用いて、下記の条件でTG測定を実施し、TG曲線を得た。
・装置:日立ハイテクサイエンス社製TG/DTA6200
・ガス:圧縮空気(100mL/min)
・昇温速度:0.5℃/min
・温度範囲:25℃〜550℃(炭酸リチウムの融点:723℃)
得られたTG曲線より上述した方法により、Ms3、Ms4を取得した。これら、Ms1〜Ms4を用いて、上述した方法によりリチウム化合物含有スラリー1におけるリチウム化合物と分散剤の含有量をそれぞれ算出した。得られた結果を下記表1に示す。
また、リチウム化合物含有スラリー1のスラリー安定性を測定するため、リチウム化合物含有スラリー1をホモディスパーで撹拌した後、内径φ3cmのメスシリンダーに50mmLのリチウム化合物含有スラリー1を挿入し、蓋をして密閉した後、静置して保管した。メスシリンダーの目盛で無色透明の液面と懸濁液の液面の差が5mmLとなった保管日数(沈降性)は保管開始後5日目であった。得られた結果を下記表1に示す。
[リチウム化合物含有スラリー1の調製]
BET比表面積が0.9m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの炭酸リチウムを用い、炭酸リチウムを15質量部とNMP(N−メチル−2ピロリドン)を85質量部とをホモディスパーで混合し、炭酸リチウム懸濁液を得た。この炭酸リチウム懸濁液を湿式ビーズミルで4時間粉砕を行い、リチウム化合物含有スラリー1を得た。得られたリチウム化合物含有スラリー1の一部を加熱ミキサーで減圧状態で50℃に加熱し、3時間撹拌しながら乾燥することで、リチウム化合物含有スラリー1に含有されるリチウム化合物の粉末を得た。このリチウム化合物の粉末について[リチウム化合物1の調製]と同様にして評価を行った。得られた結果を下記表3及び表4に示す。
次いで、リチウム化合物含有スラリー1の一部を金属容器に秤量し、リチウム化合物含有スラリー1の質量Ms1を測定した。次いで、この金属容器を熱風乾燥機に入れ、120℃で液面光沢がなくなるまでリチウム化合物含有スラリー1を乾燥した。得られたリチウム化合物含有スラリー1の乾燥粉末を180℃、15時間の条件で真空乾燥を実施し、その後、この乾燥粉末の質量Ms2を測定した。次いで、この乾燥粉体を用いて、下記の条件でTG測定を実施し、TG曲線を得た。
・装置:日立ハイテクサイエンス社製TG/DTA6200
・ガス:圧縮空気(100mL/min)
・昇温速度:0.5℃/min
・温度範囲:25℃〜550℃(炭酸リチウムの融点:723℃)
得られたTG曲線より上述した方法により、Ms3、Ms4を取得した。これら、Ms1〜Ms4を用いて、上述した方法によりリチウム化合物含有スラリー1におけるリチウム化合物と分散剤の含有量をそれぞれ算出した。得られた結果を下記表1に示す。
また、リチウム化合物含有スラリー1のスラリー安定性を測定するため、リチウム化合物含有スラリー1をホモディスパーで撹拌した後、内径φ3cmのメスシリンダーに50mmLのリチウム化合物含有スラリー1を挿入し、蓋をして密閉した後、静置して保管した。メスシリンダーの目盛で無色透明の液面と懸濁液の液面の差が5mmLとなった保管日数(沈降性)は保管開始後5日目であった。得られた結果を下記表1に示す。
[リチウム化合物含有スラリー2の調製]
BET比表面積が0.9m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの炭酸リチウムを14質量部、NMP(N−メチル−2ピロリドン)を84質量部、分散剤としてPVP(ポリビニルピロリドン)を2質量部をホモディスパーで混合し、炭酸リチウム懸濁液を調製した他は、[リチウム化合物含有スラリー1の調製]と同様にしてリチウム化合物含有スラリー2を調製し、評価した。得られた結果を下記表1及び表3〜4に示す。
BET比表面積が0.9m2/g、細孔容積Pが0.001cc/gの炭酸リチウムを14質量部、NMP(N−メチル−2ピロリドン)を84質量部、分散剤としてPVP(ポリビニルピロリドン)を2質量部をホモディスパーで混合し、炭酸リチウム懸濁液を調製した他は、[リチウム化合物含有スラリー1の調製]と同様にしてリチウム化合物含有スラリー2を調製し、評価した。得られた結果を下記表1及び表3〜4に示す。
[リチウム化合物含有スラリー3の調製]
リチウム化合物4を14質量部、NMP(N−メチル−2ピロリドン)を84質量部、分散剤としてPVP(ポリビニルピロリドン)を2質量部をホモディスパーで混合し、炭酸リチウム懸濁液を得た。この炭酸リチウム懸濁液を高圧ホモジナイザーで60MPaの圧力で4時間解砕を行い、リチウム化合物含有スラリー3を得た。得られたリチウム化合物含有スラリー3について、[リチウム化合物含有スラリー1の調製]と同様にして評価を行った。得られた結果を下記表1及び表3〜4に示す。
リチウム化合物4を14質量部、NMP(N−メチル−2ピロリドン)を84質量部、分散剤としてPVP(ポリビニルピロリドン)を2質量部をホモディスパーで混合し、炭酸リチウム懸濁液を得た。この炭酸リチウム懸濁液を高圧ホモジナイザーで60MPaの圧力で4時間解砕を行い、リチウム化合物含有スラリー3を得た。得られたリチウム化合物含有スラリー3について、[リチウム化合物含有スラリー1の調製]と同様にして評価を行った。得られた結果を下記表1及び表3〜4に示す。
[リチウム化合物含有スラリー4の調製]
リチウム化合物4を30質量部、蒸留水を67質量部、分散剤としてCMC(カルボキシメチルセルロース)を3質量部、pH調整剤として酢酸を0.6質量部をホモディスパーで混合し、炭酸リチウム懸濁液を得た。この炭酸リチウム懸濁液を高圧ホモジナイザーで60MPaの圧力で4時間解砕を行い、リチウム化合物含有スラリー4を得た。得られたリチウム化合物含有スラリー4について、[リチウム化合物含有スラリー1の調製]と同様にして評価を行った。得られた結果を下記表1及び表3〜4に示す。
リチウム化合物4を30質量部、蒸留水を67質量部、分散剤としてCMC(カルボキシメチルセルロース)を3質量部、pH調整剤として酢酸を0.6質量部をホモディスパーで混合し、炭酸リチウム懸濁液を得た。この炭酸リチウム懸濁液を高圧ホモジナイザーで60MPaの圧力で4時間解砕を行い、リチウム化合物含有スラリー4を得た。得られたリチウム化合物含有スラリー4について、[リチウム化合物含有スラリー1の調製]と同様にして評価を行った。得られた結果を下記表1及び表3〜4に示す。
<リチウム化合物複合材料の調整>
[リチウム化合物複合材料1の調製]
リチウム化合物4を100質量部と、炭素材料として後述のカーボンブラックを25質量部とをプラネタリーミキサーでドライブレンドした後、メカノケミカル処理装置で加工し、リチウム化合物複合材料1を得た。
得られたリチウム化合物複合材料1について、XPS測定装置としてサーモフィッシャーESCALAB250を用い上述した方法によりXPSスペクトルを測定してqLi/qCを算出した。得られた結果を下記表3に示す。
次いで、このリチウム化合物複合材料1を白金から成る試料パンに入れ、TG測定装置にて、下記の条件にてTG曲線を得た。
・装置:日立ハイテクサイエンス社製TG/DTA6200
・ガス:圧縮空気(100mL/min)
・昇温速度:0.5℃/min
・温度範囲:25℃〜650℃(炭酸リチウムの融点:723℃)
得られたTG曲線を用いて、上述した方法によりMc1及びMc2を算出し、これを用いてリチウム化合物複合材料1におけるリチウム化合物の含有量をMc2/Mc1×100(質量%)の数式により算出した。得られた結果を下記表2及び表3に示す。
[リチウム化合物複合材料1の調製]
