JP2020184472A - 非水電解質蓄電素子用正極、及びこれを備えた非水電解質蓄電素子 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態に係るリチウム過剰型正極活物質は、典型的には、組成式Li1+αMe1−αO2(Me:Ni及びMn、又はNi、Co及びMnを含む遷移金属)で表される。放電容量が大きい非水電解質蓄電素子を得るために、遷移金属(Me)に対するLiのモル比Li/Me、すなわち(1+α)/(1−α)は1.1より大きいことが好ましく、1.2以上であることがより好ましく、1.3以上であることが特に好ましい。また、1.5以下であることが好ましく、1.45以下であることがより好ましく、1.4以下であることが特に好ましい。
Mnは、材料コストの観点から、また、充放電サイクル性能を向上させる作用があるから、遷移金属(Me)に対するMnのモル比Mn/Meは、0.5より大きいことが好ましく、0.6以上がより好ましく、0.65以上が特に好ましい。また、0.8以下が好ましく、0.75以下がより好ましく、0.7以下が特に好ましい。
Coは、活物質粒子の電子伝導性を高め、高率放電性能を向上させる作用があるが、充放電サイクル性能及び経済性の点で、少ない方が好ましい任意元素である。遷移金属(Me)に対するCoのモル比Co/Meは、0.20以下が好ましく、0.15以下がより好ましく、0.05以下がよりさらに好ましく、0でもよい。なお、Niを含む原料を用いると、Coは不純物として含まれる場合がある。
すなわち、上記リチウム過剰型正極活物質のピーク微分細孔容積は、放電容量、及び充放電サイクル性能の観点から、0.5〜2.6mm3/(g・nm)が好ましく、0.6〜2.0mm3/(g・nm)がさらに好ましく、0.7〜1.5mm3/(g・nm)がよりさらに好ましい。
CuKα線を用いたエックス線回折測定において、2θ=26.4±1°のピークの半値幅が0.6°以下であることは、グラフェンがc軸方向に規則的に積層し、結晶性が高いことを意味する。そのため、リチウム過剰型正極活物質と非晶質炭素に、さらに黒鉛を含む電極を、ロールプレス機あるいは平板プレス機で、圧縮する力をかけたとき、グラフェンの層間がずれることによって、電極密度を向上させることができると考えられる(図3参照)。2θ=26.4±1°のピークの半値幅の上限は0.5°がより好ましく、0.4°がよりさらに好ましい。
本明細書において、エックス線回折測定は、Rigaku社製エックス線回折装置(品番:RINT−TTR3)を用いて、次の条件にて行う。線源はCuKα、エックス線出力は50kV、300mAとする。スキャンモードはCONTINUOUS、ステップ幅は0.02deg、スキャンスピードは4.0deg/min、入射スリットは1/3deg、長手制限スリットは10mm、受光スリット1は1/3deg、受光スリット2は0.3mmとする。
本明細書において、ピーク微分細孔容積測定は、以下の方法により測定する。
被測定試料の粉体1.00gを測定用のサンプル管に入れ、120℃にて6h、180℃にて6h真空乾燥することで、測定試料中の水分を十分に除去する。次に、液体窒素を用いた窒素ガス吸着法により、相対圧力P/P0(P0=約770mmHg)が0から1の範囲内で吸着側、及び脱離側の等温線を測定する。そして、脱離側の等温線を用いてBJH法により累積細孔容積カーブを求める。このカーブから、全細孔容積(cm3/g)の値が得られる。次に、上記累積細孔容積カーブを線形(Linear)微分することにより、横軸を細孔径(nm)とし、縦軸を微分細孔容積(mm3/(g・nm))とする微分細孔容積カーブを得る。本明細書において、「ピーク微分細孔容積」とは、上記微分細孔容積カーブが最大値を示す点に対応する縦軸の値をいう。「ピーク微分細孔容積」が大きいとは、ある一定の細孔径の細孔数が多いことを意味する。また、本明細書において、「微分細孔容積が最大値を示す細孔径」とは、上記微分細孔容積カーブが最大値を示す点に対応する横軸の値をいう。
