JP3167518B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents

非水電解質二次電池

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幹也 山崎
敦 末森
丈志 前田
良浩 小路
晃治 西尾
俊彦 斎藤
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Sanyo Electric Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、充放電領域において2
V(vs.Li/Li+ )以上の電位を示す遷移金属酸
化物又は遷移金属複合酸化物を正極活物質とする正極
と、金属リチウム又はリチウムイオンを吸蔵・放出する
ことが可能な物質を負極材料とする負極と、非水電解質
とを備える非水電解質二次電池に係わり、詳しくは当該
非水電解質二次電池のサイクル特性を改善することを目
的とした、正極活物質の改良に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
非水電解質二次電池が、エネルギー密度が高く、しかも
水の分解電圧を考慮する必要が無いため高電圧化が可能
であるなどの利点があることから、次世代の二次電池と
して、注目されている。
【0003】高電圧型の非水電解質二次電池の正極活物
質としては、充放電領域において2V(vs.Li/L
+ )以上の電位を示すLiNiO2 、LiCoO2
の遷移金属複合酸化物が提案されているが、充放電サイ
クルの進行に伴う容量低下が著しいという問題があっ
た。
【0004】本発明は、この問題を解決するべくなされ
たものであって、その目的とするところは、正極活物質
として特定の遷移金属複合酸化物を用いることにより、
サイクル特性に優れた高電圧型の非水電解質二次電池を
提供するにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る非水電解質二次電池(以下、「本発明電
池」と称する。)は、組成式Lix Ni1-y y
z (但し、0<x<1.3、0.02≦y≦0.98、
1.8<z<2.2、MはCo又はCoを主体とする2
種以上の遷移元素である。)で表される遷移金属複合酸
化物を正極活物質とする正極と、金属リチウム又はリチ
ウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な物質を負極
材料とする負極と、非水電解質とを備える非水電解質二
次電池において、前記遷移金属複合酸化物が、六方晶と
して計算した場合の、格子定数aが2.818〜2.8
78であり、且つ、格子定数cが14.047〜14.
184であるLiCoO2 型結晶相(A)と、六方晶と
して計算した場合の、格子定数aが2.818〜2.8
78であり、且つ、格子定数cが14.047〜14.
184であるLiNiO2 型結晶相(B)との複合構造
をなすものである。
【0006】本発明が、特定の遷移金属複合酸化物を正
極活物質とする正極を備えた非水電解質二次電池を対象
とするのは、充放電領域において2V(vs. Li/Li
+ )以上の電位を有するこの種の正極活物質を用いた場
合に、特に充放電サイクル時の結晶構造の崩壊に因る特
性劣化が著しいからである。
【0007】本発明における負極材料としては、金属リ
チウム又はリチウムイオンを吸蔵及び放出することが可
能な物質が用いられる。リチウムイオンを吸蔵及び放出
することが可能な物質としては、コークス、黒鉛、有機
物焼成体等の炭素材料が例示される。
【0008】
【作用】本発明電池においては、複合構造をなす特定の
遷移金属複合酸化物が正極活物質として用いられている
ので、充放電サイクル時のリチウムイオンの吸蔵及び放
出に伴う正極活物質の結晶構造の崩壊が起こりにくい。
このため容量低下が抑制される。
【0009】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細
に説明するが、本発明は下記実施例により何ら限定され
るものではなく、その要旨を変更しない範囲において適
宜変更して実施することが可能なものである。
【0010】(実施例) 〔正極の作製〕LiOHと平均粒径がともに20μm以
上であるNi(OH)2 及びCo(OH)2 とを乳鉢に
て所定の割合で混合した後、乾燥空気雰囲気下にて、7
50°Cで20時間熱処理し、次いで石川式らいかい乳
鉢中で平均粒径約5μmの粉末に粉砕し、組成式LiN
1-y Coy 2 (y=0.02、0.2、0.5、
0.8、0.98)で表される正極活物質としての5種
類の遷移金属複合酸化物粉末を得た。これらの遷移金属
複合酸化物の第1相(LiCoO2 型の六方晶構造に近
似した結晶構造を有する。)及び第2相(LiNiO2
型の六方晶構造に近似した結晶構造を有する。)の格子
定数a及びcを次の表1にまとめて示す。
【0011】
【表1】
【0012】このようにして得た遷移金属複合酸化物粉
末と、導電剤としてのアセチレンブラックと、結着剤と
してのフッ素樹脂粉末とを、重量比90:6:4の比率
で混合して正極合剤を調製し、この正極合剤を成形圧2
トン/cm2 で直径20mmの円板状に加圧成形したの
ち250°Cで熱処理して正極を作製した。
【0013】〔負極の作製〕リチウム圧延板を直径20
mmの円板状に打ち抜いて負極を作製した。
【0014】〔電解液の調製〕プロピレンカーボネート
と1,2−ジメトキシエタンとの等体積混合溶媒に、過
塩素酸リチウムを1モル/リットル溶かして電解液(非
水電解液)を調製した。
【0015】〔電池の作製〕以上の正負両極及び非水電
解液を用いて扁平型の本発明電池BA1〜BA5を組み
立てた(電池寸法:直径24.0mm、厚さ3.0m
m)。なお、セパレータとしては、ポリプロピレン製の
微多孔膜(ヘキストセラニーズ社製、商品名「セルガー
ド」)を使用し、これに先の電解液を含浸させた。
【0016】図1は、組み立てた本発明電池BA1を模
式的に示す断面図であり、同図に示す本発明電池BA1
は、正極1、負極2、これら両電極1、2を互いに離間
するセパレータ3、正極缶4、負極缶5、正極集電体
