JP2019179679A - リチウムイオン電池用電極材料及びリチウムイオン電池 - Google Patents
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Abstract
Description
リチウムイオン電池は、正極、負極、電解液およびセパレータを備える。正極を構成する電極材料としては、コバルト酸リチウム(LiCoO2)やマンガン酸リチウム(LiMn2O4)、リン酸鉄リチウム(LiFePO4)等のリチウムイオンを可逆的に脱挿入可能な性質を有するリチウム含有金属酸化物からなる電極活物質が用いられ、電池の高容量化、長寿命化、安全性の向上、低コスト化など、様々な観点から改良が検討されている(例えば、特許文献1)。
本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
[1]電極活物質粒子と、該電極活物質粒子の表面を被覆する炭素質被膜とを含むリチウムイオン電池用電極材料であって、タップ密度が0.95g/cm3以上1.6g/cm3以下であり、窒素吸着測定から評価される容積全体に対するミクロ孔の容積比が1.5%以上2.5%以下であることを特徴とするリチウムイオン電池用電極材料。
[2]前記電極活物質粒子が、一般式Lix1Ay1Dz1PO4(但し、AはCo、Mn、Ni、Fe、CuおよびCrからなる群より選択される少なくとも1種、DはMg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Ge、ScおよびYからなる群より選択される少なくとも1種、0.9<x1<1.1、0<y1≦1、0≦z1<1、0.9<y1+z1<1.1である。)で表されることを特徴とする上記[1]に記載のリチウムイオン電池用電極材料。
[3]前記電極活物質粒子が、一般式LiFex2Mn1−x2−y2My2PO4(但し、Mは、Mg、Ca、Co、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Ge、ScおよびYから選択される少なくとも1種、0.05≦x2≦1.0、0≦y2≦0.14である。)で表されることを特徴とする上記[1]又は[2]に記載のリチウムイオン電池用電極材料。
[4]前記電極活物質粒子の比表面積が10m2/g以上28m2/g以下であり、単位比表面積当たりの炭素含有量が0.4mg/m2以上2.0mg/m2以下であることを特徴とする上記[1]〜[3]のいずれかに記載のリチウムイオン電池用電極材料。
[5]正極と、負極と、電解質とを有するリチウムイオン電池であって、前記正極が、上記[1]〜[4]のいずれかに記載の電極材料を用いてなる正極合材層を有するリチウムイオン電池。
本実施形態のリチウムイオン電池用電極材料(以下、単に電極材料ともいう)は、電極活物質粒子と、該電極活物質粒子の表面を被覆する炭素質被膜とを含む電極材料であって、タップ密度が0.95g/cm3以上1.6g/cm3以下であり、窒素吸着測定から評価される容積全体に対するミクロ孔の容積比が1.5%以上2.5%以下であることを特徴とする。
なお、上記比表面積は、比表面積計(例えば、株式会社マウンテック製、型番:MacsorbHM MODEL 1208)を用いて測定することができる。
なお、上記単位比表面積当たりの炭素含有量は、炭素分析計(例えば、株式会社堀場製作所製、型番:EMIA−220V)を用いて測定した炭素含有量を前述の比表面積で除算することで算出することができる。
ここで、一次粒子の平均粒子径とは、個数平均粒子径のことである。上記一次粒子の平均粒子径は、走査電子顕微鏡(SEM)観察により測定した200個以上の粒子の粒子径を個数平均することで求めることができる。
ここで、二次粒子の平均粒子径とは、体積平均粒子径のことである。上記二次粒子の平均粒子径は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置等を用いて測定することができる。
なお、上記炭素含有量は、炭素分析計(例えば、株式会社堀場製作所製、型番:EMIA−220V)を用いて測定することができる。
なお、上記炭素質被膜の被覆率は、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope、TEM)、エネルギー分散型X線分析装置(Energy Dispersive X−ray microanalyzer、EDX)等を用いて粒子を観察し、粒子表面を覆っている部分の割合を算出し、その平均値から求めることができる。