リチウム化合物4を100質量部と、炭素材料として後述のカーボンブラックを25質量部とをプラネタリーミキサーでドライブレンドした後、メカノケミカル処理装置で加工し、リチウム化合物複合材料1を得た。
得られたリチウム化合物複合材料1について、XPS測定装置としてサーモフィッシャーESCALAB250を用い上述した方法によりXPSスペクトルを測定してqLi/qCを算出した。得られた結果を下記表3に示す。
次いで、このリチウム化合物複合材料1を白金から成る試料パンに入れ、TG測定装置にて、下記の条件にてTG曲線を得た。
・装置:日立ハイテクサイエンス社製TG/DTA6200
・ガス:圧縮空気(100mL/min)
・昇温速度:0.5℃/min
・温度範囲:25℃〜650℃(炭酸リチウムの融点:723℃)
得られたTG曲線を用いて、上述した方法によりMc1及びMc2を算出し、これを用いてリチウム化合物複合材料1におけるリチウム化合物の含有量をMc2/Mc1×100(質量%)の数式により算出した。得られた結果を下記表2及び表3に示す。
[リチウム化合物複合材料2〜3の調製]
リチウム化合物と炭素材料、及びそれらの配合比を表2に示すとおりとした他は、[リチウム化合物複合材料1の調製]と同様にしてリチウム化合物複合材料2〜3を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表2及び表3に示す。
リチウム化合物と炭素材料、及びそれらの配合比を表2に示すとおりとした他は、[リチウム化合物複合材料1の調製]と同様にしてリチウム化合物複合材料2〜3を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表2及び表3に示す。
[リチウム化合物複合材料4〜7の調製]
リチウム化合物と炭素材料、及びそれらの配合比を表2に示すとおりとした他は、[リチウム化合物複合材料1の調製]と同様にしてリチウム化合物複合材料4〜7を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表2及び表4に示す。
リチウム化合物と炭素材料、及びそれらの配合比を表2に示すとおりとした他は、[リチウム化合物複合材料1の調製]と同様にしてリチウム化合物複合材料4〜7を調製し、評価を行った。得られた結果を下記表2及び表4に示す。
・カーボンブラック:BET比表面積23m2/g、1次粒子径20nm
・気相法炭素繊維:BET比表面積10m2/g
・人造黒鉛:平均粒子径4.8μm、BET比表面積3.1m2/g
・活性炭:後述の方法で調製した活性炭。平均粒子径7.1μm、BET比表面積3,627m2/g
以下、実施例1〜16及び比較例1〜7は、リチウムイオン二次電池の製造例である。
<実施例1>
[正極前駆体の調製]
正極活物質としてLiCoO2粉体(日亜化学工業株式会社製)を70質量部、上記で得たリチウム化合物2を20質量部、アセチレンブラックを5.0質量部、及びPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を5.0質量部、並びにNMP(N−メチル−2ピロリドン)を固形分率が40質量%となるように調製して混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し、塗工液を得た。得られた塗工液を、正極集電体としての厚さ15μmのアルミニウム箔の片面又は両面に塗布し、乾燥し、プレスすることにより、正極前駆体(以下、それぞれ「片面正極前駆体」、及び「両面正極前駆体」という。)を得た。正極前駆体の正極活物質層の膜厚は、片面あたり67μmであった。
<実施例1>
[正極前駆体の調製]
正極活物質としてLiCoO2粉体(日亜化学工業株式会社製)を70質量部、上記で得たリチウム化合物2を20質量部、アセチレンブラックを5.0質量部、及びPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を5.0質量部、並びにNMP(N−メチル−2ピロリドン)を固形分率が40質量%となるように調製して混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し、塗工液を得た。得られた塗工液を、正極集電体としての厚さ15μmのアルミニウム箔の片面又は両面に塗布し、乾燥し、プレスすることにより、正極前駆体(以下、それぞれ「片面正極前駆体」、及び「両面正極前駆体」という。)を得た。正極前駆体の正極活物質層の膜厚は、片面あたり67μmであった。
[負極の調製]
平均粒子径4.8μm、BET比表面積が3.1m2/gの人造黒鉛150gをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ(軟化点:50℃)15gを入れたステンレス製バットの上に置き、両者を電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置して、熱反応を行うことにより、複合炭素材料を得た。この熱処理は窒素雰囲気下で行い、1000℃まで8時間で昇温し、同温度で4時間保持する方法によった。続いて自然冷却により60℃まで冷却した後、複合炭素材料を炉から取り出した。
得られた複合炭素材料について、上記と同様の方法で平均粒子径及びBET比表面積を測定した。その結果、平均粒子径は4.9μm、BET比表面積は6.1m2/gであった。石炭系ピッチ由来の炭素質材料の人造黒鉛に対する質量比率は2%であった。
平均粒子径4.8μm、BET比表面積が3.1m2/gの人造黒鉛150gをステンレススチールメッシュ製の籠に入れ、石炭系ピッチ(軟化点:50℃)15gを入れたステンレス製バットの上に置き、両者を電気炉(炉内有効寸法300mm×300mm×300mm)内に設置して、熱反応を行うことにより、複合炭素材料を得た。この熱処理は窒素雰囲気下で行い、1000℃まで8時間で昇温し、同温度で4時間保持する方法によった。続いて自然冷却により60℃まで冷却した後、複合炭素材料を炉から取り出した。
得られた複合炭素材料について、上記と同様の方法で平均粒子径及びBET比表面積を測定した。その結果、平均粒子径は4.9μm、BET比表面積は6.1m2/gであった。石炭系ピッチ由来の炭素質材料の人造黒鉛に対する質量比率は2%であった。
次いで、複合炭素材料を負極活物質として用いて負極を製造した。
複合炭素材料を85質量部、アセチレンブラックを10質量部、及びPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を5質量部、並びにNMP(N−メチル−2ピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて、分散し、塗工液を得た。上記塗工液を東レエンジニアリング社製のダイコーターを用いて厚さ10μmの貫通孔を持たない電解銅箔の両面に塗工速度1m/sの条件で塗工し、乾燥温度85℃で乾燥して負極(以下、「両面負極」ともいう。)を得た。得られた負極についてロールプレス機を用いて圧力4kN/cm、プレス部の表面温度25℃の条件でプレスを実施した。
複合炭素材料を85質量部、アセチレンブラックを10質量部、及びPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を5質量部、並びにNMP(N−メチル−2ピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて、分散し、塗工液を得た。上記塗工液を東レエンジニアリング社製のダイコーターを用いて厚さ10μmの貫通孔を持たない電解銅箔の両面に塗工速度1m/sの条件で塗工し、乾燥温度85℃で乾燥して負極(以下、「両面負極」ともいう。)を得た。得られた負極についてロールプレス機を用いて圧力4kN/cm、プレス部の表面温度25℃の条件でプレスを実施した。