6、負極集電体7及びポリプロピレン製の絶縁パッキン
グ8などからなる。
【0017】正極1及び負極2は、非水電解液を含浸し
たセパレータ3を介して対向して正負両極缶4,5が形
成する電池ケース内に収納されており、正極1は正極集
電体6を介して正極缶4に、また負極2は負極集電体7
を介して負極缶5に接続され、電池内部に生じた化学エ
ネルギーを正極缶4及び負極缶5の両端子から電気エネ
ルギーとして外部へ取り出し得るようになっている。
【0018】(比較例)平均粒径がともに20μm以上
のNi(OH)2 及びCo(OH)2 に代えて、平均粒
径がともに2μm以下のNi(OH)2 及びCo(O
H)2 を用いたこと以外は実施例と同様にして、比較電
池BC1〜BC7を組み立てた。
【0019】また、LiCoO2 とLiNiO2 とを、
Co及びNiの総モルに対するCoのモル比が、順に
0.02、0.2、0.5、0.8又は0.98となる
ように混合して得た混合物を正極活物質として用いたこ
と以外は実施例と同様にして、比較電池BC8〜BC1
2を組み立てた。
【0020】上記比較例で用いた正極活物質の第1相及
び第2相の格子定数a及びcを先の表1にまとめて示
す。
【0021】なお、図2は本発明電池BA3に用いた正
極活物質のX線回折パターンであり図3は比較電池BC
3に用いた正極活物質のX線回折パターンである。図2
中、○符号を付した回折ピークが格子定数a及びcが比
較的大きいLiNiO2 型結晶相(B)の回折ピークで
あり、また△符号を付した回折ピークが格子定数a及び
cが比較的小さいLiCoO2 型結晶相(A)の回折ピ
ークである。図2のX線回折パターンをJCPDSカー
ドNos.16−427(LiCoO2 )及び9−63
(LiNiO2 )と照合して、本発明電池BA3に用い
た正極活物質は、LiCoO2 型結晶相(A)とLiN
iO2 型結晶相(B)とが均一に固溶化した二相構造か
らなるものであるのに対して、比較電池BC3に用いた
正極活物質は、単一相からなるものであることを確認し
た。
【0022】〔各電池の充放電サイクル特性〕本発明電
池BA1〜BA5及び比較電池BC1〜BC12につい
て、充電電流密度1mA/cm2 で4.3Vまで充電し
た後、放電電流密度3mA/cm2 で2.5Vまで放電
する工程を1サイクルとする充放電サイクル試験を行
い、100サイクル目の放電容量の1サイクル目の放電
容量に対する容量劣化率を求めた。結果を先の表1に示
す。
【0023】表1より、本発明電池は、正極活物質の結
晶構造が単一相からなる比較電池BC1〜BC7に比
し、100サイクル目における容量劣化率が格段に小さ
いことから、サイクル特性に極めて優れていることが分
かる。また、比較電池BC8〜BC12の100サイク
ル目における容量劣化率が極めて良くないことから、L
iCoO2 とLiNiO2 とを単に混合使用したので
は、リチウムイオンの吸蔵及び放出に伴う結晶構造の崩
壊が起こりにくい電気化学的に安定な正極活物質は得ら
れないことが分かる。
【0024】叙上の実施例では本発明を扁平型電池に適
用する場合を例に挙げて説明したが、電池の形状に特に
制限はなく、本発明は円筒型、角型等、種々の形状の非
水電解質二次電池に適用し得るものである。
【0025】また、電解液として非水電解液を用いた
が、固体電解質を用いることももとより可能である。
【0026】
【発明の効果】LiCoO2 型結晶相(A)とLiNi
2 型結晶相(B)との複合構造からなる電気化学的に
安定した結晶構造を有する特定の遷移金属複合酸化物が
正極活物質として用いられているので、充放電サイクル
時のリチウムイオンの吸蔵及び放出に伴う正極活物質の
結晶構造の崩壊が起こりにくく、それゆえサイクル特性
に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例で作製した本発明電池(扁平型電池)の
断面図である。
【図2】本発明電池の作製に用いた正極活物質のX線回
折パターンである。
【図3】比較電池の作製に用いた正極活物質のX線回折
パターンである。
【符号の説明】
BA1 本発明電池 1 正極 2 負極 3 セパレータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小路 良浩 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内 (72)発明者 西尾 晃治 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内 (72)発明者 斎藤 俊彦 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−294364(JP,A) 特開 平5−198301(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/58 H01M 4/02 H01M 10/40

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】組成式Lix Ni1-y yz (但し、0
    <x<1.3、0.02≦y≦0.98、1.8<z<
    2.2、MはCo又はCoを主体とする2種以上の遷移
    元素である。)で表される遷移金属複合酸化物を正極活
    物質とする正極と、金属リチウム又はリチウムイオンを
    吸蔵及び放出することが可能な物質を負極材料とする負
    極と、非水電解質とを備える非水電解質二次電池におい
    て、前記遷移金属複合酸化物が、六方晶として計算した
    場合の、格子定数aが2.818〜2.878であり、
    且つ、格子定数cが14.047〜14.184である
    LiCoO2 型結晶相(A)と、六方晶として計算した
    場合の、格子定数aが2.818〜2.878であり、
    且つ、格子定数cが14.047〜14.184である
    LiNiO2 型結晶相(B)との複合構造をなすもので
    あることを特徴とする非水電解質二次電池。
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