JP3422441B2 - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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lithium secondary
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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

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  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明はリチウム二次電池に関す
るもので、さらに詳しくはその正極活物質に関するもの
である。 【0002】 【従来の技術】近年、高エネルギー密度化のために作動
電圧が4V前後を示す活物質や長寿命化のために負極に
炭素材料を用いる電池などが注目を集めている。長寿命
化のため負極に炭素材料を用いる場合であっても、正極
の作動電圧が高いものでなければ高エネルギー密度電池
が得られにくいということからLiCoO2 やLiNi
2 等の、LiMO2 で示される層状構造を有する化合
物またはLiMn2 4 等の、LiM2 4 で示される
スピネル構造を有する化合物が提案され、すでに一部実
用化されている。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、LiC
oO2 はコバルトが資源的に少なく価格が高く、また容
量が小さいという欠点がある。また資源的に安定なニッ
ケルを用いたLiNiO2 は、LiCoO2 に比べて容
量が大きい反面、サイクルに伴う容量の劣化が大きいこ
と、及びLiCoO2 に比べて量産規模での安定化した
合成が難しいことにより実用化するには問題があった。 【0004】これらの問題を解決するために、LiNi
2 のNiの一部を置換し複合化する研究開発も盛んに
行われている。例えば、特開昭62−264560、特
開昭63−114063、特開昭63−211565、
特開昭63−299056、特開平1−120765、
特開平2−40861、特開平5−325966ではL
iNix Co1-x 2 で示される複合酸化物を正極に用
いることが提案されているが、LiNiO2 に比べ初期
容量が低下するという問題がある。 【0005】また、特開昭62−256371、特開平
5−101827、特開平5−198301、特開平5
−283076、特開平5−299092、特開平6−
96768等は、LiNiO2 中のNiの一部をCo,
V,Cr,Fe,Cu,Mg,Ti,Mn等の各種遷移
金属で置換することが提案されているが、サイクル特性
の改善が不十分である。 【0006】一方、特開平4−253162ではLiC
oO2 のCoの一部をPb,Bi,Bで置換する事が提
案され、また特公平4−24831では一般式Ax y
z2 のNi等遷移金属元素Mに、Al,In,Sn
の中の少なくとも1種の元素Nで置換する事が提案され
ている。さらに特開平5−54889では、一般式Li
x y z 2 の、Ni等の遷移金属元素Mに、周期律
表IIIB、IVB、及びVB族の非金属元素及び半金
属元素、アルカリ土類金属元素及びZn,Cu,Ti等
の金属元素の中から選ばれた1種または2種以上の元素
Lで置換することが提案されている。 【0007】しかし、LiCoO2 ではCoの一部を元
素Lでの置換が容易であったのに対し、LiNiO2
Niの一部を元素Lで置換した活物質の合成は困難であ
り、元素Lが構造中に取り込まれず、活物質中に不純物
として残存し充放電効率の低下や自己放電の増大といっ
た電池性能に悪影響を与えることが分かった。理由は断
定できないが、LiNiO2 の場合LiCoO2 に比べ
層状構造をとり難く、元素Lは結晶成長段階でC軸方向
への成長を阻害させ、元素Lの置換が起こり難く、不純
物として残存したと考えられる。 【0008】 【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点に鑑
みてなされたものであって、その目的とするところは、
エネルギー密度の大きい長寿命リチウム二次電池を提供
することにある。 【0009】上記課題について鋭意検討した結果、Li
NiO2 においてはNiの一部をAl,In,Sn等の
元素で置換する場合、Mn,Fe,Ti,V,Cr,C
uを加えることにより非常に容易になることが分かっ
た。この理由は断定できないが、Mn,Fe,Ti,
