JP3530377B2 - リチウム二次電池 - Google Patents
リチウム二次電池Info
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Description
酸化物粉末(以下、「非晶質酸化物粉末」と称すること
がある。)を負極のリチウムイオン吸蔵材とするリチウ
ム二次電池に係わり、詳しくは、充放電サイクル特性を
改善することを目的とした、当該非晶質酸化物粉末の改
良に関する。
リチウム二次電池が、水の分解電圧を考慮する必要が無
いために正極材料を適宜選択することにより高電圧化及
び高容量化が可能であることから、電子機器のポータブ
ル化、コードレス化の普及に伴い、それらの駆動電源と
して注目されている。
初、リチウム一次電池に汎用されている金属リチウムが
有望視されたが、充電時に負極の表面に析出する樹枝状
の電析リチウムの成長に因り、内部短絡が起こる虞れが
あることが分かった。
がない、充放電時にリチウムイオンを電気化学的に吸蔵
及び放出する、黒鉛、コークス等の炭素材料又は酸化物
が使用されている。特に、黒鉛は、炭素材料の中では比
容量が最も大きく、実用電池における代表的な負極材料
である。
リチウムイオン量には限界があり、370mAh/gを
超える比容量を有する黒鉛を得ることは理論的に不可能
である。斯かる黒鉛を負極材料に使用したのでは、充電
間隔の長期化の要請に充分に応え得る高容量のリチウム
二次電池を得ることは困難である。
比容量がかなり大きいものも存在するが、充放電を繰り
返すと、膨張・収縮の繰り返しにより粒子内に内部応力
に因る歪みが生じ、構造破壊が生じて、劣化し易い。
構造の安定化を図るために、非晶質化したり、種々の元
素を組み合わせて多成分系にしたりすることが提案され
ている。
は、周期表IIIb、IVb 、Vb 族原子から選ばれた二種以
上の原子を含む非晶質酸化物粉末をリチウム二次電池の
負極材料として使用することにより、高容量且つ充放電
サイクル特性の良いリチウム二次電池を得ることができ
ることが報告されている。
は、充放電を繰り返したときの比容量の低下が黒鉛に比
べると未だ大きく、この点に関するさらなる改良が要請
されていた。
性が良い、非晶質酸化物粉末を負極のリチウムイオン吸
蔵材とするリチウム二次電池を提供することを目的とす
る。この目的は、次に述べるように、負極のリチウムイ
オン吸蔵材として特定の非晶質な多孔性酸化物粉末を使
用することにより達成される。
次電池(本発明電池)は、孔径が100nm以下の細孔
の総体積V(単位:cm3 /g)と、ヘリウム置換法で
の真密度d(単位:g/cm3 )との積V・dが、0.
1〜0.5である実質的に非晶質な多孔性酸化物粉末を
負極のリチウムイオン吸蔵材とする。
と、ヘリウム置換法での真密度dとの積V・dは、V/
(1/d)と書き改めることができる。ここで、Vは酸
化物1gが有する孔径100nm以下の細孔の総体積で
あり、また1/dは細孔を全く有しないと仮定した場合
の酸化物1gの体積であるから、V/(1/d)は、細
孔を含めた多孔性酸化物全体の体積に対する孔径100
nm以下の細孔の総体積の比に等しく、孔径100nm
を超える細孔が存在しない場合は酸化物の多孔度に等し
い。
ウムイオン吸蔵材は、上記のV・dが0.1〜0.5の
多孔性酸化物粉末である。V・dが0.1より小さい場
合は、充放電時の体積変化に伴い発生する内部応力を緩
和することが充分にできないために、歪みによる構造破
壊が生じて劣化し易くなり、充放電サイクル特性の良い
リチウム二次電池を得ることが困難になる。一方、V・
dが0.5より大きい場合は、多孔性酸化物自体の機械
的強度が低下するので、この場合もまた、充放電サイク
ル特性の良いリチウム二次電池を得ることが困難にな
る。また、V・dが大きくなり過ぎると、多孔性酸化物
粉末の充填密度が低下して、電池容量が減少するので、
この点からもV・dが0.5以下の多孔性酸化物粉末が
実用的である。