炭素質被膜の密度が0.3g/cm3以上であると炭素質被膜が十分な電子伝導性を示すことができる。一方、2.0g/cm3以下であると炭素質被膜中に層状構造からなる黒鉛の微結晶が少量であるため、リチウムイオンが炭素質被膜中を拡散する際に黒鉛の微結晶による立体障害が生じない。これにより、リチウムイオン移動抵抗が高くなることがない。その結果、リチウムイオン電池の内部抵抗が上昇することがなく、リチウムイオン電池の高速充放電レートにおける電圧低下が生じない。
なお、上記タップ密度は、JIS R 1628:1997 ファインセラミックス粉末のかさ密度測定方法に則った手法にて測定することができる。
なお、上記容積全体に対するミクロ孔の容積比は、実施例に記載の方法により測定し、算出することができる。
本実施形態のリチウムイオン電池用電極材料の製造方法は、特に限定されないが、例えば、電極活物質粒子を得る工程(A)と、前記工程(A)で得られた電極活物質粒子に有機化合物を添加して混合物を調製する工程(B)と、混合物を焼成鞘に入れて焼成する工程(C)とを有する。
工程(A)において、上記電極活物質粒子を製造する方法としては、特に限定されず、例えば、電極活物質粒子が前記一般式Lix1Ay1Dz1PO4で表される場合、固相法、液相法、気相法等の従来の方法を用いることができる。このような方法で得られたLix1Ay1Dz1PO4としては、例えば、粒子状のもの(以下、「Lix1Ay1Dz1PO4粒子」と言うことがある。)が挙げられる。
Lix1Ay1Dz1PO4粒子は、例えば、Li源と、A源と、P源と、水と、必要に応じてD源と、を混合して得られるスラリー状の混合物を水熱合成して得られる。水熱合成によれば、Lix1Ay1Dz1PO4は、水中に沈殿物として生成する。得られた沈殿物は、Lix1Ay1Dz1PO4の前駆体であってもよい。この場合、Lix1Ay1Dz1PO4の前駆体を焼成することで、目的のLix1Ay1Dz1PO4粒子が得られる。
この水熱合成には耐圧密閉容器を用いることが好ましい。
また、反応時間は、好ましくは20分以上169時間以下、より好ましくは30分以上24時間以下、さらに好ましくは1時間以上10時間以下である。さらに、反応時の圧力は、好ましくは0.1MPa以上22MPa以下、より好ましくは0.1MPa以上17MPa以下である。
なお、リン酸リチウム(Li3PO4)は、Li源およびP源としても用いることができる。
工程(B)では、前記工程(A)で得られた電極活物質粒子に有機化合物を添加して混合物を調製する。
まず、上記電極活物質粒子に有機化合物を添加し、次いで、溶媒を添加する。
電極活物質粒子に対する有機化合物の配合量は、この有機化合物の全質量を炭素元素に換算したとき、電極活物質粒子100質量部に対して、好ましくは0.15質量部以上15質量部以下、より好ましくは0.45質量部以上4.5質量部以下である。
電極活物質粒子に対する有機化合物の配合量が0.15質量部以上であると、この有機化合物を熱処理することにより生じる炭素質被膜の電極活物質粒子表面における被覆率を80%以上にすることができる。これにより、リチウムイオン電池の高速充放電レートにおける放電容量を高くすることができ、十分な充放電レート性能を実現できる。一方、電極活物質粒子に対する有機化合物の配合量が15質量部以下であると、相対的に電極活物質粒子の配合比が低下してリチウムイオン電池の容量が低くなることを抑制できる。また、電極活物質粒子に対する有機化合物の配合量が15質量部以下であると、電極活物質粒子に対する炭素質被膜の過剰な担持により、電極活物質粒子の嵩密度が高くなることを抑制できる。なお、電極活物質粒子の嵩密度が高くなると電極密度が低下し、単位体積あたりのリチウムイオン電池の電池容量が低下する。