[非水系電解液の調製]
有機溶媒として、エチレンカーボネート(EC):メチルエチルカーボネート(EMC)=33:67(体積比)の混合溶媒を用い、全非水系電解液に対してLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度比が25:75(モル比)であり、かつLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度の和が1.2mol/Lとなるようにそれぞれの電解質塩を溶解して得た溶液を非水系電解液として使用した。
調製した非水系電解液におけるLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度は、それぞれ、0.3mol/L及び0.9mol/Lであった。
有機溶媒として、エチレンカーボネート(EC):メチルエチルカーボネート(EMC)=33:67(体積比)の混合溶媒を用い、全非水系電解液に対してLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度比が25:75(モル比)であり、かつLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度の和が1.2mol/Lとなるようにそれぞれの電解質塩を溶解して得た溶液を非水系電解液として使用した。
調製した非水系電解液におけるLiN(SO2F)2及びLiPF6の濃度は、それぞれ、0.3mol/L及び0.9mol/Lであった。
[負極の不可逆容量の測定]
上記で得た負極を作用極、膜厚40μmの金属リチウムをNiメッシュに圧着した電極を対極と参照極に用い、上記で得た非水系電解液を用いて電気化学セルを作製した。この電気化学セルについて、東洋システム社製の充放電装置(TOSCAT−3000U)を用いて、0.1mA/cm2の電流量で10mV(すなわち、負極電位(vs. Li/Li+)が10mV)となるまで定電流放電し、次いで、10mVの定電圧を10時間印加する定電流定電圧放電を行った。次いで、0.1mA/cm2の電流量で3.0V(すなわち、負極電位(vs. Li/Li+)が3.0V)となるまで定電流充電し、次いで、3.0Vの定電圧を10時間印加する定電流定電圧充電を行った。ここでの放電(充電)とは、負極からリチウムイオンを挿入(脱離)する操作である。得られた放電容量をQdope、充電容量をQdedopeとし、(Qdope―Qdedope)/Qdope×100の数式により負極の不可逆容量(%)を算出した。その結果、不可逆容量は18%であった。
上記で得た負極を作用極、膜厚40μmの金属リチウムをNiメッシュに圧着した電極を対極と参照極に用い、上記で得た非水系電解液を用いて電気化学セルを作製した。この電気化学セルについて、東洋システム社製の充放電装置(TOSCAT−3000U)を用いて、0.1mA/cm2の電流量で10mV(すなわち、負極電位(vs. Li/Li+)が10mV)となるまで定電流放電し、次いで、10mVの定電圧を10時間印加する定電流定電圧放電を行った。次いで、0.1mA/cm2の電流量で3.0V(すなわち、負極電位(vs. Li/Li+)が3.0V)となるまで定電流充電し、次いで、3.0Vの定電圧を10時間印加する定電流定電圧充電を行った。ここでの放電(充電)とは、負極からリチウムイオンを挿入(脱離)する操作である。得られた放電容量をQdope、充電容量をQdedopeとし、(Qdope―Qdedope)/Qdope×100の数式により負極の不可逆容量(%)を算出した。その結果、不可逆容量は18%であった。
[リチウムイオン二次電池の製造]
上記で得た正極前駆体と負極を用いて、後述する条件でリチウムイオン二次電池を製造した。
[組立]
得られた両面負極と片面及び両面正極前駆体とを10cm×10cm(100cm2)にカットした。最上面と最下面は片面正極前駆体を用い、更に両面負極21枚と両面正極前駆体20枚とを用い、負極と正極前駆体との間に、厚み15μmの微多孔膜セパレータを挟んで積層した。その後、負極と正極前駆体とに、それぞれ負極端子及び正極端子を超音波溶接にて接続して電極積層体を得た。この電極積層体を、アルミラミネート包材から構成される外装体内に収納し、電極端子部およびボトム部の外装体3方を、温度180℃、シール時間20sec、及びシール圧1.0MPaの条件下でヒートシールした。封止体を、温度80℃、圧力50Paで、乾燥時間60hrの条件で真空乾燥した。
上記で得た正極前駆体と負極を用いて、後述する条件でリチウムイオン二次電池を製造した。
[組立]
得られた両面負極と片面及び両面正極前駆体とを10cm×10cm(100cm2)にカットした。最上面と最下面は片面正極前駆体を用い、更に両面負極21枚と両面正極前駆体20枚とを用い、負極と正極前駆体との間に、厚み15μmの微多孔膜セパレータを挟んで積層した。その後、負極と正極前駆体とに、それぞれ負極端子及び正極端子を超音波溶接にて接続して電極積層体を得た。この電極積層体を、アルミラミネート包材から構成される外装体内に収納し、電極端子部およびボトム部の外装体3方を、温度180℃、シール時間20sec、及びシール圧1.0MPaの条件下でヒートシールした。封止体を、温度80℃、圧力50Paで、乾燥時間60hrの条件で真空乾燥した。
[注液、含浸、封止工程]
アルミラミネート包材の中に収納された電極積層体に、大気圧下、温度25℃、及び露点−40℃以下のドライエアー環境下にて、上記非水系電解液を約80g注入した。続いて、電極積層体を収納しているアルミラミネート包材を減圧チャンバーの中に入れ、大気圧から−87kPaまで減圧した後、大気圧に戻し、5分間静置した。その後、大気圧から−87kPaまで減圧した後、大気圧に戻す工程を4回繰り返した後、15分間静置した。さらに、大気圧から−91kPaまで減圧した後、大気圧に戻した。同様に減圧し、大気圧に戻す工程を合計7回繰り返した(大気圧から、それぞれ−95,−96,−97,−81,−97,−97,−97kPaまで減圧した)。以上の工程により、非水系電解液を電極積層体に含浸させた。
その後、アルミラミネート包材の中に収納されており、かつ非水系電解液を含浸させた電極積層体を減圧シール機に入れ、−95kPaに減圧した状態で、180℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることによりアルミラミネート包材を封止して、リチウムイオン二次電池を作製した。
アルミラミネート包材の中に収納された電極積層体に、大気圧下、温度25℃、及び露点−40℃以下のドライエアー環境下にて、上記非水系電解液を約80g注入した。続いて、電極積層体を収納しているアルミラミネート包材を減圧チャンバーの中に入れ、大気圧から−87kPaまで減圧した後、大気圧に戻し、5分間静置した。その後、大気圧から−87kPaまで減圧した後、大気圧に戻す工程を4回繰り返した後、15分間静置した。さらに、大気圧から−91kPaまで減圧した後、大気圧に戻した。同様に減圧し、大気圧に戻す工程を合計7回繰り返した(大気圧から、それぞれ−95,−96,−97,−81,−97,−97,−97kPaまで減圧した)。以上の工程により、非水系電解液を電極積層体に含浸させた。
その後、アルミラミネート包材の中に収納されており、かつ非水系電解液を含浸させた電極積層体を減圧シール機に入れ、−95kPaに減圧した状態で、180℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることによりアルミラミネート包材を封止して、リチウムイオン二次電池を作製した。
[リチウムドープ工程]