nmより大きい細孔が可及的に少ないものが好ましく、
具体的には、孔径が100nmより大きい細孔の総体積
V’と真密度dとの積V’・dが、0.6以下のものが
好ましい。孔径が100nmより大きい細孔は、孔径が
100nm以下の細孔が同じ量存在する場合に比べて、
充放電時の体積変化に伴い発生する内部応力を緩和する
効果が小さいのみならず、孔径が100nmより大きい
細孔の総体積が増加すると機械的強度が低下して、充放
電サイクル特性が低下するからである。また、孔径が1
00nmより大きい細孔が存在すると、多孔性酸化物粉
末の充填密度が低下して電池容量が減少するので、この
点でも可及的に少ないことが好ましい。
性相とからなる分相構造を有する非晶質酸化物粉末から
易溶解性相を化学的に除去することにより作製すること
ができる。分相構造を有する非晶質酸化物粉末は、例え
ば、均一な多成分系の非晶質酸化物粉末を、加熱処理す
ることにより作製することができる。加熱処理温度によ
って、得られる分相構造は異なる。ガラス転移点よりも
少し低い温度で加熱処理した場合に起こる所謂『スピノ
ーダル分解』により得られる不規則な形状の2相が互い
に絡み合った分相構造を有する非晶質酸化物粉末から、
そのうちの1相(易溶解性相)を化学的に除去すること
により得られる多孔性酸化物粉末が、BET法での比表
面積が通常10m2 /g以上と大きく、充放電サイクル
において比容量が低下しにくいので、好ましい。比表面
積が大きいほど、比容量が低下しにくくなる理由は、V
・dが同じ値の多孔性酸化物粉末の場合、比表面積が大
きいものほど微細な細孔が多数分散して存在するため、
膨張・収縮時の体積変化に伴い発生する内部応力が有効
に緩和されるからである。なお、加熱処理温度が高すぎ
ると、易溶解性相が球状となることがある。斯かる易溶
解性相が球状をなす非晶質酸化物粉末からも、多孔性酸
化物粉末を得ることはできるが、比表面積が10m2 /
g以上のものを得ることは通常困難である。
的除去は、非晶質酸化物粉末を酸液又はアルカリ水溶液
に浸漬して、易溶解性相を溶出させることにより行う。
使用する酸液(硝酸、塩酸、硫酸など)又はアルカリ水
溶液(水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液
など)の種類及び濃度、易溶解性相の組成などにより易
溶解性相の溶出速度が大きく異なるので、易溶解性相の
組成に応じた処理溶剤を使用することが好ましい。
Sn、Fe、W、Nb及びMoよりなる群から選ばれた
少なくとも一種の元素と、B、Si、Ge、P、As、
Sb、V及びZrよりなる群から選ばれた少なくとも一
種の元素とを含有する酸化物が例示される。後者の元素
群は非晶質化のために通常必要となる元素である。上記
の元素の外、さらにリチウム、ナトリウム、カリウム等
のアルカリ金属及び/又はマグネシウム、カルシウム、
バリウム等のアルカリ土類金属を含有する酸化物が好ま
しい。これらの元素を含有せしめることにより、非晶質
化及び分相構造の形成が容易になる。
ン吸蔵材として、特定の非晶質な多孔性酸化物粉末を使
用した点にある。それゆえ、正極材料、電解液などの電
池を構成する他の部材については、従来リチウム二次電
池用として実用され、或いは提案されている種々の材料
を使用することができる。
iO2 、LiMn2 O4 が例示される。電解液として
は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、
ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の有機
溶媒に、LiPF6 、LiClO4 、LiCF3 S
O3 、LiN(CF3 SO2 )2 等の電解質塩を0.7
〜1.5モル/リットル溶かした溶液が例示される。
するが、本発明は下記実施例に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で適宜変更して実施す
ることが可能なものである。