ここで、上記有機化合物として、スクロースやラクトースなどの低分子の有機化合物を用いることで、電極材料の一次粒子表面に満遍なく炭素質被膜を形成することが容易になるが、一方で熱分解によって得られる炭素質被膜の炭化度が低くなる傾向があり、十分な抵抗低下を達成可能な炭素質被膜の形成が難しい。また、このような低分子の有機化合物を用いることで、炭素質被膜中のミクロ孔の量が増加し、孔全体のミクロ孔比が増加する。一方で、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドンなどの高分子の有機化合物やフェノール樹脂などのベンゼン環構造を有する有機化合物を用いることで、熱分解によって得られる炭素質被膜の炭化度が高くなる傾向があり、十分な抵抗低下を達成できるが、一方で電極材料の一次粒子表面に満遍なく炭素質被膜を形成することが難しくなる傾向があり、電極材料の十分な抵抗低下の達成が難しいなどの問題ある。また、このような高分子の有機化合物やベンゼン環構造を有する有機化合物を用いることで、炭素質被膜中のミクロ孔の量が減少し、孔全体のミクロ孔比が低下する。そのため、低分子の有機化合物と高分子の有機化合物、ベンゼン環構造を有する有機化合物を適宜混合して用いることが好ましい。
特に、低分子の有機化合物については粉末状で用いることが、電極活物質粒子と有機化合物とを混合し易く、電極活物質粒子の一次粒子表面に満遍なく炭素質被膜を形成された電極材料を得ることができるため好ましい。また、低分子の有機化合物は、高分子の有機化合物と異なり溶液中に溶解し易く、事前の溶解作業などが必要ないために作業工程の削減や溶解作業に掛かるコストの低減が可能である。
なお、必要に応じて分散剤を添加してもよい。
この噴霧熱分解法では、速やかに乾燥して略球状の造粒体を生成するためには、噴霧の際の液滴の粒子径は、0.01μm以上100μm以下であることが好ましい。
工程(C)では、前記工程(B)で得られた混合物を焼成鞘に入れて焼成する。
焼成鞘として、たとえば、カーボン等の熱伝導性に優れる物質からなる焼成鞘が好適に用いられる。
焼成温度は、好ましくは630℃以上790℃以下であり、より好ましくは680℃以上770℃以下ある。
焼成温度が630℃以上であると、有機化合物の分解及び反応が十分に進行し、有機化合物を十分に炭化させることができる。その結果、得られた電極材料に低抵抗の炭素質被膜を形成することができる。一方、焼成温度が790℃以下であると、電極材料の粒成長が進行せず十分に高い比表面積を保つことができる。その結果、リチウムイオン電池を形成した場合に高速充放電レートにおける放電容量が大きくなり、十分な充放電レート性能を実現することができる。
焼成時間は、有機化合物が十分に炭化する時間であればよく、とくに制限はないが、たとえば、0.1時間以上100時間以下である。
焼成雰囲気は、好ましくは窒素(N2)およびアルゴン(Ar)等の不活性ガスからなる不活性雰囲気または水素(H2)等の還元性ガスを含む還元性雰囲気である。混合物の酸化をより抑えたい場合には、焼成雰囲気は還元性雰囲気であることがより好ましい。
また、電極材料より比重が大きい方が気流式分級機等を用いた分離が容易であるため好ましい。
本実施形態のリチウムイオン電池は、正極と、負極と、電解質とを有するリチウムイオン電池であって、前記正極が、上述の電極材料を用いてなる正極合材層を有する。
正極を作製するには、上記の電極材料(正極材料)と、バインダー樹脂からなる結着剤と、溶媒とを混合して、正極形成用塗料又は正極形成用ペーストを調製する。この際、必要に応じてカーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、ケッチェンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛等の導電助剤を添加してもよい。
結着剤、すなわちバインダー樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)樹脂、フッ素ゴム等が好適に用いられる。
正極材料とバインダー樹脂との配合比は、特に限定されないが、例えば、正極材料100質量部に対してバインダー樹脂を1質量部〜30質量部、好ましくは3質量部〜20質量部とする。
例えば、水、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール(イソプロピルアルコール:IPA)、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、ジアセトンアルコール等のアルコール類、酢酸エチル、酢酸ブチル、乳酸エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン等のエステル類、ジエチルエーテル、エチレングルコールモノメチルエーテル(メチルセロソルブ)、エチレングルコールモノエチルエーテル(エチルセロソルブ)、エチレングルコールモノブチルエーテル(ブチルセロソルブ)、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル等のエーテル類、アセトン、メチルエチルケトン(MEK)、メチルイソブチルケトン(MIBK)、アセチルアセトン、シクロヘキサノン等のケトン類、ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアセトアミド、N−メチルピロリドン等のアミド類、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール等のグリコール類等を挙げることができる。