測定装置には日機装社製Microtrac(型番:MT3000)を用いる。上記測定装置は、光学台、試料供給部及び制御ソフトを搭載したコンピュータからなり、光学台にはレーザー光透過窓を備えた湿式セルが設置される。測定原理は、測定対象試料が分散溶媒中に分散している分散液が循環している湿式セルにレーザー光を照射し、測定試料からの散乱光分布を粒度分布に変換する方式である。上記分散液は試料供給部に蓄えられ、ポンプによって湿式セルに循環供給される。分散溶媒としてエタノールを用いる。測定制御ソフトにはMicrotrac DHS for Win98 (MT3000)を用いる。上記測定装置に設定入力する「物質情報」については、「透明度」として「反射(REFLECTING)」を選択する。また、溶媒の「屈折率」として1.36を設定する。試料の測定に先立ち、「Set Zero」操作を行う。「Set Zero」操作は、粒子からの散乱光以外の外乱要素(ガラス、ガラス壁面の汚れ、ガラス凸凹など)が後の測定に与える影響を差し引くための操作であり、試料供給部に分散溶媒であるエタノールのみを入れ、湿式セルに分散溶媒であるエタノールのみが循環している状態でバックグラウンド測定を行い、バックグラウンドデータをコンピュータに記憶させる。続いて「Sample LD(Sample Loading)」操作を行う。Sample LD操作は、測定時に湿式セルに循環供給される分散液中の試料濃度を最適化するための操作であり、測定制御ソフトの指示に従って試料供給部に測定対象試料を手動で最適量に達するまで投入する操作である。続いて、「測定」ボタンを押すことで測定操作が行われる。上記測定操作を2回繰り返し、その平均値として測定結果が制御コンピュータから出力される。測定結果は、粒度分布、並びに、D10、D50及びD90の各値(D10、D50及びD90は、2次粒子の粒度分布における累積体積がそれぞれ10%、50%及び90%となる粒度)として取得される。粒度分布の分割幅は、縦軸の頻度を0.01%、横軸の常用対数をとった粒径を0.0376として設定する。得られたD50の値を平均粒径とする。
ユアサアイオニクス社製比表面積測定装置(商品名:MONOSORB)を用いて、一点法により、試料に対する窒素吸着量(m2)を求める。得られた吸着量を、試料の質量(g)で除した値をBET比表面積(m2/g)とする。測定に当たって、液体窒素を用いた冷却によるガス吸着を行う。また、冷却前に120℃、15分の予備加熱を行う。測定試料の投入量は、黒鉛では0.2g±0.01gとする。
本実施形態に係る正極活物質や、本実施形態に係る非水電解質蓄電素子が備える正極に含まれる活物質に対する各測定に供する試料は、以下のとおりの手順、及び条件により、調製する。
測定に供する試料は、正極作製前の粉末試料であれば、そのまま測定に供する。
電池を解体して取り出した正極から試料を採取する場合には、電池を解体する前に、当該電池の公称容量(Ah)と同じ電気量を1時間で通電する電流の10分の1となる電流値(A)で、指定される電圧の下限となる電池電圧に至るまで定電流放電を行い、放電状態とする。解体した結果、金属リチウム電極を負極に用いた電池であれば、以下に述べる追加作業は行わず、正極から採取した正極合剤を測定対象とする。金属リチウム電極を負極に用いた電池でない場合は、正極電位を正確に制御するため、電池を解体して取り出した正極を作用極とし、金属リチウム電極を対極とした電池を組立て、正極合剤1g当たり10mAの電流値で、電圧が2.0Vとなるまで定電流放電を行い、放電状態に調整した後、再解体する。取り出した正極は、ジメチルカーボネートを用いて付着した非水電解質を十分に洗浄し、室温にて一昼夜の乾燥後、正極から正極合剤を採取する。なお、電池の解体から再解体までの作業、及び正極板の洗浄、乾燥作業は、露点−60℃以下のアルゴン雰囲気中で行う。
エックス線回折測定に供する試料は、上記合剤を、瑪瑙製乳鉢で壊砕後、測定に供する。
ピーク微分細孔容積測定に供する試料は、上記合剤を、小型電気炉を用いて600℃で2時間焼成することで導電剤、及び結着剤を除去し、得られた粉末を測定に供する。
本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子(以下、単に「蓄電素子」ともいう。)は、正極と、負極と、非水電解質とを備える。非水電解質蓄電素子の一例として、非水電解質二次電池(以下、単に「二次電池」ともいう。)について説明する。
正極は、正極基材と、当該正極基材に直接又は中間層を介して配される正極合剤層とを有する。
負極は、負極基材と、当該負極基材に直接又は中間層を介して配される負極合剤層とを有する。中間層の構成は特に限定されず、例えば上記正極で例示した構成から選択することができる。