電池を作製し、各電池の放電容量及び充放電サイクル特
性を調べた。
oO2 と、導電剤としての人造黒鉛との重量比18:1
の混合物95重量部と、ポリフッ化ビニリデン5重量部
のN−メチル−2−ピロリドン溶液とを混練してスラリ
ーを調製し、このスラリーを集電体としてのアルミニウ
ム箔の両面にドクターブレード法により塗布し、150
°Cで2時間真空乾燥して、正極を作製した。
SiO2 とB2 O3 とNa2 OとのW:Si:B:Na
の原子比1:1:0.5:0.1の混合物を、白金坩堝
に入れて1000°Cに加熱して溶融させた後、約10
0°C/分の冷却速度で急冷し、粉砕して、平均粒径5
μmのガラス光沢を有する非晶質酸化物粉末を得た。
気中にて600°Cで1時間、2時間、5時間又は10
時間加熱処理して、4種の非晶質酸化物粉末を得た。各
非晶質酸化物を電子顕微鏡にて観察したところ、いずれ
も2種の相が互いに絡み合ったスピノーダル分解により
形成された分相構造を有していた。
末を、60°Cに加温した5%の希硝酸に2時間浸漬し
て、易溶解性相を溶出させた後、乾燥して、負極のリチ
ウムイオン吸蔵材としての多孔性酸化物粉末a1〜a
3,b1を得た。各多孔性酸化物粉末の組成をICP発
光分析法により調べて、いずれも、B及びNaの含有量
が少なく、WとSiの原子比1:1の酸化物を主成分と
するものであることを確認した。B及びNaの含有量が
大きく減少したのは、B及びNaを含む酸化物からなる
易溶解性相が硝酸に溶出したからである。なお、ICP
発光分析法とは、高周波誘導により励起したアルゴンプ
ラズマ中に溶液試料を噴霧し、励起された原子が発する
スペクトル線を分析して、定性及び定量分析する方法で
ある。
製〕非晶質酸化物粉末をアルゴン雰囲気中にて加熱処理
して分相構造を有する非晶質酸化物粉末を得る際の加熱
処理温度を600°Cに代えて700°Cとしたこと以
外は多孔性酸化物a1〜a3,b1の作製方法と同様に
して、多孔性酸化物a4〜a6,b2を作製した。
WO2 とSiO2 とB2 O3 とNa2 OとのW:Si:
B:Naの原子比1:1:0.5:0.1の混合物を、
白金坩堝に入れて1000°Cに加熱して溶融させた
後、約100°C/分の冷却速度で急冷し、粉砕して、
平均粒径5μmのガラス光沢を有する非晶質な非多孔性
酸化物粉末b3を得た。また、上記の混合物に代えてW
O2 とSiO2 とのW:Siの原子比1:1の混合物を
使用したこと以外は非多孔性酸化物粉末b3の作製方法
と同様にして、平均粒径5μmのガラス光沢を有する非
晶質な非多孔性酸化物粉末b4を得た。なお、ここでい
う非多孔性酸化物粉末とは、化学的処理により多孔質化
していない酸化物粉末であり、細孔を全く有しない酸化
物粉末のことではない。
物と、導電剤としての人造黒鉛との重量比9:1の混合
物95重量部と、ポリフッ化ビニリデン5重量部のN−
メチル−2−ピロリドン溶液とを混練してスラリーを調
製し、このスラリーを集電体としての銅箔の両面にドク
ターブレード法により塗布し、150°Cで2時間真空
乾燥して、負極を作製した。
ジエチルカーボネートの体積比1:1の混合溶媒に、L
iPF6 を1モル/リットル溶かして電解液を調製し
た。
液を用いて、外径18mm、高さ65mmの円筒形のリ
チウム二次電池A1〜A6,B1〜B4を作製した。セ
パレータとして、リチウムイオン透過性を有するポリプ
ロピレン製の微多孔膜を用いた。リチウム二次電池A1
〜A6は、それぞれ多孔性酸化物a1〜a6を使用した
本発明電池であり、リチウム二次電池B1,B2は、そ
れぞれ多孔性酸化物b1,b2を使用した比較電池であ
り、リチウム二次電池B3,B4は、それぞれ非多孔性
酸化物b3,b4を使用した比較電池である。
に示す断面図であり、図示のリチウム二次電池BAは、
正極1、負極2、両電極を離間するセパレータ3、正極
リード4、負極リード5、正極蓋6、負極缶7などから
なる。正極1及び負極2は、電解液が注入されたセパレ
ータ3を介して渦巻き状に巻き取られた状態で負極缶7