これらは、1種のみを用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
次いで、塗膜を加圧圧着し、乾燥して、アルミニウム箔の一方の面に正極合材層を有する集電体(正極)を作製する。
このようにして、電極活物質からの金属溶出量が低減され、満充電状態での高温保管による容量低下を抑制することができる正極を作製することができる。
負極としては、例えば、金属Li、天然黒鉛、ハードカーボン等の炭素材料、Li合金及びLi4Ti5O12、Si(Li4.4Si)等の負極材料を含むものが挙げられる。
電解質は、特に制限されないが、非水電解質であることが好ましく、例えば、炭酸エチレン(エチレンカーボネート;EC)と、炭酸エチルメチル(エチルメチルカーボネート;EMC)とを、体積比で1:1となるように混合し、得られた混合溶媒に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を、例えば、濃度1モル/dm3となるように溶解したものが挙げられる。
本実施形態の正極と負極とは、セパレータを介して対向させることができる。セパレータとして、例えば、多孔質プロピレンを用いることができる。
また、非水電解質とセパレータの代わりに、固体電解質を用いてもよい。
〔リチウムイオン電池用電極材料の合成〕
Li源、P源としてLi3PO4、Fe源としてFeSO4水溶液、Mn源としてMnSO4水溶液、Mg源としてMgSO4水溶液、Co源としてCoSO4水溶液、Ca源としてCa(OH)2水溶液を用い、これらをモル比でLi:Fe:Mn:Mg:Co:Ca:P=3:0.2448:0.70:0.05:0.0002:0.005:1となるように混合して1000Lの原料スラリーを作製し、耐圧容器に入れた。その後、145℃で2.5時間加熱反応を行った。この反応後に室温(25℃)になるまで冷却して、沈殿しているケーキ状態の反応生成物を得た。そして、この沈殿物を蒸留水で複数回十分に水洗し、ケーキ状の電極活物質を得た。
次いで、この電極活物質5kg(固形分換算)に、炭素質被膜の原料となる有機化合物として、予め固形分20質量%に調整したポリビニルアルコール水溶液371.8g、スクロース粉末59.4g、フェノール樹脂溶液135.8gと、媒体粒子としての直径1mmのジルコニアボールとを用いて、ビーズミルにて2時間、分散処理を行い、均一なスラリーを調製した。その後、スラリーの固形分が40質量%となるように水を添加した。
次いで、このスラリーを150℃の大気雰囲気中に噴霧し、乾燥して、平均粒子径が9μmの有機物で被覆された、電極活物質の造粒体を得た。
得られた造粒体100体積%に対して5体積%となるように、長手方向の長さの平均が10mmである黒鉛焼結体を熱伝導補助物質として造粒体に添加し混合して焼成用原料を得た。この焼成用原料2.5kgを容積が10Lの黒鉛鞘に敷き詰め、700℃の非酸化性ガス雰囲気下にて2.5時間焼成した後、40℃にて30分間保持し、焼成物を得た。この焼成物をφ75μmの篩に通し、黒鉛焼結体を取り除いて、実施例1のリチウムイオン電池用電極材料を得た。
得られたリチウムイオン電池用電極材料と、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)と、導電助剤としてアセチレンブラック(AB)とを、質量比が90:5:5となるように混合し、さらに溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えて流動性を付与し、スラリーを作製した。
次いで、このスラリーを厚み30μmのアルミニウム(Al)箔(集電体)上に塗布し、乾燥した。その後、ロールプレス機にて印加総圧5t/250mmで加圧し、正極を作製した。