セパレータは、公知のセパレータの中から適宜選択できる。セパレータとして、例えば、基材層のみからなるセパレータ、基材層の一方の面又は双方の面に耐熱粒子とバインダとを含む耐熱層が形成されたセパレータ等を使用することができる。セパレータの基材層の材質としては、例えば、織布、不織布、多孔質樹脂フィルム等が挙げられる。これらの材質の中でも、強度の観点から多孔質樹脂フィルムが好ましく、非水電解質の保液性の観点から不織布が好ましい。セパレータの基材層の材料としては、シャットダウン機能の観点から例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好ましく、耐酸化分解性の観点から例えばポリイミドやアラミド等が好ましい。セパレータの基材層として、これらの樹脂を複合した材料を用いてもよい。
非水電解質としては、公知の非水電解質の中から適宜選択できる。非水電解質には、非水電解液を用いてもよい。非水電解液は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解されている電解質塩とを含む。
図1に、本発明の蓄電素子の一実施形態として角型の非水電解質二次電池の一例を示す。セパレータを挟んで巻回された正極、及び負極を有する電極体2が角型のケース3に収納される。正極は正極リード4’を介して正極端子4と電気的に接続されている。負極は負極リード5’を介して負極端子5と電気的に接続されている。
本実施形態の蓄電素子は、電気自動車(EV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の自動車用電源、パーソナルコンピュータ、通信端末等の電子機器用電源、又は電力貯蔵用電源等に、複数の蓄電素子1を集合して構成した蓄電ユニット(バッテリーモジュール)として搭載することができる。この場合、蓄電装置に含まれる少なくとも一つの蓄電素子に対して、本発明の技術が適用されていればよい。
図2に、電気的に接続された二以上の蓄電素子1が集合した蓄電ユニット20をさらに集合した蓄電装置30の一例を示す。蓄電装置30は、二以上の蓄電素子1を電気的に接続するバスバ(図示せず)、二以上の蓄電ユニット20を電気的に接続するバスバ(図示せず)を備えていてもよい。蓄電ユニット20又は蓄電装置30は、一以上の蓄電素子の状態を監視する状態監視装置(図示せず)を備えていてもよい。
本実施形態の蓄電素子の製造方法は、公知の方法から適宜選択できる。当該製造方法は、例えば、電極体を準備する工程と、非水電解質を準備する工程と、電極体、及び非水電解質を容器に収容する工程と、を備える。電極体を準備する工程は、正極、及び負極を準備する工程と、正極、及び負極を、セパレータを介して積層又は巻回することにより電極体を形成する工程を備える。
尚、本発明の蓄電素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。例えば、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を追加することができ、また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成又は周知技術に置き換えることができる。さらに、ある実施形態の構成の一部を削除することができる。また、ある実施形態の構成に対して周知技術を付加することができる。
<リチウム過剰型正極活物質の合成>
硫酸ニッケル6水和物17.7g及び硫酸マンガン5水和物32.5gを秤量し、これらの全量をイオン交換水200mLに溶解させ、Ni:Mnのモル比が33.3:66.7となる1.0mol/Lの硫酸塩水溶液を作製した。一方、2Lの反応槽に750mLのイオン交換水を注ぎ、CO2ガスを30minバブリングさせることにより、イオン交換水中にCO2を溶解させた。反応槽の温度を50℃(±2℃)に設定し、攪拌モーターを備えたパドル翼を用いて反応槽内を700rpmの回転速度で攪拌しながら、上記硫酸塩水溶液を2mL/minの速度で滴下した。ここで、滴下の開始から終了までの間、1.0mol/Lの炭酸ナトリウムを含有する水溶液を適宜滴下することにより、反応槽中のpHが常に7.9(±0.05)を保つように制御した。滴下終了後、反応槽内の攪拌をさらに5h継続した。攪拌の停止後、12h以上静置した。
次に、吸引ろ過装置を用いて、反応槽内に生成した共沈炭酸塩の粒子を分離し、さらにイオン交換水を用いて粒子に付着しているナトリウムイオンを洗浄除去し、電気炉を用いて、空気雰囲気中、常圧下、80℃にて20h乾燥させた。その後、粒径を揃えるために、瑪瑙製乳鉢で数分間粉砕した。このようにして、共沈炭酸塩前駆体を作製した。
300mLの三角フラスコに硫酸アルミニウム水和物と、イオン交換水とを混合し、硫酸アルミニウムが0.5mol/Lとなる硫酸アルミニウム水溶液を調整した。上記の硫酸アルミニウム水溶液をスターラーを用いて、25℃、400rpmで撹拌しているところに、上記のリチウム過剰型正極活物質5.0g投入した。リチウム過剰型正極活物質を投入してから、30sec後に吸引ろ過することによって、ろ紙上にリチウム過剰型正極活物質を回収した。