得られたリチウムイオン二次電池に対して、東洋システム社製の充放電装置(TOSCAT−3100U)を用いて、50℃環境下、0.5Cの電流量で電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を4時間継続する手法により初期充電を行い、負極にリチウムドープを行った。
得られたリチウムイオン二次電池に対して、東洋システム社製の充放電装置(TOSCAT−3100U)を用いて、50℃環境下、0.5Cの電流量で電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を4時間継続する手法により初期充電を行い、負極にリチウムドープを行った。
[エージング工程]
リチウムドープ後のリチウムイオン二次電池を50℃環境下、0.5Cの電流量で電圧3.7Vに到達するまで定電流放電を行った後20時間保管した。
リチウムドープ後のリチウムイオン二次電池を50℃環境下、0.5Cの電流量で電圧3.7Vに到達するまで定電流放電を行った後20時間保管した。
[ガス抜き工程]
エージング後のリチウムイオン二次電池を、温度25℃、露点−40℃のドライエアー環境下でアルミラミネート包材の一部を開封した。続いて、減圧チャンバーの中に上記リチウムイオン二次電池を入れ、KNF社製のダイヤフラムポンプ(N816.3KT.45.18)を用いて大気圧から−80kPaまで3分間かけて減圧した後、3分間かけて大気圧に戻す工程を合計3回繰り返した。その後、減圧シール機にリチウムイオン二次電池を入れ、−90kPaに減圧した後、200℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることによりアルミラミネート包材を封止した。
エージング後のリチウムイオン二次電池を、温度25℃、露点−40℃のドライエアー環境下でアルミラミネート包材の一部を開封した。続いて、減圧チャンバーの中に上記リチウムイオン二次電池を入れ、KNF社製のダイヤフラムポンプ(N816.3KT.45.18)を用いて大気圧から−80kPaまで3分間かけて減圧した後、3分間かけて大気圧に戻す工程を合計3回繰り返した。その後、減圧シール機にリチウムイオン二次電池を入れ、−90kPaに減圧した後、200℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることによりアルミラミネート包材を封止した。
[リチウムイオン二次電池の評価]
上記で得たリチウムイオン二次電池について25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、上述した方法により、[エネルギー密度]、[レート特性(出力特性)]を測定し、次いで[高負荷充放電サイクル試験]を実施した。ここで公称電圧は3.7Vとした。得られた結果を下記表3に示す。
上記で得たリチウムイオン二次電池について25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、上述した方法により、[エネルギー密度]、[レート特性(出力特性)]を測定し、次いで[高負荷充放電サイクル試験]を実施した。ここで公称電圧は3.7Vとした。得られた結果を下記表3に示す。
<実施例2〜9、及び比較例1〜6>
リチウム化合物、及びその量を表3に記載のとおりとした他は、実施例1と同様にして正極前駆体を調製した。得られた正極前駆体を用いた他は、実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を調製し、評価した。得られた結果を下記表3に示す。
リチウム化合物、及びその量を表3に記載のとおりとした他は、実施例1と同様にして正極前駆体を調製した。得られた正極前駆体を用いた他は、実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を調製し、評価した。得られた結果を下記表3に示す。
<実施例10〜12>
リチウム化合物の代わりに表3に記載のリチウム化合物含有スラリーを表3に記載の量用い、固形分率が40質量%となるようにNMPの量を調整して正極前駆体用の塗工液を調製した他は、実施例1と同様にして正極前駆体を作製した。得られた正極前駆体を用いた他は、実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を調製し、評価した。得られた結果を下記表3に示す。
リチウム化合物の代わりに表3に記載のリチウム化合物含有スラリーを表3に記載の量用い、固形分率が40質量%となるようにNMPの量を調整して正極前駆体用の塗工液を調製した他は、実施例1と同様にして正極前駆体を作製した。得られた正極前駆体を用いた他は、実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を調製し、評価した。得られた結果を下記表3に示す。
<実施例13>
[正極前駆体の調製]
正極活物質としてLiCoO2粉体(日亜化学工業株式会社製)を70質量部、リチウム化合物含有スラリー4を69質量部、アセチレンブラックを5.0質量部、及びアクリル系重合体を2.0質量部、並びに蒸留水を固形分率が38質量%となるように調製して混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し、塗工液を得た。得られた塗工液を、正極集電体としての厚さ15μmのアルミニウム箔の片面又は両面に塗布し、乾燥し、プレスすることにより、正極前駆体(以下、それぞれ「片面正極前駆体」、及び「両面正極前駆体」という。)を得た。正極前駆体の正極活物質層の膜厚は、片面あたり67μmであった。
得られた正極前駆体を用いた他は、実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を調製し、評価した。得られた結果を下記表3に示す。
[正極前駆体の調製]
正極活物質としてLiCoO2粉体(日亜化学工業株式会社製)を70質量部、リチウム化合物含有スラリー4を69質量部、アセチレンブラックを5.0質量部、及びアクリル系重合体を2.0質量部、並びに蒸留水を固形分率が38質量%となるように調製して混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し、塗工液を得た。得られた塗工液を、正極集電体としての厚さ15μmのアルミニウム箔の片面又は両面に塗布し、乾燥し、プレスすることにより、正極前駆体(以下、それぞれ「片面正極前駆体」、及び「両面正極前駆体」という。)を得た。正極前駆体の正極活物質層の膜厚は、片面あたり67μmであった。
得られた正極前駆体を用いた他は、実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を調製し、評価した。得られた結果を下記表3に示す。
<実施例14>
[正極前駆体の調製]
正極活物質としてLiCoO2粉体(日亜化学工業株式会社製)を70質量部、リチウム化合物複合材料1を27質量部、及びPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を5.0質量部、並びにNMPを固形分率が40質量%となるように調製して混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し、塗工液を得た。得られた塗工液を、正極集電体としての厚さ15μmのアルミニウム箔の片面又は両面に塗布し、乾燥し、プレスすることにより、正極前駆体(以下、それぞれ「片面正極前駆体」、及び「両面正極前駆体」という。)を得た。正極前駆体の正極活物質層の膜厚は、片面あたり67μmであった。