一方、炭酸エチレンと炭酸ジエチルとを1:1(質量比)にて混合し、さらに1MのLiPF6溶液を加えて、リチウムイオン伝導性を有する電解質溶液を作製した。
次いで、上記の電池用部材を上記の電解質溶液に浸漬し、実施例1のリチウムイオン電池を作製した。
スクロース粉末の添加量を29.7gとし、フェノール樹脂溶液の添加量を203.4gとした以外は実施例1と同様にして、実施例2のリチウムイオン電池用電極材料を得た。
また、実施例2のリチウムイオン電池用電極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例2のリチウムイオン電池を得た。
スクロース粉末の添加量を103.4gとし、フェノール樹脂溶液の添加量を101.7gとした以外は実施例1と同様にして、実施例3のリチウムイオン電池用電極材料を得た。
また、実施例3のリチウムイオン電池用電極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例3のリチウムイオン電池を得た。
スクロース粉末の添加量を89.1gとし、フェノール樹脂溶液の添加量を167.8gとした以外は実施例1と同様にして、実施例4のリチウムイオン電池用電極材料を得た。
また、実施例4のリチウムイオン電池用電極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例4のリチウムイオン電池を得た。
原料スラリーを作製し、耐圧容器に入れた後、反応温度を170℃に変更した以外は実施例1と同様にして、実施例5のリチウムイオン電池用電極材料を得た。
また、実施例5のリチウムイオン電池用電極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例5のリチウムイオン電池を得た。
原料スラリーを作製し、耐圧容器に入れた後、反応温度を120℃に変更した以外は実施例1と同様にして、実施例6のリチウムイオン電池用電極材料を得た。
また、実施例6のリチウムイオン電池用電極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例6のリチウムイオン電池を得た。
電極活物質5kg(固形分換算)に、炭素質被膜の原料となる有機化合物として、予め固形分20質量%に調整したポリビニルアルコール水溶液185.9g、スクロース粉末29.7g、フェノール樹脂溶液67.8gと、媒体粒子としての直径1mmのジルコニアボールとを用いて、ビーズミルにて2時間、分散処理を行い、均一なスラリーを調製した以外は、実施例1と同様にして、実施例7のリチウムイオン電池用電極材料を得た。
また、実施例7のリチウムイオン電池用電極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例7のリチウムイオン電池を得た。
電極活物質5kg(固形分換算)に、炭素質被膜の原料となる有機化合物として、予め固形分20質量%に調整したポリビニルアルコール水溶液557.7g、スクロース粉末89.1g、フェノール樹脂溶液203.4gと媒体粒子としての直径1mmのジルコニアボールとを用いて、ビーズミルにて2時間、分散処理を行い、均一なスラリーを調製した以外は、実施例1と同様にして、実施例8のリチウムイオン電池用電極材料を得た。
また、実施例8のリチウムイオン電池用電極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例8のリチウムイオン電池を得た。
スラリーの固形分が50質量%となるように水を添加した以外は実施例1と同様にして、実施例9のリチウムイオン電池用電極材料を得た。
また、実施例9のリチウムイオン電池用電極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例9のリチウムイオン電池を得た。
Li源、P源としてLi3PO4、Fe源としてFeSO4水溶液を用い、これらをモル比でLi:Fe:P=3:1:1となるように混合して1000Lの原料スラリーを作製し、耐圧容器に入れた。その後、190℃で2.0時間加熱反応を行った。この反応後に室温(25℃)になるまで冷却して、沈殿しているケーキ状態の反応生成物を得た。そして、この沈殿物を蒸留水で複数回十分に水洗し、ケーキ状の電極活物質を得た。