内に収納されており、正極1は正極リード4を介して正
極蓋6に、また負極2は負極リード5を介して負極缶7
に接続され、電池内部に生じた化学エネルギーを電気エ
ネルギーとして外部へ取り出し得るようになっている。
オン吸蔵材(多孔性酸化物又は非多孔性酸化物)の、孔
径が100nm以下の細孔の総体積V(cm3 /g)、
ヘリウム置換法での真密度d(単位:g/cm3 )、V
・d、孔径が100nmより大きい細孔の総体積V’
(cm3 /g)、孔径が10nm以下の細孔の総体積
V”(cm3 /g)及びBET法(被吸着体:窒素)で
の比表面積(m2 /g)を、表1〜表3に示す。V及び
V”は、毛管凝集法により求め、V’は、水銀圧入法に
より求めた(以下のV、V’及びV”も同様であ
る。)。
性)各電池について、室温(約25°C)にて、200
mAで4.1Vまで充電した後、200mAで2.75
Vまで放電する充放電を200サイクル行い、1サイク
ル目の放電容量(mAh)及び下式で定義される200
サイクル目までの1サイクル平均の容量劣化率(%/サ
イクル)を求めた。結果を先の表1〜表3に示す。
−200サイクル目の放電容量)/1サイクル目の放電
容量}÷199(サイクル)×100
〜A6は、比較電池B1〜B4に比べて、容量劣化率が
小さく、充放電サイクル特性が良い。本発明電池A1〜
A6の放電容量は、比較電池B3,B4のそれらとほぼ
等しい。本発明電池A1〜A6の中でも本発明電池A1
〜A3は、容量劣化率が特に小さく、充放電サイクル特
性が極めて良い。これは、比表面積が大きい、すなわち
微細な細孔が多数分散して存在する多孔性酸化物粉末を
使用した本発明電池A1〜A3では、比表面積の小さ
い、すなわち大きな細孔が点在する多孔性酸化物粉末を
使用した本発明電池A4〜A6に比べて、多孔性酸化物
の充放電時の体積変化により発生する内部応力が有効に
緩和されたために、構造破壊が生じにくく、劣化しにく
かったからである。なお、本発明電池A4〜A6に使用
した多孔性酸化物粉末の比表面積が小さいのは、分相構
造を有する非晶質酸化物を作製する際の加熱処理温度が
高すぎたために、スピノーダル分解が起こらず、球状の
易溶解性相が形成されたからである。比較電池B1,B
2の容量劣化率が大きいのは、多孔性酸化物粉末の機械
的強度が低いからであり、またこれらの電池の1サイク
ル目の放電容量が小さいのは、多孔性酸化物粉末の充填
密度が小さいからである。比較電池B3,B4の容量劣
化率が極めて大きいのは、非多孔性酸化物粉末は、充放
電時の膨張・収縮に伴い粒子内に発生する内部応力を緩
和する働きを有する細孔が極めて少ないために、構造破
壊が速やかに進行したからである。
電池を作製し、各電池の放電容量及び充放電サイクル特
性を調べた。
e2 O3 とSiO2 とB2 O3 とNa2 OとのFe:S
i:B:Naの原子比1:1:0.5:0.1の混合
物、MoO2 とP2 O5 とB2 O3 とK2 OとのMo:
P:B:Kの原子比1:1:0.5:0.1の混合物及
びNb2 O3 とP2 O5 とB2 O3 とK2 OとのNb:
P:B:Kの原子比1:1:0.5:0.1の混合物
を、白金坩堝に入れて1000°Cに加熱して溶融させ
た後、約100°C/分の冷却速度で急冷し、粉砕し
て、平均粒径5μmのガラス光沢を有する3種の非晶質
酸化物粉末を得た。
囲気中にて600°Cで2時間加熱処理して、分相構造
を有する3種の非晶質酸化物粉末を得た。分相構造を電
子顕微鏡にて観察したところ、いずれも2種の相が互い
に絡み合ったスピノーダル分解により形成された分相構
造であった。
末を、60°Cに加温した濃度5%の硝酸に2時間浸漬
して、易溶解性相を溶出させた後、乾燥して、負極のリ
チウムイオン吸蔵材としての3種の多孔性酸化物粉末a
7〜a9を得た。各多孔性酸化物粉末の組成をICP発
光分析法により調べ、いずれもB及びNa(又はK)の
含有量が極めて少なく、それぞれFeとSi、MoとP