得られた正極前駆体を用いた他は、実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を調製し、評価した。得られた結果を下記表3に示す。
[正極前駆体の調製]
正極活物質としてLiCoO2粉体(日亜化学工業株式会社製)を70質量部、リチウム化合物複合材料1を27質量部、及びPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を5.0質量部、並びにNMPを固形分率が40質量%となるように調製して混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し、塗工液を得た。得られた塗工液を、正極集電体としての厚さ15μmのアルミニウム箔の片面又は両面に塗布し、乾燥し、プレスすることにより、正極前駆体(以下、それぞれ「片面正極前駆体」、及び「両面正極前駆体」という。)を得た。正極前駆体の正極活物質層の膜厚は、片面あたり67μmであった。
得られた正極前駆体を用いた他は、実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を調製し、評価した。得られた結果を下記表3に示す。
<実施例15〜16>
リチウム化合物複合材料、及びその量を表3に記載のとおりとした他は、実施例14と同様にして正極前駆体を調製した。得られた正極前駆体を用いた他は、実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を調製し、評価した。得られた結果を下記表3に示す。
リチウム化合物複合材料、及びその量を表3に記載のとおりとした他は、実施例14と同様にして正極前駆体を調製した。得られた正極前駆体を用いた他は、実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を調製し、評価した。得られた結果を下記表3に示す。
<比較例7>
[正極前駆体の調製]
正極活物質としてLiCoO2粉体(日亜化学工業株式会社製)を87.5質量部、アセチレンブラックを6.25質量部、及びPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を6.25質量部、並びにNMPを固形分率が40質量%となるように調製して混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し、塗工液を得た。得られた塗工液を、正極集電体としての厚さ15μmのアルミニウム箔の片面又は両面に塗布し、乾燥し、プレスすることにより、正極前駆体(以下、それぞれ「片面正極前駆体」、及び「両面正極前駆体」という。)を得た。正極前駆体の正極活物質層の膜厚は、片面あたり67μmであった。
得られた正極前駆体を用い、リチウムドープ工程及びエージング工程を下記のとおりとした他は、実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を調製し、評価した。得られた結果を下記表3に示す。
[正極前駆体の調製]
正極活物質としてLiCoO2粉体(日亜化学工業株式会社製)を87.5質量部、アセチレンブラックを6.25質量部、及びPVdF(ポリフッ化ビニリデン)を6.25質量部、並びにNMPを固形分率が40質量%となるように調製して混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し、塗工液を得た。得られた塗工液を、正極集電体としての厚さ15μmのアルミニウム箔の片面又は両面に塗布し、乾燥し、プレスすることにより、正極前駆体(以下、それぞれ「片面正極前駆体」、及び「両面正極前駆体」という。)を得た。正極前駆体の正極活物質層の膜厚は、片面あたり67μmであった。
得られた正極前駆体を用い、リチウムドープ工程及びエージング工程を下記のとおりとした他は、実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を調製し、評価した。得られた結果を下記表3に示す。
[リチウムドープ工程]
得られたリチウムイオン二次電池に対して、東洋システム社製の充放電装置(TOSCAT−3100U)を用いて、25℃環境下、0.5Cの電流量で電圧4.2Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.2V定電圧充電を4時間継続する手法により初期充電を行い、負極にリチウムドープを行った。
得られたリチウムイオン二次電池に対して、東洋システム社製の充放電装置(TOSCAT−3100U)を用いて、25℃環境下、0.5Cの電流量で電圧4.2Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.2V定電圧充電を4時間継続する手法により初期充電を行い、負極にリチウムドープを行った。
[エージング工程]
リチウムドープ後のリチウムイオン二次電池を50℃環境下、0.5Cの電流量で電圧3.7Vに到達するまで定電流放電を行った後3時間保管した。
リチウムドープ後のリチウムイオン二次電池を50℃環境下、0.5Cの電流量で電圧3.7Vに到達するまで定電流放電を行った後3時間保管した。
実施例1〜16、及び比較例1〜7から、BET比表面積と細孔容積Pを特性の範囲に調製した本発明のリチウム化合物を正極前駆体に用いることで、リチウムドープ工程中のリチウム化合物の分解性が向上し、これにより、これを用いたリチウムイオン二次電池において高いエネルギー密度、高い入出力特性、及び高い高負荷充放電サイクル耐久性が同時に得られることが分かる。
以下、実施例17〜33及び比較例8〜13は、リチウムイオンキャパシタの製造例である。
<実施例17>
[活性炭の調製]
フェノール樹脂を焼成炉内へ入れ、窒素雰囲気下600℃で2時間炭化処理を行った後、ボールミルで粉砕し、分級して平均粒子径7.0μmの炭化物を得た。得られた炭化物とKOHとを、質量比1:5で混合し、焼成炉内へ入れ、窒素雰囲下、800℃で1時間加熱して賦活した。賦活後の炭化物を取り出し、濃度2mol/Lに調製した希塩酸中で1時間撹拌洗浄し、蒸留水でpH5〜6の間で安定するまで煮沸洗浄した後に乾燥することにより、活性炭を得た。
島津製作所社製レーザー回折式粒度分布測定装置(SALD−2000J)を用いて、活性炭の平均粒子径を測定した結果、7.1μmであった。また、ユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)を用いて、活性炭の細孔分布を測定した結果、BET比表面積が3,627m2/g、メソ孔量(V1)が1.50cc/g、マイクロ孔量(V2)が2.28cc/g、V1/V2=0.66であった。
<実施例17>
[活性炭の調製]
フェノール樹脂を焼成炉内へ入れ、窒素雰囲気下600℃で2時間炭化処理を行った後、ボールミルで粉砕し、分級して平均粒子径7.0μmの炭化物を得た。得られた炭化物とKOHとを、質量比1:5で混合し、焼成炉内へ入れ、窒素雰囲下、800℃で1時間加熱して賦活した。賦活後の炭化物を取り出し、濃度2mol/Lに調製した希塩酸中で1時間撹拌洗浄し、蒸留水でpH5〜6の間で安定するまで煮沸洗浄した後に乾燥することにより、活性炭を得た。
島津製作所社製レーザー回折式粒度分布測定装置(SALD−2000J)を用いて、活性炭の平均粒子径を測定した結果、7.1μmであった。また、ユアサアイオニクス社製細孔分布測定装置(AUTOSORB−1 AS−1−MP)を用いて、活性炭の細孔分布を測定した結果、BET比表面積が3,627m2/g、メソ孔量(V1)が1.50cc/g、マイクロ孔量(V2)が2.28cc/g、V1/V2=0.66であった。
[正極前駆体の調製]
上記で得た活性炭を正極活物質として用いて正極前駆体を製造した。