次いで、この電極活物質5kg(固形分換算)に、炭素質被膜の原料となる有機化合物として、予め固形分20質量%に調整したポリビニルアルコール水溶液247.9g、スクロース粉末39.6g、フェノール樹脂溶液90.5gと、媒体粒子としての直径1mmのジルコニアボールとを用いて、ビーズミルにて2時間、分散処理を行い、均一なスラリーを調製した。その後、スラリーの固形分が50質量%となるように水を添加した。
次いで、このスラリーを150℃の大気雰囲気中に噴霧し、乾燥して、平均粒子径が9μmの有機物で被覆された、電極活物質の造粒体を得た。
得られた造粒体100体積%に対して5体積%となるように、長手方向の長さの平均が10mmである黒鉛焼結体を熱伝導補助物質として造粒体に添加し混合して焼成用原料を得た。この焼成用原料2.5kgを容積が10Lの黒鉛鞘に敷き詰め、700℃の非酸化性ガス雰囲気下にて2.5時間焼成した後、40℃にて30分間保持し、焼成物を得た。この焼成物をφ75μmの篩に通し、黒鉛焼結体を取り除いて、実施例10のリチウムイオン電池用電極材料を得た。
また、実施例10のリチウムイオン電池用電極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例10のリチウムイオン電池を得た。
スクロース粉末の添加量を19.8gとし、フェノール樹脂溶液の添加量を135.6gとした以外は実施例10と同様にして、実施例11のリチウムイオン電池用電極材料を得た。
また、実施例11のリチウムイオン電池用電極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、実施例11のリチウムイオン電池を得た。
スクロース粉末の添加量を118.8gとし、フェノール樹脂溶液の添加量を0gとした以外は実施例1と同様にして、比較例1のリチウムイオン電池用電極材料を得た。
また、比較例1のリチウムイオン電池用電極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、比較例1のリチウムイオン電池を得た。
スラリーの固形分が20質量%となるように水を添加した以外は実施例1と同様にして、比較例2のリチウムイオン電池用電極材料を得た。
また、比較例2のリチウムイオン電池用電極材料を用いた以外は実施例1と同様にして、比較例2のリチウムイオン電池を得た。
スクロース粉末の添加量を79.2gとし、フェノール樹脂溶液の添加量を0gとした以外は実施例10と同様にして、比較例3のリチウムイオン電池用電極材料を得た。
また、比較例3のリチウムイオン電池用電極材料を用いた以外は実施例10と同様にして、比較例3のリチウムイオン電池を得た。
(1)比表面積
比表面積計(株式会社マウンテック製、型番:MacsorbHM MODEL 1208)を用いて、リチウムイオン電池用電極材料の比表面積を測定した。
炭素分析計(商品名:EMIA−220V、株式会社堀場製作所製)を用いてリチウムイオン電池用電極材料における炭素含有量を測定した。
上記(2)で求めた炭素含有量を上記(1)で測定した比表面積で除算して、リチウムイオン電池用電極材料における単位比表面積当たりの炭素含有量を求めた。
リチウムイオン電池用電極材料のタップ密度はJIS R 1628:1997ファインセラミックス粉末のかさ密度測定方法に則った手法にて測定した。
窒素吸着量測定装置(マイクロトラック・ベル株式会社製、型番:BELSORP−max)を使用して窒素吸着測定を実施した。リチウムイオン電池用電極材料のミクロ孔容積は、測定した窒素吸着測定結果を0.7nm以上2.0nm以下の細孔径の範囲における細孔分布をHK法にて解析し、0.7nm以上2.0nm以下の細孔径の範囲における細孔径に対応する相体圧を求め、吸着等温線の窒素の細孔吸着量から求めた。さらに、リチウムイオン電池用電極材料のメソ孔およびマクロ孔の容積として、2.4nm以上194nm以下の細孔径の範囲における細孔分布をBJH法にて解析し、2.4nm以上194nm以下の細孔径の範囲における細孔径に対応する相体圧を求め、吸着等温線の窒素の細孔吸着量から2.4nm以上194nm以下の細孔容積を求めた。
ミクロ孔の容積比は、上記(5)で求めたミクロ孔、メソ孔、マクロ孔の細孔容積の和を孔全体の容積として、ミクロ孔容積を孔全体の容積で除することで算出した。
硫酸酸性水溶液(pH4)30gに電極材料3gを浸漬し、25℃にて24時間静置後、フィルタリングして粉体除去したろ液を検体とした。検体を塩酸酸性とし、Fe、MnについてICP測定を行った。ICP測定には、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析装置(株式会社日立ハイテクサイエンス製、商品名:SPS3500DD)を用いた。