V,Cr,CuはNiと同じLiMO2 型の層状構造を
とり易く、Mn,Fe,Ti,V,Cr,Cuを加える
ことでC軸方向への成長を阻害することなく置換され
る。さらにLiCoO2 中では、Al,In,Sn等の
元素とMn,Fe,Ti,V,Cr,Cuが容易に置換
し層状構造をとることができる。したがって、LiNi
2 中のNiは、Mn,Fe,Ti,V,Cr,Cuと
同時にAl,In,Sn等の元素を加えることによりは
じめてC軸方向への成長を阻害することなく均一に置換
することができたものと考えられる。 【0010】また、LiNiO2 中のNiの一部をA
l,In,Sn等の元素で置換することを選択した理由
を以下に示す。 【0011】Al,Inは3価を、Snは4価をとるこ
とが知られているが、このような元素は電池反応に寄与
しない。 【0012】3価の元素Al,Inで置換された部分で
は、リチウムが固定された形で存在する。この部分がL
i層の柱的な役割を果たし、充電末状態で酸素層間の反
発を抑え、結晶構造の変化を抑制する。さらに検討した
ところ、これらの元素Al,InがMn,Fe,Ti,
V,Cr,Cuの存在により一様に結晶内に存在し、そ
の効果を発揮することが分かった。その結果、酸素層間
に残存するリチウムも一様に分散し、その効果を高めて
いる。 【0013】また、4価の元素Snで置換された部分
は、酸素と強く結合しているために、充電末状態で酸素
層間の反発を抑え、結晶構造の変化を抑制する。さらに
検討したところ、Sn元素がMn,Fe,Ti,V,C
r,Cuの存在により一様に結晶内に存在し、その効果
を発揮することが分かった。その結果、酸素層間で全体
的に反発が抑制され、その効果を高めている。 【0014】よって、以上の効果により本発明の活物質
は、従来のLiNiO2 に比べより深い充放電が可能で
あるので、容量が増大し、サイクル経過後の容量低下が
小さいものと思われる。 【0015】 【作用】LiNiO2 にMn,Fe,Ti,V,Cr,
Cuの存在下、Al,In,Sn等の元素で置換すると
容量の増加及びサイクル特性が向上する理由は以下のよ
うに考える。 【0016】一般的に、LiNiO2 を深い深度で充電
すると、結晶構造の変化を起こし、さらには結晶構造の
崩壊を起こす。層状構造中のLiが抜けることにより、
酸素層間の反発が起こりより安定な結晶構造に変化した
り、反発に耐えきれず結晶が崩壊する。 【0017】これに対し、LiNiO2 中のNiの一部
をMn,Fe,Ti,V,Cr,Cuの存在下、Al,
In,Snの様な元素で置換することにより、層状構造
中にLiの動かない部分を作ることや酸素間の反発力を
抑えることができるので、結晶構造の変化や崩壊を防ぐ
ことができる。よって、従来のLiNiO2 に比べ、深
い充放電を行っても優れたサイクル安定性を示すものと
思われる。 【0018】 【実施例】以下、本発明の実施例について以下に説明す
る。 【0019】(実施例1)層状構造を有するリチウム複
合酸化物の調製にあたっては、LiOH・H2 0、Ni
2 CO3 、MnO2 、Al(NO3 3 ・9H2 Oを用
い、Li:Ni:Mn:Alのモル比が1.03:0.
89:0.10:0.01となるように秤量、混合し、
酸素中、750℃で20時間焼成した。焼成後乾燥空気
中で冷却し、乾燥雰囲気で粉砕したものを正極活物質と
した。 【0020】得られた正極活物質のX線回折パターンに
より、結晶が単一相で得られていることが分かった。 【0021】この活物質を用いて次のようにしてコイン
型リチウム二次電池を試作した。活物質とアセチレンブ
ラック及びポリテトラフルオロエチレン粉末とを重量比
85:10:5で混合し、トルエンを加えて十分混練し
た。これをローラープレスにより厚み0.8mmのシー
ト状に成形した。次にこれを直径16mmの円形に打ち
抜き減圧下200℃で15時間熱処理し正極1を得た。
正極1は正極集電体6の付いた正極缶4に圧着して用い
た。負極2は、厚み0.3mmのリチウム箔を直径15
mmの円形に打ち抜き、負極集電体7を介して負極缶5
に圧着して用いた。エチレンカーボネートとジエチルカ
ーボネートとの体積比1:1の混合溶剤にLiPF6
1mol/l溶解した電解液を用い、セパレータ3には
ポリプロピレン製微多孔膜を用いた。上記正極、負極、
電解液及びセパレータを用いて直径20mm厚さ1.6
mmのコイン型リチウム電池を作製した。この電池をA
1とする。 【0022】(実施例2)Al(NO3 3 ・9H2
の代わりにIn(NO3 3 ・xH2 Oを用い、Li:
Ni:Mn:Inのモル比が1.03:0.89:0.
