JP2019121605A - 正極活物質材料、非水電解質二次電池用正極、非水電解質二次電池及び正極活物質材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
LiaNixCoyMzO2 (1)
前記式(1)中、Mは、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、セリウム(Ce)からなる群から選択される1種以上の金属元素であり、a、x、yおよびzは、0.20≦a≦1.20、0.70≦x<1.00、0<y≦0.20、0<z≦0.10かつx+y+z=1の範囲内の値である。
0.001A≦Y≦0.01A+1 (2)
前記式(2)中、Aは、前記BaTiO3粒子の平均粒径(nm)であり、Yは、モル%基準での前記正極活物質粒子に対する前記BaTiO3粒子の担持量である。
これにより、非水電解質二次電池の高速充放電レートにおけるサイクル特性がより一層向上する。
本観点によれば、非水電解質二次電池の高速充放電レートにおけるサイクル特性を向上させることができる。
本観点によれば、非水電解質二次電池の高速充放電レートにおけるサイクル特性を向上させることができる。
LiaNixCoyMzO2 (1)
前記式(1)中、Mは、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、セリウム(Ce)からなる群から選択される1種以上の金属元素であり、a、x、yおよびzは、0.20≦a≦1.20、0.70≦x<1.00、0<y≦0.20、0<z≦0.10かつx+y+z=1の範囲内の値である。
本観点によれば、非水電解質二次電池の高速充放電レートにおけるサイクル特性がより確実に向上する。
まず、本発明の説明に先立ち、本発明に至るまでの本発明者らの検討について説明する。本発明者らは、高ニッケル比率の正極活物質材料の高速充放電レートにおけるサイクル特性の向上を目的として、強誘電体であるチタン酸バリウム(BaTiO3)を正極活物質粒子に担持させることを想起した。より具体的には、強誘電体であるBaTiO3粒子を正極活物質粒子の表面に担持させることにより、正極活物質における分極が促され、リチウムイオンの脱挿入が容易となる可能性を検討した。
前記正極活物質粒子の表面に担持されるBaTiO3粒子とを、含み、
下記の式(2)で表される関係を満足する、正極活物質材料。
LiaNixCoyMzO2 (1)
式(1)中、Mは、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、セリウム(Ce)からなる群から選択される1種以上の金属元素であり、a、x、yおよびzは、0.20≦a≦1.20、0.70≦x<1.00、0<y≦0.20、0<z≦0.10かつx+y+z=1の範囲内の値である。
0.001A≦Y≦0.01A+1 (2)
式(2)中、Aは、BaTiO3粒子の平均粒径(nm)であり、Yは、モル%基準での正極活物質粒子に対するBaTiO3粒子の担持量である。
以下では、図1を参照して、上述した本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池10の具体的な構成について説明を行う。図1は、本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の構成を説明する説明図である。
また、本実施形態において、正極活物質粒子は、以下の式(1)で示される組成を有する。
LiaNixCoyMzO2 (1)
式(1)中、
Mは、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、セリウム(Ce)からなる群から選択される1種以上の金属元素であり、
a、x、yおよびzは、0.20≦a≦1.20、0.70≦x<1.00、0<y≦0.20、0<z≦0.10かつx+y+z=1の範囲内の値である。
0.001A≦Y≦0.01A+1 (2)
式(2)中、Aは、BaTiO3粒子の平均粒径(nm)であり、Yは、モル%基準での正極活物質粒子に対するBaTiO3粒子の担持量である。
セパレータ層40に含まれるセパレータは、特に制限されない。セパレータ層40に含まれるセパレータは、非水電解質二次電池のセパレータとして使用されるものであれば、どのようなものでも使用可能である。例えば、セパレータとしては、優れた高率放電性能を示す多孔膜や不織布等を、単独あるいは併用することが好ましい。セパレータを構成する材料としては、例えば、ポリエチレン(polyethylene),ポリプロピレン(polypropylene)等に代表されるポリオレフィン(polyolefin)系樹脂、ポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate),ポリブチレンテレフタレート(polybuthylene terephthalate)等に代表されるポリエステル(polyester)系樹脂、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene difluoride)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(hexafluoropropylene)共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロビニルエーテル(perfluorovinylether)共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン(tetrafluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン(trifluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−フルオロエチレン(fluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロアセトン(hexafluoroacetone)共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン(ethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−プロピレン(propylene)共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロプロピレン(trifluoropropylene)共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等を使用することができる。なお、セパレータの気孔率も特に制限されず、非水電解質二次電池のセパレータが有する気孔率が任意に適用可能である。
また、固体電解質として、上記の硫化物固体電解質材料のうち、少なくとも構成元素として硫黄(S)、リン(P)およびリチウム(Li)を含むものを用いることが好ましく、特にLi2S−P2S5を含むものを用いることがより好ましい。
ここで、固体電解質を形成する硫化物系固体電解質材料としてLi2S−P2S5を含むものを用いる場合、Li2SとP2S5との混合モル比は、例えば、Li2S:P2S5=50:50〜90:10の範囲で選択されてもよい。
次に、正極活物質材料の製造方法について説明する。正極活物質材料は、正極活物質粒子を合成し、さらに正極活物質粒子の表面に対してBaTiO3粒子を担持させることにより得ることができる。
熱処理時における雰囲気は、酸素含有雰囲気、例えば大気雰囲気であることができる。
続いて、非水電解質二次電池10の製造方法の一例について説明する。なお、以下に説明する製造方法はあくまで一例であり、他の方法で非水電解質二次電池10を製造可能であることはもちろんである。
(実施例1)
(正極活物質材料の作製)
以下の方法により、Li1.00Ni0.85Co0.10Al0.05O2の組成式を有する、正極活物質粒子を合成した。まず、共沈法により組成式Ni0.85Co0.10Al0.05(OH)2で示される組成の正極活物質前駆体粒子を合成した。得られた乾燥粉末と、炭酸リチウム(Li2CO3)とを混合することで、混合粉体を生成した。得られた粉体について、酸素雰囲気下中800℃〜1050℃で24時間焼成を行い、正極活物質粒子を合成した。ここで、LiとNi+Co+M(=Me)とのモル比は、リチウムニッケルコバルト複合酸化物の組成に応じて決定されるため、Li1.00Ni0.85Co0.10Al0.05O2を製造する場合、LiとMeとのモル比Li:Meは1.00:1.00となる。得られたリチウムニッケルコバルト複合酸化物のLi:Me比率については、ICP−OES(例えば、HORIBA ULTIMA2)で確認し、焼成後のLi:Me比率が1.00:1.00となるように、あらかじめ炭酸リチウム量を調整し製造を行った。例えば、LiとMeとのモル比を1.03:1.00〜1.07:1.00の間で調整し、焼成後のLi:Me比率が1.00:1.00となるように製造を行った。
以下の処理によりコインハーフセルを作製した。まず、正極活物質材料、アセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデンを96:2:2の質量比で混合した。この混合物(正極合剤)をN−メチル−2−ピロリドンに分散させてスラリーを形成した。
BaTiO3粒子の平均粒径および担持量を表1に示すように変更した以外は、実施例1と同様にして正極活物質材料およびコインフルセルを作成した。
BaTiO3粒子を正極活物質材料に担持させなかった以外は、実施例1と同様にして正極活物質材料およびコインフルセルを作成した。
BaTiO3粒子の平均粒径および担持量を表1に示すように変更した以外は、実施例1と同様にして正極活物質材料およびコインフルセルを作成した。
次に、各実施例および各比較例において得られたコインフルセルを用いて、高速充放電レートにおけるサイクル特性を評価した。
具体的には、各実施例および各比較例において得られたコインフルセルについて、表2に示す充放電レート(rate)、カットオフ(cut off)電圧(単位はV)にて充放電を100サイクル行った。充放電時の温度は室温(25℃)とした。CC−CVは定電流定電圧を意味し、CCは定電流を意味する。そして、1サイクル目の放電容量を測定し、この値を初期放電容量とし、1サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の容量維持率を得た。そして、比較例1において得られた容量維持率を100とした際の、各実施例および各比較例において得られた容量維持率の割合(%)を高速充放電レートにおけるサイクル特性として評価した。以上の結果を表1に合わせて示す。