活性炭を57.5質量部、リチウム化合物2を30.0質量部、ケッチェンブラックを3.0質量部、PVP(ポリビニルピロリドン)を1.5質量部、及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を8.0質量部、並びにNMP(N−メチル−2ピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し塗工液を得た。上記塗工液を東レエンジニアリング社製のダイコーターを用いて厚さ15μmの貫通孔を持たないアルミニウム箔の片面又は両面に塗工速度1m/sの条件で塗工し、乾燥温度100℃で乾燥して正極前駆体(以下、それぞれ「片面正極前駆体」、及び「両面正極前駆体」ともいう。)を得た。得られた正極前駆体についてロールプレス機を用いてプレスを実施した。
上記で得た活性炭を正極活物質として用いて正極前駆体を製造した。
活性炭を57.5質量部、リチウム化合物2を30.0質量部、ケッチェンブラックを3.0質量部、PVP(ポリビニルピロリドン)を1.5質量部、及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を8.0質量部、並びにNMP(N−メチル−2ピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し塗工液を得た。上記塗工液を東レエンジニアリング社製のダイコーターを用いて厚さ15μmの貫通孔を持たないアルミニウム箔の片面又は両面に塗工速度1m/sの条件で塗工し、乾燥温度100℃で乾燥して正極前駆体(以下、それぞれ「片面正極前駆体」、及び「両面正極前駆体」ともいう。)を得た。得られた正極前駆体についてロールプレス機を用いてプレスを実施した。
[リチウムイオンキャパシタの製造]
上記で得た正極前駆体と負極を用いて、後述する条件でリチウムイオンキャパシタを製造した。
[組立]
得られた両面負極と片面及び両面正極前駆体とを10cm×10cm(100cm2)にカットした。最上面と最下面は片面正極前駆体を用い、更に両面負極21枚と両面正極前駆体20枚とを用い、負極と正極前駆体との間に、厚み15μmの微多孔膜セパレータを挟んで積層した。その後、負極と正極前駆体とに、それぞれ負極端子及び正極端子を超音波溶接にて接続して電極積層体を得た。この電極積層体を、アルミラミネート包材から構成される外装体内に収納し、電極端子部およびボトム部の外装体3方を、温度180℃、シール時間20sec、及びシール圧1.0MPaの条件下でヒートシールした。封止体を、温度80℃、圧力50Paで、乾燥時間60hrの条件で真空乾燥した。
上記で得た正極前駆体と負極を用いて、後述する条件でリチウムイオンキャパシタを製造した。
[組立]
得られた両面負極と片面及び両面正極前駆体とを10cm×10cm(100cm2)にカットした。最上面と最下面は片面正極前駆体を用い、更に両面負極21枚と両面正極前駆体20枚とを用い、負極と正極前駆体との間に、厚み15μmの微多孔膜セパレータを挟んで積層した。その後、負極と正極前駆体とに、それぞれ負極端子及び正極端子を超音波溶接にて接続して電極積層体を得た。この電極積層体を、アルミラミネート包材から構成される外装体内に収納し、電極端子部およびボトム部の外装体3方を、温度180℃、シール時間20sec、及びシール圧1.0MPaの条件下でヒートシールした。封止体を、温度80℃、圧力50Paで、乾燥時間60hrの条件で真空乾燥した。
[注液、含浸、封止工程]
アルミラミネート包材の中に収納された電極積層体に、大気圧下、温度25℃、及び露点−40℃以下のドライエアー環境下にて、上記非水系電解液を約80g注入した。続いて、電極積層体を収納しているアルミラミネート包材を減圧チャンバーの中に入れ、大気圧から−87kPaまで減圧した後、大気圧に戻し、5分間静置した。その後、大気圧から−87kPaまで減圧した後、大気圧に戻す工程を4回繰り返した後、15分間静置した。さらに、大気圧から−91kPaまで減圧した後、大気圧に戻した。同様に減圧し、大気圧に戻す工程を合計7回繰り返した(大気圧から、それぞれ−95,−96,−97,−81,−97,−97,−97kPaまで減圧した)。以上の工程により、非水系電解液を電極積層体に含浸させた。
その後、アルミラミネート包材の中に収納されており、かつ非水系電解液を含浸させた電極積層体を減圧シール機に入れ、−95kPaに減圧した状態で、180℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることによりアルミラミネート包材を封止して、リチウムイオンキャパシタを作製した。
アルミラミネート包材の中に収納された電極積層体に、大気圧下、温度25℃、及び露点−40℃以下のドライエアー環境下にて、上記非水系電解液を約80g注入した。続いて、電極積層体を収納しているアルミラミネート包材を減圧チャンバーの中に入れ、大気圧から−87kPaまで減圧した後、大気圧に戻し、5分間静置した。その後、大気圧から−87kPaまで減圧した後、大気圧に戻す工程を4回繰り返した後、15分間静置した。さらに、大気圧から−91kPaまで減圧した後、大気圧に戻した。同様に減圧し、大気圧に戻す工程を合計7回繰り返した(大気圧から、それぞれ−95,−96,−97,−81,−97,−97,−97kPaまで減圧した)。以上の工程により、非水系電解液を電極積層体に含浸させた。
その後、アルミラミネート包材の中に収納されており、かつ非水系電解液を含浸させた電極積層体を減圧シール機に入れ、−95kPaに減圧した状態で、180℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることによりアルミラミネート包材を封止して、リチウムイオンキャパシタを作製した。
[リチウムドープ工程]
得られたリチウムイオンキャパシタに対して、東洋システム社製の充放電装置(TOSCAT−3100U)を用いて、50℃環境下、10Cの電流量で電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を10時間継続する手法により初期充電を行い、負極にリチウムドープを行った。
得られたリチウムイオンキャパシタに対して、東洋システム社製の充放電装置(TOSCAT−3100U)を用いて、50℃環境下、10Cの電流量で電圧4.5Vに到達するまで定電流充電を行った後、続けて4.5V定電圧充電を10時間継続する手法により初期充電を行い、負極にリチウムドープを行った。
[エージング工程]
リチウムドープ後のリチウムイオンキャパシタを50℃環境下、10Cの電流量で電圧1.8Vに到達するまで定電流放電を行った後、10Cの電流量で電圧4.0Vに到達するまで定電流充電行い、さらに4.0V定電流放電を5時間行う定電流定電圧充電工程を実施した。
リチウムドープ後のリチウムイオンキャパシタを50℃環境下、10Cの電流量で電圧1.8Vに到達するまで定電流放電を行った後、10Cの電流量で電圧4.0Vに到達するまで定電流充電行い、さらに4.0V定電流放電を5時間行う定電流定電圧充電工程を実施した。
[ガス抜き工程]
エージング後のリチウムイオンキャパシタを、温度25℃、露点−40℃のドライエアー環境下でアルミラミネート包材の一部を開封した。続いて、減圧チャンバーの中に上記リチウムイオンキャパシタを入れ、KNF社製のダイヤフラムポンプ(N816.3KT.45.18)を用いて大気圧から−80kPaまで3分間かけて減圧した後、3分間かけて大気圧に戻す工程を合計3回繰り返した。その後、減圧シール機にリチウムイオンキャパシタを入れ、−90kPaに減圧した後、200℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることによりアルミラミネート包材を封止した。