10:0.01となるように秤量すること以外は上記実
施例1と同様にして電池を作製した。得られた正極活物
質のX線回折パターンより、結晶が単一相で得られてい
ることが分かった。この電池をA2とする。 【0023】(実施例3)Al(NO 3 3 ・9H 2
代わりにSnOを用い、Li:Ni:Mn:Snのモル
比が1.03:0.89:0.10:0.01となるよ
うに秤量すること以外は上記実施例1と同様にして電池
を作製した。得られた正極活物質のX線回折パターンよ
り、結晶が単一相で得られていることが分かった。この
電池をA3とする。 【0024】(実施例4)MnO2 の代わりにFe(N
3 3 ・9H2 Oを用い、Li:Ni:Fe:Alの
モル比が1.03:0.89:0.10:0.01とな
るように秤量すること以外は上記実施例1と同様にして
電池を作製した。得られた正極活物質のX線回折パター
ンより、結晶が単一相で得られていることが分かった。
この電池をA4とする。 【0025】(実施例5)MnO2の代わりにCr(N
33・9H2Oを用い、Li:Ni:Cr:Alのモ
ル比が1.03:0.89:0.10:0.01となる
ように秤量すること以外は上記実施例1と同様にして電
池を作製した。得られた正極活物質のX線回折パターン
より、結晶が単一相で得られていることが分かった。こ
の電池をA5とする。 【0026】(比較例1)LiOH・H2 O、NiCO
3 を用い、Li:Niのモル比が1.03:1.00と
なるように秤量することの他は上記実施例1と同様にし
て電池を作製した。得られた正極活物質のX線回折パタ
ーンより、結晶が単一相で得られていることが分かっ
た。この電池をB1とする。 【0027】(比較例2)LiOH・H20、NiC
3、MnO2を用い、Li:Ni:Mnのモル比が1.
03:0.90:0.10となるように秤量することの
他は上記実施例1と同様にして電池を作製した。得られ
た正極活物質のX線回折パターンから、結晶が単一相で
得られていることが分かった。この電池をB2とする。 【0028】(比較例3)LiOH・H20、NiC
3、Al(NO33・9H2Oを用い、Li:Ni:
のモル比が1.03:0.90:0.10となるよう
に秤量することの他は上記実施例1と同様にして電池を
作製した。得られた正極活物質のX線回折パターンか
ら、LiNiO2の層状結晶の成長が悪く、十分に特定
できない化合物の混合物であることが確認された。さら
に、得られた正極活物質の化学分析を行なったところ、
2価のNiが残存しており、Niの十分な酸化が起こら
なかったことが推察される。この電池をB3とする。 【0029】このようにして作製した電池A1,A2,
A3,B1,B2,B3を用いて充放電サイクル試験を
行った。試験条件は、充電電流3mA、充電終止電圧
4.2V、放電電流3mA、放電終止電圧3.0Vとし
た。 【0030】これら作製した電池の充放電試験の結果を
表1に示す。 【0031】 【表1】【0032】表1から分かるように本発明による電池A
1,A2,A3,A4,A5は比較電池B1、B2,B
3に比べて初期充放電容量が大きく、さらに10サイク
ル後の減少が小さかった。 【0033】実施例においては、LiaNib1 c2 d
2のM1がMn,Fe,Crについて挙げたが、同様の効
果がTi,V,Cuについても確認された。 【0034】このようにしてLiNiO2 のNiをM
n,Fe,Ti,V,Cr,CuとAl,In,Snの
共存下置換することにより初めて容量の増大とサイクル
の安定性が実現できる。 【0035】なお、本発明は上記実施例に記載された活
物質の出発原料、製造方法、正極、負極、電解質、セパ
レータ及び電池形状などに限定されるものではない。ま
た、負極に炭素材料を用いるものや、電解質、セパレー
タの代わりに固体電解質を用いるものなどにも適用可能
である。 【0036】 【発明の効果】本発明は上述の如く構成されているの
で、放電容量の大きい可逆性に優れた長寿命のリチウム
二次電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施例1に係るコイン型リチウム二次
電池の断面図である。 【符号の説明】 1 正極 2 負極 3 セパレータ 4 正極缶 5 負極缶 6 正極集電体 7 負極集電体 8 絶縁パッキング

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 正極活物質が、層状構造を有するLiN
    iO 2 のNiの一部が置換されたLiaNib1 c2 d2
    で示される層状構造を有する複合酸化物からなり、M1
    はMn,Fe,Ti,V,Cr,Cuであり、M2 はA
    l,In,Snであることを特徴とするリチウム二次電
    池。
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