以下の方法により、得られたリチウムイオン電池について評価を行った。結果を表2に示す。
リチウムイオン電池の寿命試験は以下のように行った。
まず、電池のエージングとして、環境温度25℃にて、実施例1〜9、比較例1、2では正極の電圧がLiの平衡電圧に対して4.3V、実施例10、11、比較例3では正極の電圧がLiの平衡電圧に対して4.2Vになるまで電流値1CAにて定電流充電を行い、所定電圧に到達した後、電流値が0.1CAになるまで定電圧充電を行った。その後、1分間休止した後、環境温度25℃、正極の電圧がLiの平衡電圧に対して2.5Vになるまで1CAの定電流放電を行った。この操作を3サイクル繰り返し、エージングとした。
その後、環境温度60℃にて、実施例1〜9、比較例1、2では正極の電圧がLiの平衡電圧に対して4.3V、実施例10、11、比較例3では正極の電圧がLiの平衡電圧に対して4.2Vになるまで電流値1CAにて定電流充電を行い、所定電圧に到達した後、電流値が0.1CAになるまで定電圧充電を行った。その後、1分間休止した後、環境温度40℃、正極の電圧がLiの平衡電圧に対して2.5Vになるまで1CAの定電流放電を行い、この値を表2中の放電容量とした。さらに環境温度25℃にて、実施例1〜9、比較例1、2では正極の電圧がLiの平衡電圧に対して4.3V、実施例10、11、比較例3では正極の電圧がLiの平衡電圧に対して4.2Vになるまで電流値1CAにて定電流充電を行い、所定電圧に到達した後、電流値が0.1CAになるまで定電圧充電を行った。その後、2週間休止した後、環境温度40℃、正極の電圧がLiの平衡電圧に対して2.5Vになるまで1CAの定電流放電を行い、この放電容量の値を表2中の高温保管後の保存容量とした。
タップ密度が0.95g/cm3以上1.6g/cm3以下の範囲を満たし、かつ窒素吸着測定から評価される容積全体に対するミクロ孔の容積比が1.5%以上2.5%以下の範囲を満たす、実施例1〜11のリチウムイオン電池用電極材料は、いずれも金属溶出量が低減され、当該リチウムイオン電池用電極材料を用いたリチウムイオン電池は放電容量が高く、高温保管後の保存容量の低減を抑制できることが分かる。
Claims (5)
- 電極活物質粒子と、該電極活物質粒子の表面を被覆する炭素質被膜とを含むリチウムイオン電池用電極材料であって、
タップ密度が0.95g/cm3以上1.6g/cm3以下であり、窒素吸着測定から評価される容積全体に対するミクロ孔の容積比が1.5%以上2.5%以下であることを特徴とするリチウムイオン電池用電極材料。 - 前記電極活物質粒子が、一般式Lix1Ay1Dz1PO4(但し、AはCo、Mn、Ni、Fe、CuおよびCrからなる群より選択される少なくとも1種、DはMg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Ge、ScおよびYからなる群より選択される少なくとも1種、0.9<x1<1.1、0<y1≦1、0≦z1<1、0.9<y1+z1<1.1である。)で表されることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン電池用電極材料。
- 前記電極活物質粒子が、一般式LiFex2Mn1−x2−y2My2PO4(但し、Mは、Mg、Ca、Co、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Ge、ScおよびYから選択される少なくとも1種、0.05≦x2≦1.0、0≦y2≦0.14である。)で表されることを特徴とする請求項1又は2に記載のリチウムイオン電池用電極材料。
- 前記電極活物質粒子の比表面積が10m2/g以上28m2/g以下であり、単位比表面積当たりの炭素含有量が0.4mg/m2以上2.0mg/m2以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のリチウムイオン電池用電極材料。
- 正極と、負極と、電解質とを有するリチウムイオン電池であって、
前記正極が、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電極材料を用いてなる正極合材層を有するリチウムイオン電池。
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