エージング後のリチウムイオンキャパシタを、温度25℃、露点−40℃のドライエアー環境下でアルミラミネート包材の一部を開封した。続いて、減圧チャンバーの中に上記リチウムイオンキャパシタを入れ、KNF社製のダイヤフラムポンプ(N816.3KT.45.18)を用いて大気圧から−80kPaまで3分間かけて減圧した後、3分間かけて大気圧に戻す工程を合計3回繰り返した。その後、減圧シール機にリチウムイオンキャパシタを入れ、−90kPaに減圧した後、200℃で10秒間、0.1MPaの圧力でシールすることによりアルミラミネート包材を封止した。
[リチウムイオンキャパシタの評価]
上記で得たリチウムイオンキャパシタについて25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、上述した方法により、[エネルギー密度]、[レート特性(出力特性)]を測定し、次いで[高負荷充放電サイクル試験]を実施した。得られた結果を下記表4に示す。
上記で得たリチウムイオンキャパシタについて25℃に設定した恒温槽内で、富士通テレコムネットワークス株式会社製の充放電装置(5V,360A)を用いて、上述した方法により、[エネルギー密度]、[レート特性(出力特性)]を測定し、次いで[高負荷充放電サイクル試験]を実施した。得られた結果を下記表4に示す。
<実施例18〜25、及び比較例8〜13>
リチウム化合物、及びその量を表4に記載のとおりとした他は、実施例17と同様にして正極前駆体を調製した。得られた正極前駆体を用いた他は、実施例17と同様にリチウムイオンキャパシタを調製し、評価した。得られた結果を下記表4に示す。
リチウム化合物、及びその量を表4に記載のとおりとした他は、実施例17と同様にして正極前駆体を調製した。得られた正極前駆体を用いた他は、実施例17と同様にリチウムイオンキャパシタを調製し、評価した。得られた結果を下記表4に示す。
<実施例26〜28>
リチウム化合物の代わりに表4に記載のリチウム化合物含有スラリーを表4に記載の量用い、固形分率が22質量%となるようにNMPの量を調整して正極前駆体用の塗工液を調製した他は、実施例17と同様にして正極前駆体を作製した。得られた正極前駆体を用いた他は、実施例17と同様にリチウムイオンキャパシタを調製し、評価した。得られた結果を下記表4に示す。
リチウム化合物の代わりに表4に記載のリチウム化合物含有スラリーを表4に記載の量用い、固形分率が22質量%となるようにNMPの量を調整して正極前駆体用の塗工液を調製した他は、実施例17と同様にして正極前駆体を作製した。得られた正極前駆体を用いた他は、実施例17と同様にリチウムイオンキャパシタを調製し、評価した。得られた結果を下記表4に示す。
<実施例29>
[正極前駆体の調製]
正極活物質として活性炭を57.5質量部、リチウム化合物含有スラリー4を103質量部、ケッチェンブラックを3.0質量部、及びアクリル系重合体を5.0質量部、並びに蒸留水を固形分率が25質量%となるように調製して混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し塗工液を得た。上記塗工液を東レエンジニアリング社製のダイコーターを用いて厚さ15μmの貫通孔を持たないアルミニウム箔の片面又は両面に塗工速度1m/sの条件で塗工し、乾燥温度100℃で乾燥して正極前駆体(以下、それぞれ「片面正極前駆体」、及び「両面正極前駆体」ともいう。)を得た。得られた正極前駆体についてロールプレス機を用いてプレスを実施した。
得られた正極前駆体を用いた他は、実施例17と同様にリチウムイオンキャパシタを調製し、評価した。得られた結果を下記表4に示す。
[正極前駆体の調製]
正極活物質として活性炭を57.5質量部、リチウム化合物含有スラリー4を103質量部、ケッチェンブラックを3.0質量部、及びアクリル系重合体を5.0質量部、並びに蒸留水を固形分率が25質量%となるように調製して混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し塗工液を得た。上記塗工液を東レエンジニアリング社製のダイコーターを用いて厚さ15μmの貫通孔を持たないアルミニウム箔の片面又は両面に塗工速度1m/sの条件で塗工し、乾燥温度100℃で乾燥して正極前駆体(以下、それぞれ「片面正極前駆体」、及び「両面正極前駆体」ともいう。)を得た。得られた正極前駆体についてロールプレス機を用いてプレスを実施した。
得られた正極前駆体を用いた他は、実施例17と同様にリチウムイオンキャパシタを調製し、評価した。得られた結果を下記表4に示す。
<実施例30>
[正極前駆体の調製]
正極活物質として活性炭を57.5質量部、リチウム化合物複合材料4を34.0質量部、PVP(ポリビニルピロリドン)を1.5質量部、及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を8.0質量部、並びにNMP(N−メチル−2ピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し塗工液を得た他は、実施例17と同様にして正極前駆体を調製した。
得られた正極前駆体を用いた他は、実施例17と同様にリチウムイオンキャパシタを調製し、評価した。得られた結果を下記表4に示す。
[正極前駆体の調製]
正極活物質として活性炭を57.5質量部、リチウム化合物複合材料4を34.0質量部、PVP(ポリビニルピロリドン)を1.5質量部、及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を8.0質量部、並びにNMP(N−メチル−2ピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し塗工液を得た他は、実施例17と同様にして正極前駆体を調製した。
得られた正極前駆体を用いた他は、実施例17と同様にリチウムイオンキャパシタを調製し、評価した。得られた結果を下記表4に示す。
<実施例31>
リチウム化合物複合材料、及びその量を表4に記載のとおりとした他は、実施例30と同様にして正極前駆体を調製した。得られた正極前駆体を用いた他は、実施例17と同様にリチウムイオンキャパシタを調製し、評価した。得られた結果を下記表4に示す。
リチウム化合物複合材料、及びその量を表4に記載のとおりとした他は、実施例30と同様にして正極前駆体を調製した。得られた正極前駆体を用いた他は、実施例17と同様にリチウムイオンキャパシタを調製し、評価した。得られた結果を下記表4に示す。
<実施例32>
[正極前駆体の調製]
リチウム化合物複合材料6を88.0質量部、ケッチェンブラックを3.0質量部、PVP(ポリビニルピロリドン)を1.5質量部、及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を8.0質量部、並びにNMP(N−メチル−2ピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し塗工液を得た他は、実施例17と同様にしてリチウム化合物複合材料6に含有される活性炭を正極活物質とした正極前駆体を調製した。
得られた正極前駆体を用いた他は、実施例17と同様にリチウムイオンキャパシタを調製し、評価した。得られた結果を下記表4に示す。
[正極前駆体の調製]
リチウム化合物複合材料6を88.0質量部、ケッチェンブラックを3.0質量部、PVP(ポリビニルピロリドン)を1.5質量部、及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を8.0質量部、並びにNMP(N−メチル−2ピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し塗工液を得た他は、実施例17と同様にしてリチウム化合物複合材料6に含有される活性炭を正極活物質とした正極前駆体を調製した。