このリチウム過剰型正極活物質を乾燥機を用いて、空気中、常圧、80℃で20h乾燥させることによって、アルミニウム処理したリチウム過剰型正極活物質を得た。
上記のアルミニウム処理したリチウム過剰型正極活物質をアルミナ製るつぼのフタに載置し、箱型電気炉(型番:AMF20)に設置し、空気中、昇温速度が5℃/min、熱処理温度が400℃、保持時間が4hの条件で熱処理することによって、アルミニウムが被覆された、実施例1−1に係るリチウム過剰型正極活物質(以下、「LR1」という)を得た。LR1のLi/Me=1.33であり、上記の条件で測定したピーク微分細孔容積は0.98mm3/(g・nm)であった。
共沈炭酸塩前駆体と炭酸リチウムとを混合したペレットの焼成温度を930℃に変更したことを除いては、実施例1−1と同様にして、実施例1−5に係るリチウム過剰型正極活物質Li1.14Ni0.29Mn0.57O2(以下、「LR2」という)を作製した。LR2のLi/Me=1.33であり、上記の条件で測定したピーク微分細孔容積は0.72mm3/(g・nm)であった。
共沈炭酸塩前駆体のNi:Co:Mnのモル比を19.5:12.3:68.2に変更し、その前駆体を用い、Li:Me(Ni,Co及びMnの合計)のモル比が1.38である混合粉体を調製し、その粉体から形成したペレットの焼成温度を900℃に変更したことを除いては、実施例1−1と同様にして、実施例1−6に係るリチウム過剰型正極活物質Li1.17Ni0.16Co0.1Mn0.57O2(以下「LR3」という)を作製した。なお、Co源として、硫酸コバルト7水和物を用いた。LR3のLi/Me=1.38であり、上記の条件で測定したピーク微分細孔容積は2.53mm3/(g・nm)であった。
正極活物質としてLR1を用い、非晶質炭素としてアセチレンブラック(AB)を用い、黒鉛として薄片状黒鉛を用い、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)を用いた。正極活物質:非晶質炭素:黒鉛:バインダ=95.5:2.5:0.5:1.5の割合(固形物換算)で含有し、N−メチルピロリドン(NMP)を分散媒とする正極ペーストを作製した。この正極ペーストを正極基材であるアルミニウム箔の片面に塗布した。その後100℃で1時間乾燥し、極板中のNMPを除去した。
黒鉛として、薄片状黒鉛に代えて、鱗片状黒鉛、球状黒鉛、及び塊状黒鉛にそれぞれ変更したことを除いては、実施例1−1と同様にして、実施例1−2〜1−4に係る正極をそれぞれ作製した。
黒鉛を用いず、正極活物質:非晶質炭素:バインダ=95.5:3.0:1.5の割合(固形物換算)としたことを除いては、実施例1−1と同様にして比較例1−1に係る正極を作製した。
正極活物質を、上記LR2としたことを除いては、実施例1−1、及び比較例1−1と同様にして、実施例1−5、及び比較例1−2に係る正極をそれぞれ作製した。
正極活物質を、LR3としたことを除いては、実施例1−1、及び比較例1−1と同様にして、実施例1−6、及び比較例1−3に係る正極をそれぞれ作製した。
正極活物質を表1に記載の市販の正極活物質LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(以下「NCM523」という)、又はLiNi0.33Co0.33Mn0.33O2(以下「NCM111」という)としたことを除いては、実施例1−1と同様にして参考例1−1、及び参考例1−3に係る正極をそれぞれ作製した。また、比較例1−1と同様にして参考例1−2、及び参考例1−4に係る正極をそれぞれ作製した。また、これらの正極活物質についても、上記の条件でピーク微分細孔容積を測定した。
上記実施例1−1〜1−6、比較例1−1〜1−3、及び参考例1−1〜1−4に係る正極に関して、プレス試験を行った。
プレス前の極板を2×2cm2に打ち抜いた後、室温にてロールプレスを実施した。具体的には、厚さに変化がなくなるまで、極板を複数回プレス機に通した。また、そのときの合剤の「電極密度(g/cm3)」を求めた。ここで、電極密度とは、「(試験に供した正極の試験片の質量)−(正極基材の質量)」(単位g)を「合剤の体積(2×2×(正極基材を除く正極の厚さ))」(単位cm3)で除したものである。