実施例1〜実施例7と比較例1とを比較すると、実施例1〜実施例7に係るコインフルセルは、比較例1に係るコインフルセルよりも高速充放電レートにおけるサイクル特性に優れていた。
また、比較例2、比較例3に係るコインフルセルは、BaTiO3粒子を担持させたにも関わらず、高速充放電レートにおけるサイクル特性が却って比較例1に係るコインフルセルよりも劣っていた。
(実施例8)
まず、試薬Li2S、Na2S、P2S5、LiClを目的組成であるLi6PS5Clになるように秤量後、遊星型ボールにて20時間混合を行うことでメカニカルミリング処理を行った。メカニカルミリング処理は、380rpmの回転速度、室温(25℃)、アルゴン雰囲気内で20時間行った。
上記メカニカルミリング処理により得られたLi6PS5Cl組成の粉末試料800mgをプレス(圧力400MPa/cm2)することで、直径13mm、厚さ約0.8mmのペレットを得た。得られたペレットを金箔で被覆し、さらに、その金箔で被覆したペレットをカーボンルツボに入れ、熱処理用試料を作製した。得られた熱処理用試料は、石英ガラス管を用いて真空封入を行った後、電気炉を用いて室温(25℃)から550℃まで1.0℃/分で昇温した後、550℃にて6時間熱処理を行った後、1.0℃/分で室温(25℃)まで冷却することで試料を得た。回収された試料を、メノウ乳鉢を用いて粉砕した後、X線結晶回折を行い、目的とするArgyrodite結晶が生成していることを確認し、本材料を固体電解質として用いた。
実施例1の正極活物質材料、固体電解質および導電剤であるカーボンナノファイバー(CNF)を60:30:10の質量比で混合したものを正極合剤とした。
また、負極としては、厚さ30μmの金属リチウム箔を用いた。
正極合材10mg、固体電解質150mgおよび金属リチウム箔(負極)を積層し、294MPaの圧力でプレスして、実施例8に係る試験用セルを作製した。
実施例2〜実施例7および比較例1〜比較例3の正極活物質材料を用いたこと以外は、実施例8と同様にして、実施例9〜実施例14および比較例4〜比較例6に係る試験用セルを作製した。
次に、実施例8〜実施例14および比較例4〜比較例6において得られた試験用セルを用いて、高速充放電レートにおけるサイクル特性を評価した。
具体的には、各実施例および各比較例において得られた試験用セルについて、5℃で、0.05Cの定電流で、上限電圧4.0Vまで充電し、放電終止電圧2.5Vまで0.05C放電する充放電サイクルを50サイクル繰り返した。そして、1サイクル目の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の比を放電容量の維持率とした。結果を表3に示す。
実施例8〜実施例14と比較例4〜比較例6とを比較すると、実施例8〜実施例14に係る試験用セルは、比較例4〜比較例6に係る試験用セルよりも高速充放電レートにおけるサイクル特性に優れていた。
20 正極
21 正極集電体
22 正極活物質層
30 負極
31 負極集電体
32 負極活物質層
40 セパレータ層
Claims (5)
- 下記の式(1)で示される組成を有する正極活物質粒子と、
前記正極活物質粒子の表面に担持されるBaTiO3粒子とを、含み、
下記の式(2)で表される関係を満足する、正極活物質材料。
LiaNixCoyMzO2 (1)
前記式(1)中、Mは、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、セリウム(Ce)からなる群から選択される1種以上の金属元素であり、a、x、yおよびzは、0.20≦a≦1.20、0.70≦x<1.00、0<y≦0.20、0<z≦0.10かつx+y+z=1の範囲内の値である。
0.001A≦Y≦0.01A+1 (2)
前記式(2)中、Aは、前記BaTiO3粒子の平均粒径(nm)であり、Yは、モル%基準での前記正極活物質粒子に対する前記BaTiO3粒子の担持量である。 - 前記BaTiO3粒子の平均粒径Aが、10nm以上100nm以下である、請求項1に記載の正極活物質材料。
- 請求項1または2に記載の正極活物質材料を含む、非水電解質二次電池用正極。
- 請求項3に記載の非水電解質二次電池用正極を含む、非水電解質二次電池。
- BaTiO3粒子を下記の式(1)で示される組成を有する正極活物質粒子の表面に被覆させた後、700℃以下の温度で熱処理することにより、前記正極活物質粒子に前記BaTiO3粒子を担持する工程を有する、正極活物質材料の製造方法。
LiaNixCoyMzO2 (1)
前記式(1)中、Mは、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、セリウム(Ce)からなる群から選択される1種以上の金属元素であり、a、x、yおよびzは、0.20≦a≦1.20、0.70≦x<1.00、0<y≦0.20、0<z≦0.10かつx+y+z=1の範囲内の値である。
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