得られた正極前駆体を用いた他は、実施例17と同様にリチウムイオンキャパシタを調製し、評価した。得られた結果を下記表4に示す。
<実施例33>
[正極前駆体の調製]
リチウム化合物複合材料7を63.0質量部、リチウム化合物4を24.0質量部、ケッチェンブラックを3.0質量部、PVP(ポリビニルピロリドン)を1.5質量部、及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を8.0質量部、並びにNMP(N−メチル−2ピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し塗工液を得た他は、実施例17と同様にしてリチウム化合物複合材料7に含有される活性炭を正極活物質とした正極前駆体を調製した。
得られた正極前駆体を用いた他は、実施例17と同様にリチウムイオンキャパシタを調製し、評価した。得られた結果を下記表4に示す。
[正極前駆体の調製]
リチウム化合物複合材料7を63.0質量部、リチウム化合物4を24.0質量部、ケッチェンブラックを3.0質量部、PVP(ポリビニルピロリドン)を1.5質量部、及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を8.0質量部、並びにNMP(N−メチル−2ピロリドン)を混合し、それをPRIMIX社製の薄膜旋回型高速ミキサー「フィルミックス(登録商標)」を用いて分散し塗工液を得た他は、実施例17と同様にしてリチウム化合物複合材料7に含有される活性炭を正極活物質とした正極前駆体を調製した。
得られた正極前駆体を用いた他は、実施例17と同様にリチウムイオンキャパシタを調製し、評価した。得られた結果を下記表4に示す。
実施例17〜33、及び比較例8〜13から、BET比表面積と細孔容積Pを特性の範囲に調製した本発明のリチウム化合物を正極前駆体に用いることで、リチウムドープ工程中のリチウム化合物の分解性が向上し、これにより、これを用いたリチウムイオンキャパシタにおいて高いエネルギー密度、高い入出力特性、及び高い高負荷充放電サイクル耐久性が同時に得られることが分かる。
本発明のリチウム化合物を含む正極前駆体を用いた非水系リチウム型蓄電素子は、例えば自動車のハイブリット駆動システムの分野において、内燃機関、燃料電池、又はモーターと組み合わせて使用することができ、例えば瞬間電力ピーク時のアシスト用途等に好適に利用できる。
Claims (13)
- 非水系リチウム型蓄電素子用のリチウム化合物であって、
前記リチウム化合物は遷移金属を含まず、
前記リチウム化合物のBET比表面積が5m2/g以上80m2/g以下であり、
前記リチウム化合物についてQSDFT(急冷固体密度汎関数理論)により算出した15Å以上350Å以下の細孔容積Pが0.010cc/g以上0.500cc/g以下である、リチウム化合物。 - リチウム化合物の固体7Li−NMRスペクトルにおいて、繰り返し待ち時間10秒で測定される−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積をaとし、繰り返し待ち時間3000秒で測定される−40ppm〜40ppmにおけるピーク面積をbとしたとき、a/bが0.15以上1.00以下である、請求項1に記載のリチウム化合物。
- 前記リチウム化合物の平均粒子径が0.05μm以上1μm以下である、請求項1又は2に記載のリチウム化合物。
- 前記リチウム化合物は、炭酸リチウム、酸化リチウム、及び水酸化リチウムからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム化合物。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム化合物と分散媒とを含有するリチウム化合物含有スラリーであって、前記リチウム化合物の含有量が、前記リチウム化合物含有スラリーの単位質量当たり1質量%以上50質量%以下である、リチウム化合物含有スラリー。
- 前記リチウム化合物含有スラリーは分散剤を更に含有し、前記分散剤の含有量が前記リチウム化合物含有スラリーの単位質量当たり0.1質量%以上10質量%以下である、請求項5に記載のリチウム化合物含有スラリー。
- 前記分散媒が、水、N−メチル−2ピロリドン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、酢酸エチル、酢酸ブチル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、テトラメチル尿素、ジメチルスルホキシド、リン酸トリメチル、アルコール、アセトン、トルエン、キシレン、ノルマルヘキサン、及びシクロヘキサンからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項5又は6に記載のリチウム化合物含有スラリー。
- 前記分散剤が、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、酢酸フタル酸セルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロースフタレート、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、及びポリビニルアセタールからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項6又は7に記載のリチウム化合物含有スラリー。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム化合物と炭素材料とを含有するリチウム化合物複合材料であって、リチウム化合物の含有量が、前記リチウム化合物複合材料の単位質量当たり5質量%以上95質量%以下である、リチウム化合物複合材料。
- 前記リチウム化合物複合材料のXPSにより測定されるLiの相対元素濃度をqLiとし、測定されるCの相対元素濃度をqCとしたとき、qLi/qCが0.05以上0.95以下である、請求項9に記載のリチウム化合物複合材料。
- 前記炭素材料が、炭素前駆体の焼成体、カーボンブラック、気相法炭素繊維、活性炭、ソフトカーボン、ハードカーボン、黒鉛、グラフェン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン、及びこれらの複合炭素材料からなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項9又は10に記載のリチウム化合物複合材料。
- 正極活物質と;請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム化合物、請求項5〜8のいずれか1項に記載のリチウム化合物含有スラリー、又は請求項9〜11のいずれか1項に記載のリチウム化合物複合材料からなる群から選ばれる少なくとも1種と;水又は有機溶剤とを含有する、正極前駆体用の塗工液。
- 正極集電体の片面又は両面上に、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム化合物又は請求項9〜11のいずれか1項に記載のリチウム化合物複合材料からなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する、正極前駆体。
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