実施例1−1、及び比較例1−1に係る正極をプレスし、上記の条件でCu管球を用いたエックス線回折測定を行った。その結果を図5に示す。実施例1−1では、26.4°付近に黒鉛に由来するピークが見られた。このピークの半値幅は0.4°以下であった。また、実施例1−1〜実施例1−4に係る電極に用いる前の、薄片状黒鉛、鱗片状黒鉛、球状黒鉛、及び塊状黒鉛粉末のエックス線回折測定の結果、いずれも、26.4°付近のピークの半値幅は0.4°以下であった。
上記で良好な結果が得られた正極について、電気化学特性を評価した。
正極活物質としてLR1を、黒鉛種として薄片状黒鉛を用い、ABと黒鉛の含有量を表4に示すとおりとしたことを除いては、実施例1−1と同様にして正極を作製した。上記正極をプレスし、プレス後の正極を得た。
プレス後の正極を用いて、次の手順で試験セルを作製した。
非水電解質(電解液)として、フルオロエチレンカーボネート及び2,2,2−トリフルオロエチルメチルカーボネートを3:7の体積比で混合した混合溶媒に、濃度が1mol/LとなるようにLiPF6を溶解させた溶液を用いた。セパレータとして、ポリアクリレートで表面改質したポリプロピレン製の微孔膜を用いた。負極には、金属リチウムを用いた。外装体には、ポリエチレンテレフタレート(15μm)/アルミニウム箔(50μm)/金属接着性ポリプロピレンフィルム(50μm)からなる金属樹脂複合フィルムを用い、正極端子、及び負極端子の開放端部が外部露出するように電極を収納し、上記金属樹脂複合フィルムの内面同士が向かい合った融着代を注液孔となる部分を除いて気密封止し、上記電解液を注液後、注液孔を封止した。
上記試験セルについて、25℃の恒温槽内にて、次の手順で容量確認試験を行った。
(1)充電工程
充電電流0.1C、充電電圧4.7Vの定電流定電圧充電を行った。充電終止条件は電流が0.05Cに減衰したときとした。充電終了後、10分間の休止を行った。
(2)放電工程
放電終止電圧を2.0Vとする定電流放電を行った。放電終了後、10分間の休止を行った。
2回目の放電容量(mAh)を、正極が含む正極活物質の質量で除算し、「0.1C放電容量(mAh/g,対極リチウム)」として記録した。同様に3回目の放電容量(mAh)を、正極が含む正極活物質の質量で除算し、「2C放電容量(mAh/g,対極リチウム)」として記録した。
負極活物質として黒鉛を用い、結着剤としてカルボキシメチルセルロースを用い、増粘剤としてスチレンブタジエンゴムを用いた。負極活物質:結着剤:増粘剤=96.7:2.1:1.2質量比(固形分換算)で含有し、水を分散媒とする負極ペーストを作製した。この負極ペーストを負極基材である銅箔上に塗布、乾燥、プレスし、黒鉛負極を作製した。
上記試験セルについて、25℃の恒温槽中で、次の手順で下記の容量確認試験を行った。
(1’)充電工程
充電電流0.1C、充電電圧4.6Vとする定電流定電圧充電を行った。充電終止条件は電流が0.05Cに減衰したときとした。充電終了後、10分間の休止を行った。
(2’)放電工程
放電電流0.1C、放電終止電圧を2.0Vとする定電流放電を行った。放電終了後、10分間の休止を行った。
上記容量確認試験に供した試験セルについて、25℃の恒温槽内にて、次の手順で充放電サイクル試験を行った。
(1’’)充電工程
充電電流0.5C、充電電圧4.6Vの定電流定電圧充電を行った。充電終止条件は、電流が0.1Cに減衰したときとした。充電終了後、10分間の休止を行った。
(2’’)放電工程
放電電流1C、放電終止電圧2.0Vの定電流放電を行った。放電終了後、10分間の休止を行った。
上記充放電サイクル試験後のセルについて、放電電流0.1C、放電終止電圧2.0Vの定電流放電をおこなった後、上記「容量確認試験(対極黒鉛)」と同様の手順で1回の充放電を行った。このときの容量を「50サイクル後の放電容量」として記録した。上記「初期放電容量」に対する上記「50サイクル後の放電容量」の百分率を「50サイクル後維持率(%,対極黒鉛)」として算出した。
2 電極群
3 電池容器
4 正極端子
4’ 正極リード
5 負極端子
5’ 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
Claims (3)
- リチウム過剰型正極活物質と、非晶質炭素と、黒鉛とを含む、非水電解質蓄電素子用正極。
- 上記リチウム過剰型正極活物質のピーク微分細孔容積が0.5mm3/(g・nm)以上である、請求項1に記載の非水電解質蓄電素子用正極。
- 請求項1又は請求項2に記載の非水電解質蓄電素子用正極を備えた非水電解質蓄電素子。
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