及びNbとPの原子比が1:1の酸化物を主成分とする
ものであることを確認した。
Fe2 O3 とSiO2 とのFe:Siの原子比1:1の
混合物、MoO2 とP2 O5 とのMo:Pの原子比1:
1の混合物及びNb2 O3 とP2 O5 とのNb:Pの原
子比1:1の混合物を、白金坩堝に入れて1000°C
に加熱して溶融させた後、約100°C/分の冷却速度
で急冷し、粉砕して、平均粒径5μmのガラス光沢を有
する3種の非晶質な非多孔性酸化物粉末b5〜b7を得
た。各非多孔性酸化物粉末の組成をICP発光分析法に
より調べ、それぞれFeとSi、MoとP及びNbとP
の原子比が1:1の酸化物を主成分とするものであるこ
とを確認した。
又は各非多孔性酸化物粉末を負極のリチウムイオン吸蔵
材として用いたこと以外は実験1と同様にして、リチウ
ム二次電池A7〜A9,B5〜B7を作製した。リチウ
ム二次電池A7〜A9は、それぞれ多孔性酸化物a7〜
a9を使用した本発明電池であり、リチウム二次電池B
5〜B7は、それぞれ多孔性酸化物b5〜b7を使用し
た比較電池である。
オン吸蔵材(多孔性酸化物又は非多孔性酸化物)の、単
位重量当たりの孔径100nm以下の細孔の総体積V
(cm3 /g)、ヘリウム置換法での真密度d(単位:
g/cm3 )、V・d、孔径が100nmより大きい細
孔の総体積V’(cm3 /g)、孔径が10nm以下の
細孔の総体積V”(cm3 /g)及びBET法(被吸着
体:窒素)での比表面積(m2 /g)を、表4に示す。
性)各電池について、実験1と同じ条件で充放電を20
0サイクル行い、1サイクル目の放電容量(mAh)及
び200サイクル目までの1サイクル平均の容量劣化率
(%/サイクル)を求めた。結果を先の表4に示す。
は、比較電池B5〜B7に比べて、容量劣化率が小さ
く、充放電サイクル特性が良い。また、本発明電池A7
〜A9の放電容量は、比較電池B5〜B7のそれらとほ
ぼ等しい。
多孔性酸化物粉末を用いることにより、放電容量の減少
を極めて少なくおさえつつ、充放電サイクル特性を改善
することができることが分かる。
電池が提供される。
ある。
Claims (6)
- 【請求項1】実質的に非晶質な酸化物粉末を負極のリチ
ウムイオン吸蔵材とするリチウム二次電池において、前
記酸化物粉末は、孔径が100nm以下の細孔の総体積
V(単位:cm3 /g)と、ヘリウム置換法での真密度
d(単位:g/cm3 )との積V・dが、0.1〜0.
5である多孔性酸化物粉末であることを特徴とするリチ
ウム二次電池。 - 【請求項2】前記多孔性酸化物粉末は、BET法での比
表面積が10m 2 /g以上である請求項1記載のリチウ
ム二次電池。 - 【請求項3】前記多孔性酸化物粉末は、孔径が100n
mより大きい細孔の総体積V’(単位:cm 3 /g)と
真密度d(単位:g/cm 3 )との積V’・dが、0.
6以下である請求項1記載のリチウム二次電池。 - 【請求項4】前記多孔性酸化物粉末は、易溶解性相と難
溶解性相とからなる分相構造を有する実質的に非晶質な
酸化物粉末から前記易溶解性相を化学的に除去すること
により作製されたものである請求項1記載のリチウム二
次電池。 - 【請求項5】前記多孔性酸化物粉末は、Sn、Fe、
W、Nb及びMoよりなる群から選ばれた少なくとも一
種の元素と、B、Si、Ge、P、As、Sb、V及び
Zrよりなる群から選ばれた少なくとも一種の元素との
複合酸化物粉末である請求項1記載のリチウム二次電
池。 - 【請求項6】前記多孔性酸化物粉末は、Sn、Fe、
W、Nb及びMoよりなる群から選ばれた少なくとも一
種の元素と、B、Si、Ge、P、As、Sb、V及び
Zrよりなる群から選ばれた少なくとも一種の元素と、
アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属との複合酸化
物粉末である請求項1記載のリチウム二次電池。
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